棉秸稈提取天然纖維素纖維的工藝及其纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

李 龍，趙領(lǐng)航

(1.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048;2.陜西省紡織科學(xué)研究所，陜西 西安 710038)

棉秸稈作為種植棉花的副產(chǎn)品，其表面韌皮中含有優(yōu)良的韌皮纖維素纖維，以及木質(zhì)素、半纖維素等物質(zhì)［1-2］。中國是世界上重要的棉花種植國，棉稈資源非常豐富。國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《2010年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2010年我國棉花種植面積 485 萬 hm2，棉花總產(chǎn)量達(dá) 597 萬 t［3］，這為我國棉稈皮纖維開發(fā)利用提供了重要的基礎(chǔ)。目前，利用農(nóng)作物廢棄物棉秸稈提取天然纖維素纖維的關(guān)鍵技術(shù)是棉稈皮脫膠方法。裴華強(qiáng)等［4］采用化學(xué)脫膠的方法制取了棉稈皮纖維，并通過正交試驗(yàn)確定了最佳工藝參數(shù)。陳建勇等［5］采用閃爆和化學(xué)處理相結(jié)合的方法對棉稈皮纖維進(jìn)行脫膠處理。馮新星等［6］采用高溫高壓與閃爆聯(lián)合法提取的棉稈皮纖維潔白柔軟，木質(zhì)素得到充分去除。季延等［7］利用生化聯(lián)合脫膠工藝提取了棉稈皮纖維，并通過試驗(yàn)探討影響生物酶脫膠和化學(xué)脫膠的主要影響因素。李龍等［8］利用酸處理棉稈皮，然后利用NaOH-H2O2處理，提取棉稈皮纖維。趙領(lǐng)航等［9］分析了不同段棉稈皮的化學(xué)成分，認(rèn)為在同一脫膠工藝條件下，所得到的棉稈皮纖維的性能存在明顯差異。本文主要探討各段棉秸稈脫膠的工藝參數(shù)及其纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 棉稈分段

根據(jù)文獻(xiàn)［9］，棉秸稈分為3段進(jìn)行脫膠處理：第1段為根部(地表以下部分)棉稈，第2段為中部(地表以上25cm長度段)棉秸稈，第3段為梢部(地表以上大于25cm長度段)棉秸稈。

1.2 脫膠工藝方法

采用一煮法脫膠，工藝流程如下：棉稈分段→水洗→堿煮→滾壓→水洗→皮稈分離→壓纖→水洗→軟化處理→加油劑→烘干→棉稈皮纖維。

棉稈分段后，用自來水沖洗，去除表面的泥土雜質(zhì)。堿煮是提取棉稈皮纖維的主要工序。滾壓是將堿處理過的棉桿用羅拉機(jī)械滾壓5遍，使棉稈皮纖維與棉稈芯部脫離，并將得到的棉稈皮取出，用水清洗。壓纖是用羅拉機(jī)械擠壓棉稈皮纖維5遍，以進(jìn)一步去除黏附在纖維上的殘膠，之后對擠壓的棉稈皮纖維用自來水沖洗，去除附著在棉稈皮纖維表面的膠質(zhì)。軟化處理是將棉稈皮纖維放入軟化劑中，在溫度為80℃的條件下浸泡40 min，軟化劑由凡士林、吐溫、司班、平平加O復(fù)配而成。加油劑是對軟化處理的棉稈皮纖維噴灑和毛油水，油水比為1∶4，和毛油水噴灑量為纖維質(zhì)量的1.2%。烘干是將軟化劑處理過的棉稈皮纖維在烘箱中烘干，溫度為80℃，時(shí)間為2 h。

1.3 纖維性能測試及外觀觀察

纖維線密度測試：按照 GB 5884—1986《苧麻纖維支數(shù)試驗(yàn)方法》，采用中段切斷稱量法。利用Y171A型纖維切斷器切取10 mm長度的棉稈皮纖維，采用量程為10 mg的JN-A型扭力天平稱量，并對纖維根數(shù)計(jì)數(shù)，求出棉稈皮纖維線密度。測試環(huán)境條件：溫度為(20±3)℃，相對濕度為(65±3)%。

殘膠率測試：按照GB 5888—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》測定提取的纖維素纖維的殘膠率。測試在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行。

