微波膨化處理對(duì)蔗渣纖維在回用過(guò)程中品質(zhì)衰變的抑制作用研究

摘要： 本研究采用碳酸氫銨作為膨化劑，通過(guò)微波膨化技術(shù)對(duì)蔗渣回用纖維進(jìn)行膨化處理，以降低纖維在回用過(guò)程中的品質(zhì)衰變。結(jié)果表明，打漿度28、45和80 °SR的蔗渣纖維在回用第1次時(shí)角質(zhì)化程度劇烈增加，而打漿度13 °SR的紙張角質(zhì)化程度變化最大時(shí)為第6次回用。打漿度13、28、45和80 °SR蔗渣纖維在角質(zhì)化程度最大增長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行膨化處理后，其制備紙張的抗張指數(shù)較膨化前分別提高20. 8%、15. 7%、21. 4%和11. 3%，同時(shí)保水值有所增加。經(jīng)微波膨化的蔗渣纖維由扁平狀轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌盏闹鶢罱Y(jié)構(gòu)，結(jié)晶度明顯降低，品質(zhì)衰變得到抑制。

關(guān)鍵詞：蔗渣；微波膨化；角質(zhì)化；回用纖維；機(jī)械性能

中圖分類號(hào)：TS721 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 01. 017

紙張作為最常用的材料之一，主要分為印刷用紙、包裝用紙、特種用紙、生活用紙等，在人們生活中扮演著重要的角色。我國(guó)造紙?jiān)隙倘保?017年“禁廢令”的頒布，加重了我國(guó)造紙?jiān)隙倘钡膯?wèn)題[1-2]，充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物（蔗渣、稻草） 可一定程度上解決上述問(wèn)題[3]。為進(jìn)一步解決資源和能源問(wèn)題，通常廢紙會(huì)進(jìn)行回收再利用，但由于草類纖維長(zhǎng)度短、長(zhǎng)寬比小，再生紙存在裂斷伸長(zhǎng)率低等問(wèn)題[4]，其物理性能和化學(xué)性質(zhì)在回用過(guò)程中存在更嚴(yán)重的角質(zhì)化現(xiàn)象[5-6]。因此，研究草類纖維在回用過(guò)程的衰變規(guī)律并提高其性能，成為解決造紙?jiān)隙倘钡年P(guān)鍵因素之一。

甘蔗渣是甘蔗制糖的主要副產(chǎn)物，約占甘蔗總質(zhì)量的21%～23%，其組成主要包括39%～45%纖維素、23%～27%半纖維素和19%～32%木質(zhì)素[7]。將甘蔗渣作為造紙?jiān)霞饶芙鉀Q原料短缺問(wèn)題[8]，也能對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行高效利用。但蔗渣漿在回用的過(guò)程中，紙漿纖維發(fā)生多次潤(rùn)脹-干燥過(guò)程，胞腔發(fā)生塌陷且部分纖維素共結(jié)晶，導(dǎo)致纖維的潤(rùn)脹性能和柔軟性能明顯降低，纖維的角質(zhì)化現(xiàn)象使紙張力學(xué)性能大幅度下降[9-10]。紙漿纖維的角質(zhì)化現(xiàn)象不僅受紙漿原料的影響，還與纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。打漿作為紙張成形體系中重要的步驟，高打漿度纖維的分絲帚化程度更高[11]，纖維表面產(chǎn)生的細(xì)小纖維多，但細(xì)小纖維在回用過(guò)程中對(duì)紙張性能的影響更大[12-13]。目前，打漿對(duì)草類紙漿原料再生紙性能的研究報(bào)道較少。因此，研究打漿對(duì)蔗渣纖維性能的影響，并解決角質(zhì)化帶來(lái)再生紙張性能下降的問(wèn)題，成為草類纖維造紙領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

對(duì)物料微波加熱的過(guò)程中，物料的排濕和熱量遷移方向、傳熱方向、蒸汽壓遷移方向均由物料內(nèi)部指向表面[14-15]。由于微波加熱速率高，物料內(nèi)部氣體溫度迅速上升，當(dāng)內(nèi)部氣體壓力超過(guò)纖維組織的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度承載能力時(shí)，物料爆裂發(fā)生膨化現(xiàn)象[16]。微波膨化是從物料內(nèi)部產(chǎn)生氣體并發(fā)生破裂[17]，將其用于造紙回用纖維時(shí)，可用于解決角質(zhì)化帶來(lái)的胞腔塌陷問(wèn)題[18]。朱新良[19]研究表明，微波膨化可抑制纖維的角質(zhì)化并降低其結(jié)晶度。另外，Clark[20]提出纖維素的共結(jié)晶可能是引起再生植物纖維衰變的機(jī)理。因此，研究微波膨化處理對(duì)纖維角質(zhì)化的影響，并研究其對(duì)回用紙性能的影響具有重要意義。

