茶废弃物与松针制浆造纸技术研究

严心梅 苏建美 李向波 丁其欢

（1.滇西应用技术大学普洱茶学院 云南大理 671009；2.云南省普洱市镇沅县勐大镇农业综合服务中心云南普洱 666507；3.云南天士力帝泊洱生物茶集团有限公司 云南普洱 665000）

文章主要针对茶叶废弃物及废弃思茅松针的资源循环再利用进行研究。随着国内茶叶种植面积和产量的逐年增加，茶叶深加工是未来茶产业的重要发展方向，将会出现大量的茶叶废弃物。研究茶渣造纸利用，可为今后茶产业的转型发展做铺垫，结合云南普洱的资源优势和思茅松针的柔韧特性，因此开展茶渣、茶树枝条、思茅松针制浆造纸的研究，以期能够造出韧性和强度适宜的纸张，用于茶叶包装、书写及文创等方面，提高茶叶废弃物的经济价值。

中国茶叶流通协会统计，2020年茶栽培面积和可采摘面积分别为4 747.69万和4 152.18万亩（1 hm2=15亩），全国干毛茶产量为298.60万t。在茶园管理、茶叶深加工以及消费过程中，会产生大量的茶叶废弃物。茶废弃物是指茶叶在种植、加工、深加工、消费等过程中产生的以茶叶生物质为主体的废弃物总称，主要包括茶园管理中修剪下的茶树枝叶以及枯枝落叶；加工过程中产生的碎茶、粗老梗叶等；茶叶深加工产生的茶渣；冲泡饮用后产生的茶渣[1]。本文中利用的茶叶废弃物指深加工后产生的茶渣和茶园修剪下来的茶树枝条。

思茅松是松科松属常绿乔木，为卡西亚松的地理变种，在普洱地区种植量大，思茅松的松针为针叶状，叶均长15～25 cm，松针量大易得，成本低，内含纤维素丰富，通常松针直接老化在树上凋落之后便再没有其他途径的应用，但老化的松针中仍含有较多纤维素且纤维较长，可作为造纸辅料进行研究利用。郭伟爱等[2]对思茅松松针的营养成分进行检测分析，结果表明，其内含成分丰富，利用其制作松针粉具有较高的营养价值与抗癌防癌作用，有较大的应用前景；尼吉等[3]用带松针的松枝制作出新的纸板，论证了用松针造纸的可能性；殷涌光等[4]在松针有效成分提取技术的研究进展中提到，松针来源广、成本低、采集方便、化学成分复杂多样，其在医疗保健方面的开发利用方向主要有制作松针精油应用于医药、香料、肥皂、化妆品等，但用松针制浆造纸或者将松针用作造纸辅料的罕见报道。

不同的原材料进行制浆造纸的工艺会有所不同，对于木材原料的制浆方法主要有化学法制浆，化学机械法制浆两种，草本类原料主要采用化学法制浆[5-7]。本文以茶渣、茶枝、松针等为主要原料，制浆工艺主要采用化学法制浆。化学法制浆中主要包括烧碱法制浆、硫酸盐法制浆及亚硫酸盐法制浆。其工艺流程为：非木材原料备料→蒸煮设备进行高温蒸煮→原料在药液的作用下分离溶出木质素→洗涤筛选纸浆→获得本色浆→静置抄纸。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试材茶渣和茶树枝条均源自云南大叶种茶树，茶渣由云南天士力帝泊洱生物茶集团有限公司提供，茶树枝条为在普洱市附近茶园采集的修剪遗弃在茶园的茶树枝条，松针在周边思茅松林下收集。

1.1.2 仪器与试剂主要仪器和试剂为：AE224型电子天平、SGO-130VRX型电子显微镜、不锈钢蒸煮高锅、不锈钢加热电热板、美的家用榨汁机、DL-100型冲压式手动定量取样器、NP-30型微电脑纸张耐破度测定仪、QD-3008微电脑拉力抗张强度测定仪、微电脑撕裂度测试仪等；氢氧化钠、无水硫酸钠等。

