壹 前 言 一 研 究 動 機 常 常 在 屏 東 農 業 縣 看 到 農 人 燒 稻 草 將 其 當 作 肥 料, 這 樣 不 僅 不 環 保 也 是 對 環 境 加 重 負 擔, 承 襲 了 本 校 前 幾 屆 學 長 姊 利 用 稻 草 製 作 紙 張 的 科 展 研 究 顯 示 稻 草 做

微 波 軟 化 纖 維 與 混 合 紙 漿 投 稿 類 別 : 化 學 類 篇 名 : 微 波 軟 化 纖 維 與 混 合 紙 漿 作 者 : 毛 宏 瑋 屏 東 縣 立 大 同 高 中 一 年 二 班 洪 甜 甜 屏 東 縣 立 大 同 高 中 一 年 四 班 謝 昀 樺 屏 東 縣 立 大 同 高 中 一 年 四 班 指 導 老 師 : 張 志 聰 老 師

壹 前 言 一 研 究 動 機 常 常 在 屏 東 農 業 縣 看 到 農 人 燒 稻 草 將 其 當 作 肥 料, 這 樣 不 僅 不 環 保 也 是 對 環 境 加 重 負 擔, 承 襲 了 本 校 前 幾 屆 學 長 姊 利 用 稻 草 製 作 紙 張 的 科 展 研 究 顯 示 稻 草 做 成 紙 是 可 行 的, 但 是, 使 用 鹼 性 溶 液 加 熱 軟 化 纖 維 的 過 程 非 常 耗 時, 我 們 希 望 可 以 有 更 省 時 的 方 式 使 稻 草 軟 化, 並 利 用 混 合 其 他 材 質 的 方 式 改 善 紙 張 的 性 質, 於 是 我 們 開 始 在 這 個 部 分 做 了 以 下 的 研 究 二 研 究 目 的 ( 一 ) 不 同 的 加 熱 方 式 對 稻 草 纖 維 的 影 響 ( 二 ) 微 波 過 程 中 添 加 不 同 鹼 性 物 質 的 影 響 ( 三 ) 混 合 不 同 比 例 報 紙 纖 維 對 紙 張 吸 水 性 及 柔 軟 度 的 影 響 貳 正 文 一 現 代 造 紙 的 製 漿 方 式 : 現 代 造 紙 的 第 一 步 是 將 木 材 轉 變 成 紙 漿, 常 見 的 方 法 有 機 械 製 漿 法 化 學 製 漿 法 和 半 化 學 製 漿 法 等 三 種, 有 其 優 缺 點 簡 單 表 列 如 下 : 表 1 現 代 紙 漿 製 作 方 法 比 較 方 法 流 程 概 述 優 點 缺 點 用 途 機 械 製 漿 法 紙 漿 得 率 可 達 以 磨 木 石 加 上 90%(100KG 木 熱 水 磨 解 木 片 紙 漿 雜 質 含 量 材 可 得 90KG 紙 而 得 到 紙 漿 纖 多 漿 ) 因 得 率 高 售 維 價 最 低 報 紙 化 學 製 漿 法 利 用 化 學 溶 液 ( 以 亞 硫 酸 鹽 為 主 流 ) 經 高 溫 蒸 煮 木 片 而 紙 漿 有 不 易 退 得 率 甚 低 儘 有 得, 可 溶 解 去 除 色 與 強 度 高 30-40%, 售 價 高 木 材 中 之 木 質 版 紙 模 造 紙 素 與 纖 維 素, 而 得 到 高 純 度 之 纖 維 素 半 化 學 製 漿 法 因 較 化 學 漿 含 利 用 較 少 之 化 其 性 質 介 於 化 較 多 木 質 素, 紙 學 藥 劑 蒸 煮 磨 學 與 機 械 間 得 質 較 易 退 色 變 解 木 片 而 得 率 約 70% 黃 雜 誌 紙 因 為 學 校 並 沒 有 高 溫 高 壓 設 備, 所 以, 我 們 的 研 究 採 用 的 是 半 化 學 製 漿 法, 但 在 蒸 煮 方 式 上, 改 用 家 用 微 波 爐 代 替 傳 統 的 水 煮 方 式, 加 熱 速 度 更 快, 且 使 用 藥 品 的 量 更 少 1

