物理盘磨处理对香蕉秸秆纤维性质的影响

裴 培，李纪红，查瑞涛，李十中，张成明,4，5

(1.长沙师范学院 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410000；2.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084；3.天津科技大学 材料科学与化学工程学院，天津 300457；4.徐州生物制药与废弃物综合利用工程技术研究中心，江苏 徐州 221006；5.徐州生物工程职业技术学院 生物工程系，江苏 徐州 221006)

我国是农业大国，每年可产生大量的秸秆废弃物资源。然而，目前处理农作物秸秆废弃物的主要方式为填埋、焚烧等。这不仅造成了大量纤维资源的浪费，使得大量的农业副产品未能得到有效的开发利用，而且也容易在堆积和焚烧过程中引发空气和土壤的污染，甚至导致植物病害。有效利用秸秆资源，不仅能保护环境，提升农业循环利用率，还能产生较大的社会和环境效益[1]。

对农作物秸秆废弃物进行适当的处理，可以为开发新型、生态型的材料提供参考。目前，国内外对于农作物秸秆回收利用技术的研究主要集中于设备制造、性质探究、复合材料和发泡缓冲材料的应用开发等方面[1-4]。我国香蕉秸秆废弃物产量大，每年可提取的香蕉秸秆纤维约有200万 t[2]，其粗纤维含量高，且具备利用率低、开发潜力巨大等特点[3-4]。目前已出现采用香蕉叶为原料，生产制造天然纤维板，或将香蕉秸秆纤维与棉混合生产制造服装、床单，或与毛巾、槟榔壳混合制备纸张，或采用香蕉秸秆制备质量分数为48%～51%的未漂白纸浆的先例[5]。

香蕉秸秆纤维具备纤维粗硬、伸长小、吸湿性好、回潮率大和光泽度好等特点；且长宽比大，具备较好的机械性能。毕晓云[6]认为香蕉秸秆的这些特性使之具备了作为绿色材料的潜力，可用于制造合格的浆板产品。相对于常见的农作物秸秆而言，香蕉秸秆的纤维素含量高于高粱秸秆的纤维素含量，与小麦秸秆、玉米秸秆的纤维素含量接近，与已开展广泛研究的玉米秸秆纤维素含量相当，因而具备开展研究和应用的潜力。

如今大量的研究者展开了针对不同农作物秸秆废弃物的处理及性能探究。用农作物秸秆废弃物材料制作纤维板材，或其他新材料的开发已成为植物纤维利用领域的研究热点。在纤维处理利用之前，进行适当的预处理，有利于植物纤维的后续处理利用。Shimizu等[7]分别采用酸、碱及H2O2处理了香蕉秸秆纤维，发现酸处理可有效去除香蕉秸秆纤维中的半纤维素，碱处理及H2O2处理可将半纤维素含量分别降低至质量分数为4.38%和 8.68%，从而可影响纤维的性质及后续处理的利用率。Sindhu等[8]采用NaOH处理甘蔗渣后发现，这一处理方法可去除纤维中质量分数为90%的木质素，从而直接影响后续纤维酶解效率。Zhao等[9]采用蒸气爆破的方式处理玉米秸秆，发现该处理方式可增大秸秆表面孔洞的大小和分布。这一结构变化可改变玉米秸秆的渗透性能，并能增强其后续处理的利用效率，从而提高与其他材料的复合性能。此外，Kaparaj等[10]采用热爆破的方法处理了玉米秸秆和小麦秸秆，结果发现：该处理方法可以降低秸秆中的半纤维素含量，并能起到明显的脱纤维作用，从而为后续纤维与胶黏剂的复合性能的提升提供帮助。Li等[11]采用蒸气和短时草酸处理水稻秸秆人造板后发现，该处理方式可显著提高内部力学性能和尺寸的稳定性。此外，还出现了采用各类酸碱处理农作物秸秆纤维，以提升秸秆纤维与胶黏剂的胶合性能的研究[12]。许多研究者正开展秸秆处理和改性方面的研究，试图提升纤维材料与其他材料的复合性能。