可撓度測試：選取一定量主體部分纖維，將其手扯梳理后采用Y171D型纖維切斷器切成等長(30 mm)纖維束。再用Y321型捻度儀對纖維束進(jìn)行加捻，直至纖維束斷裂，計(jì)數(shù)斷裂時(shí)的捻回?cái)?shù)，并在量程為10 mg的扭力天平上稱量捻斷的纖維束質(zhì)量，測試在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行。根據(jù)下式計(jì)算纖維的可撓度［10］：

式中：D為纖維可撓度，捻/(m·tex);n為斷裂捻回?cái)?shù)，捻;L為纖維夾持長度，mm;G為纖維質(zhì)量，mg。

纖維拉伸性能測試：參照 GB 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，取適量棉稈皮纖維，并用手扯法整理纖維，使其呈一端相對整齊，短纖維在上，長纖維在下的纖維束，去除纖維束中的粗節(jié)和雜質(zhì)，從該纖維束主體長度部分隨機(jī)取出200根纖維排列在黑絨板上。然后采用YG004型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)測試?yán)w維，夾持距離為10 mm，下夾頭下降速度為10 mm/min，測試?yán)w維的拉伸斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率。測試環(huán)境條件：溫度為(20±3)℃，相對濕度為(65±3)%。

纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察：取適量棉稈皮纖維制樣，將纖維剪切后固定在載物臺上，在真空條件下進(jìn)行噴金，然后采用JSM-6460LV型掃描電鏡觀察提取的棉稈皮纖維素纖維的外觀形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過相同的正交試驗(yàn)參數(shù)(見表1)，對棉秸稈分段后的3段秸稈分別進(jìn)行一煮法脫膠，以提取棉稈皮纖維素纖維，測試結(jié)果見表2。目前多指標(biāo)正交試驗(yàn)結(jié)果的分析方法主要有綜合平衡法和綜合評分法，但這2種方法都存在局限性，不能正確反映全面情況，其分析結(jié)論不準(zhǔn)確。為了全面分析多指標(biāo)正交試驗(yàn)結(jié)果，在本文中利用了模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)方法［11-12］。

表1 脫膠正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Orthogonal experiment design of degumming

首先，建立評價(jià)指標(biāo)集 U對評價(jià)集V的隸屬函數(shù)。通過隸屬函數(shù)求得的隸屬值反映本指標(biāo)在綜合評價(jià)中的重要程度。隸屬函數(shù)是單調(diào)函數(shù)，隸屬度fmn在 0 ～1 之間(m=1，2;n=1，2，… ，9)。對于提取的纖維，纖維線密度、纖維殘膠率的值越小越好，纖維的拉伸強(qiáng)度、纖維可撓度值越大越好。因此，纖維各指標(biāo)的隸屬函數(shù)表示如下。

表2 脫膠試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of degumming

纖維線密度隸屬函數(shù)

纖維拉伸強(qiáng)度隸屬函數(shù)

纖維殘膠率隸屬函數(shù)

纖維可撓度隸屬函數(shù)

由隸屬度值構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣

權(quán)重分配集A是指標(biāo)集U的模糊子集，它反映各指標(biāo)的重要性。本文中模糊子集A確定為A={0.25/Y1，0.25/Y2，0.25/Y3，0.25/Y4}，簡記為A={0.25，0.25，0.25，0.25}。

在評價(jià)集上引入模糊子集B，其中B=A?F

設(shè)試驗(yàn)中工藝參數(shù)構(gòu)成的因素為Ci，其論域?yàn)閄i，則有 Xi={Cij}，其中 i=1，2，3，4(工藝參數(shù)的因素)，j=1，2，3(各因素的水平數(shù))。為了對各水平進(jìn)行比較，對因素Ci各水平j(luò)上Cij的模糊綜合評價(jià)值的和進(jìn)行歸一化處理，以得到(Σ bij)'(0≤(Σ bij)'≤1)，其反映該水平因素影響模糊綜合評價(jià)值的程度。(Σ bij)'表示 Ci在 j水平 Cij∈ Xi處的隸屬度，它可以表示為Xi上的模糊子集：

