《ChemistryOpen》：Comparative Evaluation of Soda and Nitrate-Alkaline Pulping of Hemp, Flax, and Sisal Post-harvest Biomass
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为解决造纸行业对木材的依赖及木材短缺问题，本研究系统评价了麻、亚麻、剑麻收获后生物质作为非木材纤维原料的潜力。研究人员采用苏打法和硝酸碱法蒸煮，评估了纸浆性能，结果显示剑麻苏打法纸浆的拉伸指数最高（11.6 N·m·g?1），高于工业级麻浆或亚麻浆，为替代木材原料提供了重要参考。
木材是造纸工业的传统主要原料，但在许多地区，特别是木材资源匮乏的国家，寻找可持续的替代原料已成为紧迫课题。与此同时，农业收割后产生的大量秸秆、韧皮等残余物，往往被废弃或焚烧，既造成资源浪费，也带来环境污染。能否“变废为宝”，将这些农业废弃物转化为高质量的造纸用浆，从而减轻对森林资源的压力，实现循环经济？这不仅是资源利用的技术挑战，也关乎全球纸业的可持续发展战略。
近日发表在《ChemistryOpen》上的一项研究，为我们探索这一路径提供了有价值的数据。研究人员将目光投向了三种颇具潜力的非木材植物——大麻、亚麻和剑麻。与利用其主纤维用于纺织不同，这项研究聚焦于这些作物收获加工后剩余的、纤维较短的“下脚料”，即收获后生物质。他们采用两种主流的化学制浆方法——苏打法（soda）和硝酸碱法（nitrate-alkaline）——对三种原料进行处理，并系统比较了所得纸浆的各项性能，旨在评估它们作为木材替代品的可行性与各自特点。
研究人员开展这项工作，主要运用了以下几种关键技术方法：首先，对原料进行了详尽的化学组分分析，包括测定灰分、抽提物、纤维素和木素含量，并使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析纤维素的结晶结构。其次，采用苏打法和硝酸-碱法两种工艺进行制浆。苏打法以氢氧化钠为蒸煮液，在高温下（160°C）进行。硝酸-碱法则分两步：先用硝酸对木素进行硝化和氧化，再用碱液提取硝化木素。接着，对制得的纸浆进行性能表征，包括测定筛渣率、总得率、卡伯值、聚合度以及纤维沉降速度。最后，在标准条件下制备实验室手抄片，并测试其抗张强度和耐破度等关键力学性能指标。
化学分析
研究人员首先对三种原料的化学组成进行了量化。分析发现，剑麻的纤维素含量（43.17%）最高，而木素含量（19.65%）最低，灰分和抽提物含量也显著低于亚麻和大麻，这表明剑麻在化学成分上可能更有利于制浆。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步显示，剑麻纤维素的总体结晶度指数（TCI）最高，而亚麻的非晶区比例最高，暗示了它们在后续加工和性能上可能存在差异。
纸浆分析
在制浆性能方面，苏打法制浆时，剑麻纸浆的总得率最高（48.77%），大麻纸浆的筛渣率最低（0.60%）。而硝酸碱法对大麻和亚麻纸浆的聚合度（DP）影响较大，数值显著低于苏打法纸浆。在纤维沉降性能上，大麻苏打浆的沉降速度最快，达到11.072 mm·s?1，超过了研究中用于对比的回收纸浆的沉降速度，显示出良好的滤水性能。
力学性能
这是评估纸浆实用价值的关键。力学测试结果表明，在实验室制备的纸浆中，剑麻苏打浆表现出最高的抗张指数（拉伸指数），达到11.6 N·m·g?1。这一数值甚至高于研究中作为参照的工业级亚麻和苏打大麻浆。相比之下，硝酸碱法处理的三种纸浆，其抗张和耐破性能普遍逊于苏打法纸浆，特别是硝酸碱法大麻浆的力学性能最弱。抗张指数方面，苏打法整体优于硝酸碱法；耐破指数也呈现相似趋势，但所有未打浆实验室纸浆的耐破指数均处于较低水平，这符合未经打浆处理的纸浆纤维结合力较弱的特点。
讨论与结论
综合来看，这项研究清晰地表明，制浆方法的选择对以非木材植物为原料的纸浆最终性能具有决定性影响。苏打法在保持纤维强度（聚合度）和获得更优力学性能方面总体优于硝酸碱法，但后者具有处理时间短、条件温和的潜在优势。
在三种原料中，剑麻，特别是经苏打法制浆后，展现出了作为优质非木材造纸原料的巨大潜力。其高纤维素、低木素的化学特性，结合苏打法制浆后获得的高得率和优异的抗张强度，使其性能可与部分工业级非木材纸浆相媲美。大麻浆则表现出最快的纤维沉降速度，这在实际造纸生产中意味着更快的滤水和干燥效率。亚麻浆的各项性能相对均衡。
这项研究的意义在于，它不仅为评估特定农业残余物（大麻、亚麻、剑麻）的制浆潜力提供了系统的实验数据，更重要的是，它通过对比两种主流化学制浆工艺，为如何根据原料特性选择最合适的加工路线提供了科学依据。在木材资源日益紧张、发展循环经济的全球背景下，此项工作证明，合理利用农业收获后残余物，可以生产出具有特定性能优势的纸浆，这有助于减少造纸业对木材的依赖，提升原料供应的多样性、韧性与可持续性。未来，通过优化蒸煮条件、引入如过氧乙酸等氧化剂改善纸浆白度，这些非木材纸浆的应用前景将更为广阔。
