香蕉莖纖維的化學(xué)脫膠制備及性能研究

黃 仙，李 芳

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071 )

香蕉是我們生活中重要的水果，被譽(yù)為“新貴水果之王”。作為世界香蕉產(chǎn)業(yè)大國(guó)，香蕉產(chǎn)業(yè)是我國(guó)南方熱帶水果重要產(chǎn)業(yè)之一。然而每年香蕉采收后，遺留的大量莖稈會(huì)被丟棄或被直接焚燒，這無(wú)疑是浪費(fèi)資源更是污染環(huán)境[1]。因此近年來(lái)，對(duì)香蕉莖纖維的制取和使用廣泛引起大眾的關(guān)注。

目前制作香蕉莖稈纖維的主要方法有機(jī)械法和化學(xué)法：印度Jarman CG等人通過(guò)漚麻技術(shù)或用刮泥刀刮掉肉渣小規(guī)模地制取纖維，工作效率是15g/h，而電動(dòng)刮麻機(jī)的效率是人工的200倍；21世紀(jì)初，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所探索和研究了香蕉莖稈纖維的提取方法和生產(chǎn)設(shè)備，并開(kāi)發(fā)了QP-1800型香蕉秸稈切割破片機(jī)和GZ-390型香蕉秸稈刮麻機(jī)。另外一種快速制取方法就是利用原纖與韌皮之間的高壓澆熱水使外壓下降氣化膨化而分離原纖。但機(jī)械提取的香蕉莖纖維不能直接用于紡絲，所以還需要進(jìn)行化學(xué)或生物脫膠處理。

本文采取酸洗堿煮法對(duì)香蕉莖稈進(jìn)行脫膠來(lái)制備香蕉莖纖維，并對(duì)香蕉莖纖維的性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)材料：香蕉莖稈(海南省?？谑腥T(mén)坡鎮(zhèn))，蒸餾水，氫氧化鈉(顆粒)，濃硫酸(98%)(青島大學(xué)提供)。

實(shí)驗(yàn)儀器：Y802A 型八籃恒溫干燥箱(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司 )，潔盟牌超聲波清洗機(jī)(深圳市潔盟清洗有限公司)， LLY-06 E型單纖維強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司)，電熱恒溫水浴鍋，Y172型哈式切片器，JSM-6390 掃描電鏡(日本電子光學(xué)公司)，電子顯微鏡，F(xiàn)A2004B 電子天平，Y171 型纖維切斷器，HTG-1 型熱失重分析儀(北京恒久儀器)，INSTRON4302 型電子萬(wàn)能測(cè)試機(jī)(美國(guó)英斯特朗公司)。

1.2 纖維制備

采用酸洗堿煮法制取香蕉莖纖維。工藝如下：試樣→烘干→預(yù)酸處理→水洗→堿液煮煉→水洗→酸洗→水洗→烘干

1.2.1 香蕉莖稈原材料的烘干處理

將香蕉莖稈去除根部和鞘部，并切成15cm的小段。將切好的小段放入干燥箱中80℃下烘48小時(shí)直至含水量降低到10%。

1.2.2 預(yù)酸處理

將烘干后的試樣采用下頁(yè)表1的方案進(jìn)行預(yù)酸處理。

表1 預(yù)酸處理方案

預(yù)酸處理的目的是水解香蕉莖稈原料中的果膠和半纖維素的高分子部分，這是因?yàn)椴蝗苄缘墓z酸中的鈣鎂鹽不溶解于水，但能被無(wú)機(jī)酸水解，這樣就能破壞它的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而后大分子就會(huì)開(kāi)始解聚，進(jìn)而被溶解[2]。

1.2.3 水洗

將預(yù)酸處理后的試樣放入超聲波用蒸餾水清洗5min，除掉試樣上遺留的H2SO4溶液，以免影響下面的操作。

1.2.4 堿液煮煉

將水洗后試樣放入堿液中，并以表2中的方案進(jìn)行煮煉。

表2 堿液煮煉方案

在此過(guò)程中可以去除莖稈原料韌皮中的較穩(wěn)定的膠質(zhì)，使纖維之間的聯(lián)系減弱，可以很好地提高纖維細(xì)度和柔軟度[3]。堿煮煉過(guò)程對(duì)脫膠效果和纖維質(zhì)量具有很大的影響。