C1、C2、C3、C4依次為 NaOH 濃度、溫度、時(shí)間、雙氧水濃度。

考慮到交互作用，由最大隸屬度原則，4個因素最佳組合為Ci中隸屬度最大的水平配置：

根據(jù)以上分析方法，得到第1段棉秸稈提取纖維素纖維的模糊關(guān)系矩陣R1，由模糊綜合評價(jià)值計(jì)算公式及權(quán)重可得模糊評價(jià)值B1。

由各指標(biāo)綜合評價(jià)值和隸屬度值計(jì)算方法可得到各指標(biāo)隸屬度值，結(jié)果見表3。

表3 各指標(biāo)隸屬度值及綜合評價(jià)值Tab.3 Membership values and comprehensive evaluation values

第1段棉稈脫膠主要工藝參數(shù)構(gòu)成的模糊子集Ci為

根據(jù)最大隸屬度原則，得到各因素的影響程度：C1=0.407 9，C2=0.419 7，C3=0.404 3，C4=0.465 5，故各因素對模糊評價(jià)值的影響依次為C4＞C2＞ C1＞ C3，即雙氧水濃度＞溫度＞ NaOH濃度＞時(shí)間，則第1段棉稈脫膠時(shí)一煮法優(yōu)化條件為：NaOH 濃度0.875 mol/L，溫度100℃，時(shí)間2.5 h，雙氧水濃度0.106 mol/L。

同理，對棉稈皮第2段、第3段脫膠提取的纖維性能指標(biāo)(見表2)進(jìn)行分析，得到其提取纖維素的優(yōu)化條件。第2段棉稈脫膠優(yōu)化工藝為：NaOH濃度0.75 mol/L，溫度100℃，時(shí)間2.0 h，雙氧水濃度0.106 mol/L。第3段棉稈脫膠優(yōu)化工藝為：NaOH濃度0.75 mol/L，溫度90℃，時(shí)間2.5 h，雙氧水濃度0.084 8 mol/L。

各段棉秸稈在最佳工藝處理所提取的棉稈皮天然纖維素纖維的性能見表4。由表可知，第3段棉秸稈提取的纖維素纖維細(xì)度細(xì)、可撓度大，這可能與提取纖維中的殘膠率低有關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)［9］，第3段棉秸稈皮中所含的果膠、半纖維素、木質(zhì)素相對較少，第1段棉秸稈皮中所含的果膠、半纖維素、木質(zhì)素較多，因此第3段棉秸稈脫膠提取纖維相對容易。

表4 各段棉秸稈提取的纖維性能Tab.4 Properties of cellulose fibers

不同段棉秸稈在工藝參數(shù)下，提取的天然纖維素纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)見圖1。不同段棉秸稈提取的纖維素纖維屬工藝?yán)w維，不同段提取的棉稈皮纖維形態(tài)基本相同，纖維表面具有類似溝槽的形態(tài)，其中第3段棉秸稈提取的纖維表面相對比較光潔。

圖1 不同段棉秸稈提取的纖維外觀形態(tài)(×1 000)Fig.1 Morphology of cellulose fibers(×1 000).(a)1st cotton-stalk section;(b)2nd cotton-stalk section;(c)3rd cotton-stalk section

3 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)、模糊數(shù)學(xué)多指標(biāo)正交試驗(yàn)評價(jià)方法，得到不同段棉秸稈脫膠提取纖維素纖維的工藝參數(shù)不同。相比較第1段與第3段棉秸稈脫膠提取纖維的優(yōu)化工藝可以看到，第1段棉秸稈脫膠優(yōu)化工藝參數(shù)中，所用NaOH與雙氧水的濃度以及脫膠溫度均高于相應(yīng)的第3段棉秸稈脫膠優(yōu)化工藝參數(shù)，但是第1段棉秸稈脫膠優(yōu)化工藝參數(shù)條件下所提取的纖維殘膠率大、纖維可撓度小，因此，為了合理地開發(fā)棉稈皮天然纖維素纖維資源，應(yīng)當(dāng)采用分段脫膠提取棉稈皮纖維素纖維;其次要進(jìn)一步研究第1段棉秸稈(地表以下部分)脫膠工藝，以使其提取的纖維素纖維殘膠率降低、可撓度提高。棉秸稈各段脫膠提取的纖維素纖維均屬工藝?yán)w維，不同段棉秸稈提取的纖維素纖維的外觀結(jié)構(gòu)形態(tài)基本相同，纖維表面具有類似溝槽的形態(tài)。

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