CN105780583B - 非木材类纸浆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非木材类纸浆，其为以草本植物材料的三素分离得到的纤维素产品。其中该纤维素产品的性质如下：基于纤维素产品的总重量纤维素的浓度为25％‑30％，K值为5.5以下，叩解度为20‑30°SR，湿重为2‑3.5g，白度为44.5°以下，pH值为7‑9，基于固形物总重量的纤维素含量为90％‑97％。本发明非木材类纸浆与同类型产品相比具有更高的纤维素含量，制得的纸具有更加优异的外观特征。此外，使用本发明的非木材类纸浆制造纸时没有添加化学药剂，可不经过漂白处理，因此无残留，使用时对人体没有伤害。

Description

非木材类纸浆

技术领域

本发明涉及生物质资源化高效综合利用领域，具体地涉及主要为利用三素分离得到的纤维素产品的非木材类纸浆。

背景技术

作为造纸的原料主要是植物纤维。在经济发达国家主要采用针叶树或阔叶树木材，其约占总用量的95％以上。而在中国所用的植物纤维原料品种则相对比较多，包括(1)针叶树木材，如落叶松、红松、马尾松、云南松、樟子松等；(2)阔叶树木材，如杨木、桦木、桉木等；(3)草本植物，如芦苇、竹子、芒秆、麦草、稻草、龙须草、高粱秆、蔗渣等；(4)韧皮纤维类，如亚麻、黄麻、洋麻、檀树皮、桑皮、棉秆皮等；(5)毛纤维类，如棉花、棉短绒、棉破布。从原料来源角度，使用例如上述(3)草本植物成本更低且来源广泛。然而，与上述(1)和(2)类原料相比，使用其他材料，特别是上述(3)类原料制得的纸张纤维含量较低，在外观上表现为松垮、强度低、质地不均，甚至有不规则孔洞。另一方面，随着人民生活水平及质量的提高，在市场上消费者更加倾向于选择由100％木浆制造的生活用纸。

为了解决使用上述(3)类原料制得的纸张的这些问题，目前通常进行压花处理以掩人耳目。另外，为了提高手感，添加各种造纸助剂，例如滑石粉而使其过分滑腻或使用时经常有粉尘脱落。此外，为了提高白度而进行过分漂白处理，使颜色过分白或有污点。然而，这些方法并不能从根本上解决特别是作为草本类原料带来的问题。

发明内容

本发明的发明人在生物质资源化综合利用方面，特别是生物质资源的三素分离领域进行了长期研究，发明人发现在将草本植物作为原料进行三素分离后可得到纤维素、半纤维素以及木质素产品，其中得到的纤维素产品中纤维素含量提高，而木质素及半纤维含量降低。以此纤维素产品作为造纸原料可提高纸张的品质，改善外观。由此完成了本发明。

本发明提供一种非木材类纸浆，其为以草本植物材料制得的纤维素产品，所述非木材类纸浆具有以下性质：

基于所述纤维素产品的总重量所述纤维素的浓度为25％-30％，K值为5.5以下，叩解度为20-30°SR，湿重为2-3.5g，白度为44.5°以下，pH值为7-9，所述纤维素的含量基于固形物总重量为90％-97％。

优选地，非木材类纸浆可通过下述步骤制得：

将收集的草本植物材料进行预处理，然后通过输送设备送入一级分离装置，用0.6MPa-3.0MPa的蒸汽蒸煮1min-5min，蒸煮后再进行多级清洗，然后进行固液分离得到半纤维素液以及固形物；

向所述固形物加入碱溶液，在90℃-130℃的条件下蒸煮0.5h-1.5h，蒸煮后进行二次固液分离得到纤维素产品。

优选地，碱溶液选自由氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氢氧化钙水溶液、氨水和碳酸氢钠水溶液组成的组的至少一种。可选地，碱溶液的添加量基于所述固形物的总质量以碱的重量计为4％-10％。

