制備可降解地膜的甘蔗渣纖維力學(xué)性能試驗(yàn)

李麗霞，陳星智，張兆國，閆全濤

(1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所, 云南 開遠(yuǎn) 661600)

0 引言

我國是世界上甘蔗第三種植大國，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2014年我國甘蔗產(chǎn)量12 561.13萬t，種植面積為1 760.45khm2。我國在最近10年的地膜使用量呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢(shì)，到2014年地膜使用量為258.021 1萬t，但地膜回收率低，殘膜導(dǎo)致耕地品質(zhì)下降[1-2]。利用甘蔗渣進(jìn)行可降解地膜制備，對(duì)于提升耕地品質(zhì)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，國內(nèi)外制取甘蔗渣纖維的方法有：①蒸汽爆破法。如G Rocha通過蒸汽爆破法，在較低的蒸煮溫度下對(duì)甘蔗渣進(jìn)行預(yù)處理，使半纖維素溶解，能夠產(chǎn)生纖維素含量較高的蔗渣[3]。②酸堿法。如Marcela Freitas Andrade 對(duì)甘蔗渣進(jìn)行預(yù)水解無水碳酸鈉制漿研究[4]，王犇、曹研等采用酸堿法從蔗渣中提取出纖維素[5]。③化學(xué)法制漿。如DMD Carvalho設(shè)定溫度、反應(yīng)時(shí)間、乙醇用量為三因素進(jìn)行試驗(yàn)，保持固液比、NaOH濃度不變，對(duì)15%甘蔗渣進(jìn)行煮漿[6]；謝土均、林鹿、龐春生等設(shè)定蒸煮條件固液比1∶6，不溶性固體堿濃度為15.0%(對(duì)應(yīng)甘蔗渣絕干量) ，H2O2濃度為3%，初始氧壓為1.0 MPa 對(duì)甘蔗渣進(jìn)行蒸煮[7]；陳祖鑫、曾健運(yùn)用正交試驗(yàn)和單因素優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)尿素碳酰胺和KOH蒸煮蔗渣半化學(xué)漿進(jìn)行研究確定最佳蒸煮條件[8]；也有學(xué)者對(duì)蔗渣纖維的力學(xué)特性進(jìn)行研究[9-11]。蒸汽爆破法制備甘蔗渣纖維存在一定的不足：甘蔗渣體積較小，處理起來耗能大、效果差；木素分離不完全，且不利于工業(yè)化生產(chǎn)推廣。酸堿法雖然可以制備出纖維素，但一般需要多種方法和試劑組合使用，作為互相補(bǔ)充，提高降解率，并且大多要在高溫條件下長時(shí)間進(jìn)行，耗能大，周期長，廢液造成環(huán)境污染。化學(xué)法制漿同樣存在化學(xué)試劑使用量大及制漿黑液排放造成環(huán)境污染的問題。其常用的方法為堿法制漿及亞硫酸鹽法制漿，需要嚴(yán)格控制蒸煮溫度、壓力、固液比、蒸煮時(shí)間、藥液比等因素，蒸煮后洗去漿的黑液；蒸煮過程使用化學(xué)試劑量較大，蒸煮廢液污染負(fù)荷很大，雖然目前已實(shí)現(xiàn)低用堿量的氧堿蒸煮制漿，但工藝較為復(fù)雜。

本試驗(yàn)采用前段化學(xué)煮漿、后段機(jī)械打漿的制漿方式，制備出用于甘蔗渣降解地膜的纖維[12-15]。將纖維制備成膜，測(cè)定纖維的力學(xué)性能，對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面分析，找出最優(yōu)參數(shù)組合并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。通過試驗(yàn)研究，獲得化學(xué)機(jī)械法制備甘蔗渣纖維最優(yōu)工藝參數(shù)，為制備可降解地膜甘蔗渣纖維提供前期研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料與設(shè)備

1)材料：甘蔗渣取自蒙自市糖廠，分析純NaOH(天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)。

2) 設(shè)備：高壓高溫蒸煮鍋(咸陽通達(dá)輕功設(shè)備有限公司制造，型號(hào)ZQS1-15)；瓦利打漿機(jī)(西北輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械廠，型號(hào)漿23型)；紙樣抄取機(jī)(咸陽通達(dá)輕功設(shè)備有限公司制造，型號(hào)ZQJ1-B-II)；MIT耐折度測(cè)定儀(四川省長江造紙儀器廠，型號(hào)YQ-Z-31)；耐破度測(cè)量?jī)x(四川省長江造紙儀器廠，型號(hào)DCP-NPY1200)；電子式撕裂度測(cè)試儀(長春市明月小型試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司，型號(hào)ZSED-1000)；電腦測(cè)控抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)(四川省長江造紙儀器廠，型號(hào)DC-KZ300)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京中興偉業(yè)儀器有限公司，型號(hào)101-2AB)；恒溫恒濕箱(北京中興偉業(yè)儀器有限公司，型號(hào)HWS-150)。

