稻秆微晶纤维素(MCC)增强纸基材料机械性能的机制研究及其应用潜力

本研究针对木质纤维原料短缺问题，以稻秆为原料通过碱法蒸煮-漂白-酸水解工艺制备微晶纤维素(MCC)，系统表征其zeta电位(-42.6 mV)、结晶度(80%)等特性，证实添加50-75% MCC可显著提升纸张抗张指数和撕裂指数，为农业废弃物高值化利用及环保包装材料开发提供新思路。

　　

随着全球森林资源锐减，造纸工业面临原料短缺危机。印尼作为世界第八大纸浆生产国，每年虽能生产1183万吨纸浆，但天然林砍伐已接近生态承载极限。与此同时，水稻种植每年产生约1亿吨稻秆，其中纤维素含量达30.41%，却常被露天焚烧造成严重空气污染（贡献81-92%的农作物残渣排放）。如何将这种农业废弃物转化为高附加值产品，成为解决资源环境双重困境的关键。

国家研究与创新机构的研究团队创新性地利用稻秆制备微晶纤维素(Microcrystalline Cellulose, MCC)，系统研究了其对纸基材料机械性能的增强作用。通过碱法蒸煮(soda pulping)和过氧化氢漂白提取纤维素，再经1 M盐酸水解获得MCC。研究发现，0.4% (w/v) MCC水溶液具有优异的分散稳定性（zeta电位-42.6 mV），纤维尺寸34.7 μm能有效填充纸浆纤维间隙。当添加50-75% MCC时，纸张抗张指数和撕裂指数显著提升，但超过75%会导致耐破指数下降。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为开发可持续包装材料提供了重要技术路径。

关键技术方法包括：1）采用稻秆为原料进行碱法蒸煮和漂白处理；2）通过1 M HCl水解制备MCC；3）使用zeta电位分析仪和FTIR（傅里叶变换红外光谱）表征材料特性；4）测试不同MCC添加量对纸张机械性能的影响。

【Particle stability of MCC】
通过zeta电位测试揭示MCC颗粒稳定性机制，-42.6 mV的高负电荷值表明颗粒间存在强静电排斥力，这是形成稳定悬浮液的关键。粒径分布显示34.7 μm的纤维尺寸能优化填充纸浆纤维网络空隙。

【Conclusion】
研究证实稻秆MCC具有80%的高结晶度和优异热稳定性，其作为增强剂可显著提高纸张机械性能。当添加量在50-75%区间时，抗张指数和撕裂指数提升最显著，但过量添加（>75%）会降低耐破指数。该技术不仅为农业废弃物资源化利用开辟新途径，其制备的环保纸基材料有望替代塑料包装，对实现循环经济具有重要意义。

值得注意的是，MCC增强机制包含双重作用：既作为纤维涂层改善界面结合，又作为空隙填充物增加材料密实度。研究还发现酸水解过程能有效去除木质素（残留量仅1.68%），这为后续研究生物质精炼工艺提供了重要参考。团队特别指出，相较于木材MCC（结晶度76-80%），稻秆MCC的性能差距正在缩小，这预示着非木材纤维的应用潜力。这些发现将推动造纸工业向更可持续的方向发展。