制备可降解地膜的甘蔗渣纤维力学性能试验

李丽霞，陈星智，张兆国，闫全涛

(1.昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明 650500；2.云南省农业科学院甘蔗研究所, 云南 开远 661600)

0 引言

我国是世界上甘蔗第三种植大国，据国家统计局数据显示，2014年我国甘蔗产量12 561.13万t，种植面积为1 760.45khm2。我国在最近10年的地膜使用量呈现持续增长趋势，到2014年地膜使用量为258.021 1万t，但地膜回收率低，残膜导致耕地品质下降[1-2]。利用甘蔗渣进行可降解地膜制备，对于提升耕地品质、促进农业绿色可持续发展具有重要意义。

目前，国内外制取甘蔗渣纤维的方法有：①蒸汽爆破法。如G Rocha通过蒸汽爆破法，在较低的蒸煮温度下对甘蔗渣进行预处理，使半纤维素溶解，能够产生纤维素含量较高的蔗渣[3]。②酸碱法。如Marcela Freitas Andrade 对甘蔗渣进行预水解无水碳酸钠制浆研究[4]，王犇、曹研等采用酸碱法从蔗渣中提取出纤维素[5]。③化学法制浆。如DMD Carvalho设定温度、反应时间、乙醇用量为三因素进行试验，保持固液比、NaOH浓度不变，对15%甘蔗渣进行煮浆[6]；谢土均、林鹿、庞春生等设定蒸煮条件固液比1∶6，不溶性固体碱浓度为15.0%(对应甘蔗渣绝干量) ，H2O2浓度为3%，初始氧压为1.0 MPa 对甘蔗渣进行蒸煮[7]；陈祖鑫、曾健运用正交试验和单因素优化试验对尿素碳酰胺和KOH蒸煮蔗渣半化学浆进行研究确定最佳蒸煮条件[8]；也有学者对蔗渣纤维的力学特性进行研究[9-11]。蒸汽爆破法制备甘蔗渣纤维存在一定的不足：甘蔗渣体积较小，处理起来耗能大、效果差；木素分离不完全，且不利于工业化生产推广。酸碱法虽然可以制备出纤维素，但一般需要多种方法和试剂组合使用，作为互相补充，提高降解率，并且大多要在高温条件下长时间进行，耗能大，周期长，废液造成环境污染。化学法制浆同样存在化学试剂使用量大及制浆黑液排放造成环境污染的问题。其常用的方法为碱法制浆及亚硫酸盐法制浆，需要严格控制蒸煮温度、压力、固液比、蒸煮时间、药液比等因素，蒸煮后洗去浆的黑液；蒸煮过程使用化学试剂量较大，蒸煮废液污染负荷很大，虽然目前已实现低用碱量的氧碱蒸煮制浆，但工艺较为复杂。

本试验采用前段化学煮浆、后段机械打浆的制浆方式，制备出用于甘蔗渣降解地膜的纤维[12-15]。将纤维制备成膜，测定纤维的力学性能，对力学性能指标进行响应面分析，找出最优参数组合并进行验证试验。通过试验研究，获得化学机械法制备甘蔗渣纤维最优工艺参数，为制备可降解地膜甘蔗渣纤维提供前期研究基础。

1 试验材料及方法

1.1 材料与设备

1)材料：甘蔗渣取自蒙自市糖厂，分析纯NaOH(天津市光复科技发展有限公司)。

2) 设备：高压高温蒸煮锅(咸阳通达轻功设备有限公司制造，型号ZQS1-15)；瓦利打浆机(西北轻工业学院机械厂，型号浆23型)；纸样抄取机(咸阳通达轻功设备有限公司制造，型号ZQJ1-B-II)；MIT耐折度测定仪(四川省长江造纸仪器厂，型号YQ-Z-31)；耐破度测量仪(四川省长江造纸仪器厂，型号DCP-NPY1200)；电子式撕裂度测试仪(长春市明月小型试验机有限责任公司，型号ZSED-1000)；电脑测控抗张试验机(四川省长江造纸仪器厂，型号DC-KZ300)；电热鼓风干燥箱(北京中兴伟业仪器有限公司，型号101-2AB)；恒温恒湿箱(北京中兴伟业仪器有限公司，型号HWS-150)。

