制備可降解地膜的甘蔗渣纖維力學性能試驗

李麗霞，陳星智，張兆國，閆全濤

(1.昆明理工大學 現代農業工程學院，昆明 650500；2.云南省農業科學院甘蔗研究所, 云南 開遠 661600)

0 引言

我國是世界上甘蔗第三種植大國，據國家統計局數據顯示，2014年我國甘蔗產量12 561.13萬t，種植面積為1 760.45khm2。我國在最近10年的地膜使用量呈現持續增長趨勢，到2014年地膜使用量為258.021 1萬t，但地膜回收率低，殘膜導致耕地品質下降[1-2]。利用甘蔗渣進行可降解地膜制備，對于提升耕地品質、促進農業綠色可持續發展具有重要意義。

目前，國內外制取甘蔗渣纖維的方法有：①蒸汽爆破法。如G Rocha通過蒸汽爆破法，在較低的蒸煮溫度下對甘蔗渣進行預處理，使半纖維素溶解，能夠產生纖維素含量較高的蔗渣[3]。②酸堿法。如Marcela Freitas Andrade 對甘蔗渣進行預水解無水碳酸鈉制漿研究[4]，王犇、曹研等采用酸堿法從蔗渣中提取出纖維素[5]。③化學法制漿。如DMD Carvalho設定溫度、反應時間、乙醇用量為三因素進行試驗，保持固液比、NaOH濃度不變，對15%甘蔗渣進行煮漿[6]；謝土均、林鹿、龐春生等設定蒸煮條件固液比1∶6，不溶性固體堿濃度為15.0%(對應甘蔗渣絕干量) ，H2O2濃度為3%，初始氧壓為1.0 MPa 對甘蔗渣進行蒸煮[7]；陳祖鑫、曾健運用正交試驗和單因素優化試驗對尿素碳酰胺和KOH蒸煮蔗渣半化學漿進行研究確定最佳蒸煮條件[8]；也有學者對蔗渣纖維的力學特性進行研究[9-11]。蒸汽爆破法制備甘蔗渣纖維存在一定的不足：甘蔗渣體積較小，處理起來耗能大、效果差；木素分離不完全，且不利于工業化生產推廣。酸堿法雖然可以制備出纖維素，但一般需要多種方法和試劑組合使用，作為互相補充，提高降解率，并且大多要在高溫條件下長時間進行，耗能大，周期長，廢液造成環境污染。化學法制漿同樣存在化學試劑使用量大及制漿黑液排放造成環境污染的問題。其常用的方法為堿法制漿及亞硫酸鹽法制漿，需要嚴格控制蒸煮溫度、壓力、固液比、蒸煮時間、藥液比等因素，蒸煮后洗去漿的黑液；蒸煮過程使用化學試劑量較大，蒸煮廢液污染負荷很大，雖然目前已實現低用堿量的氧堿蒸煮制漿，但工藝較為復雜。

本試驗采用前段化學煮漿、后段機械打漿的制漿方式，制備出用于甘蔗渣降解地膜的纖維[12-15]。將纖維制備成膜，測定纖維的力學性能，對力學性能指標進行響應面分析，找出最優參數組合并進行驗證試驗。通過試驗研究，獲得化學機械法制備甘蔗渣纖維最優工藝參數，為制備可降解地膜甘蔗渣纖維提供前期研究基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 材料與設備

1)材料：甘蔗渣取自蒙自市糖廠，分析純NaOH(天津市光復科技發展有限公司)。

2) 設備：高壓高溫蒸煮鍋(咸陽通達輕功設備有限公司制造，型號ZQS1-15)；瓦利打漿機(西北輕工業學院機械廠，型號漿23型)；紙樣抄取機(咸陽通達輕功設備有限公司制造，型號ZQJ1-B-II)；MIT耐折度測定儀(四川省長江造紙儀器廠，型號YQ-Z-31)；耐破度測量儀(四川省長江造紙儀器廠，型號DCP-NPY1200)；電子式撕裂度測試儀(長春市明月小型試驗機有限責任公司，型號ZSED-1000)；電腦測控抗張試驗機(四川省長江造紙儀器廠，型號DC-KZ300)；電熱鼓風干燥箱(北京中興偉業儀器有限公司，型號101-2AB)；恒溫恒濕箱(北京中興偉業儀器有限公司，型號HWS-150)。