在优选的制浆方法中预处理包括草本植物材料的除尘处理以及切割粉碎从而使植物颗粒化的处理。

优选地，草本植物材料选自植物的根、秸秆、叶子和种壳组成的组的至少之一。另外，优选地，草本植物材料选自由玉米秆、小麦秆、大麦秆、谷物秆、芦苇、亚麻茎、杂草、谷物壳、麦糠、豆类秸秆、棉花秆和薯类秧组成的组的至少之一。

本发明属于生物质资源化的综合利用，通过分离纤维素、木质素和半纤维素，在充分利用植物资源的木质素、半纤维素的同时，将得到的高含量纤维素产品作为非木材纸浆进行造纸，提高了纸张的纤维素含量及外观特征。另外，本发明的纸因没有添加化学药剂，没有经过漂白处理，因此无残留，使用时对人体没有伤害。

使用本发明所述的非木材类纸浆进行制浆时，由于纤维素产品中已经将草本植物中的半纤维素分离出去，剩余的纤维素和木质素的结构也疏解开，因此，使用化学药品的量由传统制浆的12％-18％降低至5％至8％。甚至可以不使用任何化学药品。另外，与传统制浆时的蒸汽压力(0.5-0.7MPa)和温度(135℃-150℃)相比，利用本发明的非木材类纸浆进行制浆时温度和蒸汽压力也降低。

向所述固形物加入碱溶液，在90℃～130℃的条件下蒸煮0.5h～3h，蒸煮后进行二次固液分离得到固态形式的纤维素产品，传统造纸制浆不需要先分离半纤维素，而是直接将原料通过加入酸或者碱，进行蒸煮，一般蒸煮温度为：150-170℃，蒸煮时间在1.5-2.5小时。蒸汽压力在0.6MPa-0.8MPa.蒸煮后的原料经过洗涤、筛选、漂白等工艺处理，得到纸浆，在洗涤、筛选、漂白等工艺处理过程中产生的半纤维素、木质素混合在水体中，形成较难处理的制浆废水。

附图说明

图1为传统三级分离装置的示意性说明图。

具体实施方式

现对本发明的各示例性实施方案进行详细描述，其中的实施例用附图加以说明。可以理解的是，以下的详细说明不是对本发明的限定，相反是为读者提供对本发明的某些方面和特征的细节更好的理解。

在本发明中，各种科技术语、名词、单位均具有本领域内通常的含义，除非另作说明。另外，本发明中各种参数的定义如造纸行业中最新版国家标准所述，并且它们的测定均根据造纸行业中相关的最新国家标准测定，除非另作说明。本发明所述的各类单位在表示重量时以克(g)，除非另作说明。

在本发明中，生物质原料(例如草本植物的各类材料)通过三级分离技术可以生产纤维素、半纤维素和木质素。本文中将这三种物质总称为“三素”，将通过三级分离技术生产三素的技术称作“三素分离技术”。其中包括通过三次分离手段分别得到不同产品，并将不同产品开发用于生产三素。

下面参考示例性的附图1来说明三级分离步骤。

一级分离步骤：将收集的生物质原料进行预处理，然后通过输送设备送入一级分离装置，用0.6MPa-3.0MPa的蒸汽蒸煮1min-5min，蒸煮后再进行多级清洗，然后进行固液分离得到半纤维素液相(第一液相)以及作为固形物的第一固相；

二级分离步骤：以上述固形物的总质量计，向固形物中加入4％-10％的碱溶液，在90℃-130℃的条件下蒸煮0.5h-1.5h，蒸煮后进行二级固液分离得到第二液相和第二固相；

三级分离步骤：将第二液相进行沉淀、过滤、活化、精选处理，得到第三液相和第三固相，其中所述第三液相为生化木素原液。

在上述三级分离中，第一液相优选地可进一步用于厌氧发酵产生沼气或制备糠醛产品。第二固相优选地可进一步用于加工制成纤维素或其衍生产品，例如羧甲基纤维素产品。作为第三液相的生化木素原液优选地可经膜装置进一步浓缩，制成液态生化木素产品，将液体生化木素产品经蒸发和干燥后制得固态生化木素产品。另外，作为第三固相的固形物可优选地经沉淀、固液分离处理后，用于制备例如生物质成型燃料产品。

