洋蓟花序废弃物制备纸页的实验室规模工艺及初步表征研究

《Journal of Natural Fibers》：“Laboratory-Scale Preparation and Preliminary Characterization of Paper Sheets from Globe Artichoke Inflorescences (Cynara Scolymus L.) Waste”

　　

由农工业残余物衍生的非木纤维，日益被视作纸浆与造纸生产的替代性原料。然而，其更广泛的工业应用仍受制于技术与加工层面的限制。未采收的洋蓟（Cynara scolymus L.）花序是一种尚未被充分开发的木质纤维素（lignocellulosic）残余物，具有作为纤维原料进行资源化利用的潜力。本研究评估了以整株洋蓟残余花序为原料进行纸浆生产及实验室规模纸页成型的可行性。纸浆通过热碱处理（hot alkaline treatment）获得。经优化后的实验室工艺所制备的纸页，其成纸率为83.46 ± 4.98%。研究人员获得了两款具有代表性的原型样品，其定量（grammage）分别约为372–382 g m^?2与123–164 g m^?2。两款原型均呈现低密度特性，这与相对多孔的纸页结构相符。所得纸页可能具有非传统应用的潜力，目前正作为潜在的隔音材料（acoustic insulation）、生物材料（biomaterials）以及艺术或装饰用途开展研究。然而，仍需进一步研究以优化加工参数，并对所得材料开展标准化的力学、声学、热学及技术特性表征。此类研究对于评估洋蓟花序纤维作为造纸工业可持续替代原料的可行性、效率及可扩展性至关重要。

洋蓟花序废弃物实验室制纸研究解读

一、研究背景与问题

造纸工业在全球经济中占据重要战略地位，纸及纸板年产量已超过4亿吨，约占全球木材消耗量的13%–15%，且预计到2050年将接近翻倍。传统造纸原料高度依赖木材，而木材资源的可持续供应面临气候变化、土地利用变化、生物多样性丧失等多重挑战。因此，开发非木纤维替代原料成为造纸领域的关键研究方向。农工业残余物来源的非木纤维因成本低、区域可获得性强而受到关注，但其工业化应用仍受限于加工技术不成熟、纤维形态差异大、制浆效率低等问题。洋蓟（Cynara scolymus L.）种植过程中产生大量未采收花序残留物，占新鲜生物量的80%–85%，具有显著木质纤维素组成，但目前主要被用作饲料、堆肥或生物能源原料，作为造纸纤维原料的研究极为缺乏。已有关于同属植物刺菜蓟（Cynara cardunculus L.）的研究多集中于茎秆或分离的纤维组分，尚未有研究系统评估整株洋蓟残余花序直接用于制浆及实验室规模纸页成型的可行性。因此，本研究旨在填补这一知识空白，探索洋蓟花序废弃物作为造纸替代原料的技术可行性。

二、研究内容与结论

研究人员以洋蓟（Blanca de Tudela品种）成熟过熟花序为原料，材料采集自西班牙Huerta de Valencia地区三个废弃洋蓟田（Sagunto、Casas de Bárcena、Picanya）。经强制空气干燥、机械粉碎后，采用10% NaOH热碱溶液（pH=13）进行微波辅助消解制浆，通过过氧化氢（H₂O₂）无氯漂白处理，采用手工抄片法在实验室规模制备纸页。研究考察了花序切割方式（横向切割与直径切割）、回收纸浆添加比例、纸浆含水状态（湿浆与干浆）及H₂O₂用量对制浆和成纸性能的影响。结果表明，直径切割可获得更高的纸浆得率和纸页定量；添加回收纸浆未显著改善纸页性能；湿浆便于操作但不利于储存；H₂O₂用量为5 mL/10 g干浆时获得浅黄色、高一致性和柔韧性的纸页。最终获得两款代表性原型：高定量纸页（372–382 g m^?2），外观类似软木，适用于高端包装或隔音绝缘材料；中等定量纸页（123–164 g m^?2），经表面处理后可能用于书写纸或艺术装饰用途。优选原型的成纸率为83.46 ± 4.98%，纸页密度低，表明结构多孔。该研究首次证明整株洋蓟残余花序可直接转化为可复现的纸页，为洋蓟废弃物高值化利用提供了“变废为宝”的新途径，符合循环经济理念。

