物理盤磨處理對香蕉秸稈纖維性質(zhì)的影響

裴 培，李紀紅，查瑞濤，李十中，張成明,4，5

(1.長沙師范學院 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410000；2.清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084；3.天津科技大學 材料科學與化學工程學院，天津 300457；4.徐州生物制藥與廢棄物綜合利用工程技術研究中心，江蘇 徐州 221006；5.徐州生物工程職業(yè)技術學院 生物工程系，江蘇 徐州 221006)

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年可產(chǎn)生大量的秸稈廢棄物資源。然而，目前處理農(nóng)作物秸稈廢棄物的主要方式為填埋、焚燒等。這不僅造成了大量纖維資源的浪費，使得大量的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品未能得到有效的開發(fā)利用，而且也容易在堆積和焚燒過程中引發(fā)空氣和土壤的污染，甚至導致植物病害。有效利用秸稈資源，不僅能保護環(huán)境，提升農(nóng)業(yè)循環(huán)利用率，還能產(chǎn)生較大的社會和環(huán)境效益[1]。

對農(nóng)作物秸稈廢棄物進行適當?shù)奶幚?，可以為開發(fā)新型、生態(tài)型的材料提供參考。目前，國內(nèi)外對于農(nóng)作物秸稈回收利用技術的研究主要集中于設備制造、性質(zhì)探究、復合材料和發(fā)泡緩沖材料的應用開發(fā)等方面[1-4]。我國香蕉秸稈廢棄物產(chǎn)量大，每年可提取的香蕉秸稈纖維約有200萬 t[2]，其粗纖維含量高，且具備利用率低、開發(fā)潛力巨大等特點[3-4]。目前已出現(xiàn)采用香蕉葉為原料，生產(chǎn)制造天然纖維板，或?qū)⑾憬督斩捓w維與棉混合生產(chǎn)制造服裝、床單，或與毛巾、檳榔殼混合制備紙張，或采用香蕉秸稈制備質(zhì)量分數(shù)為48%～51%的未漂白紙漿的先例[5]。

香蕉秸稈纖維具備纖維粗硬、伸長小、吸濕性好、回潮率大和光澤度好等特點；且長寬比大，具備較好的機械性能。畢曉云[6]認為香蕉秸稈的這些特性使之具備了作為綠色材料的潛力，可用于制造合格的漿板產(chǎn)品。相對于常見的農(nóng)作物秸稈而言，香蕉秸稈的纖維素含量高于高粱秸稈的纖維素含量，與小麥秸稈、玉米秸稈的纖維素含量接近，與已開展廣泛研究的玉米秸稈纖維素含量相當，因而具備開展研究和應用的潛力。

如今大量的研究者展開了針對不同農(nóng)作物秸稈廢棄物的處理及性能探究。用農(nóng)作物秸稈廢棄物材料制作纖維板材，或其他新材料的開發(fā)已成為植物纖維利用領域的研究熱點。在纖維處理利用之前，進行適當?shù)念A處理，有利于植物纖維的后續(xù)處理利用。Shimizu等[7]分別采用酸、堿及H2O2處理了香蕉秸稈纖維，發(fā)現(xiàn)酸處理可有效去除香蕉秸稈纖維中的半纖維素，堿處理及H2O2處理可將半纖維素含量分別降低至質(zhì)量分數(shù)為4.38%和 8.68%，從而可影響纖維的性質(zhì)及后續(xù)處理的利用率。Sindhu等[8]采用NaOH處理甘蔗渣后發(fā)現(xiàn)，這一處理方法可去除纖維中質(zhì)量分數(shù)為90%的木質(zhì)素，從而直接影響后續(xù)纖維酶解效率。Zhao等[9]采用蒸氣爆破的方式處理玉米秸稈，發(fā)現(xiàn)該處理方式可增大秸稈表面孔洞的大小和分布。這一結(jié)構(gòu)變化可改變玉米秸稈的滲透性能，并能增強其后續(xù)處理的利用效率，從而提高與其他材料的復合性能。此外，Kaparaj等[10]采用熱爆破的方法處理了玉米秸稈和小麥秸稈，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該處理方法可以降低秸稈中的半纖維素含量，并能起到明顯的脫纖維作用，從而為后續(xù)纖維與膠黏劑的復合性能的提升提供幫助。Li等[11]采用蒸氣和短時草酸處理水稻秸稈人造板后發(fā)現(xiàn)，該處理方式可顯著提高內(nèi)部力學性能和尺寸的穩(wěn)定性。此外，還出現(xiàn)了采用各類酸堿處理農(nóng)作物秸稈纖維，以提升秸稈纖維與膠黏劑的膠合性能的研究[12]。許多研究者正開展秸稈處理和改性方面的研究，試圖提升纖維材料與其他材料的復合性能。