然而，针对香蕉秸秆进行物理机械盘磨处理，并分析其性质变化的研究还不多，针对香蕉秸秆纤维成分剥离的技术较为落后。而物理盘磨处理方法在造纸领域应用较广，具有适应性广、打浆能力强、可灵活调整参数等优势[13-14]。本研究试图通过对香蕉秸秆进行不同程度的物理机械盘磨处理，并测试其纤维性质的变化，以期为香蕉秸秆的后续有效利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 设备与仪器

BR30-300CB KRK型盘磨机，日本Kogyo公司；P40110.E000 PFI型磨浆机，德国Frank-PTI公司； AT-DJ型肖伯尔打浆度测定仪，济南安尼麦特公司； GC-14C型气相色谱仪，日本岛津公司； PB303-N型电子天平，瑞士Mettlek Toledo公司； BS224S型电子天平，德国SARTORIUS公司；111型游标卡尺，桂林广陆数字测控股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 材料的制备

材料为香蕉秸秆(采集自海南省澄迈县)，经初步切断处理后，获得长度3～4 cm、宽度2～3 cm、厚度1 cm的样品。采用盘磨机初步处理样品后，获得香蕉秸秆粗浆。新鲜香蕉秸秆水分达质量分数90%以上，首次盘磨即可将其破碎成丝状物，而后调整盘磨间隙和浆料质量分数以获取样品。将香蕉秸秆粗浆进行筛分，筛除香蕉秸秆杂细胞(薄壁细胞和少量表皮细胞)后，得到香蕉秸秆纤维。

采用盘磨机对香蕉秸秆纤维进行盘磨。将粗浆浓缩至质量分数为10%，采用0.5 mm间隙盘磨2次，得到1号打浆度的样品。将粗浆浓缩至质量分数为20%，0.1 mm盘磨2次，得到2号样品。将粗浆浓缩至质量分数为20%，0.1 mm盘磨4次，并采用磨浆机处理适度后，得到3号样品。将粗浆浓缩至质量分数为20%，0.1 mm盘磨6次，并采用磨浆机处理适度后，得到4号样品。样品的处理过程见图1。

图1 物理处理香蕉秸秆纤维样品的制备流程示意图Fig.1 Physical treatment process of banana straw samples

1.2.2 分析方法

采用NREL(National Renewable Energy Labortory)实验室中发布的成分测定方法[15]用于本研究中纤维组分的测定，纤维素的含量可用水解生成的葡萄糖含量计算反推，半纤维素的含量可用木糖和阿拉伯糖的含量计算反推。体系中的样品采用质量法来测定其含有的挥发性物质(volatile solid,VS)和总干质量(total solid,TS)；香蕉秸秆纤维的微观表面形态采用电镜(scanning electron microsecopy,SEM)检测。样品的打浆度测定采用肖伯尔打浆度测定仪：打浆度测定方法按照GB/T3332—2004[16]进行，将含有2 g绝干浆的悬浮液1 000 mL导入滤水筒(水温20 ℃)，使浆料通过15 μm滤网，纤维可在滤网上形成滤层，水通过滤层浸入分离室。用量筒收集从肖伯尔打浆度测定仪侧管排出的水量，即可直接读出纸浆的打浆度值，以打浆度的高低表征浆料的滤水性能(°SR)，打浆度的计算见式(1)。

(1)

2 结果与讨论

2.1 物理盘磨处理对香蕉秸秆纤维组成成分的影响

经盘磨处理后获得的香蕉秸秆纤维，再经过肖伯尔打浆度测定仪的测定，可获得具有打浆度梯度的4种样品，它们的基本性质见表1。采用NREL法测试香蕉秸秆1～4号纤维样品，分析其主要纤维成分质量分数的结果(图2)。

表1 香蕉秸秆纤维样品的基本性质测定

注：TS为样品在湿基下测得的质量分数，VS为样品在干基下测得的质量分数。

图2 物理盘磨对香蕉秸秆纤维组成成分的影响Fig.2 Effects of physical treatment on the fiber composition of banana straw