二 微 波 加 熱 與 傳 統 加 熱 的 比 較 : 表 2 微 波 與 傳 統 加 熱 的 比 較 加 熱 方 式 微 波 加 熱 傳 統 加 熱 傳 導 方 式 溶 液 中 的 所 有 分 子 震 動, 分 依 靠 熱 的 傳 導 及 對 流 子 相 互 摩 擦 產 生 熱 量 特 色 整 體 加 熱 均 勻 且 沒 有 傳 熱 時 間 的 差 異, 加 熱 快 速 離 熱 源 較 遠 的 地 方 溫 度 則 較 低 且 需 熱 傳 導 的 時 間, 加 熱 較 緩 和 三 實 驗 器 材 及 藥 品 ( 一 ) 器 材 : 絹 框 錐 形 瓶 燒 杯 滴 管 刮 勺 電 磁 爐 電 子 天 秤 膠 帶 果 汁 機 微 波 爐 複 式 顯 微 鏡 剪 刀 紙 箱 長 尺 (60 公 分 ) 滴 定 管 相 機 玻 棒 載 玻 片 蓋 玻 片 水 盆 量 筒 ( 二 ) 藥 品 : 氫 氧 化 鈉 (NaOH) 氫 氧 化 鉀 (KOH) 鄰 苯 二 甲 酸 氫 鉀 (KHP) 溴 瑞 香 草 酚 藍 (BTB) 四 實 驗 步 驟 : 參 考 前 兩 屆 學 姊 科 展 中 造 紙 的 步 驟, 我 們 計 畫 用 以 下 的 步 驟 來 進 行 造 紙 的 研 究 圖 1: 取 出 適 量 稻 草 桿 圖 2: 將 稻 草 桿 剪 成 小 段 圖 3: 秤 取 10 克 稻 草 桿 圖 4: 配 製 1.5%(w/w) 的 NaOH 水 溶 液 2

圖 5: 將 1.5% 氫 氧 化 鈉 水 溶 液 倒 入 10g 稻 草 桿, 並 攪 拌 圖 6: 用 石 蠟 膜 封 口 圖 7: 微 波 加 熱 5 分 鐘 圖 8: 取 出 溶 液 用 濾 網 將 水 分 過 濾 圖 9 以 清 水 沖 洗 多 餘 的 鹼 性 溶 液 圖 10: 將 稻 草 桿 加 500 cc 的 水 倒 入 果 汁 機 圖 11: 以 轉 速 1 絞 碎 2 分 鐘 圖 12: 將 絞 碎 之 液 體 倒 入 大 抄 紙 桶 圖 13: 並 加 入 4000cc 水 稀 釋 圖 14: 將 絹 框 置 於 抄 紙 桶 底 並 以 手 來 回 撥 弄 5 次, 使 之 均 勻 ( 三 ) 不 同 的 加 熱 方 式 對 稻 草 纖 維 的 影 響 圖 15: 放 至 陽 光 下 曬 乾 圖 16: 乾 燥 後, 將 稻 草 紙 取 下 我 們 在 網 路 上 查 到 稻 草 纖 維 非 常 適 合 用 來 製 作 紙 漿, 但 是, 稻 草 本 身 除 了 纖 維 素 之 外, 還 含 有 許 多 的 木 質 素 形 成 的 堅 韌 結 構, 讓 稻 草 纖 維 不 容 易 被 分 散 軟 化, 造 成 製 作 紙 漿 的 困 難, 通 常 為 了 要 軟 化 纖 維 需 要 添 加 高 濃 度 的 鹼 性 溶 液 或 是 長 時 間 的 高 溫 蒸 煮, 才 能 將 木 質 素 溶 解 並 軟 化 纖 維 素, 這 個 過 程 中 會 產 生 許 多 污 染 物 及 花 費 許 多 的 能 源 時 間 我 們 發 現 如 果 利 用 家 用 微 波 爐 小 火 的 模 式 加 熱 的 方 式 軟 化 纖 維 的 效 果 遠 較 傳 統 直 接 加 熱 的 方 式 來 的 好, 且 大 大 的 將 加 熱 時 間 由 1 小 時 縮 短 至 幾 分 鐘 以 內, 減 少 作 業 時 間 之 外, 也 降 低 能 源 的 損 耗 圖 17 微 波 1 分 鐘 後, 纖 維 仍 相 當 粗 大 圖 18 微 波 2 分 鐘 後, 粗 大 纖 維 稍 微 變 小 3