1.2 方法

首先对甘蔗渣进行筛分处理，用20目圆筛筛分[16]，每次试验取200g(绝干)甘蔗渣，添加NaOH，液比1：10进行蒸煮；蒸煮条件设定为压力值0.4～0.5MPa，2h内升温至120°，保温2h；蒸煮后的蔗渣浆洗去黑液，疏解30min后打浆；取浆抄膜，定量60g/m2，条件为温度97°、真空度96kPa，单膜抄制时间为5～7min[17]；恒温恒湿箱内平衡水分24h后，测定膜抗张强度、耐破指数、耐折度、撕裂指数。

设计试验以NaOH浓度为0%、2.5%、5%、7.5%、10%等5个水平进行试验，每个NaOH浓度水平下分为10个不同时间点取浆抄膜，每个时间点抄膜5张，取5张膜的力学性能指标均值。试验表明：在NaOH浓度为0%、2.5%时，所抄膜无4项力学性能指标值。

设定NaOH浓度、打浆时间为因素，抗张强度指标、耐破指数、耐折度及撕裂指数为指标，进行试验安排。

2 结果与分析

2.1 试验方案及试验结果

试验安排及结果如表1所示。表1中，“-”表示未测得指标值。

表1 试验方案和试验结果

续表1

2.2 模型的建立与检验

应用Design-expert8.0.6软件对试验结果进行方差分析。

1)抗张强度二次模型方差分析如表2所示。

表2 抗张强度二次模型方差分析

**表示影响极显著，*表示影响影响显著，没有表示影响不显著。

抗张强度二次模型方差分析表明：NaOH浓度对抗张强度的影响大于打浆时间，模型极显著，且两因素交互项、NaOH浓度二次项对抗张强度的影响极显著。把拟合方程中对抗张强度影响不显著的打浆时间二次项剔除，得到拟合回归方程为

y1=-145.35594+37.47697x1+4.33989x2-

2)耐破指数二次模型方差分析如表3所示。

表3 耐破指数二次模型方差分析

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)撕裂指数二次模型方差分析如表5所示。

表5 撕裂指数二次模型方差分析

y4=-140.97198+29.59805x1+12.38798x2-

抗张强度、耐破指数、耐折指数、撕裂指数二次模型方差分析表明：NaOH浓度与打浆时间对抗张强度、耐折度、耐破指数、撕裂指数影响极显著；NaOH浓度与打浆时间的交互项对抗张强度、耐破指数、撕裂指数影响极显著，对耐折度影响显著；NaOH浓度二次项对抗张强度、耐破指数、撕裂指数影响极显著，打浆时间二次项对撕裂指数影响显著。

2.3 试验结果响应面分析

运用Design-expert8.0.6软件对试验结果进行响应曲面分析，分别对抗张强度、耐破指数、耐折指数、撕裂指数进行分析，响应曲面图如图1所示。

由图1(a)可以看出：在5%NaOH条件下，随着打浆时间加长，抗张强度呈均匀上升趋势；打浆时间为13～14min时，抗张强度开始小幅下降，且在7.5%NaOH条件下，抗张强度随打浆时间对应增长不明显；在9%NaOH条件下，抗张强度增加到最高点，有下降趋势，且打浆时间的增长不能使抗张强度升高。这是因为NaOH浓度的增加使抗张强度增加；但当NaOH浓度达到一定程度后，纤维已经得到很好帚化，再对已经帚化良好的纤维进行机械打浆，会切碎纤维，使纤维长度降低，使膜抗张强度降低。图中最优点为NaOH浓度8%～9%之间、打浆时间11～13min之间。