1.2 方法

1.2.1 试验设计因采用茶渣、茶树纸条、松针造纸的文献和数据较少，本试验先取样测定纤维素、半纤维素、木质素，通过相关数据初步分析制浆造纸的可行性。确定可行性后分别制浆，选用碱性硫酸盐制法，共设计4组对比试验，以去木质化程度为蒸煮条件，得出 NaOH∶Na2SO4∶茶渣茶树纸条松针=1∶1∶8的质量比，固液比1∶10，蒸煮2 h为最佳蒸煮条件。将茶渣、茶树枝条、思茅松针分别利用上述工艺进行蒸煮制浆，所得浆进行不同比例混合，进行抄纸试验，所得纸张进行紧度、耐破指数、抗张指数的测定。不同比例混浆后进行抄纸，所得纸张样品编号如表1。

表1 茶渣浆、茶树枝浆、思茅松针浆混浆用量及所得纸张编号 单位：mL

1.2.2 指标测定纤维素、半纤维素、木质素测定方法—范式法；纸张性能测定试验主要测定的内容为定量、紧度、耐破度（KPI）、抗张强度（TB）、断裂长（LB）5项指标，测定方法分别根据GB/T451.2—1989《纸和纸板定量的测定》标准，GB/T451.3—1989《纸和纸板厚度的测定》标准，GB/T454—2020《纸耐破度的测定》标准，GB/T2678.4—1994《纸浆和纸零距抗张强度测定》标准，GB/T12914—2018《纸和纸板抗张强度的测定恒速拉伸法》进行测定；纤维长宽采用SGO-130VRX型电子显微镜仪器自待测定。

2 结果与分析

2.1 茶渣、茶枝、松针纤维含量测定分析

造纸的主要原材料是植物纤维，由大约 50%的纤维素，30%的木质素以及20%的半纤维素碳水化合物和少量芳香族化合物组成[8-9]。通过范式法对茶渣、茶树枝条、思茅松针进行检测分析，得到纤维素、半纤维素、木质素的含量如表2所示，茶渣中纤维素含量为18.3%，木质素为25.7%；茶枝纤维素含量为 27.9%，半纤维素含量为17.4%，木质素含量为 27.3%；思茅松松针纤维素含量为24.1%，木质素含量为34.5%。纤维素含量与一般木材相比较低，但仍具有制浆的可行性。半纤维素具有亲水性能，能造成细胞壁的润胀，打浆度上升更快，纤维吸水润胀性能更好，易于打浆可赋予纤维弹性[10-11]，茶枝中含有的半纤维素较高，打浆度应该会相对较高。

表2 茶渣、茶枝、松针纤维含量测定结果 单位：g/kg

2.2 茶渣、茶枝、松针纤维长宽测定及电镜观察

纤维长度以及柔韧度、细度和纸页密度控制各单根纤维所产生的纤维接触面积，因此纤维的长度对纸张结构有很大的影响。较宽、较厚的长纤维使挺度增加，粗长的纤维不易压溃，所以可获得较高的松厚度、接触面积少而更疏松、以及较低的耐破度和抗张强度。长度是造纸纤维的一个最重要特征，长度增加到一定程度时，在纸浆悬浮液中极易絮聚成团，对纸页匀度有负面作用，甚至降低纸页强度。纸浆纤维的平均长度与纸张综合强度存在着密切的相关性，长纤维可以提供更大的结合面积与更好的作用应力分布，在纤维之间产生更多的键结合，使得纤维网络强度更大，湿纸页的强度随纤维长度的增加而增加，抗张强度、撕裂度、耐破度随纤维长度提高而改善[12-13]。从表3中可知，在观测的茶渣纤维样本中茶渣纤维长度最短为274 μm，最长为407.6 μm，平均长度为330.42 μm，平均宽度为24.01 μm，长宽比为13.76；茶枝纤维长度最短为767 μm，最长为1 832.30 μm，平均长度为1 182.28 μm，平均宽度为37.36 μm，长宽比为31.64；松针纤维长度最短为341 μm，最长为 1 430 μm，平均长度为 725.33 μm，平均宽度为35.26 μm，长宽比为20.57。根据李晶莹等[14]基于多元线性回归模型分析 107杨木材材性与纸张性能的关系的研究中可知，纤维长度越长，纸张撕裂指数、耐破指数、断裂长和耐破度都有所上升；纤维长宽比大，纸张力学性能也得到明显提高。结合表3、图1～3，茶枝纤维的长度与长宽比是3种纤维中最大的，因此其制作出的手抄纸性能可能优于其他2种浆料所制纸。

表3 茶渣、茶枝、松针纤维长宽测定结果

从图1～3可以看出，茶渣纤维最短碎，茶枝纤维最长，与常用造纸阔叶木原料在长度，长宽比上性能相近，因此茶枝的纤维性状表现的最为优异，茶枝最易制作出成型手抄纸张，在后续的测试中其抗张强度、撕裂度、耐破度性能表现最优，其次为松针，再次为茶渣。