圖 19 微 波 3 分 鐘 後, 多 數 粗 大 纖 維 已 經 消 失 圖 20 微 波 4 分 鐘 後, 纖 維 更 加 細 微 且 均 勻 圖 21 微 波 5 分 鐘 後, 整 體 纖 維 非 常 均 勻 分 布 圖 22 水 煮 加 熱 1 小 時 候, 纖 維 分 布 情 形 接 近 微 波 5 分 鐘 的 情 形 討 論 : 以 微 波 加 熱 的 方 式, 大 約 在 3 分 鐘 時, 大 多 數 粗 大 纖 維 就 已 經 均 勻 分 散, 且 在 顯 微 鏡 下 分 布 教 為 均 勻, 相 較 之 下, 傳 統 水 煮 的 方 式 卻 大 約 要 1 小 時, 才 有 相 似 的 結 果, 且 纖 維 間 間 隙 較 多, 故 微 波 加 熱 的 方 式 確 實 有 節 省 時 間 的 優 勢 ( 四 ) 微 波 過 程 中 添 加 不 同 鹼 性 物 質 的 影 響 1. 目 的 : 隨 著 微 波 加 熱 的 進 行, 稻 草 中 木 質 素 及 其 他 雜 質 慢 慢 溶 解 至 溶 液 中, 溶 液 慢 慢 變 為 深 黃 色, 且 微 波 時 間 越 久, 溶 液 的 顏 色 越 深, 我 們 想 要 了 解 在 這 個 過 程 中, 鹼 性 物 質 是 否 快 速 被 消 耗, 作 為 實 驗 結 束 後, 廢 液 是 否 可 以 回 收 再 使 用 的 依 據 2. 實 驗 步 驟 : (1) 在 微 波 加 熱 的 過 程 中, 每 隔 1 分 鐘 取 樣 一 次 (2) 以 滴 管 取 出 2mL 溶 液 至 於 量 筒 中, 再 以 蒸 餾 水 稀 釋 至 30mL (3) 將 稀 釋 後 溶 液 倒 入 錐 形 瓶 中, 並 添 加 2-3 滴 溴 瑞 香 草 藍 (BTB) 作 為 酸 鹼 指 示 劑 幫 助 判 斷 滴 定 終 點, 此 時 溶 液 為 藍 色 (4) 以 實 驗 室 常 用 來 作 為 校 正 鹼 性 溶 液 的 一 元 酸 -- 鄰 苯 二 甲 酸 氫 鉀 (KHP) 配 製 為 濃 度 0.1M, 置 於 滴 定 管 內 作 為 滴 定 液 4