本发明中，所用的术语“蒸煮”是指在液体溶剂中进行的高温处理，包括但不限于常压蒸煮、减压蒸煮以及高压蒸煮。其中液体溶剂包括水性溶剂和有机溶剂。其中水性溶剂优选水，包括自来水、纯水、河水、湖水等淡水。有机溶剂包括蒽醌类溶剂、醇类溶剂和有机酸溶剂等。从成本及环保角度，所述溶剂优选为水。

本发明中，所述的术语“非木材类纸浆”是指利用草本植物制得的纸浆。其中包含100％的草本植物纸浆，不包含任何木本植物纤维成分。即，本发明的非木材纸浆仅由草本植物纸浆构成。

本发明中，所述的“草本植物”相对于木本植物而使用，指木质部不发达，茎秆柔软的一类植物。与之相对的木本植物指木质部发达、坚硬，植株高大。草本植物一般植株矮小，分为一年生、越年生和多年生三类。作为草本植物，优选地包括但不限于各类农业作物。例如，麦类、谷物、芦苇、亚麻类、玉米、巨菌草、高粱、葵花、杂草、食用菌、豆类、棉花或薯类等。另外，草本植物材料，包括上述植物的至少一部分，例如上述植物的根、茎叶、花等。从原料广泛及成本角度，优选植物茎部材料，例如各种秸秆。

本发明中使用的术语“纤维素产品”是指在草本植物材料的三素分离中产生的富含纤维素成分的产品。纤维素产品通常为固态形式或浓稠状态。浓度控制在20％以上，优选地可达到25％以上，例如，25.5％、26％、26.5％、27％、27.5％、28％、28.5％、29％、29.5％、30％。在某些实施方案中所述纤维素的浓度可为28.63％，所述浓度基于所述纤维素产品的总重量计。

本发明中，纤维素产品优选具有以下性质：基于所述纤维素产品的总重量所述纤维素的浓度25％-30％，K值为5.5以下，叩解度为20-30°SR，湿重2-3.5g，白度为44.5°以下，pH值为7-9，优选8.07。只要纤维素产品具有上述性质即可作为本发明的非木材类纸浆。

优选地，本发明中的纤维素产品可通过下述步骤得到：将收集的草本植物材料进行预处理，然后通过输送设备送入一级分离装置，用0.6MPa-3.0MPa的蒸汽蒸煮1min-5min，蒸煮后再进行多级清洗，然后进行固液分离得到半纤维素液以及固形物；向所述固形物加入碱溶液，在90℃-130℃的条件下蒸煮0.5h-3h，蒸煮后进行二次固液分离得到纤维素产品。

优选地，纤维素产品中纤维素的含量基于固形物总重量为90％-97％，例如，91％、92％、93％、94％、95％、96％，甚至达到97％。而在传统工艺中，以单纯草本植物为原料的制得的纸浆一般含有木质素、半纤维素，因此纸浆中纤维素的含量较低，通常基于固形物总重量在65％-80％之间。

由于草本植物含有大量的木质素，可达60％。在造纸过程中需要尽可能地脱除这些木质素。传统上，在将蒸煮后的粗浆进行筛选、洗涤过程中进行氧碱漂，脱除部分木质素，从而得到符合质量要求的细浆。在本发明的三素分离过程中，通过第一次分离去除半纤维素。通过第二次分离去除包含于液相的木质素。因此，得到的纤维素产品中已经去除大部分的半纤维素和木质素。

另外，在传统造纸工艺中需要纸浆漂白，从而去除纸浆中的有色物质，或改变化学组分使之脱色，同时进一步去除残余的部分木质素，以提高纸浆的白度和白度稳定性，满足生产的纸或高纯度精制浆的要求。而在本发明中，由于纤维素产品中已经含有很少量的木质素，因此，无需进一步进行漂白处理即可实现低含量的木质素要求。因此，本发明的非木材类纸浆制造方法优选不包含任何漂白步骤。

