优化芦竹（Arundo donax L.）生物质的半化学制浆工艺：探讨化学机械预处理与纤维形态及纸张强度之间的关系

《Biomass and Bioenergy》：Optimized semi-chemical pulping of Arundo donax L. biomass: Correlating chemo-mechanical pretreatment with fiber morphology and paper strength

半化学制浆优化技术使芦苇纤维形态均匀，长度1.008mm，宽度23.9μm，纸张机械性能达35.6N·m/g tensile指数，1.58kPa·m2/g burst指数，3.16mN·m2/g tear指数，化学消耗低于8%。

　　

国家生物基纤维材料重点实验室，天津造纸与纸浆重点实验室，中国轻工业造纸与生物精炼重点实验室，中国纺织工业高性能纤维湿法非织造材料重点实验室，天津科技大学，天津市经济技术开发区第13街9号，300457，中国

摘要

非木质生物量的利用对于造纸行业的可持续发展至关重要。芦苇的纤维素含量明显高于同属Phragmites的其他植物，例如Phragmites australis的纤维素含量通常为40-43%。Arundo donax L.（巨型芦苇）作为一种具有高纤维素含量和强适应性的有前景的原料，由于其顽固的纤维结构而面临挑战。本研究通过系统地分离冷碱浸渍（CAI）和水热预处理（HTP）的效果，并结合机械纤维化，开发了一种优化的半化学制浆工艺。采用12小时3% NaOH的CAI处理后，接着进行100°C下1.5小时的热处理，再通过150°C的单螺杆挤压，实现了有效的纤维软化和释放。所得纸浆具有优良且均匀的纤维形态，平均长度为1.008毫米，宽度为23.9微米。相应的纸样表现出良好的机械性能，拉伸强度为35.6 N/mg，抗张指数为1.58 kPa/m2，撕裂强度为3.16 mN/m2，同时总碱消耗量保持在8%以下。这些发现验证了从Arundo donax L.制备的优化半化学纸浆具有独特的纤维形态，结合了软木和硬木纤维的优点，使其成为高强度包装应用的可持续、低化学足迹的替代品。

引言

全球造纸行业面临着木材资源日益稀缺和绿色低碳转型压力日益增加的双重挑战[1]。为此，战略性地利用非木质纤维资源对于确保工业的可持续性和安全性变得至关重要。Arundo donax L.（巨型芦苇）是一种在中国广泛分布的多年生根茎草本植物，因其强大的环境适应性（耐盐性、耐旱性和耐水淹性）、高生物量产量以及较低的病虫害易感性而成为一种有前景的替代原料。然而，其固有的纤维顽固性给传统的制浆工艺带来了重大挑战，限制了纤维的有效释放和高质量纸浆的生产[2]。为了解决这一瓶颈，需要采用优化的半化学制浆策略，结合化学和机械预处理方法，以充分发挥其作为可持续高强度造纸材料的潜力。

除了传统的造纸之外，将木质纤维素生物质转化为高价值产品已在综合生物精炼框架中获得了显著的发展势头，涉及化学品[3]（例如富含丁醇的溶剂、糠醛和木质素衍生物）、燃料[4]（例如通过机器学习引导的还原催化分级实现的可扩展木质素单体生产）以及先进材料[5]（例如通过PEG辅助策略制备的含木质素的纤维素纳米纤维）。这种多产品转化途径增强了非木质原料的经济韧性，并突显了开发低化学足迹制浆路线的重要性。对于Arundo donax L.而言，由于其顽固的纤维结构通常需要苛刻的化学或高能耗处理，采用温和但高效的半化学制浆策略（如本研究中探索的化学机械预处理序列）尤为重要[6]。这种方法在保持纤维完整性的同时有效释放纤维，并减少化学投入，不仅有助于生产高强度纸制品，也为下游的生物精炼应用奠定了基础，使巨型芦苇成为循环生物经济中的多功能和可持续原料。

从化学成分的角度来看，Arundo donax L.具有适合制浆应用的优良特性。其纤维素含量约为48%，与硬木（41-52%）相当，优于许多常见的农业废弃物，如甘蔗渣（40%）和玉米秸秆（37%）[7]。更重要的是，其木质素含量约为18%，远低于许多农业废弃物[8]。这种高多糖和低木质素的理想平衡理论上表明其在加工过程中具有较高的纤维素可利用性和较低的化学消耗量，使其成为潜在的高质量原料。然而，这一理论优势常常被其固有的顽固和异质纤维结构所抵消。在传统的化学制浆过程中，这种结构特性常常导致木质素去除不完全、碳水化合物过度降解，从而导致纸浆产量不佳[9]。早期研究一致记录了包括煮沸困难、纸浆产量低以及纸张强度性能差等问题。这种潜在的化学成分优势与其物理结构的挑战之间的矛盾凸显了需要创新制浆策略（如优化的半化学工艺）来有效发挥其潜力[10]。

