椰衣原料造纸可行性探究

管若伶，贠子平，张立晨，黄逊伟，雷 方

(海南热带海洋学院 海洋学科学技术学院，海南 三亚 572022)

1 引言

近年来，大力发展绿色环保材料和相关高新技术产业，已经成为当今全球人类共同关心的话题[1],其中以农作物秸秆等非木材原料生产纸浆，作为木材资源稀缺国家的造纸工业可以说是解决造纸资源保障的有效途径之一[2]，也是响应国家《造纸工业发展“十二五”规划》对非木材资源合理利用的号召[3]。我国椰子种植栽培已有2000年左右的历史，主要种植地区集中在海南省，其椰子产量占全国总量的90%以上。以2010年为例，我国椰子种植面积约 4.037万hm2，全国椰子总产量约为2.5亿个，其中海南省椰子种植面积3.916万hm2，产量为2.3亿个[4,5]。椰子皮、果壳属于农业废弃物，通常被当作其他垃圾丢弃或焚烧，既污染环境又造成资源的极大浪费[6]。

椰壳干重含70%椰糠和30%椰衣纤维，每生产1t椰壳会有0.85t椰衣纤维和 1.9t椰糠废弃物产生[7]。椰衣纤维主要由纤维素、木质素、半纤维素等组成，椰衣纤维具备较强的韧性和耐腐蚀，我国大部分椰衣纤维都用来生产地毯、扫把、刷子、绳索和席子的纤维纱。李留振等[8]将椰衣纤维材料和栽种或喷播护坡植被技术相结合，在废弃矿山、河流堤坝等边坡构建具备可持续生长的防护系统，该技术不仅能使植物抵御雨水侵蚀，而且这些椰衣纤维降解的有机物质还能为植被提供充足的养料。国外还应用在制作沙发、床垫、隔音板的垫料和防震包装材料等，如印度尼西亚用椰衣纤维生产出一种磁化垫, 对治疗风湿病、痔疮等病有一定效果。此外, 椰衣的木质素含量较高, 可用来制造塑料薄膜和生产金属木质素磺酸盐[9]。

如果能将椰衣在造纸方面充分利用，将会有效缓解我国制浆造纸原料需求的压力。为了探讨以椰衣为原料制浆的可行性及对纸浆性能的研究测试，本文以椰衣为研究对象，以碱法制浆为基础，通过实验探讨以椰衣为原料造纸的可行性，通过对纸浆的得浆率、pH值，纤维粗细等方面进行性能测定，为椰子皮纤维资源的合理利用提供技术数据。

2 实验

2.1 实验原料与试剂

使用的原料均是海南三亚本地椰子(椰子种类分为高种椰子、文椰2-4号共4个种类，本次实验所用椰子种类为高种椰子)，经过剥皮、去掉椰子壳、风干、粉碎处理得到的椰衣。试剂为固体氢氧化钠分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

2.2 实验仪器与设备

主要实验仪器与设备有：派普100型磨浆机，镇江派普机械有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，上海力辰仪器科技有限公司；NDJ-1旋转式粘度计，上海米青科实业有限公司；T1000电子天平，上海月梓电子科技有限公司；P-4030环保恒温平台，深圳市安泰兴电子科技有限公司；BA210Digital数码显微镜，麦克奥迪实业集团有限公司。

2.3 实验方案

2.3.1 备料分组

将椰衣进行清洗、去除杂质、晾晒，使椰衣处于全干状态，使用剪刀剪碎作为原料备用，并将处理好的原料按照一定量分为四组。

2.3.2 蒸煮

配制NaOH含量分别为1%、3%、5%、7%的溶液，将准备好的四组实验原料分别放置在烧杯中，并加入一定量事先调配好的NaOH含量不同的溶液，使用DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，蒸煮条件为第一段升温30 min至100 ℃，第二段升温30 min升温至170 ℃，第三段恒温170 ℃共180 min，不保温，期间使用配置的剩余溶液弥补蒸煮过程中OH-的损失，使蒸煮液的量始终保持在烧杯中同一刻度。

