椰衣原料造紙可行性探究

管若伶，贠子平，張立晨，黃遜偉，雷 方

(海南熱帶海洋學(xué)院 海洋學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 三亞 572022)

1 引言

近年來(lái)，大力發(fā)展綠色環(huán)保材料和相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為當(dāng)今全球人類(lèi)共同關(guān)心的話題[1],其中以農(nóng)作物秸稈等非木材原料生產(chǎn)紙漿，作為木材資源稀缺國(guó)家的造紙工業(yè)可以說(shuō)是解決造紙資源保障的有效途徑之一[2]，也是響應(yīng)國(guó)家《造紙工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》對(duì)非木材資源合理利用的號(hào)召[3]。我國(guó)椰子種植栽培已有2000年左右的歷史，主要種植地區(qū)集中在海南省，其椰子產(chǎn)量占全國(guó)總量的90%以上。以2010年為例，我國(guó)椰子種植面積約 4.037萬(wàn)hm2，全國(guó)椰子總產(chǎn)量約為2.5億個(gè)，其中海南省椰子種植面積3.916萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為2.3億個(gè)[4,5]。椰子皮、果殼屬于農(nóng)業(yè)廢棄物，通常被當(dāng)作其他垃圾丟棄或焚燒，既污染環(huán)境又造成資源的極大浪費(fèi)[6]。

椰殼干重含70%椰糠和30%椰衣纖維，每生產(chǎn)1t椰殼會(huì)有0.85t椰衣纖維和 1.9t椰糠廢棄物產(chǎn)生[7]。椰衣纖維主要由纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等組成，椰衣纖維具備較強(qiáng)的韌性和耐腐蝕，我國(guó)大部分椰衣纖維都用來(lái)生產(chǎn)地毯、掃把、刷子、繩索和席子的纖維紗。李留振等[8]將椰衣纖維材料和栽種或噴播護(hù)坡植被技術(shù)相結(jié)合，在廢棄礦山、河流堤壩等邊坡構(gòu)建具備可持續(xù)生長(zhǎng)的防護(hù)系統(tǒng)，該技術(shù)不僅能使植物抵御雨水侵蝕，而且這些椰衣纖維降解的有機(jī)物質(zhì)還能為植被提供充足的養(yǎng)料。國(guó)外還應(yīng)用在制作沙發(fā)、床墊、隔音板的墊料和防震包裝材料等，如印度尼西亞用椰衣纖維生產(chǎn)出一種磁化墊, 對(duì)治療風(fēng)濕病、痔瘡等病有一定效果。此外, 椰衣的木質(zhì)素含量較高, 可用來(lái)制造塑料薄膜和生產(chǎn)金屬木質(zhì)素磺酸鹽[9]。

如果能將椰衣在造紙方面充分利用，將會(huì)有效緩解我國(guó)制漿造紙?jiān)闲枨蟮膲毫Α榱颂接懸砸聻樵现茲{的可行性及對(duì)紙漿性能的研究測(cè)試，本文以椰衣為研究對(duì)象，以堿法制漿為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討以椰衣為原料造紙的可行性，通過(guò)對(duì)紙漿的得漿率、pH值，纖維粗細(xì)等方面進(jìn)行性能測(cè)定，為椰子皮纖維資源的合理利用提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

使用的原料均是海南三亞本地椰子(椰子種類(lèi)分為高種椰子、文椰2-4號(hào)共4個(gè)種類(lèi)，本次實(shí)驗(yàn)所用椰子種類(lèi)為高種椰子)，經(jīng)過(guò)剝皮、去掉椰子殼、風(fēng)干、粉碎處理得到的椰衣。試劑為固體氫氧化鈉分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

主要實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備有：派普100型磨漿機(jī)，鎮(zhèn)江派普機(jī)械有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，上海力辰儀器科技有限公司；NDJ-1旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)，上海米青科實(shí)業(yè)有限公司；T1000電子天平，上海月梓電子科技有限公司；P-4030環(huán)保恒溫平臺(tái)，深圳市安泰興電子科技有限公司；BA210Digital數(shù)碼顯微鏡，麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

2.3.1 備料分組

將椰衣進(jìn)行清洗、去除雜質(zhì)、晾曬，使椰衣處于全干狀態(tài)，使用剪刀剪碎作為原料備用，并將處理好的原料按照一定量分為四組。

2.3.2 蒸煮

配制NaOH含量分別為1%、3%、5%、7%的溶液，將準(zhǔn)備好的四組實(shí)驗(yàn)原料分別放置在燒杯中，并加入一定量事先調(diào)配好的NaOH含量不同的溶液，使用DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，蒸煮條件為第一段升溫30 min至100 ℃，第二段升溫30 min升溫至170 ℃，第三段恒溫170 ℃共180 min，不保溫，期間使用配置的剩余溶液彌補(bǔ)蒸煮過(guò)程中OH-的損失，使蒸煮液的量始終保持在燒杯中同一刻度。