1.2 方法

首先對甘蔗渣進行篩分處理，用20目圓篩篩分[16]，每次試驗取200g(絕干)甘蔗渣，添加NaOH，液比1：10進行蒸煮；蒸煮條件設定為壓力值0.4～0.5MPa，2h內升溫至120°，保溫2h；蒸煮后的蔗渣漿洗去黑液，疏解30min后打漿；取漿抄膜，定量60g/m2，條件為溫度97°、真空度96kPa，單膜抄制時間為5～7min[17]；恒溫恒濕箱內平衡水分24h后，測定膜抗張強度、耐破指數、耐折度、撕裂指數。

設計試驗以NaOH濃度為0%、2.5%、5%、7.5%、10%等5個水平進行試驗，每個NaOH濃度水平下分為10個不同時間點取漿抄膜，每個時間點抄膜5張，取5張膜的力學性能指標均值。試驗表明：在NaOH濃度為0%、2.5%時，所抄膜無4項力學性能指標值。

設定NaOH濃度、打漿時間為因素，抗張強度指標、耐破指數、耐折度及撕裂指數為指標，進行試驗安排。

2 結果與分析

2.1 試驗方案及試驗結果

試驗安排及結果如表1所示。表1中，“-”表示未測得指標值。

表1 試驗方案和試驗結果

續表1

2.2 模型的建立與檢驗

應用Design-expert8.0.6軟件對試驗結果進行方差分析。

1)抗張強度二次模型方差分析如表2所示。

表2 抗張強度二次模型方差分析

**表示影響極顯著，*表示影響影響顯著，沒有表示影響不顯著。

抗張強度二次模型方差分析表明：NaOH濃度對抗張強度的影響大于打漿時間，模型極顯著，且兩因素交互項、NaOH濃度二次項對抗張強度的影響極顯著。把擬合方程中對抗張強度影響不顯著的打漿時間二次項剔除，得到擬合回歸方程為

y1=-145.35594+37.47697x1+4.33989x2-

2)耐破指數二次模型方差分析如表3所示。

表3 耐破指數二次模型方差分析

y2=-8.36793+2.04897x1+0.28699x2-

3)耐折度二次模型方差分析如表4所示。

表4 耐折度二次模型方差分析

y3=1.56889+0.55127x1-3.15778x2+0.61818x1x2

4)撕裂指數二次模型方差分析如表5所示。

表5 撕裂指數二次模型方差分析

y4=-140.97198+29.59805x1+12.38798x2-

抗張強度、耐破指數、耐折指數、撕裂指數二次模型方差分析表明：NaOH濃度與打漿時間對抗張強度、耐折度、耐破指數、撕裂指數影響極顯著；NaOH濃度與打漿時間的交互項對抗張強度、耐破指數、撕裂指數影響極顯著，對耐折度影響顯著；NaOH濃度二次項對抗張強度、耐破指數、撕裂指數影響極顯著，打漿時間二次項對撕裂指數影響顯著。

2.3 試驗結果響應面分析

運用Design-expert8.0.6軟件對試驗結果進行響應曲面分析，分別對抗張強度、耐破指數、耐折指數、撕裂指數進行分析，響應曲面圖如圖1所示。

由圖1(a)可以看出：在5%NaOH條件下，隨著打漿時間加長，抗張強度呈均勻上升趨勢；打漿時間為13～14min時，抗張強度開始小幅下降，且在7.5%NaOH條件下，抗張強度隨打漿時間對應增長不明顯；在9%NaOH條件下，抗張強度增加到最高點，有下降趨勢，且打漿時間的增長不能使抗張強度升高。這是因為NaOH濃度的增加使抗張強度增加；但當NaOH濃度達到一定程度后，纖維已經得到很好帚化，再對已經帚化良好的纖維進行機械打漿，會切碎纖維，使纖維長度降低，使膜抗張強度降低。圖中最優點為NaOH濃度8%～9%之間、打漿時間11～13min之間。