然而，針對香蕉秸稈進行物理機械盤磨處理，并分析其性質(zhì)變化的研究還不多，針對香蕉秸稈纖維成分剝離的技術較為落后。而物理盤磨處理方法在造紙領域應用較廣，具有適應性廣、打漿能力強、可靈活調(diào)整參數(shù)等優(yōu)勢[13-14]。本研究試圖通過對香蕉秸稈進行不同程度的物理機械盤磨處理，并測試其纖維性質(zhì)的變化，以期為香蕉秸稈的后續(xù)有效利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 設備與儀器

BR30-300CB KRK型盤磨機，日本Kogyo公司；P40110.E000 PFI型磨漿機，德國Frank-PTI公司； AT-DJ型肖伯爾打漿度測定儀，濟南安尼麥特公司； GC-14C型氣相色譜儀，日本島津公司； PB303-N型電子天平，瑞士Mettlek Toledo公司； BS224S型電子天平，德國SARTORIUS公司；111型游標卡尺，桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 材料的制備

材料為香蕉秸稈(采集自海南省澄邁縣)，經(jīng)初步切斷處理后，獲得長度3～4 cm、寬度2～3 cm、厚度1 cm的樣品。采用盤磨機初步處理樣品后，獲得香蕉秸稈粗漿。新鮮香蕉秸稈水分達質(zhì)量分數(shù)90%以上，首次盤磨即可將其破碎成絲狀物，而后調(diào)整盤磨間隙和漿料質(zhì)量分數(shù)以獲取樣品。將香蕉秸稈粗漿進行篩分，篩除香蕉秸稈雜細胞(薄壁細胞和少量表皮細胞)后，得到香蕉秸稈纖維。

采用盤磨機對香蕉秸稈纖維進行盤磨。將粗漿濃縮至質(zhì)量分數(shù)為10%，采用0.5 mm間隙盤磨2次，得到1號打漿度的樣品。將粗漿濃縮至質(zhì)量分數(shù)為20%，0.1 mm盤磨2次，得到2號樣品。將粗漿濃縮至質(zhì)量分數(shù)為20%，0.1 mm盤磨4次，并采用磨漿機處理適度后，得到3號樣品。將粗漿濃縮至質(zhì)量分數(shù)為20%，0.1 mm盤磨6次，并采用磨漿機處理適度后，得到4號樣品。樣品的處理過程見圖1。

圖1 物理處理香蕉秸稈纖維樣品的制備流程示意圖Fig.1 Physical treatment process of banana straw samples

1.2.2 分析方法

采用NREL(National Renewable Energy Labortory)實驗室中發(fā)布的成分測定方法[15]用于本研究中纖維組分的測定，纖維素的含量可用水解生成的葡萄糖含量計算反推，半纖維素的含量可用木糖和阿拉伯糖的含量計算反推。體系中的樣品采用質(zhì)量法來測定其含有的揮發(fā)性物質(zhì)(volatile solid,VS)和總干質(zhì)量(total solid,TS)；香蕉秸稈纖維的微觀表面形態(tài)采用電鏡(scanning electron microsecopy,SEM)檢測。樣品的打漿度測定采用肖伯爾打漿度測定儀：打漿度測定方法按照GB/T3332—2004[16]進行，將含有2 g絕干漿的懸浮液1 000 mL導入濾水筒(水溫20 ℃)，使?jié){料通過15 μm濾網(wǎng)，纖維可在濾網(wǎng)上形成濾層，水通過濾層浸入分離室。用量筒收集從肖伯爾打漿度測定儀側(cè)管排出的水量，即可直接讀出紙漿的打漿度值，以打漿度的高低表征漿料的濾水性能(°SR)，打漿度的計算見式(1)。

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 物理盤磨處理對香蕉秸稈纖維組成成分的影響

經(jīng)盤磨處理后獲得的香蕉秸稈纖維，再經(jīng)過肖伯爾打漿度測定儀的測定，可獲得具有打漿度梯度的4種樣品，它們的基本性質(zhì)見表1。采用NREL法測試香蕉秸稈1～4號纖維樣品，分析其主要纖維成分質(zhì)量分數(shù)的結(jié)果(圖2)。

表1 香蕉秸稈纖維樣品的基本性質(zhì)測定

注：TS為樣品在濕基下測得的質(zhì)量分數(shù)，VS為樣品在干基下測得的質(zhì)量分數(shù)。

圖2 物理盤磨對香蕉秸稈纖維組成成分的影響Fig.2 Effects of physical treatment on the fiber composition of banana straw