2.3.3 過(guò)濾、洗滌

將原料從蒸煮液中取出并過(guò)濾蒸煮液，減少原料的損失確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，洗滌原料除去原料表面的蒸煮液。

2.3.4 磨漿

將洗滌好的原料放入派普100型磨漿機(jī)中，循環(huán)磨漿若干次，最后將磨漿機(jī)濾網(wǎng)、磨石清理干凈。

2.3.5 晾曬、稱(chēng)重

將磨好的紙漿分別用燒杯盛放，并放在P-4030環(huán)保恒溫平臺(tái)上，直至完全除去水分，之后使用電子天平測(cè)量紙漿干重并記錄數(shù)據(jù)。

2.3.6 浸泡

將晾曬好的四組紙漿各稱(chēng)取一定量干紙漿，加入等量的水，使用磁力攪拌器攪拌均勻，使四組實(shí)驗(yàn)紙漿水分含量相同。

2.3.7 測(cè)量數(shù)據(jù)并記錄

使用pH計(jì)測(cè)量紙漿pH值，將紙漿分別通過(guò)20目、40目濾網(wǎng)，觀察過(guò)濾情況，測(cè)試過(guò)濾情況。

2.4 性能測(cè)試

2.4.1 紙漿干重及得漿率

將磨好的紙漿分別用適合的燒杯盛放，并放在P-4030環(huán)保恒溫平臺(tái)上以40 ℃放置30～40 h直至完全除去水分，之后使用電子天平測(cè)量紙漿干重并記錄數(shù)據(jù)。

2.4.2 紙漿粗細(xì)度

將稀釋后的紙漿分別通過(guò)20目、40目濾網(wǎng)，觀察過(guò)濾情況。

2.4.3 紙漿成紙

將4個(gè)實(shí)驗(yàn)組紙漿抄送成紙，將成品紙張晾曬至全干，觀察成紙表面情況。

2.4.4 紙漿纖維顯微觀察

取成品紙張樣品，放置纖維鏡下觀察纖維長(zhǎng)短，粗細(xì)及分布情況。

3 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)以堿法制漿為基礎(chǔ)，通過(guò)備料分組、蒸煮、過(guò)濾、洗滌、磨漿、晾曬、稱(chēng)重、浸泡、測(cè)量數(shù)據(jù)并記錄，進(jìn)行4組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同的性能測(cè)試，驗(yàn)證以椰衣為原料造紙的可行性

3.1 椰子皮各組分含量分析

因?yàn)槟舅軓?fù)合材料的強(qiáng)度主要取決于植物纖維的強(qiáng)度、塑料基體的強(qiáng)度和它們之間的粘結(jié)強(qiáng)度[10]，植物纖維強(qiáng)度越大，木塑復(fù)合材料力學(xué)性能越好。植物纖維強(qiáng)度取決于纖維素的含量，纖維素含量越高，植物纖維的強(qiáng)度就越大[11]，所以纖維素含量較高的纖維，成漿效果會(huì)更好[12]，原料組分含量分析是判斷是否可以作為原料的重要依據(jù)，表1所列為椰子皮各組分含量表。

表1 椰衣纖維各組分含量 %

3.2 紙漿干重及得漿率

由圖1和表2中可以了解到，在4組實(shí)驗(yàn)均使用15 g原料的情況下 NaOH含量為3%的實(shí)驗(yàn)組得漿率最高，達(dá)到38.7%，NaOH含量為1%和7%的實(shí)驗(yàn)組得漿率相同。從得到的紙漿干重及得漿率可以知道，NaOH含量為3%實(shí)驗(yàn)組效果最好。

表2 紙漿干重及得漿率

圖1 紙漿干重及得漿率

3.3 紙漿pH值

pH值直接反映出纖維酶的活性，在紙漿漂白及印刷過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[13,14]。從表3紙漿pH記錄表中可以看出，NaOH含量為3%實(shí)驗(yàn)組紙漿pH相較于其他3組實(shí)驗(yàn)組來(lái)說(shuō)，pH更接近中性，一方面，說(shuō)明纖維素及木質(zhì)素與NaOH反應(yīng)更完全；另一方面，在后續(xù)工藝流程中漂白及印刷效果最好。

