堿煮法提取稻秸稈纖維的工藝及性能探討*

程士潤(rùn) 黃 晨 張 璐 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)輕紡工程與藝術(shù)學(xué)院，合肥，230036)

堿煮法提取稻秸稈纖維的工藝及性能探討*

程士潤(rùn) 黃 晨 張 璐 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)輕紡工程與藝術(shù)學(xué)院，合肥，230036)

通過(guò)L16(45)正交試驗(yàn)方法研究堿煮法提取稻秸稈纖維的工藝參數(shù)優(yōu)化方案，確定燒堿濃度、堿液溫度、反應(yīng)時(shí)間、攪拌速度和固液比等因素與提取的稻秸稈纖維組成及性能的關(guān)系。結(jié)果表明:最佳的工藝組合是堿液溫度90℃、反應(yīng)時(shí)間120 min、攪拌速度720 r/min、固液比1 g∶30 ml、秸稈/氫氧化鈉(質(zhì)量比)1∶0.6;稻秸稈纖維的最佳性能是平均長(zhǎng)度10.3 mm，寬度19.3 μm，成纖率25.88%，未離散率0.5%，纖維中纖維素成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74.85%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.21%。對(duì)最佳工藝參數(shù)下制備的稻秸稈纖維進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)和紅外分析，為后期研究新型稻秸稈纖維復(fù)合材料提供參考依據(jù)。

稻秸稈纖維，正交分析法，性能

由于纖維使用量加大，在利用傳統(tǒng)的纖維材料如棉、麻、絲、毛等的同時(shí)，越來(lái)越多的天然植物纖維的開(kāi)發(fā)研究也引起了國(guó)內(nèi)外科研工作者的重視，如大豆纖維、椰殼纖維、竹漿纖維、月桃纖維、菠蘿葉纖維、棉稈皮纖維和香蕉纖維等［1-3］。

我國(guó)秸稈資源豐富，秸稈焚燒污染環(huán)境現(xiàn)象很嚴(yán)重，秸稈資源的高值化利用有很大的拓展空間。因此，有效利用秸稈資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展非常重要。

稻秸稈纖維正在被作為一種新型天然纖維進(jìn)行研究并加以利用。俞鎮(zhèn)慌［4］直接將秸稈粉碎成纖維狀，用篩子去除秸稈粉末，采用氣流成網(wǎng)法制造非織造布，并對(duì)秸稈纖維的成網(wǎng)工藝以及秸稈纖維非織造布用于無(wú)土栽培基質(zhì)進(jìn)行了研究;歐忠慶等［5］利用蒸汽閃爆對(duì)麥草秸稈進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)蒸汽閃爆后可有效地分離秸稈的各組分。

本研究的主要目的是從稻秸稈中提取纖維素纖維作為農(nóng)用地膜的材料，以減少因塑料地膜不可降解而對(duì)環(huán)境造成的污染;其次是使秸稈返田，增加土壤的肥力和改善土壤結(jié)構(gòu);再則是減少秸稈焚燒對(duì)環(huán)境的污染。對(duì)稻秸稈成分進(jìn)行分析，通過(guò)正交試驗(yàn)法找出提取稻秸稈纖維的最佳工藝參數(shù)，并對(duì)提取的稻秸稈纖維進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和定性成分分析。所提取的稻秸稈纖維根據(jù)作物和土壤肥力的要求混入一定量的蠶絲廢纖維，利用非織造技術(shù)制造農(nóng)用地膜，根據(jù)作物和環(huán)境要求制造不同規(guī)格的地膜。本研究也為稻秸稈纖維作為紡織或交叉學(xué)科材料應(yīng)用奠定一定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

(1)稻秸桿原料

取料于合肥三十崗地區(qū)，品種是協(xié)優(yōu)9308。

取料步驟:

稻秸稈→洗凈→晾干→截取秸稈(長(zhǎng)2～3 cm)→裝入包裝袋待用

(2)試劑

氫氧化鈉、硝酸、無(wú)水乙醇等實(shí)驗(yàn)室常用試劑。

1.2 稻秸桿纖維提取

試驗(yàn)儀器:Sartorius BP211D型電子分析天平、容量瓶、電子烘箱、冷凝管、稱量瓶、恒溫磁力攪拌器、過(guò)濾網(wǎng)、玻璃砂芯漏斗、顯微鏡、坩鍋等。

具體的稻秸稈纖維提取方法如下:

稻秸稈原料→浸入氫氧化鈉水溶液中→攪拌→濾網(wǎng)過(guò)濾→稻秸稈纖維

1.3 性能表征

1.3.1 長(zhǎng)度

將提取的稻秸稈纖維均勻地分散在水中，隨機(jī)抽取水中不同部位的幾個(gè)樣品，每個(gè)樣品中含有一定數(shù)量的單根纖維，利用手排法將纖維排列成一端平齊按長(zhǎng)短分布的圖形，用直尺測(cè)量長(zhǎng)度并計(jì)算平均值，最后求出幾個(gè)樣品的整體平均值，并記錄最小值和最大值。

