劍麻化學(xué)脫膠技術(shù)初步研究

陳福通，孫小寅，余秀艷

（西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，西安710048）

劍麻又稱西色爾麻，屬龍舌蘭科。葉片呈劍形，硬而狹長(zhǎng)，葉片一般長(zhǎng)為100-140cm，寬13-15cm，灰綠至藍(lán)綠色。其葉內(nèi)含有大量的可紡纖維，纖維的細(xì)胞結(jié)構(gòu)呈長(zhǎng)形，細(xì)胞腔大且長(zhǎng)，壁厚，具有纖維長(zhǎng)，色澤白，拉力強(qiáng)，耐磨擦，耐腐蝕，質(zhì)地堅(jiān)韌，富有彈性，不易打滑特點(diǎn)[1][2]。劍麻纖維作為一種重要的紡織原料，具有廣闊的發(fā)展前景，但劍麻工藝?yán)w維的木質(zhì)素與半纖維素成分較多，斷裂伸長(zhǎng)率較小及楊氏模量較高導(dǎo)致纖維比較粗硬，難以紡制支數(shù)較高的劍麻紗，從而使劍麻產(chǎn)品應(yīng)用受限。為了加強(qiáng)其在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用，本論文在分析化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)劍麻纖維進(jìn)行了脫膠處理，并分析各要素對(duì)纖維性能的影響。

1 劍麻纖維的脫膠處理與工藝

1.1 麻纖維脫膠處理實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

采用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)劍麻纖維進(jìn)行脫膠處理，測(cè)試實(shí)驗(yàn)后各試樣理化性能的主要指標(biāo)，從而確定最佳工藝條件，為產(chǎn)品的生產(chǎn)提供依據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)依據(jù)

本研究主要對(duì)劍麻的化學(xué)成分及處理后纖維殘膠率、制成率、白度、細(xì)度、拉伸性能進(jìn)行測(cè)試。由于沒有系統(tǒng)的劍麻標(biāo)準(zhǔn)，本論文將依據(jù)苧麻的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試即實(shí)驗(yàn)條件、儀器藥品、性能測(cè)試均以苧麻標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)[3]。

1.3 劍麻纖維處理工藝及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 劍麻纖維脫膠處理工藝流程

原麻取樣—預(yù)處理—水洗—堿液煮練—機(jī)械柔軟—柔軟給油—干燥處理

1.3.2 各工序工藝條件

1.3.2.1 原麻取樣

從劍麻樣品中稱量十八個(gè)試樣測(cè)纖維化學(xué)成分，每個(gè)指標(biāo)測(cè)三次取平均值；從劍麻樣品中稱量九個(gè)試樣根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行脫膠處理并測(cè)試分析。所有試樣均稱量5克。

1.3.2.2 預(yù)處理

劍麻煮練前預(yù)處理經(jīng)常用三種方法：生物酶處理、氯處理和氧處理。

生物酶處理：采用酸性纖維素酶（2萬(wàn)u/g）處理麻束，能迅速“開松”，并能“定向爆破”外圍的韌皮和膠質(zhì)。少量纖維素酶能使纖維素大分子鏈β-1，4苷鍵斷裂產(chǎn)生較小的分子鏈，引起麻纖維表面剝皮效應(yīng)，減少果膠、木質(zhì)素、半纖維素和部分纖維素的含量[4][5]。本研究選擇酸性纖維素酶為酶處理藥品，其試驗(yàn)條件為溶液濃度2.5g/L，處理溫度為55℃，時(shí)間為2小時(shí)，浴比為1：20。

氯處理：木質(zhì)素易與氯發(fā)生反應(yīng)生成氯化木質(zhì)素，氯化木質(zhì)素則處在纖維木質(zhì)素表面，阻止了氯化作用繼續(xù)進(jìn)行，因此必須用NaOH溶液煮練使其溶解。預(yù)氯處理后纖維有光澤、較白、較松散，但是用次氯酸鈉作預(yù)氯處理的時(shí)候有Cl2溢出，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，一般不提倡此加工方法。本研究選擇氯處理實(shí)驗(yàn)條件為溶液濃度NaClO1.5g/L，處理溫度25℃，處理時(shí)間30分鐘，浴比1：20。