2.3.3 过滤、洗涤

将原料从蒸煮液中取出并过滤蒸煮液，减少原料的损失确保数据的准确性，洗涤原料除去原料表面的蒸煮液。

2.3.4 磨浆

将洗涤好的原料放入派普100型磨浆机中，循环磨浆若干次，最后将磨浆机滤网、磨石清理干净。

2.3.5 晾晒、称重

将磨好的纸浆分别用烧杯盛放，并放在P-4030环保恒温平台上，直至完全除去水分，之后使用电子天平测量纸浆干重并记录数据。

2.3.6 浸泡

将晾晒好的四组纸浆各称取一定量干纸浆，加入等量的水，使用磁力搅拌器搅拌均匀，使四组实验纸浆水分含量相同。

2.3.7 测量数据并记录

使用pH计测量纸浆pH值，将纸浆分别通过20目、40目滤网，观察过滤情况，测试过滤情况。

2.4 性能测试

2.4.1 纸浆干重及得浆率

将磨好的纸浆分别用适合的烧杯盛放，并放在P-4030环保恒温平台上以40 ℃放置30～40 h直至完全除去水分，之后使用电子天平测量纸浆干重并记录数据。

2.4.2 纸浆粗细度

将稀释后的纸浆分别通过20目、40目滤网，观察过滤情况。

2.4.3 纸浆成纸

将4个实验组纸浆抄送成纸，将成品纸张晾晒至全干，观察成纸表面情况。

2.4.4 纸浆纤维显微观察

取成品纸张样品，放置纤维镜下观察纤维长短，粗细及分布情况。

3 结果与讨论

本实验以碱法制浆为基础，通过备料分组、蒸煮、过滤、洗涤、磨浆、晾晒、称重、浸泡、测量数据并记录，进行4组对照实验，通过不同的性能测试，验证以椰衣为原料造纸的可行性

3.1 椰子皮各组分含量分析

因为木塑复合材料的强度主要取决于植物纤维的强度、塑料基体的强度和它们之间的粘结强度[10]，植物纤维强度越大，木塑复合材料力学性能越好。植物纤维强度取决于纤维素的含量，纤维素含量越高，植物纤维的强度就越大[11]，所以纤维素含量较高的纤维，成浆效果会更好[12]，原料组分含量分析是判断是否可以作为原料的重要依据，表1所列为椰子皮各组分含量表。

表1 椰衣纤维各组分含量 %

3.2 纸浆干重及得浆率

由图1和表2中可以了解到，在4组实验均使用15 g原料的情况下 NaOH含量为3%的实验组得浆率最高，达到38.7%，NaOH含量为1%和7%的实验组得浆率相同。从得到的纸浆干重及得浆率可以知道，NaOH含量为3%实验组效果最好。

表2 纸浆干重及得浆率

图1 纸浆干重及得浆率

3.3 纸浆pH值

pH值直接反映出纤维酶的活性，在纸浆漂白及印刷过程中起着至关重要的作用[13,14]。从表3纸浆pH记录表中可以看出，NaOH含量为3%实验组纸浆pH相较于其他3组实验组来说，pH更接近中性，一方面，说明纤维素及木质素与NaOH反应更完全；另一方面，在后续工艺流程中漂白及印刷效果最好。

表3 纸浆pH值

3.4 纸浆粗细度

纸浆粗细度是判断该纸张适用于哪个领域的重要依据。从表3及图4中可以看到1%实验组和7%实验组中通过20目滤网的纸浆干重为2.3 g，相较于其他两组实验是最多的，说明当NaOH含量为1%和7%时，纸浆粗细度也相较于其他两组粗；观察3%和5%实验组，5%实验组通过20目滤网的纸浆是较3%实验组多的，然而3%实验组通过40目滤网的纸浆是较1%实验组多的，说明使用NaOH含量为3%时制得的纸浆更细，使用NaOH含量为3%时制得的纸张相对来说也会更加精细。

表4 纸浆粗细度记录

3.5 成纸情况

图2中分别为4个实验组制得的纸张，观察成品纸张表面，NaOH含量为3%实验组明显更加平整光滑。1%实验组存在部分纤维粗大，分布不均匀的情况；初步分析5%实验组纸张颜色因为NaOH含量较高的原因，相较于3%实验组明显变了颜色，且纸张中可以看到纤维裸漏，分布不均匀；7%实验组所制得的纸张，除颜色变化外也存在着纤维粗大的问题。综上所述在这四组实验中，NaOH含量为3%时所呈现出来的效果更好。

图2 各实验组成品纸张对比

3.6 纸张纤维显微观察

图3为各个实验组所制成的纸张，在同一数码显微镜下放大100倍情况下所观测到的纸张纤维，从图中可以看出1%实验组纸张纤维中有部分纤维粗大，纤维粗细不同；3%实验组纸张纤维颜色较1%实验组纸张纤维稍深，纤维粗细均匀，无明显粗大纤维；5%实验组纸张纤维颜色从黄色变成灰黑色，颜色更深，纤维粗细不均匀，胶质物过少导致纤维松散；7%实验组纸张纤维中有明显粗纤维，粗细不均匀，颜色较5%实验组纸张纤维稍浅。结合图3四组实验对比可知，3%实验组纸张纤维粗细最均匀，且胶质物更多，制纸效果最好。

图3 各实验组纸张纤维

4 结论

在4组实验中，当椰衣原料为15 g时，NaOH含量为3%实验组得到的5.8 g完全干重纸浆，得浆率最高；在四组实验中，从得到的纸浆粗细程度观察，NaOH含量为3%实验组纸浆通过20目、40目筛网最多，说明NaOH含量为3%实验组纸浆更细，纸浆中纤维长度最短；在四组实验中，NaOH含量为3%实验组所做成的成品纸张表面更加细腻，无明显纤维痕迹，纤维粗细均匀，做成纸张的效果最好；本研究内容证实了以椰衣为原料造纸具有可行性，椰衣造纸，确保资源再生利用，保护环境，实现可持续发展。在今后将不断改进并探索适用于椰衣纤维的造纸技术，让“椰衣纸”成为宣传海南省的一张特色明信片！