水葫芦纤维造纸的研究

邓丽娟，苏梦冰，陈晓珊，黄俊生

（韩山师范学院化学系，广东潮州 521041）

1 引言

中国造纸工业近年来保持了持续高速增长的态势.虽然废纸对中国造纸业发展的支撑作用越来越大，但是废纸资源并不是取之不尽用之不竭，特别是废纸回收利用已接近极限.因此，必须提高一次性纤维原料的供给能力[1].

水葫芦（Eichhornia crassipes），又名凤眼莲、水风信子，是雨久花科凤眼莲属植物，为多年生漂浮水生草本植物.水葫芦曾经作为观赏植物引入中国，但是由于大量繁殖造成水生环境的破坏，因此水葫芦也被世界公认为“十大害草”之一.尽管当前对水葫芦有一定的开发利用，但并不能有效地解决水葫芦疯长所造成的一系列生态问题.水葫芦对所在水域的气候和生态影响非常明显，它们生长和繁殖能力超强，一旦繁衍开来，便对水面实施严密“封锁”，挡住阳光，导致水下植物得不到足够光照，破坏水生动物的食物链[2].因此，如果能够利用丰富的水葫芦代替森林资源作为造纸原料，不但使其得到科学的转化利用，缓解了其对环境造成的破坏，也为造纸行业提供了丰富的原料，真正实现变废为宝，具有重大的社会意义.

在此之前，造纸行业已对利用多种非木纤维材料造纸进行了研究，如：玉米秆[3]、烟秆[4]、香蕉树[5]、菠萝叶[6]、麦草[7]等，但是对于水葫芦纤维造纸还未有相关研究报道.

2 材料与实验方法

2.1 材料采集

水葫芦，采自潮州市湘桥区东湖，经洗净沥干，切碎后备用.

2.2 实验药品和仪器

氢氧化钠、十二烷基苯磺酸钠、过氧化氢、硅酸钠、氯化铝、明矾、碳酸钙、羧甲基纤维素钠、EDTA等药品和试剂均为国产分析纯.

电炉、水浴锅、目筛、恒温水浴箱、电磁搅拌器、烘箱.

2.3 纸张的制作

（1）原料采集：从潮州市湘桥区东湖采集水葫芦.

（2）原料处理：将水葫芦根部切除、洗净.

（3）蒸煮：采用碱法蒸煮，参考麦草蒸煮的工艺条件[7]，并结合EDTA及十二烷基苯磺酸钠，确定实验蒸煮药品的种类及用量.

（4）洗浆筛浆：对蒸煮后的纤维进行洗涤，然后进行筛选.

（5）漂白：应用过氧化氢漂白技术，采取适当的漂前预处理[8,9].并在高浓浆、高温、低碱量并添加少量硅酸盐的条件下，使漂白达到最佳效果[10].

（6）絮凝：用氯化铝对漂白后的纸浆进行絮凝，提高纸张的强度.

（7）填料：用碳酸钙、明矾对絮凝后的纸浆进行填料，增强纸张的性能.

（8）施胶：用羧甲基纤维素钠对填料后的纸浆进行施胶，增强纸张的防潮性能.

（9）匀浆：对施胶后的纸浆进行匀浆.

（10）烘烤掀纸：对匀浆后的纸浆进行烘烤掀纸后得到产品.

水葫芦纤维造纸的具体流程如图1所示.

图1 水葫芦纤维造纸流程图

3 水葫芦纤维造纸的影响因素

3.1 絮凝、填料、施胶对水葫芦纤维造纸的影响

运用正交设计助手IIV3.1专业版，对明矾、碳酸钙、羧甲基纤维素钠等三个因素进行正交实验（见表1）.以下实验所用的目筛面积大小均为130 cm2.

表1 各填料水平对应表

由表2可知，当明矾、碳酸钙、羧甲基纤维素钠的浓度分别为0.563 mmol/L、2.670 mmol/L、0.625 mmol/L时纸张感官评价最佳.按照上述工艺制作的纸张与不经过絮凝、填料与施胶等操作步骤制作的纸张相比，整体效果相似，因此可不经絮凝、填料与施胶等操作步骤直接利用水葫芦纤维造纸.