为了解决Arundo donax L.的顽固性问题，半化学制浆（SCP）作为一种有前景的策略应运而生，它将温和的化学预处理与机械解纤相结合[11]。这种方法专门针对富含木质素的中间层，以促进纤维释放，同时尽可能保持纤维壁内碳水化合物（尤其是半纤维素）的结构完整性。通过保留较高比例的半纤维素，SCP不仅最大化了纸浆产量，还增强了最终纸页中的纤维间结合能力[12]。该方法的有效性高度依赖于工艺参数的精确控制，包括化学剂量、浸渍时间、反应温度和机械能量输入。然而，现有的SCP研究主要集中在竹子等传统原料上，针对Arundo donax L.的预处理序列优化系统的研究仍然较少。这一知识空白强调了开发针对巨型芦苇生物质独特形态和化学特性的优化SCP工艺的必要性[13]。

在中国“双碳”目标（碳峰值和碳中和）的背景下，Arundo donax L.的生态效益，包括其显著的碳封存能力和在边际土地上的土壤修复潜力，再次受到关注[14]。这种重新评估不仅将其视为一种纤维来源，还视为循环生物经济中的多功能组成部分。半化学制浆（SCP）以其较高的纸浆产量和较低的化学负荷与这一低碳发展模式和清洁生产原则相契合。最近在SCP技术方面的进展，特别是通过优化的化学机械预处理序列，显示出在提高纸浆质量的同时最小化环境影响的巨大潜力。因此，深入研究Arundo donax L.的半化学制浆具有双重战略意义：它直接有助于建立一个资源安全和环保的造纸工业体系，并通过促进高生物量、环境友好的原料的种植和利用来支持国家气候目标[15]。

为了解决上述挑战，本研究系统地研究了Arundo donax L.生物质的半化学制浆（SCP）工艺的优化，特别关注化学机械预处理的协同效应。研究旨在通过系统评估和关联关键工艺参数（如化学剂量、预处理时间和机械细化强度）对纤维形态和最终纸张机械强度的影响，来阐明纤维释放的机制[16]。通过建立工艺参数、纤维特性（如长度、宽度和纤维化程度）与关键纸张强度指标（拉伸强度、抗张强度和撕裂强度）之间的定量关系，本研究旨在开发一种优化的高化学投入制浆工艺，有效平衡Arundo donax L.的高纸浆产量和优异的造纸性能。

材料与仪器

原材料和化学品： 本研究的主要原材料是成熟的Arundo donax L.茎秆（实验中使用的原材料年龄超过三年，来自天津瑞恒茂公司，如图1所示）。采集后，这些茎秆经过了严格的准备过程：手动去皮以去除外层，切割成长度约为2-3厘米的均匀小块，并彻底清洗以去除叶子、刺和其他杂质

冷碱浸渍（CAI）对纸浆分级和纸张力学性能的影响

如图3(d)所示，NaOH装载量从0%系统增加到4%时，纸浆产量从约90%逐渐下降到85.9%，同时废液pH值相应升高到10.31。NaOH装载量的增加导致碱性浓度升高，从而溶解了更多的低分子量半纤维素、提取物和破碎的木质素-碳水化合物复合物（LCCs），从而降低了产量[17]。观察到的纸浆产量下降是由于

结论

为Arundo donax L.开发的优化半化学制浆工艺成功释放了高质量的纤维，同时保持了极低的总碱消耗量，约为8%。这一阈值显著低于传统中性亚硫酸盐半化学（NSSC）或冷碱工艺通常所需的10-15%，体现了所提出方法的化学效率。重要的是，在这些最佳条件下（12小时3% CAI）生产的纸样

作者贡献声明

Peng Yu： 数据管理、正式分析、方法论、资源、软件、初稿撰写、审稿与编辑。Liqin Liu： 构思、资金获取、方法论、项目管理、软件、监督、初稿撰写、审稿与编辑。Xiaofeng Lyu： 数据管理、正式分析、研究、资源、软件、验证。Yinying Long： 正式分析、研究、方法论、软件、可视化、审稿与编辑。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：22508306）、天津市科技项目（项目编号：25ZXZSSS00730、25ZXZSSS00800）、中国博士后科学基金会（项目编号：2025M772522）以及浙江景兴纸业有限公司的支持。