三、主要关键技术方法

本研究采用实验室规模间歇式制纸工艺，主要包括四个阶段：纤维制备（切割、干燥、研磨）、纸浆形成（热碱消解、洗涤、漂白）、纸页成型（抄片、压榨、干燥）及不连续干燥。关键方法包括：10% NaOH热碱处理（微波辅助，700 W，15 min）实现脱木素和纤维分离；H₂O₂（110体积，35% w/w）无氯漂白，辅助添加NaOH和硅酸钠溶液稳定pH；手工抄片法在自制模具上成型；采用CIELab色空间评价纸页颜色，依据TAPPI标准测定灰分和水分。样本队列来自三个废弃洋蓟田，未涉及临床样本。

四、研究结果

（一）制纸前处理阶段的物料平衡

洋蓟花序鲜基含水量为75.76 ± 2.99%，灰分含量为6.97 ± 0.23%。机械研磨过程中损失超过10%的纤维，主要归因于细颗粒损失。碱消解后湿浆质量为233.41 g（含水），干基计从127.11 g研磨物料获得46.14 g干浆。强制干燥去除80%以上保留水分。最终纸浆得率占研磨纤维的36.30%，占初始整株花序的32.19%。

（二）切割方式与回收纸浆添加的影响

直径切割制备的纸页平均得率比横向切割高11.10%，定量高27.08%。添加50%回收纸浆对纸页得率和定量无显著影响（p>0.05），添加33%回收纸浆使得率下降8.3%但定量增加27%。横向切割获得纸页孔隙率更高、强度较低，可能适合隔音应用；直径切割获得纸页更致密、力学性能更优。

（三）湿浆与干浆的影响

湿浆与干浆制备的纸页在得率、密度和定量方面数值相近，但湿浆因纤维水合更充分而更易操作。然而湿浆易发酵变质，故选择干浆作为标准原料。

（四）过氧化氢漂白的影响

1 mL或2 mL H₂O₂对脱除褐色无明显效果；4 mL时获得乳黄色薄膜；5 mL时获得浅黄色、高一致性和柔韧性的纸页。增加浆料用量而保持5 mL H₂O₂时，纸页颜色变深，外观类似软木，定量达372–382 g m^?2。优选原型的L*为93.15 ± 0.61%，a*为0.86 ± 0.36%，b*为17.74 ± 0.46%。纸页密度（261.14 ± 51.36 kg m^?3）远低于常规纸页，表明多孔结构，可能适合声学绝缘或生物建造材料。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，洋蓟纤维得率低于优质木浆（42%–47%），但可通过优化消解温度、采用真空-压力系统提高脱木素效率。抄片过程中超过17%的纸浆因网目过大而流失，需改进成型系统。H₂O₂漂白需谨慎控制，过度氧化会降低纤维素聚合度，损害纸页强度。与刺菜蓟茎秆 Kraft 制浆得率（44%–47%）相比，本研究整株花序得率偏低，但材料差异显著。高定量原型具有软木外观，可探索高端包装或装饰应用；低密度和外观孔隙表明其值得研究作为可持续建筑的隔音基底材料。

研究结论为：洋蓟花序废弃物可成功转化为能形成可复现纸页的纸浆，建立了后续优化和详细表征的技术基础。实验室条件下开发的两款纸页原型并非用于传统造纸应用，而是代表创新且视觉独特的替代品。高定量原型在高端包装方面具有潜力，低密度和多孔外观提示其值得研究作为可持续建筑的隔音基底；中等定量原型经进一步力学、表面和印刷适性测试后，可用于书写纸等传统应用。未来需开展连续化生产研究以及经济与环境影响综合评价，以确定洋蓟花序纤维作为造纸工业可持续替代原料的可行性、可扩展性和工业相关性。