茶廢棄物與松針制漿造紙技術研究

嚴心梅 蘇建美 李向波 丁其歡

（1.滇西應用技術大學普洱茶學院 云南大理 671009；2.云南省普洱市鎮沅縣勐大鎮農業綜合服務中心云南普洱 666507；3.云南天士力帝泊洱生物茶集團有限公司 云南普洱 665000）

文章主要針對茶葉廢棄物及廢棄思茅松針的資源循環再利用進行研究。隨著國內茶葉種植面積和產量的逐年增加，茶葉深加工是未來茶產業的重要發展方向，將會出現大量的茶葉廢棄物。研究茶渣造紙利用，可為今后茶產業的轉型發展做鋪墊，結合云南普洱的資源優勢和思茅松針的柔韌特性，因此開展茶渣、茶樹枝條、思茅松針制漿造紙的研究，以期能夠造出韌性和強度適宜的紙張，用于茶葉包裝、書寫及文創等方面，提高茶葉廢棄物的經濟價值。

中國茶葉流通協會統計，2020年茶栽培面積和可采摘面積分別為4 747.69萬和4 152.18萬畝（1 hm2=15畝），全國干毛茶產量為298.60萬t。在茶園管理、茶葉深加工以及消費過程中，會產生大量的茶葉廢棄物。茶廢棄物是指茶葉在種植、加工、深加工、消費等過程中產生的以茶葉生物質為主體的廢棄物總稱，主要包括茶園管理中修剪下的茶樹枝葉以及枯枝落葉；加工過程中產生的碎茶、粗老梗葉等；茶葉深加工產生的茶渣；沖泡飲用后產生的茶渣[1]。本文中利用的茶葉廢棄物指深加工后產生的茶渣和茶園修剪下來的茶樹枝條。

思茅松是松科松屬常綠喬木，為卡西亞松的地理變種，在普洱地區種植量大，思茅松的松針為針葉狀，葉均長15～25 cm，松針量大易得，成本低，內含纖維素豐富，通常松針直接老化在樹上凋落之后便再沒有其他途徑的應用，但老化的松針中仍含有較多纖維素且纖維較長，可作為造紙輔料進行研究利用。郭偉愛等[2]對思茅松松針的營養成分進行檢測分析，結果表明，其內含成分豐富，利用其制作松針粉具有較高的營養價值與抗癌防癌作用，有較大的應用前景；尼吉等[3]用帶松針的松枝制作出新的紙板，論證了用松針造紙的可能性；殷涌光等[4]在松針有效成分提取技術的研究進展中提到，松針來源廣、成本低、采集方便、化學成分復雜多樣，其在醫療保健方面的開發利用方向主要有制作松針精油應用于醫藥、香料、肥皂、化妝品等，但用松針制漿造紙或者將松針用作造紙輔料的罕見報道。

不同的原材料進行制漿造紙的工藝會有所不同，對于木材原料的制漿方法主要有化學法制漿，化學機械法制漿兩種，草本類原料主要采用化學法制漿[5-7]。本文以茶渣、茶枝、松針等為主要原料，制漿工藝主要采用化學法制漿。化學法制漿中主要包括燒堿法制漿、硫酸鹽法制漿及亞硫酸鹽法制漿。其工藝流程為：非木材原料備料→蒸煮設備進行高溫蒸煮→原料在藥液的作用下分離溶出木質素→洗滌篩選紙漿→獲得本色漿→靜置抄紙。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試材茶渣和茶樹枝條均源自云南大葉種茶樹，茶渣由云南天士力帝泊洱生物茶集團有限公司提供，茶樹枝條為在普洱市附近茶園采集的修剪遺棄在茶園的茶樹枝條，松針在周邊思茅松林下收集。

1.1.2 儀器與試劑主要儀器和試劑為：AE224型電子天平、SGO-130VRX型電子顯微鏡、不銹鋼蒸煮高鍋、不銹鋼加熱電熱板、美的家用榨汁機、DL-100型沖壓式手動定量取樣器、NP-30型微電腦紙張耐破度測定儀、QD-3008微電腦拉力抗張強度測定儀、微電腦撕裂度測試儀等；氫氧化鈉、無水硫酸鈉等。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計因采用茶渣、茶樹紙條、松針造紙的文獻和數據較少，本試驗先取樣測定纖維素、半纖維素、木質素，通過相關數據初步分析制漿造紙的可行性。確定可行性后分別制漿，選用堿性硫酸鹽制法，共設計4組對比試驗，以去木質化程度為蒸煮條件，得出 NaOH∶Na2SO4∶茶渣茶樹紙條松針=1∶1∶8的質量比，固液比1∶10，蒸煮2 h為最佳蒸煮條件。將茶渣、茶樹枝條、思茅松針分別利用上述工藝進行蒸煮制漿，所得漿進行不同比例混合，進行抄紙試驗，所得紙張進行緊度、耐破指數、抗張指數的測定。不同比例混漿后進行抄紙，所得紙張樣品編號如表1。