1.2 方法

首先對(duì)甘蔗渣進(jìn)行篩分處理，用20目圓篩篩分[16]，每次試驗(yàn)取200g(絕干)甘蔗渣，添加NaOH，液比1：10進(jìn)行蒸煮；蒸煮條件設(shè)定為壓力值0.4～0.5MPa，2h內(nèi)升溫至120°，保溫2h；蒸煮后的蔗渣漿洗去黑液，疏解30min后打漿；取漿抄膜，定量60g/m2，條件為溫度97°、真空度96kPa，單膜抄制時(shí)間為5～7min[17]；恒溫恒濕箱內(nèi)平衡水分24h后，測(cè)定膜抗張強(qiáng)度、耐破指數(shù)、耐折度、撕裂指數(shù)。

設(shè)計(jì)試驗(yàn)以NaOH濃度為0%、2.5%、5%、7.5%、10%等5個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)NaOH濃度水平下分為10個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)取漿抄膜，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)抄膜5張，取5張膜的力學(xué)性能指標(biāo)均值。試驗(yàn)表明：在NaOH濃度為0%、2.5%時(shí)，所抄膜無4項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)值。

設(shè)定NaOH濃度、打漿時(shí)間為因素，抗張強(qiáng)度指標(biāo)、耐破指數(shù)、耐折度及撕裂指數(shù)為指標(biāo)，進(jìn)行試驗(yàn)安排。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)安排及結(jié)果如表1所示。表1中，“-”表示未測(cè)得指標(biāo)值。

表1 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

2.2 模型的建立與檢驗(yàn)

應(yīng)用Design-expert8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。

1)抗張強(qiáng)度二次模型方差分析如表2所示。

表2 抗張強(qiáng)度二次模型方差分析

**表示影響極顯著，*表示影響影響顯著，沒有表示影響不顯著。

抗張強(qiáng)度二次模型方差分析表明：NaOH濃度對(duì)抗張強(qiáng)度的影響大于打漿時(shí)間，模型極顯著，且兩因素交互項(xiàng)、NaOH濃度二次項(xiàng)對(duì)抗張強(qiáng)度的影響極顯著。把擬合方程中對(duì)抗張強(qiáng)度影響不顯著的打漿時(shí)間二次項(xiàng)剔除，得到擬合回歸方程為

y1=-145.35594+37.47697x1+4.33989x2-

2)耐破指數(shù)二次模型方差分析如表3所示。

表3 耐破指數(shù)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)撕裂指數(shù)二次模型方差分析如表5所示。

表5 撕裂指數(shù)二次模型方差分析

y4=-140.97198+29.59805x1+12.38798x2-

抗張強(qiáng)度、耐破指數(shù)、耐折指數(shù)、撕裂指數(shù)二次模型方差分析表明：NaOH濃度與打漿時(shí)間對(duì)抗張強(qiáng)度、耐折度、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)影響極顯著；NaOH濃度與打漿時(shí)間的交互項(xiàng)對(duì)抗張強(qiáng)度、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)影響極顯著，對(duì)耐折度影響顯著；NaOH濃度二次項(xiàng)對(duì)抗張強(qiáng)度、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)影響極顯著，打漿時(shí)間二次項(xiàng)對(duì)撕裂指數(shù)影響顯著。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)面分析

運(yùn)用Design-expert8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，分別對(duì)抗張強(qiáng)度、耐破指數(shù)、耐折指數(shù)、撕裂指數(shù)進(jìn)行分析，響應(yīng)曲面圖如圖1所示。

由圖1(a)可以看出：在5%NaOH條件下，隨著打漿時(shí)間加長，抗張強(qiáng)度呈均勻上升趨勢(shì)；打漿時(shí)間為13～14min時(shí)，抗張強(qiáng)度開始小幅下降，且在7.5%NaOH條件下，抗張強(qiáng)度隨打漿時(shí)間對(duì)應(yīng)增長不明顯；在9%NaOH條件下，抗張強(qiáng)度增加到最高點(diǎn)，有下降趨勢(shì)，且打漿時(shí)間的增長不能使抗張強(qiáng)度升高。這是因?yàn)镹aOH濃度的增加使抗張強(qiáng)度增加；但當(dāng)NaOH濃度達(dá)到一定程度后，纖維已經(jīng)得到很好帚化，再對(duì)已經(jīng)帚化良好的纖維進(jìn)行機(jī)械打漿，會(huì)切碎纖維，使纖維長度降低，使膜抗張強(qiáng)度降低。圖中最優(yōu)點(diǎn)為NaOH濃度8%～9%之間、打漿時(shí)間11～13min之間。