由图1(b)可以看出：随着NaOH浓度和打浆时间增加，耐破指数呈现增长趋势。这说明，增加NaOH浓度和延长打浆时间可以提高甘蔗渣纤维品质，使成膜的耐破指数增加；但是，在10%NaOH、打浆时间为14min时，耐破指数开始下降。这说明，蔗渣纤维已经被过度切碎，纤维长度降低，互相之间附着力开始下降。在抄膜过程中发现：在这个点，蔗渣浆开始堵住纸页成形器纸支撑板网眼，说明浆中的杂细胞过多破裂。

由图1(c)可以看出：在5%NaOH条件下，NaOH浓度不够，蔗渣纤维帚化不充分，木素和蔗髓消解效果差；当NaOH浓度提升到7.5%、10%时，打浆时间延长，耐折度明显上升，且在10%NaOH和打浆时间14min条件下达到最高。其原因是纤维被良好的润胀和细化，纤维结合力较大。

由图1(d)可以看出：NaOH浓度及打浆时间增加，撕裂指数呈现出增长趋势，10%NaOH浓度、打浆时间12～14mins条件下，撕裂指数开始下降。其原因是长时间的机械打浆使纤维长度降低，纤维结合力下降，宏观表现为撕裂指数下降。最优区域为7.5%NaOH浓度、打浆时间8～14min。

综上分析表明，增加打浆时间和NaOH浓度不能实现纤维力学性能最优。半化学浆直接低NaOH浓度蒸煮后就进行机械打浆，纤维粗硬，切断较为严重，不利于纤维力学性能。在蒸煮时，合理的NaOH浓度能够使甘蔗渣充分地软化、润胀，能够消解掉一定量的木素和蔗渣髓，降低NaOH对纤维素的降解作用。在此基础上，机械打浆才能充分地起到提升蔗渣纤维品质；进而获得较高的成膜品质。但是，NaOH浓度过高会造成抗张强度、耐破指数及撕裂指数不同程度的下降。

图1 响应曲面图

3 结果优化及验证

3.1 试验参数优化

本试验测定膜力学性能指标，在Design-expert8.0.6软件中优化，用于地膜的强度标准主要参照国家标准GB-13735-1992设定抗张强度目标数值为35N·m[18]；耐破指数目标数值设定为试验测得最大指标值1.78kPa·m2/g；撕裂指数目标数值设定为试验测得最大指标值0.7mN·m2/g；耐折指数优化目标数值设定为40次。对试验结果进行优化，试验参数为9.20%NaOH浓度，打浆时间13min，抗张强度37.64N·m，耐破指数1.52kPa·m2/g，耐折度40次，撕裂指数39.21mN·m2/g，优化结果可信度为0.927。

3.2 验证试验

按照优化的组合参数进行验证试验，重复3次，取均值。结果表明：抗张强度37.16N·m，耐破指数1.61kPa·m2/g，耐折度39次，撕裂指数37.36mN·m2/g，与优化结果相吻合。

4 结论

1)在NaOH浓度为8%～10%条件下，机械打浆10min，地膜具备较低水平力学性能指标：抗张强度15.24N·m，耐破指数0.89kPa·m2/g，耐折度4.9次，撕裂指数35.54mN·m2/g。

2)NaOH浓度与打浆时间对抗张强度、耐折度、耐破指数及撕裂指数影响极显著，交互作用项及二次项对膜力学性能指标也有不同程度的影响。

3)甘蔗渣化学机械法制浆抄膜，最优的组合参数为：NaOH浓度9.20%，打浆时间13min，对应抗张强度37.64N·m，耐破指数1.52kPa·m2/g，耐折度40次，撕裂指数39.21mN·m2/g，优化结果可信度为0.927，抗张强度已经达到地膜使用强度要求。