本发明中所使用的术语“K值”，是指纸浆的卡帕值，即一定量的纸浆在特定的酸性条件下，与一定量的高锰酸钾反应一定时间，得到的纸换算成相当于消耗50％高锰酸钾量。该数值的大小反映出经蒸煮后残留在纸浆中木素含量的多少以及其他还原性物质的相对含量，可以间接地表示纸浆脱木质素程度的大小，从而对蒸煮工艺的评价以及为纸浆的漂白工艺的制定提供依据。其计算公式为：K＝pf/M，其中：

K-纸浆的卡帕值，

p-纸浆消耗0.02mol/L，KMnO₄溶液的量mL

M-纸浆的绝干重量g

f-相当于50％高锰酸钾消耗量的修正值(参见GB/T 1546-2004)。

本发明中的K值优选为6以下，例如5.9以下、5.8以下、5.7以下、5.6以下、5.5以下，特别优选5.4以下。优选的K值为5.32。

本发明所述的“叩解度”也称作“打浆度”，是指反应浆料经磨浆机后，纤维被切断、分裂、润胀、和水化等磨浆作用的效果。代表符号为°SR。叩解度的测量可通过本领域内公知的方法测定。例如，根据国家标准:GB/T 3332-1982浆料打浆度的测定法(肖伯尔-瑞格勒法)进行测定。本发明中的叩解度可为20-30°SR的范围，例如25-28°SR，特别优选26.5°SR。

本发明所述的“湿重”，是间接表示纤维平均长度。湿重越小纤维平均长度越小，湿重越大纤维平均长度越长。本发明中湿重的测定方法采用框架法，即纤维湿重(g)＝框架与纤维的重量--框架重量

纤维平均长度(mm)＝湿重×框架系数。

本发明中的湿重优选在2-3.5g范围内，例如，2.5g、2.7g、2.9g、3.0g，优选2.93g。

本发明中的“白度”为纸浆显白或漂白程度，其实质是白光对纸浆所在所有波长反射均匀的总反射率。本发明中用度(°)表示。白度用白度仪来测量。例如根据GB/T 8940.2-1988来测定。本发明的纸浆白度为45°以下，例如44.9°以下、44.7°以下、44.5°以下、44.3°以下、44.1以下，甚至44.0以下，优选地为44.13°。

本发明中方法中所述的造纸则是把制浆后的纤维经磨、筛、洗、漂后形成悬浮在水中的纸浆纤维，再经添加各种辅助化工原料加工结合成不同规格和用途的纸产品。本发明的造纸工艺，例如碎浆和打浆、筛选除砂净化为本领域内通常采用的工艺，其具体步骤或参数可根据本发明的目的而适应调整。

另外，需要说明的是，在上述制浆或造纸工艺中，可向各阶段的纸浆或成浆中添加本领域通常使用的添加剂或助剂，例如粘合剂、增香剂等，从而达到不同的目的。但需要特别说明的是，本发明的方法中使用的添加剂或助剂不包括具有漂白功能的任何试剂，例如次氯酸、双氧水等。

本发明所述的术语“分离”，指从生物质原料中除去至少部分物质，例如除去至少部分纤维素。包括但不局限于过滤分离、沉淀分离等。

“预处理”指以某种方式改变生物质的物理性质，例如，改变生物质的长度、尺寸的切割粉碎处理；还包括改变生物质的化学性质，例如，在结晶度、聚合度、表面积、至半纤维素和/或木质素的结合和在特定溶剂中的溶解度方面的改变。

在三级分离中使用的“碱溶液”(亦可称作“碱液”、“液碱”)为本领域内通常使用的碱性液体，通常为碱金属的氢氧化物的水溶液，例如，NaOH、KOH、Ca(OH)₂等水溶液，也可包括氨水、NaHCO₃等本领域内通常的碱性物质的溶液。作为碱液的浓度基于固形物的重量以碱的重量计优选为4％-10％，例如，4％-8％、4.2％-7％，4.4至6％。由于本发明在第一次分离时纤维素和木质素的结构疏解开，所以能够使用较低的碱用量，例如为4.5％。