图1 茶渣纤维10X电子显微镜下观察图

2.3 不同比例的茶渣、茶枝、松针混合对纸浆制纸的影响

纸张由多种不同比例的纸浆混合而成后对纸张的结构组成有一定帮助，手抄纸在不同配合比下会产生不同质量的纸张，纸张纤维配合比通常与纸桨的配制有着很大的联系，针对纸张配合比的研究对纸张的生产工艺具有一定的意义[15]。不同比例的茶渣和茶枝，不同比例的茶渣和松针，不同比例的茶渣、茶枝与松针配比制作出的手抄纸的定量、紧度、耐破度、抗张强度、断裂长都存在较大的差异性。

手抄纸定量、紧度、耐破度、抗张强度、断裂长、纸张性能强度指标数据如表4～7所示。

图2 茶枝纤维10X电子显微镜下观察图

分析表4后得A2的定量为23.800 g/m2；紧度为 0.283 g/cm3；耐破指数为 1.772 kPa·m2/g；抗张指数为10.077 N·m/g；裂断长为1.371 km，在这个兑浆比例条件下的手抄纸性能最好。因此在单独制浆抄纸的纸张性能比较中，茶树枝条所得纸浆为最佳。

表4 单独茶渣、茶枝、松针浆料制成的纸张物理性能检测

图3 思茅松针10X电子显微镜下观察图

分析表5后得B2的定量为50.137 g/m2；紧度为 0.216 g/cm3；耐破指数为 1.740 kPa·m2/g；抗张指数为27.982 N·m/g；裂断长为2.855 km，在这个兑浆比例条件下的手抄纸性能最好，其次为B3，再次为B1。

表5 茶渣、茶枝混合兑浆制纸比例纸张物理性能检测

分析表6后得 C3的定量为51.612 g/m2；紧度为 1.727 g/cm3；耐破指数为 1.727 kPa·m2/g；抗张指数为18.384 N·m/g；裂断长为1.260 km，纸张性能最好，说明茶渣浆：思茅松针浆为2∶1时纸张性能较好。

表6 茶渣、松针混合兑浆制纸比例纸张物理性能检测

分析表7后得 D4的定量为70.163 g/m2，紧度为 0.657 g/cm3，耐破指数为 2.748 kPa·m2/g，抗张指数为49.328 N·m/g，裂断长为5.033 km，在这个兑浆比例条件下的手抄纸性能最好，其次为D2，再次为 D1，D3。其中 3种性能相对较优的手抄纸外观如图4所示。从图4可以看出，茶渣:茶枝:松针=2:1:1的纸张皱缩较为严重，色泽较深，而茶渣:茶枝=1:2和茶渣:松针=2:1较为平整，色 泽较浅。

表7 茶渣、茶枝、松针混合兑浆制纸比例纸张物理性能检测

图4 不同成分的纸张成品对比

3 结论

试验结果发现，只用茶渣制造成的纸面较细，但质地较脆，韧度较低，难以达到包装纸的要求；仅茶枝制成的纸面较粗糙，平整度较差，耐破度较低，且其加工难度大于茶渣，生产成本较高，纸张性能比单独茶渣做出来的纸表现好，但也难以达到包装用纸的要求；单纯松针制成的纸，纸张中粗纤维明显，晒干后皱缩最明显，纸面较粗糙，抗张性能较差，亦难达到包装用纸的要求。当茶渣与茶枝以 1:2比例混合时，纸张的紧度、耐破度、抗张性能表现更好；当茶渣与松针以2:1比例混合时，纸张的紧度、耐破度、抗张性能表现较其他比例更好；当三者以 2:1:1比例混合时，纸张性能表现最优，优于茶渣与茶枝，茶渣与松针的混合。因此在探讨一种用茶废弃物及思茅松松针落叶制纸的方法时，采用碱性亚硫酸盐制法，浆料以2:1:1比例混合时，制作出来的纸张性能最有望成为新的茶产品包装用纸，其次是茶渣与茶枝以1:2比例混合时制作而成的纸，再次是茶渣与松针以 2:1比例混合时制作而成的纸张。本试验证明了茶渣、茶枝造纸具有一定的可行性，其表现出来的纸张性状有待继续加强，为后续的茶渣造纸研究技术与工艺改良提供了思路和数据。