由圖2可知：經(jīng)濃縮和物理盤磨處理后，打漿度分別為10、30、50和70 °SR的香蕉秸稈樣品半纖維素含量有小幅度下降，由22.9%降至18.4%。而纖維素含量則由36.9%提升至46.8%。酸可溶性木質(zhì)素和酸不溶性木質(zhì)素含量則變化較小。由此可知：在濃縮和物理盤磨打漿的過程中，物理處理可以切斷纖維類物質(zhì)中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的復雜結(jié)構(gòu)，增加纖維質(zhì)材料與其他物質(zhì)的接觸面積。物理處理可降低纖維素的結(jié)晶度，破壞木質(zhì)素層[7]。因此在NREL方法的測試條件下，半纖維素的含量相對有所下降。該結(jié)果表明：物理盤磨處理香蕉秸稈纖維后能打破其纖維結(jié)構(gòu)，并可較大程度地反映其對纖維組成的破壞。然而，Deepa等[17]用現(xiàn)有的采用化學方法處理香蕉纖維的數(shù)據(jù)顯示：化學處理可以使得香蕉秸稈的纖維素質(zhì)量分數(shù)提升40%以上。而采用蒸氣爆破處理和化學處理相結(jié)合的方法，也可使得香蕉秸稈纖維的非纖維素成分，如半纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)大幅下降至0.4% 和1.9%。由此可知，物理盤磨處理對香蕉秸稈纖維成分的影響相對于化學處理和蒸氣爆破處理而言較小。

2.2 物理盤磨處理對香蕉秸稈纖維長度的影響

采用游標卡尺測定物理盤磨處理后的香蕉秸稈纖維長度平均值，可以得到物理盤磨處理與香蕉秸稈纖維長度的關系，結(jié)果見圖3。

圖3 打漿度對纖維長度的影響Fig.3 Effects of beating intensity on fiber length

由圖3可知：打漿度為10 °SR的1號樣品隨著物理盤磨處理程度的調(diào)整，香蕉秸稈粗漿的打漿度呈梯度式提升，盤磨間隙由0.5 mm下降至0.1 mm。盤磨次數(shù)逐步增加后，香蕉秸稈纖維的平均長度由6.1 cm下降至0.1 cm，下降幅度達98.3%。當打漿度提高至30 °SR以上，纖維長度變化較小，纖維長度下降較為緩慢。該結(jié)果說明在固定的盤磨機械設備處理下，打漿度的提升能顯著影響纖維長度，但當打漿度提升至30 °SR以上時，對纖維長度的影響趨于穩(wěn)定。

2.3 物理盤磨處理對香蕉纖維直徑及表面形態(tài)的影響

將物理盤磨處理后的香蕉秸稈用掃描電鏡進行取樣檢測，以確定香蕉秸稈微觀結(jié)構(gòu)和維管束的表面形態(tài)，結(jié)果見圖4。圖4(a)為1號10 °SR樣品的掃描電鏡顯示圖(×300)，圖4(b)為2號30 °SR樣品的掃描電鏡顯示圖(×2 400)，圖4(c)為3號50 °SR樣品的掃描電鏡顯示圖(×2 500)，圖4(d)為4號70 °SR樣品的掃描電鏡顯示圖(×2 500)。

由圖4可知：經(jīng)過不同盤磨處理后的香蕉秸稈表面微觀形貌產(chǎn)生了較大差異，打漿度越高，香蕉秸稈纖維樣品表面破碎程度越大。比較圖4(a)～(d)可發(fā)現(xiàn)：1號樣品的單根纖維束較為完整、表面較為光滑，少量的溝壑紋路均清晰可見。在減小盤磨間隙及增加盤磨次數(shù)后，2～4號樣品纖維表面出現(xiàn)破裂、纖維離解以及纖維束半徑減小等現(xiàn)象，且有細小的碎片纖維產(chǎn)生。纖維表面明顯起毛，秸稈纖維表面的破壞程度逐步加大。當打漿至2號樣品30 °SR時，纖維發(fā)生輕微的分絲帚化作用，纖維表面變得略微粗糙，出現(xiàn)扭結(jié)甚至斷裂的痕跡。繼續(xù)打漿至3號樣品50 °SR時，纖維卷曲程度增加。柔韌性的增強是由于受到打漿過程中機械的剪切及壓潰作用，因而碎片化更加嚴重。打漿至70 °SR時，打漿度最高的4號樣品秸稈表面發(fā)生較大程度的破損，秸稈表面不再光滑，并出現(xiàn)不規(guī)則的突起或凹痕，說明物理盤磨處理對秸稈表面結(jié)構(gòu)具有較強的破壞性。在打漿的過程中，在吸水潤脹與外力的雙重作用下，秸稈纖維吸水潤脹，初生壁、次生壁破裂，產(chǎn)生了細小的纖維碎片，纖維表面發(fā)生分絲帚化等現(xiàn)象。香蕉秸稈纖維受到壓潰、剪切等一系列的機械作用，使得纖維細胞壁變薄，柔軟度增加。其整體結(jié)構(gòu)和形狀發(fā)生了變形，因而出現(xiàn)了不同程度的卷曲和扭結(jié)[13]。