本发明中，“半纤维素液”优选是指通过用0.6MPa-3.0MPa的蒸汽蒸煮1min-5min，蒸煮后再进行多级清洗并固液分离得到的富含半纤维素的有机液相。由此得到的半纤维素液相的pH值通常低于6.8。例如，在某些情况下低于6.5，特别情况下低于6.0。

优选地，本发明制得的纸浆可进一步用于例如制造环保型本色纸，其中制造本色纸的方法中碎浆在水力碎浆机内进行，并且控制碎浆用水的pH值在7.0-7.8范围内，浆液的固形物重量浓度在3％-5％范围内。优选地本发明的制造方法还包括在所述碎浆之后和所述打浆之前，通过将浆料泵至脱水网，将浆浓度提高到5重量％-7重量％。可选地，打浆的压力控制在0.15-0.25MPa，打浆电流控制在60A-90A。

优选地，本色纸为抽纸或卷纸。更优选地本色纸为餐桌纸。

实施例

非木材类纸浆1的制备：

将50吨小麦秸秆作为原料，将该原料进行除尘、切割粉碎预处理，之后通过输送设备送入蒸煮罐中，用2.0MPa左右的蒸汽蒸煮约5min，蒸煮后再用水进行多级清洗，并通过沉淀来固液分离，将含有半纤维素的上层液体分离出来，并回收下层蒸煮后的固体成分。

接下来，向得到的蒸煮后的固体成分中加入4.5％的氢氧化钠水溶液,在约100℃的条件下蒸煮约1小时，蒸煮后进行沉淀，回收下层固形物，即为纤维素产品(本发明的非木材类纸浆1)。

经分析，得到的纤维素产品约13吨，其各项指标为：浓度28.63％，K值5.32，叩解度26.5°SR，湿重2.93g，白度44.13°，pH值8.07，纤维素含量为97％。

非木材类纸浆2的制备：

将40吨小麦秸秆作为原料，将该原料进行除尘、切割粉碎预处理，之后通过输送设备送入蒸煮罐中，用1.5MPa左右的蒸汽蒸煮约4min，蒸煮后再用水进行多级清洗，并通过沉淀来固液分离，将含有半纤维素的上层液体分离出来，并回收下层蒸煮后的固体成分。

接下来，向得到的蒸煮后的固体成分中加入5％的氢氧化钠水溶液,在约95℃的条件下蒸煮约1.5小时，蒸煮后进行沉淀，回收下层固形物，即为纤维素产品(本发明的非木材类纸浆2)。

经分析，得到的纤维素产品约8吨，其各项指标为：浓度27.43％，K值5.40，叩解度25.4°SR，湿重2.81g，白度45.14°，pH值8.11，纤维素含量为94％。

表1.本发明的非木材类纸浆与现有纸浆的比较

^*指河南华丰纸业有限公司，麦草原浆。

造纸工艺：

以上述纸浆1作为原料进行造纸，具体步骤如下：

将上述纤维素产品放入水力碎浆机内，控制碎浆用水，pH值在7.0-7.8，浓度在3％-5％,碎解均匀后，通过浆泵至脱水网，将浆浓提高到5％-7％，再进入双盘磨浆机进行打浆，打浆压力控制在0.15-0.25MPa，打浆电流控制在60A-90A，打浆后成浆质量标准为：叩解度40°-45°，湿重2.80g-3.2g，再进入压力筛进行封闭筛选，再进入除砂器进行除砂净化，净化后的浆料进入储浆槽(抄前槽)，将成浆依次通过高位箱、网部成型、真空压榨脱水、干燥、复卷、分切后，制成抽纸。

比较例1

除了使用商购小麦秸秆制得的纸浆作为原料(河南华丰纸业有限公司，麦草原浆)，并且使用次氯酸对纸浆进行漂白处理之外，以与上述实施例相同的方式进行造纸，得到比较用抽纸。