本研究以蔗渣纖維為原料，通過(guò)PFI磨漿機(jī)打漿至不同打漿度，研究打漿度對(duì)蔗渣纖維在回用過(guò)程中機(jī)械性能、保水值和結(jié)晶度的影響規(guī)律，并利用微波膨化對(duì)回用纖維進(jìn)行處理，通過(guò)掃描電子顯微鏡、X 射線衍射儀等表征蔗渣纖維和再生紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)與結(jié)晶度，研究微波膨化對(duì)再生纖維品質(zhì)的作用機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1. 1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑

蔗渣漿取自云南新平南恩糖紙有限責(zé)任公司，打漿度13 °SR。膨化劑碳酸氫銨取自天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑公司。

1. 2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

PFI磨漿機(jī)（No.0711114，Kumagai Riki Kogyo）；纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器（GBJ-A，長(zhǎng)春市月明小型試驗(yàn)機(jī)有限公司）； 紙頁(yè)抄片機(jī)（No.2542， Pneumatic SheetFormer）；油壓機(jī)（No.1409088，Kumagai Riki Kogyo）；紙頁(yè)快速干燥器（IMT-GZ01，東莞市英特耐森精密儀器有限公司）；抗張?jiān)囼?yàn)儀（DC-KZ300，四川省長(zhǎng)江造紙儀器廠）；纖維質(zhì)量分析儀（FQA-360 LDA17，加拿大Optest 公司）；X 射線衍射儀（XRD，RigakuSmart Lab SE， 日本理學(xué)公司）； 掃描電子顯微鏡（SEM，S-3400N，日本日立公司）。

1. 3 實(shí)驗(yàn)方法

1. 3. 1 紙張的制備

將蔗渣漿用PFI 磨漿機(jī)分別打漿至游離漿（28 ° SR）、半游離半黏狀漿（45 ° SR） 和黏狀漿（80 °SR），再將上述3 組打漿度的蔗渣漿和打漿度13 °SR蔗渣漿分別抄紙，定量60 g/m2，所得紙張記為R0，抄紙的條件（每次抄紙回用的條件保持一致）：0.4 MPa下壓榨1次，105 ℃干燥10 min，一部分紙張?jiān)诿芊獯泻銣睾銤?4 h后，檢測(cè)其物理性能，將剩余紙張撕成1 cm×1 cm的碎片，用去離子水浸泡2 h，確保纖維充分潤(rùn)濕，然后倒入疏解機(jī)中疏解10 000轉(zhuǎn)，確保纖維分散均勻，用于下一次抄紙，所得紙張記為R1。循環(huán)上述步驟，直至找到蔗渣漿纖維角質(zhì)化程度變化最大的點(diǎn)。各打漿度的蔗渣漿纖維角質(zhì)化程度變化最大的點(diǎn)（打漿度28、45和80 °SR蔗渣漿纖維角質(zhì)化程度變化最大的點(diǎn)為回用1次的纖維，所得紙張記為R1；打漿度13 °SR蔗渣漿纖維的角質(zhì)化程度變化最大的點(diǎn)為回用6次纖維，所得紙張記為R6） 前一次回用的漿料為本研究原料。

1. 3. 2 微波膨化處理

微波膨化工藝為：將質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%碳酸氫銨溶液和蔗渣漿在常溫下進(jìn)行混合并靜置1 h，控制固液比為1∶10，使碳酸氫銨溶液能夠充分地滲透進(jìn)蔗渣纖維內(nèi)部，將浸泡完全后的蔗渣漿置于微波反應(yīng)器中，在一定條件下進(jìn)行微波膨化處理，反應(yīng)結(jié)束后用去離子水洗至中性，用于下一步的紙張抄造。

對(duì)R1 （打漿度28、45、80 °SR） 和R6 （打漿度13 °SR） 前一次回用漿料進(jìn)行微波膨化操作，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的碳酸氫銨為膨化劑，固液比1∶10，微波膨化時(shí)間1 min。

未膨化蔗渣漿制備的紙張命名為Rn （n 為回用次數(shù)），經(jīng)過(guò)膨化處理的蔗渣漿制備的紙張命名為PRn。由于打漿度13 °SR的蔗渣漿纖維角質(zhì)化程度變化最大時(shí)制得紙張為R6，所以膨化蔗渣漿所得紙張命名為PR6，對(duì)再回用1次所得紙張命名為PR7；而打漿度28、45和80 °SR蔗渣漿纖維角質(zhì)化程度變化最大時(shí)制得紙張為R1，膨化蔗渣漿所得的紙張命名為PR1，對(duì)再回用1次和2次所得紙張分別命名為PR2和PR3。