相對于2～4號樣品而言，1號樣品其濃縮程度較低，在盤磨時纖維之間存在大量水分，使得纖維間距離增大，同時水分還起到了潤滑劑的作用，導致纖維間摩擦力小，纖維處理程度較差。當提高樣品的濃縮程度時，磨漿作用則由于高濃漿料纖維之間相互摩擦、擠壓和揉搓等作用，產(chǎn)生大量的摩擦熱，從而有利于漿料的離解，使得纖維形態(tài)扭曲程度提升。此外，隨著磨漿間隙由0.5 mm降至0.1 mm，纖維與磨齒的接觸距離逐漸減小，分絲帚化的纖維受到磨齒進一步地壓潰而破碎，造成細小組分含量增多。細小組分會影響漿料的濾水性能，故隨著磨盤間隙的降低，打漿度逐步上升。

此外，經(jīng)測定1～4號香蕉秸稈纖維樣品在電鏡下的直徑測定結(jié)果分別為151.7、30.5、21.2和17.4 μm。隨著樣品打漿度的梯度上升，在電鏡下觀測到的纖維直徑首先出現(xiàn)了大幅度地下降，之后變化逐漸趨于平穩(wěn)。該結(jié)果表明：在固定盤磨機械設備的處理下，打漿度的提升能顯著影響纖維的外觀形貌和直徑，當打漿度提升至30 °SR以上時，對纖維直徑的影響趨于平緩。

2.4 物理盤磨打漿對香蕉纖維強度性質(zhì)的影響

由表2可知：打漿度對香蕉纖維可后續(xù)制備的材料厚度、耐折度和成型均勻度等均具有一定程度的影響。隨著打漿度的提升，可制備的紙材料厚度逐漸下降。當打漿度為30 °SR以上時，香蕉纖維可制備的材料厚度趨于穩(wěn)定。此外，香蕉纖維的打漿度與其耐折度也呈現(xiàn)出負相關性。在香蕉纖維打漿度提升至30 °SR以上時，該纖維可制備的紙片成型均勻度達到良好以上的狀態(tài)。

郭濤[13]和徐永健等[14]的研究表明：打漿過程可使纖維的細胞壁發(fā)生位移、變形與破裂等現(xiàn)象，使得后續(xù)可制備的紙漿具有柔軟性和可塑性，也使纖維素分子鏈中的羥基增加了與氫鏈結(jié)合的機會，從而提高了纖維間的結(jié)合力，形成更加緊湊的網(wǎng)絡系統(tǒng)，繼而提升了材料的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)。

表2 打漿度對香蕉纖維強度性質(zhì)的影響[6,18]

注：耐折度為在1.5 kg外力作用下的測試結(jié)果。

3 結(jié)論

1)物理盤磨處理對香蕉秸稈的組成成分有一定影響，但相對于化學、蒸氣爆破等方法而言，其對香蕉秸稈組成成分的影響較小。

2)隨著物理盤磨處理程度的加深，纖維的打漿度逐步提升，纖維長度顯著下降。當纖維打漿度提升至30 °SR后，纖維長度下降較為平緩。

3)盤磨處理后，打漿度由10 °SR增加至70 °SR的樣品在電鏡下的纖維直徑由約151.7 μm降至17.4 μm，秸稈纖維的表面破碎程度顯著增大。秸稈纖維表面結(jié)構(gòu)的破壞可形成許多微隙。增大表面積，可以為后續(xù)材料與膠黏劑的融合提供更大的接觸面積。

4)在打漿度上升至30 °SR之后，香蕉秸稈纖維的耐折度和紙片成型勻度等均達到良好的狀態(tài)。在后續(xù)的研究中，可選取采用機械盤磨法將香蕉秸稈纖維處理至打漿度30 °SR以上，以期為后續(xù)香蕉秸稈纖維的研究提供良好的基礎材料。

綜上所述：采用物理盤磨機械處理香蕉秸稈纖維，通過改變盤磨濃度、間隙和磨漿次數(shù)，逐步增加磨漿能耗，可以增加纖維分離程度，使香蕉秸稈纖維分絲帚化成漿。香蕉秸稈結(jié)構(gòu)疏松，采用化學方法進行處理制漿會消耗較多的化學藥品。本文所使用的物理盤磨機械處理方法，可為后續(xù)以香蕉秸稈纖維為基材的材料開發(fā)提供參考，亦可為其應用于紙質(zhì)纖維材料的研究提供基礎數(shù)據(jù)。