以下所研究的水葫芦纤维纸张均为不经过絮凝、填料与施胶等步骤制作的成品.

表2 填料量影响纸张效果的正交结果表

3.2 浆量多少对纸张的影响

由表3可知，纸张的耐破度、厚度与所用浆量成正比.当浆量为10 mL时，纸张过薄易破；当浆量为30 mL时，纸张过厚，并且原料消耗量大；当用浆量为20 mL时，纸张感官评价适中.综合纸张性能以及原料消耗等因素，用浆量为20 mL是水葫芦纤维的最佳造纸工艺条件.

表3 浆量对纸张性能影响表

3.3 烘烤温度的探究

由表4可知，随着烘烤温度的上升，烘烤时间缩短，但是纸张的耐破度却是先上升后下降.当温度为50℃时，烘烤用时过长，能耗较大；当温度为70℃、80℃时，虽然烘烤用时较短，但是纸张韧性度较低，耐破度较差；而当温度为60℃时，烘烤用时适中，并且纸张质量较好.综合纸张性能与能耗大小等因素，烘烤温度为60℃是水葫芦纤维的最佳造纸工艺条件.

表4 温度对纸张性能影响表

4 纸张性能指标测定与分析

4.1 水葫芦纤维纸张与普通纸张的性能指标对比

4.1.1 纸张的物理性能对比

由表5可知，不经过絮凝、施胶与填料等操作步骤制作的水葫芦纤维纸张的着火点与普通纸张的着火点相近，但是吸水性明显优于普通纸张.

表5 物理性能对比表

4.1.2 纸张的化学性能对比

由表6可知，不经过絮凝、施胶与填料等操作步骤制作的水葫芦纤维纸张的酸碱度与普通纸张的酸碱度都为中性，但水葫芦纸张的灰分含量比普通纸张少，更利于印刷.

表6 化学性能对比表

5 结论

通过研究用浆量、烘烤温度、絮凝剂、施胶剂与填料等因素对水葫芦纤维纸张性能的影响.实验表明：130 cm2的纸张最佳浆量为20 mL，最佳烘烤温度为60℃，而絮凝、填料与施胶等操作对水葫芦纸张的性能没有明显影响.

同时，研究结果也表明水葫芦纤维纸张的着火点及酸碱度与普通纸张相近，但是水葫芦纤维纸张的吸水性明显优于普通纸张，并且水葫芦纤维纸张的含灰量比普通纸张少，这更有利于印刷.

[1]郭永新.中国造纸原料的现状和未来[J].中华纸业，2010，31（19）：15-20.

[2]霍寿喜.揭开水葫芦的“面纱”[J].少儿科技，2012（4）：35.

[3]孙勇慧.玉米秆可同时作为能源和造纸原料[J].中华纸业，2010，31（12）：96.

[4]郑书敏.烟秆——潜在的制浆造纸原料[J].国际造纸，2001（1）：46-48.

[5]孙涛.用香蕉树杆造纸[J].中华纸业，2010，31（10）：91.

[6]许开绍，王双飞，杨崎峰，等.菠萝叶碱法制浆及漂白工艺的研究[J].广西民族学院学报：自然科学版，1998，4（3）：26-28.

[7]巩洪让.螯合剂作为麦草蒸煮助剂的应用效果[J].造纸化学品，2007，19（6）：43-45.

[8]张曾，黄干强，李兵云，等.过氧化氢漂白的活化剂[J].纸与造纸，2001（3）：49-50.

[9]王萍.预处理对荻苇浆过氧化氢漂白的影响[J].湖南轻工业高等专科学校学报，2000，2（2）：12-14.

[10]陈巧花，朱松山.化学浆的高浓过氧化氢漂白[J].造纸化学品，1994，6（3）：35-36.