1.3.2 寬度

取樣方法同長(zhǎng)度測(cè)試，利用手排法將纖維排列到以10 μm為單位的刻度尺上，然后在光學(xué)顯微鏡下讀數(shù)，計(jì)算幾個(gè)樣品的平均值，并記下最小值和最大值。

1.3.3 纖維素含量

采用硝酸乙醇法測(cè)定。用20%硝酸及80%乙醇(體積比)的混合液處理粉碎后的植物纖維原料試樣，原料中大部分的木質(zhì)素被硝酸和乙醇混合液溶解，余下的固體物質(zhì)是纖維素?；旌弦褐欣w維素經(jīng)過(guò)濾從液相中分離出來(lái)，用水洗至中性，烘干至恒重，稱重即可計(jì)算出纖維素含量。

1.3.4 其他成分含量

參照GB/T 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》進(jìn)行測(cè)試。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)

纖維樣品經(jīng)表面噴金處理，采用XT30 ESEMTMP環(huán)境掃描電鏡觀察纖維的成纖表面微觀結(jié)構(gòu)，并與常見(jiàn)纖維的形貌進(jìn)行對(duì)比。

1.3.6 紅外分析

應(yīng)用傅立葉變換紅外光譜儀Nexus-870，采用KBr壓片法進(jìn)行測(cè)試。用哈氏切片器將經(jīng)過(guò)脫膠處理的纖維切成粉末狀，稱取2 mg，與250 mg KBr充分混合，經(jīng)反復(fù)研磨后轉(zhuǎn)入模具中，抽成真空，加壓制成透明片。測(cè)試條件:光譜范圍4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1，用于定性分析纖維的組分。

根據(jù)交叉耦合傳輸零點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理，當(dāng)信號(hào)通過(guò)多條傳輸路徑時(shí)，在某一個(gè)或多個(gè)頻率點(diǎn)相位相反幅度相同時(shí)，可以產(chǎn)生有限個(gè)傳輸零點(diǎn)[5-6]。本文在之前討論的新型耦合諧振帶通濾波器一、四級(jí)諧振器間引入感性耦合，構(gòu)建了一條新的傳輸路徑，從而在通帶兩端產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了帶外抑制。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻秸稈成分分析

經(jīng)測(cè)定，稻秸稈各化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:灰分13.39%，硝酸—乙醇纖維素37.58%，半纖維素24.1%，木質(zhì)素11.66%，脂臘質(zhì) 4.49%，其他8.78%?？梢钥闯觯コ肜w維素和木質(zhì)素是稻秸稈提取纖維的重點(diǎn)［7］。

2.2 正交試驗(yàn)分析

采取L16(45)正交設(shè)計(jì)表，試驗(yàn)安排反應(yīng)時(shí)間(A)、堿液溫度(B)、攪拌速度(C)、固液比(D)、秸稈/氫氧化鈉的質(zhì)量比(E)5個(gè)因素，分別選擇4個(gè)水平，見(jiàn)表1。

表1 因素水平表

表2和表3分別是提取稻秸桿纖維正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析。現(xiàn)以纖維長(zhǎng)度作指標(biāo)為例進(jìn)行說(shuō)明。從表4可以看出纖維長(zhǎng)度作指標(biāo)處理組合內(nèi)差異是顯著的;由表5方差分析表明，B、C、D、E對(duì)考察指標(biāo)具有極顯著影響，而A因素影響不顯著。根據(jù)表3極差值可得出因素主次順序?yàn)?E> C>B>D>A;最佳工藝組合為A4B2C1D1E1。

據(jù)鄧肯氏多重比較的結(jié)果(表6)，A因素下實(shí)驗(yàn)號(hào)4、2、1與實(shí)驗(yàn)號(hào)3有顯著性差異，同樣可以看出B、C、D、E因素中的顯著差異，綜合得出A1、2、4B2C1D1、2E1對(duì)最佳組合具有無(wú)顯著差異。

從四項(xiàng)指標(biāo)顯著差異綜合分析結(jié)果得出最佳組合為A4B2C2D1E4，即反應(yīng)時(shí)間120 min、堿液溫度90℃、攪拌速度720 r/min、固液比1 g∶30 ml、秸

稈/氫氧化鈉質(zhì)量比1∶0.6。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果與14號(hào)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著性差異。在該工藝條件下制得的稻秸稈纖維平均長(zhǎng)度 10.63 mm，寬度19.00 μm，成纖率25.88%，未離散率0.50%，纖維素和灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為74.84%和2.21%。

表2 提取稻秸稈纖維正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 提取稻秸稈纖維正交試驗(yàn)極差分析

表4 纖維長(zhǎng)度作指標(biāo)處理組合方差分析表

表5 纖維長(zhǎng)度作指標(biāo)對(duì)各因素方差分析表

表6 纖維長(zhǎng)度指標(biāo)對(duì)各因素多重比較

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)在A4B2C2D1E4條件下制備的稻秸稈纖維進(jìn)行SEM分析。麻類脫膠方法主要有微生物脫膠和化學(xué)脫膠兩種［6］，本研究采用化學(xué)脫膠法。堿煮過(guò)程包含了物理作用、界面電化學(xué)作用、纖維素伴生物的化學(xué)反應(yīng)、物理化學(xué)作用等四個(gè)過(guò)程［7］。