(5) 慢 慢 將 滴 定 液 (KHP) 滴 入 錐 形 瓶 中 至 溶 液 顏 色 轉 變 為 黃 色 時, 即 為 滴 定 終 點, 記 錄 用 去 KHP 的 體 積 圖 23 微 波 後 溶 液 的 顏 色 ( 右 起 依 序 為 微 波 1 2 3 4 5 分 鐘 後 的 溶 液 ) 圖 24 滴 定 前 的 溶 液 顏 色 圖 25 滴 定 終 點 時 的 溶 液 顏 色 註 1: 因 為 微 波 後 廢 液 的 顏 色 呈 現 深 黃 色, 影 響 酸 鹼 滴 定 終 點 的 判 斷, 故 採 用 加 水 稀 釋 的 方 式 讓 溶 液 顏 色 變 淺, 幫 助 辨 識 註 2: 稀 釋 後 溶 液 的 顏 色 仍 為 淺 黃 色, 在 實 驗 室 中 僅 能 找 到 BTB(pH< 6.0 時, 呈 黃 色 ph> 7.6 呈 現 藍 色 ) 作 為 指 示 劑, 於 滴 定 終 點 時 有 較 佳 的 辨 識 標 準 圖 26 添 加 NaOH 時, 鹼 性 濃 度 變 化 情 形 圖 27 添 加 KOH 時, 鹼 性 濃 度 變 化 情 形 5

圖 28 添 加 NaOH 時, 紙 張 纖 維 較 細 且 均 勻 圖 29 添 加 KOH 時, 纖 維 粗 細 及 分 布 均 較 不 均 勻 3. 討 論 : (1) 不 論 使 用 NaOH 或 是 KOH 作 為 溶 解 木 質 素 並 分 散 稻 草 纖 維 的 藥 劑, 均 可 發 現 反 應 過 程 中 鹼 性 物 質 變 化 不 大, 故 反 應 後 的 廢 液 應 可 以 回 收 再 做 繼 續 使 用 (2) 使 用 相 同 濃 度 的 NaOH 及 KOH 作 為 軟 化 纖 維 的 藥 品 時, 可 由 紙 張 纖 維 的 顯 微 鏡 影 像 發 現,NaOH 效 果 略 好 於 KOH, 可 能 與 不 同 離 子 與 微 波 交 互 作 用 的 能 力 不 同 有 關, 未 來 應 往 這 個 方 向 進 行 探 討 ( 五 ) 混 合 不 同 比 例 報 紙 纖 維 對 紙 張 吸 水 性 的 影 響. 1. 目 的 : 稻 草 纖 維 製 作 的 紙 張 觸 感 較 為 硬 挺, 書 寫 及 觸 摸 上 均 有 改 進 的 空 間, 在 參 考 相 關 造 紙 的 文 獻 中, 我 們 發 現 可 以 使 用 混 合 其 他 種 類 紙 漿 的 方 式 改 善 紙 張 的 物 理 特 性, 常 聽 人 家 說 下 雨 天 淋 濕 的 鞋 子, 塞 入 報 紙 可 加 速 乾 燥, 所 以, 我 們 選 擇 了 添 加 不 同 比 例 回 收 報 紙 的 纖 維, 對 吸 水 性 及 柔 軟 度 做 測 試 比 較 2. 實 驗 步 驟 : (1) 取 添 加 不 同 比 例 報 紙 纖 維 的 稻 草 紙 張, 裁 成 每 張 1 10 cm 長 條 形 的 小 紙 條 (2) 製 作 一 個 簡 易 的 吸 水 實 驗 架, 使 紙 條 都 能 垂 入 水 中 (3) 同 時 將 紙 條 放 入 水 中,2 分 鐘 後 測 量 水 上 升 的 高 度 6

圖 30: 吸 水 性 測 試 圖 31 吸 水 性 測 試 結 果 表 3 顯 微 鏡 下 不 同 稻 草 / 報 紙 比 例 的 紙 張 纖 維 分 布 10:0 9:1 8:2 7:3 6:4 5:5 4:6 3:7 2:8 7