由圖1(b)可以看出：隨著NaOH濃度和打漿時間增加，耐破指數呈現增長趨勢。這說明，增加NaOH濃度和延長打漿時間可以提高甘蔗渣纖維品質，使成膜的耐破指數增加；但是，在10%NaOH、打漿時間為14min時，耐破指數開始下降。這說明，蔗渣纖維已經被過度切碎，纖維長度降低，互相之間附著力開始下降。在抄膜過程中發現：在這個點，蔗渣漿開始堵住紙頁成形器紙支撐板網眼，說明漿中的雜細胞過多破裂。

由圖1(c)可以看出：在5%NaOH條件下，NaOH濃度不夠，蔗渣纖維帚化不充分，木素和蔗髓消解效果差；當NaOH濃度提升到7.5%、10%時，打漿時間延長，耐折度明顯上升，且在10%NaOH和打漿時間14min條件下達到最高。其原因是纖維被良好的潤脹和細化，纖維結合力較大。

由圖1(d)可以看出：NaOH濃度及打漿時間增加，撕裂指數呈現出增長趨勢，10%NaOH濃度、打漿時間12～14mins條件下，撕裂指數開始下降。其原因是長時間的機械打漿使纖維長度降低，纖維結合力下降，宏觀表現為撕裂指數下降。最優區域為7.5%NaOH濃度、打漿時間8～14min。

綜上分析表明，增加打漿時間和NaOH濃度不能實現纖維力學性能最優。半化學漿直接低NaOH濃度蒸煮后就進行機械打漿，纖維粗硬，切斷較為嚴重，不利于纖維力學性能。在蒸煮時，合理的NaOH濃度能夠使甘蔗渣充分地軟化、潤脹，能夠消解掉一定量的木素和蔗渣髓，降低NaOH對纖維素的降解作用。在此基礎上，機械打漿才能充分地起到提升蔗渣纖維品質；進而獲得較高的成膜品質。但是，NaOH濃度過高會造成抗張強度、耐破指數及撕裂指數不同程度的下降。

圖1 響應曲面圖

3 結果優化及驗證

3.1 試驗參數優化

本試驗測定膜力學性能指標，在Design-expert8.0.6軟件中優化，用于地膜的強度標準主要參照國家標準GB-13735-1992設定抗張強度目標數值為35N·m[18]；耐破指數目標數值設定為試驗測得最大指標值1.78kPa·m2/g；撕裂指數目標數值設定為試驗測得最大指標值0.7mN·m2/g；耐折指數優化目標數值設定為40次。對試驗結果進行優化，試驗參數為9.20%NaOH濃度，打漿時間13min，抗張強度37.64N·m，耐破指數1.52kPa·m2/g，耐折度40次，撕裂指數39.21mN·m2/g，優化結果可信度為0.927。

3.2 驗證試驗

按照優化的組合參數進行驗證試驗，重復3次，取均值。結果表明：抗張強度37.16N·m，耐破指數1.61kPa·m2/g，耐折度39次，撕裂指數37.36mN·m2/g，與優化結果相吻合。

4 結論

1)在NaOH濃度為8%～10%條件下，機械打漿10min，地膜具備較低水平力學性能指標：抗張強度15.24N·m，耐破指數0.89kPa·m2/g，耐折度4.9次，撕裂指數35.54mN·m2/g。

2)NaOH濃度與打漿時間對抗張強度、耐折度、耐破指數及撕裂指數影響極顯著，交互作用項及二次項對膜力學性能指標也有不同程度的影響。

3)甘蔗渣化學機械法制漿抄膜，最優的組合參數為：NaOH濃度9.20%，打漿時間13min，對應抗張強度37.64N·m，耐破指數1.52kPa·m2/g，耐折度40次，撕裂指數39.21mN·m2/g，優化結果可信度為0.927，抗張強度已經達到地膜使用強度要求。