比较例2

使用市场上购卖的以木质材料制备的清风牌原木纯品迷你抽取式面纸(180抽*6包)作为比较例2

纸张评价

(1)吸水性评价

每种抽纸各取一张，分别与直尺夹在一起，下端对准真尺的0刻度。然后把纸与直尺放入染成紫红色的水中，等水漫到1cm处马上固定好并计时一分钟。等一分钟时间到的时候观察水被吸高的cm数。两组(每组分别1男1女)人对同一种纸测试三次，取平均数。评价结果如下表1所示。

(2)光滑度评价

每种抽纸各取一张，平放在桌面。放上一个50克的钩码，翻起各抽纸的一角挂在钩码的钩上。然后拿测力计钩在钩码的钩上慢慢拉，直到抽纸和钩码移动时记下测力计的读数。两组(每组分别1男1女)人对同一种纸测试三次，取平均数。评价结果如下表1所示。

(3)强度评价

每种抽纸各取一张，用夹子上下夹住，两个夹子的距离是10cm。上面的夹子挂在铁架上，正面的夹子挂50克法码，看最多能挂多少个。两组(每组分别1男1女)人对同一种纸测试三次，取平均数。评价结果如下表1所示。

(4)白度评价

每种抽纸各取一张。使用白度仪(型号：SBDY-1\1P)在相同条件下测量。每种类型的抽纸测三次，取平均数。评价结果如下表1所示。

表2.通过本发明制浆方法得到的纸与比较用纸的比较

从表1的数据对比来看，通过本发明的方法制备的抽纸在吸水性方面与木质原料制备的抽纸相当。在光滑度和强度方面，本发明的方法制得的抽纸更优。另外，本发明方法制备的抽纸为没有进行漂白处理的本色纸，其白度明显低于两个比较例的产品。

虽然本发明已描述关于示例性实施方案，但本发明并不局限于所述公开的示例性实施方案。权利要求的范围与最宽的解释一致以便包括所有此类改良和等效结构与作用。

Claims (5)

1.一种非木材类纸浆制成的抽纸，其中非木材类纸浆为以小麦秆制得的纤维素产品，所述非木材类纸浆具有以下性质：

基于所述纤维素产品的总重量所述纤维素的浓度为28.63%，K值为5.32，叩解度为26.5°SR，湿重为2.93g，白度为44.13°，pH值为8.07，所述纤维素的含量基于固形物总重量为97%；

所述非木材类纸浆通过下述步骤制得：

将收集的小麦秆进行预处理，然后通过输送设备送入一级分离装置，用2.0MPa的蒸汽蒸煮5min，蒸煮后再进行多级清洗，然后进行固液分离得到半纤维素液以及固形物；

向所述固形物加入碱溶液，在100℃的条件下蒸煮1h，蒸煮后进行二次固液分离得到所述纤维素产品；

将所述纤维素产品放入水力碎浆机内，控制碎浆用水，pH值在7.0-7.8，浓度在3%-5%，碎解均匀后，通过浆泵至脱水网，将浆浓提高到5%-7%，再进入双盘磨浆机进行打浆，打浆压力控制在0.15-0.25MPa，打浆电流控制在60A-90A，打浆后成浆质量标准为：叩解度40°-45°SR，湿重2.80g-3.2g，再进入压力筛进行封闭筛选，再进入除砂器进行除砂净化，净化后的浆料进入储浆槽，将成浆依次通过高位箱、网部成型、真空压榨脱水、干燥、复卷、分切后，制成抽纸。

2.根据权利要求1所述的非木材类纸浆制成的抽纸，其中所述碱溶液选自由氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氢氧化钙水溶液、氨水和碳酸氢钠水溶液组成的组的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的非木材类纸浆制成的抽纸，其中所述碱溶液的添加量基于所述固形物的总质量以碱的重量计为4%-10%。

4.根据权利要求1或2所述的非木材类纸浆制成的抽纸，其中所述预处理包括小麦秆的除尘处理以及切割粉碎从而使植物颗粒化的处理。

5.根据权利要求3所述的非木材类纸浆制成的抽纸，其中所述预处理包括小麦秆的除尘处理以及切割粉碎从而使植物颗粒化的处理。