微波加熱黃蜀葵纖維堿煮脫膠工藝研究

包肖婧，劉津瑋，張 彥，李德樸

(青島大學(xué)，山東 青島 266071)

黃蜀葵纖維屬于韌皮類纖維,類似麻類纖維，因此可以按照麻類纖維的工藝進行制取韌皮纖維。其制取的重要工序是將黃蜀葵原麻中的膠質(zhì)和木質(zhì)素有效去除，以獲得較理想的韌皮纖維。目前，韌皮類纖維主要的脫膠工藝是化學(xué)堿煮脫膠工藝，加熱方式是水浴鍋加熱，加熱時間一般較長，而且會影響黃蜀葵纖維的強力和品質(zhì)。因此開發(fā)新型、高效的黃蜀葵脫膠工藝成為了一種趨勢[1]，同時對促進麻類原料生產(chǎn)和保證麻類產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

微波是一種波長在0.1～100 cm的電磁波，它的頻率在0.03～300 GHz范圍之間。目前，微波技術(shù)已經(jīng)在植物纖維的預(yù)處理中有所應(yīng)用，主要集中于植物纖維發(fā)酵生產(chǎn)物質(zhì)能源以及紙漿的生產(chǎn)領(lǐng)域[2]。在麻業(yè)生產(chǎn)與加工中，微波輻照法逐漸成為研究的熱點，其中，青島大學(xué)楊英賢[3]曾將微波技術(shù)應(yīng)用于羅布麻脫膠的預(yù)處理環(huán)節(jié)，輔助超聲波脫膠技術(shù)取得了較好效果。韓國軍等人也將微波技術(shù)應(yīng)用到大麻脫膠中，同樣取得了良好效果，但將微波輻照法應(yīng)用于黃蜀葵纖維的脫膠工藝中則鮮有報道。本研究嘗試將微波輻照技術(shù)用于黃蜀葵纖維的制取中，尋找一種較為適合的黃蜀葵纖維快速脫膠工藝，以彌補化學(xué)脫膠工藝中的不足。

1 實驗

1.1 原材料

黃蜀葵韌皮，取中部秸稈為原料。

1.2 試驗儀器

APEX微波化學(xué)工作室，電子天平，Y801A八籃恒溫烘箱，電子萬能爐。

1.3 實驗試劑

硫酸，氫氧化鈉，雙氧水，雙氧水穩(wěn)定劑，二氧化鋇。

1.4 測試方法

依照GB 5889—1986苧麻化學(xué)成分定量分析方法測定化學(xué)成分及殘膠率。

1.5 脫膠工藝流程

黃蜀葵韌皮→預(yù)酸處理→水洗→堿煮→水洗→烘干。

1.6 微波預(yù)酸處理工藝條件

硫酸濃度1 mL/L，溫度50℃，處理時間 16 min，浴比 1∶20。

1.7 微波堿煮黃蜀葵纖維工藝條件

氫氧化鈉濃度10～14 g/L,雙氧水濃度10～14 g/L，溫度80～100℃,堿煮時間10～60 min,浴比 1∶20。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分分析

黃蜀葵韌皮化學(xué)組分測定結(jié)果見表1，并與苧麻、亞麻、大麻和羅布麻[4-8]進行了對比。

由表1可知，黃蜀葵所含的纖維素少于其它麻類，半纖維素和水溶物含量均高于其它麻類，果膠和脂臘質(zhì)含量與其它麻類相比差別不大，木質(zhì)素含量高于其它麻類。由于木質(zhì)素是芳香族高分子化合物，其結(jié)構(gòu)單元為苯環(huán)上有3個碳原子側(cè)鍵的芳香族物質(zhì)，并且具有三維空間結(jié)構(gòu)，因此化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，很難溶解于堿液中，這影響了膠質(zhì)的充分去除。常規(guī)的麻類脫膠方法都不能有效解決膠質(zhì)含量高的困難，尤其是木質(zhì)素的去除[5]。通常以損傷纖維素強力為代價，用濃堿或高溫高壓蒸煮的方法來降低木質(zhì)素含量，但效果一般[6]，并且嚴重制約了黃蜀葵優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的開發(fā)。

表1 常見麻類化學(xué)成分組成分析

2.2 堿煮工藝

2.2.1NaOH濃度對脫膠效果的影響

按照1.5和1.6的工藝流程和工藝條件，微波功率設(shè)定為600 W,浴比為1∶20，處理時間45 min，采用不同用量的NaOH對黃蜀葵纖維處理后，測得黃蜀葵纖維的殘膠率變化見圖1。

圖1 NaOH濃度對殘膠率的影響

由圖1可以看出：在實驗所規(guī)定的范圍內(nèi)，隨著NaOH濃度的升高，殘膠率逐漸降低，說明加堿明顯改善微波輻照的脫膠效果，當NaOH含量達到10 g/L時，殘膠率達到最低0.57%，但是隨著NaOH濃度增加，殘膠率有上升趨勢。隨著NaOH濃度增大，纖維素的潤脹度加大，纖維素大分子結(jié)構(gòu)不均一，苷鍵對化學(xué)藥品具有不同的穩(wěn)定性，對化學(xué)鍵造成一定程度的破壞，纖維素強度下降[7]，說明堿濃度過高會影響纖維的脫膠，同時也降低了纖維的強度，浪費了原料，減少了黃蜀葵纖維的紡織用價值。因此，根據(jù)殘膠率指標確定纖維脫膠的情況，確定NaOH濃度為10 g/L。