由图2可知：经浓缩和物理盘磨处理后，打浆度分别为10、30、50和70 °SR的香蕉秸秆样品半纤维素含量有小幅度下降，由22.9%降至18.4%。而纤维素含量则由36.9%提升至46.8%。酸可溶性木质素和酸不溶性木质素含量则变化较小。由此可知：在浓缩和物理盘磨打浆的过程中，物理处理可以切断纤维类物质中纤维素、半纤维素和木质素的复杂结构，增加纤维质材料与其他物质的接触面积。物理处理可降低纤维素的结晶度，破坏木质素层[7]。因此在NREL方法的测试条件下，半纤维素的含量相对有所下降。该结果表明：物理盘磨处理香蕉秸秆纤维后能打破其纤维结构，并可较大程度地反映其对纤维组成的破坏。然而，Deepa等[17]用现有的采用化学方法处理香蕉纤维的数据显示：化学处理可以使得香蕉秸秆的纤维素质量分数提升40%以上。而采用蒸气爆破处理和化学处理相结合的方法，也可使得香蕉秸秆纤维的非纤维素成分，如半纤维素和木质素质量分数大幅下降至0.4% 和1.9%。由此可知，物理盘磨处理对香蕉秸秆纤维成分的影响相对于化学处理和蒸气爆破处理而言较小。

2.2 物理盘磨处理对香蕉秸秆纤维长度的影响

采用游标卡尺测定物理盘磨处理后的香蕉秸秆纤维长度平均值，可以得到物理盘磨处理与香蕉秸秆纤维长度的关系，结果见图3。

图3 打浆度对纤维长度的影响Fig.3 Effects of beating intensity on fiber length

由图3可知：打浆度为10 °SR的1号样品随着物理盘磨处理程度的调整，香蕉秸秆粗浆的打浆度呈梯度式提升，盘磨间隙由0.5 mm下降至0.1 mm。盘磨次数逐步增加后，香蕉秸秆纤维的平均长度由6.1 cm下降至0.1 cm，下降幅度达98.3%。当打浆度提高至30 °SR以上，纤维长度变化较小，纤维长度下降较为缓慢。该结果说明在固定的盘磨机械设备处理下，打浆度的提升能显著影响纤维长度，但当打浆度提升至30 °SR以上时，对纤维长度的影响趋于稳定。

2.3 物理盘磨处理对香蕉纤维直径及表面形态的影响

将物理盘磨处理后的香蕉秸秆用扫描电镜进行取样检测，以确定香蕉秸秆微观结构和维管束的表面形态，结果见图4。图4(a)为1号10 °SR样品的扫描电镜显示图(×300)，图4(b)为2号30 °SR样品的扫描电镜显示图(×2 400)，图4(c)为3号50 °SR样品的扫描电镜显示图(×2 500)，图4(d)为4号70 °SR样品的扫描电镜显示图(×2 500)。

由图4可知：经过不同盘磨处理后的香蕉秸秆表面微观形貌产生了较大差异，打浆度越高，香蕉秸秆纤维样品表面破碎程度越大。比较图4(a)～(d)可发现：1号样品的单根纤维束较为完整、表面较为光滑，少量的沟壑纹路均清晰可见。在减小盘磨间隙及增加盘磨次数后，2～4号样品纤维表面出现破裂、纤维离解以及纤维束半径减小等现象，且有细小的碎片纤维产生。纤维表面明显起毛，秸秆纤维表面的破坏程度逐步加大。当打浆至2号样品30 °SR时，纤维发生轻微的分丝帚化作用，纤维表面变得略微粗糙，出现扭结甚至断裂的痕迹。继续打浆至3号样品50 °SR时，纤维卷曲程度增加。柔韧性的增强是由于受到打浆过程中机械的剪切及压溃作用，因而碎片化更加严重。打浆至70 °SR时，打浆度最高的4号样品秸秆表面发生较大程度的破损，秸秆表面不再光滑，并出现不规则的突起或凹痕，说明物理盘磨处理对秸秆表面结构具有较强的破坏性。在打浆的过程中，在吸水润胀与外力的双重作用下，秸秆纤维吸水润胀，初生壁、次生壁破裂，产生了细小的纤维碎片，纤维表面发生分丝帚化等现象。香蕉秸秆纤维受到压溃、剪切等一系列的机械作用，使得纤维细胞壁变薄，柔软度增加。其整体结构和形状发生了变形，因而出现了不同程度的卷曲和扭结[13]。