表3 紙漿pH值

3.4 紙漿粗細(xì)度

紙漿粗細(xì)度是判斷該紙張適用于哪個(gè)領(lǐng)域的重要依據(jù)。從表3及圖4中可以看到1%實(shí)驗(yàn)組和7%實(shí)驗(yàn)組中通過(guò)20目濾網(wǎng)的紙漿干重為2.3 g，相較于其他兩組實(shí)驗(yàn)是最多的，說(shuō)明當(dāng)NaOH含量為1%和7%時(shí)，紙漿粗細(xì)度也相較于其他兩組粗；觀察3%和5%實(shí)驗(yàn)組，5%實(shí)驗(yàn)組通過(guò)20目濾網(wǎng)的紙漿是較3%實(shí)驗(yàn)組多的，然而3%實(shí)驗(yàn)組通過(guò)40目濾網(wǎng)的紙漿是較1%實(shí)驗(yàn)組多的，說(shuō)明使用NaOH含量為3%時(shí)制得的紙漿更細(xì)，使用NaOH含量為3%時(shí)制得的紙張相對(duì)來(lái)說(shuō)也會(huì)更加精細(xì)。

表4 紙漿粗細(xì)度記錄

3.5 成紙情況

圖2中分別為4個(gè)實(shí)驗(yàn)組制得的紙張，觀察成品紙張表面，NaOH含量為3%實(shí)驗(yàn)組明顯更加平整光滑。1%實(shí)驗(yàn)組存在部分纖維粗大，分布不均勻的情況；初步分析5%實(shí)驗(yàn)組紙張顏色因?yàn)镹aOH含量較高的原因，相較于3%實(shí)驗(yàn)組明顯變了顏色，且紙張中可以看到纖維裸漏，分布不均勻；7%實(shí)驗(yàn)組所制得的紙張，除顏色變化外也存在著纖維粗大的問(wèn)題。綜上所述在這四組實(shí)驗(yàn)中，NaOH含量為3%時(shí)所呈現(xiàn)出來(lái)的效果更好。

圖2 各實(shí)驗(yàn)組成品紙張對(duì)比

3.6 紙張纖維顯微觀察

圖3為各個(gè)實(shí)驗(yàn)組所制成的紙張，在同一數(shù)碼顯微鏡下放大100倍情況下所觀測(cè)到的紙張纖維，從圖中可以看出1%實(shí)驗(yàn)組紙張纖維中有部分纖維粗大，纖維粗細(xì)不同；3%實(shí)驗(yàn)組紙張纖維顏色較1%實(shí)驗(yàn)組紙張纖維稍深，纖維粗細(xì)均勻，無(wú)明顯粗大纖維；5%實(shí)驗(yàn)組紙張纖維顏色從黃色變成灰黑色，顏色更深，纖維粗細(xì)不均勻，膠質(zhì)物過(guò)少導(dǎo)致纖維松散；7%實(shí)驗(yàn)組紙張纖維中有明顯粗纖維，粗細(xì)不均勻，顏色較5%實(shí)驗(yàn)組紙張纖維稍淺。結(jié)合圖3四組實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，3%實(shí)驗(yàn)組紙張纖維粗細(xì)最均勻，且膠質(zhì)物更多，制紙效果最好。

圖3 各實(shí)驗(yàn)組紙張纖維

4 結(jié)論

在4組實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)椰衣原料為15 g時(shí)，NaOH含量為3%實(shí)驗(yàn)組得到的5.8 g完全干重紙漿，得漿率最高；在四組實(shí)驗(yàn)中，從得到的紙漿粗細(xì)程度觀察，NaOH含量為3%實(shí)驗(yàn)組紙漿通過(guò)20目、40目篩網(wǎng)最多，說(shuō)明NaOH含量為3%實(shí)驗(yàn)組紙漿更細(xì)，紙漿中纖維長(zhǎng)度最短；在四組實(shí)驗(yàn)中，NaOH含量為3%實(shí)驗(yàn)組所做成的成品紙張表面更加細(xì)膩，無(wú)明顯纖維痕跡，纖維粗細(xì)均勻，做成紙張的效果最好；本研究?jī)?nèi)容證實(shí)了以椰衣為原料造紙具有可行性，椰衣造紙，確保資源再生利用，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在今后將不斷改進(jìn)并探索適用于椰衣纖維的造紙技術(shù)，讓“椰衣紙”成為宣傳海南省的一張?zhí)厣餍牌?/p>