2.2.2時間對脫膠效果的影響

按照1.5和1.6的工藝流程和工藝條件，微波功率為600 W,浴比為1∶20，NaOH濃度為10 g/L ,采用不同的處理時間后，測得黃蜀葵纖維殘膠率的變化結(jié)果如圖2所示。

圖2 微波輻照時間對殘膠率的影響

由圖2可以看出，隨著時間的延長，纖維的殘膠率總體呈逐漸下降趨勢，整個過程分為四個階段。

(1)起始段。殘膠率的變化曲線下降呈陡變狀態(tài)，按照水相體系中纖維素纖維的界面動電化學(xué)擴散雙電位理論可得出，纖維與水溶液接觸時，表面獲得電荷，并且電荷層結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，一層是緊密地在纖維表面的吸附層，另一層是在第一層的外側(cè)。在起始階段，堿液中的化學(xué)電位顯然高于原麻纖維體系。由于黃蜀葵纖維的表面帶有負電位，Na+進入纖維表面及空隙，與膠質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成復(fù)合鹽和溶出膠束并擴散進入溶液。開始時，因為溶液的化學(xué)位勢壘高于黃蜀葵纖維表面，產(chǎn)生大的親和力使膠質(zhì)溶出并迅速擴散，從而使殘膠率的曲線下降較快。

(2)平衡期。殘膠率的變化曲線在30～40 min段的變化呈緩慢狀態(tài)。這是由于易溶于堿液的成分在起始階段已經(jīng)基本反應(yīng)完全，剩下的成分半纖維素中的聚木糖和聚葡萄糖甘露糖成分抗堿性頑固，此外堿液需進入纖維結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)才能發(fā)生進一步反應(yīng)，因此該階段殘膠率變化緩慢，主要是堿液分子逐步滲透到纖維結(jié)晶區(qū)，為下一步反應(yīng)做好準備。

(3)形成段。 殘膠率在變化曲線40～50 min段下降呈快速狀態(tài)。經(jīng)過第一平衡階段的滲透作用，隨著時間延長反應(yīng)體系的溫度進一步升高，堿液分子開始作用于結(jié)晶區(qū)內(nèi)的化學(xué)成分，發(fā)生與起始階段類似的化學(xué)反應(yīng)。隨著堿煮時間延長，當溶液逐漸形成多糖高分子物溶液，其化學(xué)位逐漸與原麻纖維體系平衡時，在形成段的末期出現(xiàn)殘膠率趨于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

(4)穩(wěn)定段。殘膠率在變化曲線50～60 min段下降呈緩慢狀態(tài)。此時，黃蜀葵韌皮纖維表面開始形成被覆的多糖高分子物凝膠，阻止了Na+進入黃蜀葵纖維的內(nèi)部。但由于煮練液的熱力學(xué)運動，仍有少部分Na+在高勢壘的勢能作用下克服障礙進入到黃蜀葵纖維體系里，繼續(xù)與負電位鍵結(jié)合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，繼續(xù)使殘余膠質(zhì)生成可溶性鹽，并在煮練液界面動電化學(xué)作用下溶出[9]。

綜上所述，控制黃蜀葵纖維堿煮時間十分關(guān)鍵，本實驗條件下控制在30～50 min較為合適。

2.2.3微波輻照溫度對脫膠效果的影響

按照1.5和1.6脫膠工藝流程和微波輻照黃蜀葵纖維的堿煮工藝條件，時間為45 min,NaOH濃度為10 g/L，浴比1∶20，采用不同微波輻照溫度處理后，測得黃蜀葵纖維的殘膠率變化結(jié)果如圖3。

圖3 微波輻照溫度對殘膠率影響

由圖3可以看出，隨著溫度的升高，煮液中極性分子的運動加快，黃蜀葵纖維內(nèi)的大分子運動也加快，從而加快了脫膠反應(yīng)速率，同樣時間內(nèi)黃蜀葵纖維的殘膠率隨溫度升高而逐漸降低，但考慮到溫度太高會使纖維中的纖維素分解，從而影響纖維的強力，控制溫度在適當范圍內(nèi)是必要的。當在95～100℃時殘膠率達到一個平衡值0.30%左右，同時強力也適合紡織用，因此在實驗所考查范圍內(nèi)，黃蜀葵纖維的微波處理溫度定在95℃較為理想。

2.2.4黃蜀葵纖維基本形態(tài)

圖4和圖5分別為黃蜀葵韌皮和經(jīng)脫膠后制得的黃蜀葵纖維。

由圖4和圖5可以看出，黃蜀葵韌皮由微波輻照法經(jīng)上述工藝制得的黃蜀葵纖維，色澤良好，粗細均勻，可適用于紡織行業(yè)。

圖4 黃蜀葵韌皮

圖5 黃蜀葵纖維

3 結(jié)語

3.1微波輻照法黃蜀葵纖維脫膠工藝大大縮短了黃蜀葵的脫膠時間。由傳統(tǒng)的化學(xué)堿煮脫膠所需的90～240 min縮短到了50 min左右。

3.2微波處理時間、堿液濃度、處理溫度是影響微波強化處理黃蜀葵脫膠效果的3個重要因素。在本實驗條件下，當微波處理時間在50 min左右、堿液濃度在10 g/L左右、處理溫度在95℃左右時的脫膠效果較為理想。堿液濃度為10 g/L、處理時間為50 min、處理溫度在95℃時獲得最佳的殘膠率為0.36%。

3.3經(jīng)上述工藝制得的黃蜀葵纖維適用于紡織行業(yè)。

參考文獻：

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