表1 茶渣漿、茶樹枝漿、思茅松針漿混漿用量及所得紙張編號 單位：mL

1.2.2 指標測定纖維素、半纖維素、木質素測定方法—范式法；紙張性能測定試驗主要測定的內容為定量、緊度、耐破度（KPI）、抗張強度（TB）、斷裂長（LB）5項指標，測定方法分別根據GB/T451.2—1989《紙和紙板定量的測定》標準，GB/T451.3—1989《紙和紙板厚度的測定》標準，GB/T454—2020《紙耐破度的測定》標準，GB/T2678.4—1994《紙漿和紙零距抗張強度測定》標準，GB/T12914—2018《紙和紙板抗張強度的測定恒速拉伸法》進行測定；纖維長寬采用SGO-130VRX型電子顯微鏡儀器自待測定。

2 結果與分析

2.1 茶渣、茶枝、松針纖維含量測定分析

造紙的主要原材料是植物纖維，由大約 50%的纖維素，30%的木質素以及20%的半纖維素碳水化合物和少量芳香族化合物組成[8-9]。通過范式法對茶渣、茶樹枝條、思茅松針進行檢測分析，得到纖維素、半纖維素、木質素的含量如表2所示，茶渣中纖維素含量為18.3%，木質素為25.7%；茶枝纖維素含量為 27.9%，半纖維素含量為17.4%，木質素含量為 27.3%；思茅松松針纖維素含量為24.1%，木質素含量為34.5%。纖維素含量與一般木材相比較低，但仍具有制漿的可行性。半纖維素具有親水性能，能造成細胞壁的潤脹，打漿度上升更快，纖維吸水潤脹性能更好，易于打漿可賦予纖維彈性[10-11]，茶枝中含有的半纖維素較高，打漿度應該會相對較高。

表2 茶渣、茶枝、松針纖維含量測定結果 單位：g/kg

2.2 茶渣、茶枝、松針纖維長寬測定及電鏡觀察

纖維長度以及柔韌度、細度和紙頁密度控制各單根纖維所產生的纖維接觸面積，因此纖維的長度對紙張結構有很大的影響。較寬、較厚的長纖維使挺度增加，粗長的纖維不易壓潰，所以可獲得較高的松厚度、接觸面積少而更疏松、以及較低的耐破度和抗張強度。長度是造紙纖維的一個最重要特征，長度增加到一定程度時，在紙漿懸浮液中極易絮聚成團，對紙頁勻度有負面作用，甚至降低紙頁強度。紙漿纖維的平均長度與紙張綜合強度存在著密切的相關性，長纖維可以提供更大的結合面積與更好的作用應力分布，在纖維之間產生更多的鍵結合，使得纖維網絡強度更大，濕紙頁的強度隨纖維長度的增加而增加，抗張強度、撕裂度、耐破度隨纖維長度提高而改善[12-13]。從表3中可知，在觀測的茶渣纖維樣本中茶渣纖維長度最短為274 μm，最長為407.6 μm，平均長度為330.42 μm，平均寬度為24.01 μm，長寬比為13.76；茶枝纖維長度最短為767 μm，最長為1 832.30 μm，平均長度為1 182.28 μm，平均寬度為37.36 μm，長寬比為31.64；松針纖維長度最短為341 μm，最長為 1 430 μm，平均長度為 725.33 μm，平均寬度為35.26 μm，長寬比為20.57。根據李晶瑩等[14]基于多元線性回歸模型分析 107楊木材材性與紙張性能的關系的研究中可知，纖維長度越長，紙張撕裂指數、耐破指數、斷裂長和耐破度都有所上升；纖維長寬比大，紙張力學性能也得到明顯提高。結合表3、圖1～3，茶枝纖維的長度與長寬比是3種纖維中最大的，因此其制作出的手抄紙性能可能優于其他2種漿料所制紙。

表3 茶渣、茶枝、松針纖維長寬測定結果

從圖1～3可以看出，茶渣纖維最短碎，茶枝纖維最長，與常用造紙闊葉木原料在長度，長寬比上性能相近，因此茶枝的纖維性狀表現的最為優異，茶枝最易制作出成型手抄紙張，在后續的測試中其抗張強度、撕裂度、耐破度性能表現最優，其次為松針，再次為茶渣。