氧處理：氧化劑首先氧化原麻表層膠質(zhì)，隨著處理進(jìn)行溶液中雜質(zhì)濃度上升，生成物一部分溶解于溶液中，另一部分停留在纖維表面。一段時(shí)間后纖維表層易被氧化的膠質(zhì)基本被降解，溶液中氧化劑的濃度降低，再隨著時(shí)間的推移，纖維對(duì)膠質(zhì)中某些物質(zhì)產(chǎn)生吸附作用，一些難溶物包裹在纖維表面降低了后續(xù)堿煮過程中的脫膠效果。氧化劑濃度、預(yù)處理溫度、時(shí)間及浴比對(duì)氧處理效果有著顯著的影響。氧處理實(shí)驗(yàn)條件為H2O22g/L、NaOH1g/L，處理溫度90℃，處理時(shí)間45分鐘，浴比1：20。

1.3.2.3 水洗

用自來(lái)水輕搓一遍，洗1～2遍。

1.3.2.4 堿液煮煉

堿煮不但能溶解前處理的一些生成物，還能進(jìn)一步去除纖維中的半纖維素，對(duì)纖維的脫膠有重要作用。在堿液煮煉過程中，影響煮煉后纖維性質(zhì)的因素經(jīng)常有三個(gè)，即NaOH用量、助劑種類和煮煉時(shí)間。

1.3.2.5 機(jī)械柔軟

將煮煉后的各個(gè)樣品分別用雙棍擠壓機(jī)壓兩遍，實(shí)現(xiàn)劍麻的初步柔軟。

1.3.2.6 柔軟給油

采用的柔軟劑試JY-AK和脫膠油劑，其濃度分別為1%和2%。溶液溫度控制在50—55℃，悶放4小時(shí)。溶液和樣品的浴比為1：20。

給油主要有以下效果：可使纖維柔軟松散并能改善纖維的平滑性和集束性。

1.3.2.7 干燥處理

將柔軟給油處理后的樣品自然陰干。

1.3.3正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)預(yù)處理、堿液濃度、煮練助劑、煮練時(shí)間四個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，選L9(34)正交表。

因素水平確定如表1：

表1 劍麻實(shí)驗(yàn)因素Tab.1 Influential factors for degumming experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 劍麻纖維化學(xué)成分（%）

劍麻纖維化學(xué)成分如表2。

2.1.2 劍麻纖維處理后殘膠率及制成率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

處理后劍麻纖維殘膠率及制成率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

表2 劍麻纖維的化學(xué)成分Tab.2 Chemical components of sisal fiber

表3 劍麻纖維殘膠率及制成率Tab.3 Residual gum rate and produced fiber rate of the degummed sisal fiber

2.1.3 劍麻纖維白度及細(xì)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

處理后劍麻纖維白度、細(xì)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 劍麻纖維白度和細(xì)度結(jié)果Tab.4 Fiber whiteness and fineness of the degummed sisal fiber

2.1.4 劍麻纖維拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

處理后劍麻纖維拉伸性能如表5。

表5 劍麻纖維拉伸性能Tab.5 Results of tensile properties of the degummed sisal fiber

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 對(duì)處理后纖維的制成率、殘膠率的正交分析

對(duì)柔軟處理纖維的制成率、殘膠率的正交分析如表6所示，通過對(duì)表中RJ的數(shù)值分析可得，四因素對(duì)纖維的殘膠率影響大小的順序?yàn)椋褐鷦┓N類>NaOH用量>煮練時(shí)間>預(yù)處理；最優(yōu)方案為：C3B1D2A3。通過對(duì)表中CJ的數(shù)值分析可得，四因素對(duì)纖維的制成率影響大小的順序?yàn)椋褐鬅挄r(shí)間>助劑種類>預(yù)處理>NaOH用量；最優(yōu)方案為：D1C2A1B2。