相对于2～4号样品而言，1号样品其浓缩程度较低，在盘磨时纤维之间存在大量水分，使得纤维间距离增大，同时水分还起到了润滑剂的作用，导致纤维间摩擦力小，纤维处理程度较差。当提高样品的浓缩程度时，磨浆作用则由于高浓浆料纤维之间相互摩擦、挤压和揉搓等作用，产生大量的摩擦热，从而有利于浆料的离解，使得纤维形态扭曲程度提升。此外，随着磨浆间隙由0.5 mm降至0.1 mm，纤维与磨齿的接触距离逐渐减小，分丝帚化的纤维受到磨齿进一步地压溃而破碎，造成细小组分含量增多。细小组分会影响浆料的滤水性能，故随着磨盘间隙的降低，打浆度逐步上升。

此外，经测定1～4号香蕉秸秆纤维样品在电镜下的直径测定结果分别为151.7、30.5、21.2和17.4 μm。随着样品打浆度的梯度上升，在电镜下观测到的纤维直径首先出现了大幅度地下降，之后变化逐渐趋于平稳。该结果表明：在固定盘磨机械设备的处理下，打浆度的提升能显著影响纤维的外观形貌和直径，当打浆度提升至30 °SR以上时，对纤维直径的影响趋于平缓。

2.4 物理盘磨打浆对香蕉纤维强度性质的影响

由表2可知：打浆度对香蕉纤维可后续制备的材料厚度、耐折度和成型均匀度等均具有一定程度的影响。随着打浆度的提升，可制备的纸材料厚度逐渐下降。当打浆度为30 °SR以上时，香蕉纤维可制备的材料厚度趋于稳定。此外，香蕉纤维的打浆度与其耐折度也呈现出负相关性。在香蕉纤维打浆度提升至30 °SR以上时，该纤维可制备的纸片成型均匀度达到良好以上的状态。

郭涛[13]和徐永健等[14]的研究表明：打浆过程可使纤维的细胞壁发生位移、变形与破裂等现象，使得后续可制备的纸浆具有柔软性和可塑性，也使纤维素分子链中的羟基增加了与氢链结合的机会，从而提高了纤维间的结合力，形成更加紧凑的网络系统，继而提升了材料的抗张指数和耐破指数。

表2 打浆度对香蕉纤维强度性质的影响[6,18]

注：耐折度为在1.5 kg外力作用下的测试结果。

3 结论

1)物理盘磨处理对香蕉秸秆的组成成分有一定影响，但相对于化学、蒸气爆破等方法而言，其对香蕉秸秆组成成分的影响较小。

2)随着物理盘磨处理程度的加深，纤维的打浆度逐步提升，纤维长度显著下降。当纤维打浆度提升至30 °SR后，纤维长度下降较为平缓。

3)盘磨处理后，打浆度由10 °SR增加至70 °SR的样品在电镜下的纤维直径由约151.7 μm降至17.4 μm，秸秆纤维的表面破碎程度显著增大。秸秆纤维表面结构的破坏可形成许多微隙。增大表面积，可以为后续材料与胶黏剂的融合提供更大的接触面积。

4)在打浆度上升至30 °SR之后，香蕉秸秆纤维的耐折度和纸片成型匀度等均达到良好的状态。在后续的研究中，可选取采用机械盘磨法将香蕉秸秆纤维处理至打浆度30 °SR以上，以期为后续香蕉秸秆纤维的研究提供良好的基础材料。

综上所述：采用物理盘磨机械处理香蕉秸秆纤维，通过改变盘磨浓度、间隙和磨浆次数，逐步增加磨浆能耗，可以增加纤维分离程度，使香蕉秸秆纤维分丝帚化成浆。香蕉秸秆结构疏松，采用化学方法进行处理制浆会消耗较多的化学药品。本文所使用的物理盘磨机械处理方法，可为后续以香蕉秸秆纤维为基材的材料开发提供参考，亦可为其应用于纸质纤维材料的研究提供基础数据。