圖1 茶渣纖維10X電子顯微鏡下觀察圖

2.3 不同比例的茶渣、茶枝、松針混合對紙漿制紙的影響

紙張由多種不同比例的紙漿混合而成后對紙張的結構組成有一定幫助，手抄紙在不同配合比下會產生不同質量的紙張，紙張纖維配合比通常與紙槳的配制有著很大的聯系，針對紙張配合比的研究對紙張的生產工藝具有一定的意義[15]。不同比例的茶渣和茶枝，不同比例的茶渣和松針，不同比例的茶渣、茶枝與松針配比制作出的手抄紙的定量、緊度、耐破度、抗張強度、斷裂長都存在較大的差異性。

手抄紙定量、緊度、耐破度、抗張強度、斷裂長、紙張性能強度指標數據如表4～7所示。

圖2 茶枝纖維10X電子顯微鏡下觀察圖

分析表4后得A2的定量為23.800 g/m2；緊度為 0.283 g/cm3；耐破指數為 1.772 kPa·m2/g；抗張指數為10.077 N·m/g；裂斷長為1.371 km，在這個兌漿比例條件下的手抄紙性能最好。因此在單獨制漿抄紙的紙張性能比較中，茶樹枝條所得紙漿為最佳。

表4 單獨茶渣、茶枝、松針漿料制成的紙張物理性能檢測

圖3 思茅松針10X電子顯微鏡下觀察圖

分析表5后得B2的定量為50.137 g/m2；緊度為 0.216 g/cm3；耐破指數為 1.740 kPa·m2/g；抗張指數為27.982 N·m/g；裂斷長為2.855 km，在這個兌漿比例條件下的手抄紙性能最好，其次為B3，再次為B1。

表5 茶渣、茶枝混合兌漿制紙比例紙張物理性能檢測

分析表6后得 C3的定量為51.612 g/m2；緊度為 1.727 g/cm3；耐破指數為 1.727 kPa·m2/g；抗張指數為18.384 N·m/g；裂斷長為1.260 km，紙張性能最好，說明茶渣漿：思茅松針漿為2∶1時紙張性能較好。

表6 茶渣、松針混合兌漿制紙比例紙張物理性能檢測

分析表7后得 D4的定量為70.163 g/m2，緊度為 0.657 g/cm3，耐破指數為 2.748 kPa·m2/g，抗張指數為49.328 N·m/g，裂斷長為5.033 km，在這個兌漿比例條件下的手抄紙性能最好，其次為D2，再次為 D1，D3。其中 3種性能相對較優的手抄紙外觀如圖4所示。從圖4可以看出，茶渣:茶枝:松針=2:1:1的紙張皺縮較為嚴重，色澤較深，而茶渣:茶枝=1:2和茶渣:松針=2:1較為平整，色 澤較淺。

表7 茶渣、茶枝、松針混合兌漿制紙比例紙張物理性能檢測

圖4 不同成分的紙張成品對比

3 結論

試驗結果發現，只用茶渣制造成的紙面較細，但質地較脆，韌度較低，難以達到包裝紙的要求；僅茶枝制成的紙面較粗糙，平整度較差，耐破度較低，且其加工難度大于茶渣，生產成本較高，紙張性能比單獨茶渣做出來的紙表現好，但也難以達到包裝用紙的要求；單純松針制成的紙，紙張中粗纖維明顯，曬干后皺縮最明顯，紙面較粗糙，抗張性能較差，亦難達到包裝用紙的要求。當茶渣與茶枝以 1:2比例混合時，紙張的緊度、耐破度、抗張性能表現更好；當茶渣與松針以2:1比例混合時，紙張的緊度、耐破度、抗張性能表現較其他比例更好；當三者以 2:1:1比例混合時，紙張性能表現最優，優于茶渣與茶枝，茶渣與松針的混合。因此在探討一種用茶廢棄物及思茅松松針落葉制紙的方法時，采用堿性亞硫酸鹽制法，漿料以2:1:1比例混合時，制作出來的紙張性能最有望成為新的茶產品包裝用紙，其次是茶渣與茶枝以1:2比例混合時制作而成的紙，再次是茶渣與松針以 2:1比例混合時制作而成的紙張。本試驗證明了茶渣、茶枝造紙具有一定的可行性，其表現出來的紙張性狀有待繼續加強，為后續的茶渣造紙研究技術與工藝改良提供了思路和數據。