圖1是未處理稻秸稈、提取稻秸稈纖維、棉纖維和絲纖維的電鏡(SEM)照片。可以看到，提取的稻秸稈纖維均勻度不高，纖維粗細(xì)差別比較大。稻秸稈纖維、棉纖維都是纖維素纖維，在微觀上與蛋白質(zhì)絲纖維有很大區(qū)別，絲纖維表面光滑順暢，瑕疵極少。稻秸稈纖維沒(méi)有棉纖維的天然卷曲，可清楚地看出纖維素纖維的初生層，其纖維表面都存在細(xì)小裂紋。初生層很薄，纖維素含量不多，在初生層中呈螺旋形網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，在稻秸稈纖維和棉纖維表面都能明顯地看出。

圖1 不同材料纖維的SEM照片

2.4 紅外分析

纖維素是稻秸稈纖維的主要成分，而纖維素大分子是通過(guò)1，4-苷鍵-D-葡萄糖(β型)單元互相連接而成的半剛性直鏈型分子。

從圖 2可看出糖類特征的峰:在 3 600～3 200 cm－1的寬峰為O—H的伸縮振動(dòng)吸收峰;出現(xiàn)在3 000～2 800 cm－1區(qū)域處的C—H的吸收峰較弱，是糖的特征峰;C—H的變角振動(dòng)吸收峰位于1 400～1 200 cm－1處;而C—O、C—O—H和糖環(huán)的C—O—C伸縮振動(dòng)特征峰均在1 200～1 000 cm－1處左右;糖水化物在1 665～1 635 cm－1的特征峰也有所體現(xiàn)。譜帶1 720～1 730 cm－1處存在β-羰基和羧基的吸收峰;芳環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在 1 620～1 520 cm－1譜帶處;分子中脂基吸收峰在1 430 cm－1處;譜帶1 161 cm－1處則代表醚鍵。上述譜圖說(shuō)明提取的稻秸稈纖維中木質(zhì)素并未完全去除［6］。

圖2 稻秸稈纖維紅外光譜圖

3 結(jié)論

本研究應(yīng)用正交分析法找出提取稻秸稈纖維的最佳工藝參數(shù)是反應(yīng)時(shí)間120 min、堿液溫度90℃、攪拌速度720 r/min、固液比1 g∶30 ml、秸稈/氫氧化鈉質(zhì)量比1∶0.6;通過(guò)紅外分析發(fā)現(xiàn)該工藝參數(shù)下制備的稻秸稈纖維中木質(zhì)素并未完全去除。本研究結(jié)果為探索稻秸稈纖維作為可紡纖維的研究作了前期準(zhǔn)備。

［1］ 張之亮，張?jiān)?，章悅?幾種新型植物纖維的開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀［J］.中國(guó)麻業(yè)，2004，26(2):91-94.

［2］ 萬(wàn)震，李克讓，謝均.新型生態(tài)紡織纖維［J］.毛紡科技，2005(3):20-23.

［3］ 王雪華，蔣耀興，管翔.綠色環(huán)保型紡織纖維的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.國(guó)外絲綢，2005(4):24-26.

［4］ 俞鎮(zhèn)慌.秸稈纖維成網(wǎng)工藝研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2001(11):23-26.

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［7］ 董震，丁志榮.桑皮纖維的脫膠工藝研究［J］.上海紡織科技，2008，36(11):20-22.

Discussion on technique and property of extracting rice straw fibers by alkali boiling method

Cheng Shirun，Huang Chen and Zhang Lu

(College of Light-Textile Engineering and Art，Anhui Agricultural University)

The orthogonal experimental method was used to explore the process parameters of alkaline extraction of rice straw fiber.It was determined that the technique parameters were relative to composites and performance of extracted rice straw fibers，such as concentration of caustic soda，alkali temperature，reaction time，stirring speed liquor ratio and so on.The results showed that the optimum processing was 90℃ of alkali temperature，120 min of reaction time，720 r/min of stirring speed，1g/30ml of bath ratio，1∶0.6 of straw weight ratio，the rice straw fibers had optimum property with 10.3 mm of average fiber length，19.3 μm of fiber diameter，25.88%of formed fiber ratio，0.5%of non-discrete fiber ratio，74.85%of cellulose content and 2.21%of ash content.Meanwhile the micro-structure，infrared analysis of rice straw fiber prepared under the best process parameters were also tested for the further study on new type of rice straw fiber composites.

rice straw fiber，orthogonal analysis，performance

TS 102.2

A

1004－7093(2010)07－0016－05

*安徽省教育廳自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目(KJ2008A042)資助項(xiàng)目

2009－12－04;修改日期:2010－04－22

程士潤(rùn)，男，1982年生，在讀碩士研究生。主要從事紡織新材料的研究。