1:9 0:10 3. 討 論 : (1) 2 分 鐘 內, 水 上 升 高 度 越 高 者, 表 示 吸 水 性 越 好, 測 試 結 果 吸 水 性 最 好 的 為 無 添 加 報 紙 的 稻 草 紙 (2) 由 測 試 結 果 可 知, 添 加 吸 水 效 果 好 的 報 紙 纖 維 後, 對 於 吸 水 效 果 似 乎 並 沒 有 增 加, 反 而 減 少 了, 可 見 纖 維 的 吸 水 性 質, 可 能 還 要 考 慮 纖 維 推 別 方 式 或 其 他 因 素 才 行 ( 六 ) 混 合 不 同 比 例 報 紙 纖 維 對 紙 張 柔 軟 度 的 影 響. 1. 目 的 : 了 解 添 加 不 同 比 例 回 收 報 紙 的 纖 維, 對 吸 水 性 及 柔 軟 度 做 測 試 比 較 2. 實 驗 步 驟 : (1) 取 添 加 不 同 比 例 報 紙 的 稻 草 紙, 裁 成 每 張 1 10 cm 的 長 方 形 紙 條 (2) 將 紙 的 一 端 用 膠 帶 黏 住, 使 之 自 然 下 垂 (3) 量 出 最 高 點 及 下 垂 一 端 的 最 低 點 相 差 的 距 離 (4) 最 高 點 及 最 低 點 相 差 的 部 分 即 為 柔 軟 性, 並 紀 錄 下 來 圖 32 柔 軟 度 測 試 圖 33 柔 軟 度 測 試 結 果 3. 討 論 : (1) 紙 張 自 然 下 垂 時, 最 高 點 與 最 低 點 間 的 距 離 差 越 大, 表 示 紙 張 越 柔 軟 (2) 添 加 不 同 比 例 的 報 紙 纖 維 後, 柔 軟 度 均 有 上 升 的 趨 勢, 可 見 添 加 報 紙 纖 維 可 有 效 改 善 稻 草 紙 張 的 柔 軟 度, 讓 紙 張 觸 感 更 好 8

參 結 論 一 利 用 微 波 小 火 加 熱 的 方 式, 可 大 大 縮 短 稻 草 纖 維 軟 化 及 木 質 素 溶 出 的 速 率, 節 省 反 應 的 時 間 二 微 波 加 熱 的 過 程 中, 鹼 性 溶 液 的 鹼 性 物 質 變 化 量 很 小, 廢 液 可 以 回 收 再 一 次 用 來 軟 化 纖 維, 不 必 丟 棄, 造 成 環 境 污 染 三 添 加 NaOH 及 KOH 作 為 軟 化 纖 維 的 藥 劑, 以 NaOH 效 果 較 佳 四 添 加 其 他 種 類 的 纖 維 可 以 有 效 改 善 紙 張 的 物 理 性 質, 不 需 使 用 污 染 性 較 高 的 化 學 藥 劑 五 添 加 吸 水 效 果 好 的 報 紙 纖 維 做 成 的 稻 草 紙, 對 於 吸 水 效 果 改 善 不 增 反 減, 但 是 對 柔 軟 度 的 改 善 有 顯 著 的 幫 助 肆 引 註 資 料 一 賢 記 紙 業 http://www.papershop.com.tw/concepts/process.aspx 二 紙 張 的 基 本 特 性, 文 川 漿 紙 站 http://www.cnpulp.com/pa/gn/zztx/zztx1.htm 三 紙 漿 與 環 保,( 印 刷 雜 誌 )2009 年 12 月 號, 馬 雪 君 翻 譯 四 黃 文 宣 (2002), 微 波 定 量 木 材 熱 水 抽 出 物 及 Klason 木 質 素 法 之 初 探, 國 立 中 興 大 學 森 林 學 系 碩 士 班 碩 士 論 文 五 張 豐 吉 (2006), 認 識 圖 書 紙 質, 佛 教 圖 書 館 館 刊 第 43 期,p11~23 9