由圖1(b)可以看出：隨著NaOH濃度和打漿時(shí)間增加，耐破指數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢(shì)。這說明，增加NaOH濃度和延長打漿時(shí)間可以提高甘蔗渣纖維品質(zhì)，使成膜的耐破指數(shù)增加；但是，在10%NaOH、打漿時(shí)間為14min時(shí)，耐破指數(shù)開始下降。這說明，蔗渣纖維已經(jīng)被過度切碎，纖維長度降低，互相之間附著力開始下降。在抄膜過程中發(fā)現(xiàn)：在這個(gè)點(diǎn)，蔗渣漿開始堵住紙頁成形器紙支撐板網(wǎng)眼，說明漿中的雜細(xì)胞過多破裂。

由圖1(c)可以看出：在5%NaOH條件下，NaOH濃度不夠，蔗渣纖維帚化不充分，木素和蔗髓消解效果差；當(dāng)NaOH濃度提升到7.5%、10%時(shí)，打漿時(shí)間延長，耐折度明顯上升，且在10%NaOH和打漿時(shí)間14min條件下達(dá)到最高。其原因是纖維被良好的潤脹和細(xì)化，纖維結(jié)合力較大。

由圖1(d)可以看出：NaOH濃度及打漿時(shí)間增加，撕裂指數(shù)呈現(xiàn)出增長趨勢(shì)，10%NaOH濃度、打漿時(shí)間12～14mins條件下，撕裂指數(shù)開始下降。其原因是長時(shí)間的機(jī)械打漿使纖維長度降低，纖維結(jié)合力下降，宏觀表現(xiàn)為撕裂指數(shù)下降。最優(yōu)區(qū)域?yàn)?.5%NaOH濃度、打漿時(shí)間8～14min。

綜上分析表明，增加打漿時(shí)間和NaOH濃度不能實(shí)現(xiàn)纖維力學(xué)性能最優(yōu)。半化學(xué)漿直接低NaOH濃度蒸煮后就進(jìn)行機(jī)械打漿，纖維粗硬，切斷較為嚴(yán)重，不利于纖維力學(xué)性能。在蒸煮時(shí)，合理的NaOH濃度能夠使甘蔗渣充分地軟化、潤脹，能夠消解掉一定量的木素和蔗渣髓，降低NaOH對(duì)纖維素的降解作用。在此基礎(chǔ)上，機(jī)械打漿才能充分地起到提升蔗渣纖維品質(zhì)；進(jìn)而獲得較高的成膜品質(zhì)。但是，NaOH濃度過高會(huì)造成抗張強(qiáng)度、耐破指數(shù)及撕裂指數(shù)不同程度的下降。

圖1 響應(yīng)曲面圖

3 結(jié)果優(yōu)化及驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

本試驗(yàn)測(cè)定膜力學(xué)性能指標(biāo)，在Design-expert8.0.6軟件中優(yōu)化，用于地膜的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)主要參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB-13735-1992設(shè)定抗張強(qiáng)度目標(biāo)數(shù)值為35N·m[18]；耐破指數(shù)目標(biāo)數(shù)值設(shè)定為試驗(yàn)測(cè)得最大指標(biāo)值1.78kPa·m2/g；撕裂指數(shù)目標(biāo)數(shù)值設(shè)定為試驗(yàn)測(cè)得最大指標(biāo)值0.7mN·m2/g；耐折指數(shù)優(yōu)化目標(biāo)數(shù)值設(shè)定為40次。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)參數(shù)為9.20%NaOH濃度，打漿時(shí)間13min，抗張強(qiáng)度37.64N·m，耐破指數(shù)1.52kPa·m2/g，耐折度40次，撕裂指數(shù)39.21mN·m2/g，優(yōu)化結(jié)果可信度為0.927。

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

按照優(yōu)化的組合參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)3次，取均值。結(jié)果表明：抗張強(qiáng)度37.16N·m，耐破指數(shù)1.61kPa·m2/g，耐折度39次，撕裂指數(shù)37.36mN·m2/g，與優(yōu)化結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

1)在NaOH濃度為8%～10%條件下，機(jī)械打漿10min，地膜具備較低水平力學(xué)性能指標(biāo)：抗張強(qiáng)度15.24N·m，耐破指數(shù)0.89kPa·m2/g，耐折度4.9次，撕裂指數(shù)35.54mN·m2/g。

2)NaOH濃度與打漿時(shí)間對(duì)抗張強(qiáng)度、耐折度、耐破指數(shù)及撕裂指數(shù)影響極顯著，交互作用項(xiàng)及二次項(xiàng)對(duì)膜力學(xué)性能指標(biāo)也有不同程度的影響。

3)甘蔗渣化學(xué)機(jī)械法制漿抄膜，最優(yōu)的組合參數(shù)為：NaOH濃度9.20%，打漿時(shí)間13min，對(duì)應(yīng)抗張強(qiáng)度37.64N·m，耐破指數(shù)1.52kPa·m2/g，耐折度40次，撕裂指數(shù)39.21mN·m2/g，優(yōu)化結(jié)果可信度為0.927，抗張強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到地膜使用強(qiáng)度要求。