2.2.2 對(duì)柔軟處理纖維的白度、細(xì)度的正交分析

對(duì)柔軟處理纖維的白度，細(xì)度的正交分析如表7所示，通過對(duì)表中RJ的數(shù)值分析可得，四因素對(duì)纖維的白度影響大小的順序?yàn)椋篘aOH用量>預(yù)處理>煮煉時(shí)間>助劑種類；最優(yōu)方案為：B3A3D2C2。通過對(duì)表中CJ的數(shù)值分析可得，四因素對(duì)纖維的細(xì)度影響大小的順序?yàn)椋篘aOH用量>預(yù)處理>煮煉時(shí)間>助劑種類；最優(yōu)方案為：B3A3D3C3。

表6 纖維制成率、殘膠率正交分析表Tab.6 Results of orthogonal experiment about the produced fiber rate and the residual gum ratio

表7 纖維白度、細(xì)度正交分析表Tab.7 Results of orthogonal experiment about fiber whiteness and fineness

2.2.3 對(duì)柔軟處理纖維的斷裂強(qiáng)力，斷裂伸長(zhǎng)率的正交分析

表8 纖維斷裂強(qiáng)力、伸長(zhǎng)率正交分析Tab.8 Orthogonal table of fiber breaking tenacity and elongation

對(duì)柔軟處理纖維的斷裂強(qiáng)力，斷裂伸長(zhǎng)率的正交分析如表8所示，通過對(duì)表中RJ的數(shù)值分析可得，四因素對(duì)纖維的強(qiáng)力影響大小的順序?yàn)椋侯A(yù)處理>NaOH用量>煮煉時(shí)間>助劑種類；最優(yōu)方案為：A1B1D1C2。通過對(duì)表中CJ的數(shù)值分析可得，四因素對(duì)纖維的伸長(zhǎng)率影響大小的順序?yàn)椋侯A(yù)處理>助劑種類>NaOH用量>煮煉時(shí)間；最優(yōu)方案為：A3C3B1D3。

3 結(jié)論

3.1 在劍麻的脫膠處理過程中，預(yù)處理、NaOH用量、助劑種類、煮練時(shí)間四因素對(duì)纖維得各種性能的指標(biāo)的影響大小順序及最優(yōu)方案如下：

①對(duì)纖維殘膠率的影響：助劑種類>NaOH用量>煮煉時(shí)間>預(yù)處理。最優(yōu)方案為：C3B1D2A3

②對(duì)纖維制成率的影響：煮煉時(shí)間>助劑種類>預(yù)處理>NaOH用量。最優(yōu)方案為：D1C2 A1B2

③對(duì)纖維白度的影響：NaOH用量>預(yù)處理>煮煉時(shí)間>助劑種類。最優(yōu)方案為：B3A3 D3C3

④對(duì)纖維細(xì)度的影響：NaOH用量>預(yù)處理>煮煉時(shí)間>助劑種類。最優(yōu)方案為：B3A3 D2C2

⑤對(duì)纖維強(qiáng)力的影響：預(yù)處理>NaOH用量>煮煉時(shí)間>助劑種類，最優(yōu)方案為：A1B1D1C2

⑥對(duì)纖維伸長(zhǎng)率的影響：預(yù)處理>助劑種類>NaOH用量>煮煉時(shí)間，最優(yōu)方案為：A3C3B1D3

3.2 不同的劍麻脫膠處理方式對(duì)劍麻纖維性能有不同影響，在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的產(chǎn)品要求選擇合適的處理工藝，同時(shí)還必須兼顧成本、環(huán)保、生產(chǎn)可持續(xù)性等條件。

[1]唐愛民,梁文芷.纖維素預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),1999,19(4):81-84.

[2]朱長(zhǎng)風(fēng),廖雙泉.熱帶植物纖維的特性及其預(yù)處理[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué),2007(1):73-79.

[3]紡織工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB5882-86苧麻化學(xué)成分定量分析方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1986.

[4]張波,陸紹榮,王敏,劉婷.劍麻纖維／聚丙烯復(fù)合材料物理力學(xué)性能的研究[J].中國(guó)人造板,2009(1):13-17.

[5]P.J.A.Sobral，E.S.Monterrey-Q，A.M.Q.B.Habitante.Glass Transition Study of Nile Tilapia Myofibrillar Protein Films Plasticized by Glycerin and Water[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2002，67(2):499-504.