1.2.5 水洗

將堿液煮煉后的試樣放入超聲波用蒸餾水清洗5min，除掉試樣上遺留的堿液，以免影響下面的操作。

1.2.6 酸洗

將水洗后試樣放入0.1%H2SO4中，28℃下酸洗5min。目的是中和掉試樣上殘留的NaOH 溶液，提高纖維的柔軟度、松散度以及白度。

1.2.7 水洗

將酸洗后的纖維放入超聲波用蒸餾水清洗5min，除掉試樣上遺留的H2SO4溶液。

1.2.8 烘干

將水洗后的纖維放入烘干箱中60℃下烘干。通過(guò)上述工藝制備的香蕉莖纖維如下圖1所示，待檢測(cè)。

圖1 香蕉莖稈脫膠纖維

1.3 纖維測(cè)試

1.3.1 纖維外觀形態(tài)

用 Y172 型纖維切片器(哈氏切片器)、電子顯微鏡、JSM-5600LV掃描電鏡(SEM)對(duì)纖維進(jìn)行切片觀察。

1.3.2 纖維細(xì)度測(cè)試

按照GB/T 6100-2007《棉纖維線密度試驗(yàn)方法中段稱重法》，采用Y171 型纖維切斷器將纖維切成10mm、電子天平稱取0.01mg，制片后放在顯微鏡下計(jì)數(shù)。

1.3.3 吸濕性能測(cè)試

按照GB/T6503—2008《化學(xué)纖維回潮率試驗(yàn)方法》，采用 FA2004B 電子天平、Y802A型八籃恒溫干燥箱，在溫度22℃，濕度69%下，分3組測(cè)試?yán)w維干濕重。

1.3.4 力學(xué)性能測(cè)試

利用 LLY-06E 型單纖維強(qiáng)力儀，參照 GB/T9997《化學(xué)纖維單纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》和GB/T14337《化學(xué)纖維短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試?yán)w維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、初始模量和斷裂功。

1.3.5 熱學(xué)性能測(cè)試

利用HTG-1型熱失重分析儀，通過(guò)熱分析技術(shù)對(duì)香蕉莖纖維進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維表觀形態(tài)

下頁(yè)圖2、圖3是香蕉莖纖維在不同放大倍數(shù)下觀察到的縱橫相形態(tài)。

圖2(a) 香蕉莖纖維截面(1000倍)

圖2(b) 香蕉莖纖維截面(4000倍)

圖3(a) 香蕉莖纖維縱向形態(tài)圖(4000倍)

圖3(b) 香蕉莖纖維縱向掃描電鏡照片

如圖2所示，香蕉莖纖維的橫截面多為腰圓形，部分存在中腔，部分表現(xiàn)出實(shí)心腰圓形。其中大部分香蕉莖纖維的細(xì)胞壁與中腔之間存在裂紋，此與麻纖維的斷面形狀相似。另一小部分細(xì)胞壁與中腔之間不存在裂紋的香蕉莖纖維與棉纖維斷面形狀相似。由圖3所示，大部分的香蕉莖纖維具有不同的粗細(xì)程度，在縱向上存在橫節(jié)和不同長(zhǎng)度的豎紋，并且沿縱向上部分纖維表現(xiàn)出自然卷曲。根據(jù)香蕉莖纖維的縱向特征又進(jìn)一步證明香蕉莖纖維與麻纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)極為相似。

2.2 纖維細(xì)度

細(xì)度是指纖維的粗細(xì)程度，是纖維力學(xué)性能的重要指標(biāo)。表3是測(cè)得的香蕉莖纖維的細(xì)度。

表3 香蕉莖纖維細(xì)度的測(cè)試

如表3所示，通過(guò)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得到纖維細(xì)度平均值為10.4tex。數(shù)據(jù)表明，該香蕉莖纖維的粗細(xì)程度相差較大，又因其在縱向上的細(xì)度也不一相同，所以，不同根的香蕉莖纖維的細(xì)度不均勻，同根纖維的縱向細(xì)度也不均勻，且差異較大?？傮w來(lái)說(shuō)，香蕉莖纖維的細(xì)度較大且粗硬。

2.3 吸濕性能

纖維吸濕性的主要表征指標(biāo)是回潮率、含水率。測(cè)得香蕉莖纖維的回潮率和含水率如表4所示：

表4 香蕉莖纖維回潮率、含水率測(cè)試結(jié)果

由表4中的數(shù)據(jù)可知，香蕉莖纖維吸濕性較好，含水量較高，染色性較好。這是因?yàn)橄憬肚o纖維中富含具有大量親水性羥基的纖維素，較易進(jìn)入水分子的非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，以及脫膠后使得纖維中間存在大量孔洞，使香蕉莖纖維具有很好的吸濕性。

2.4 力學(xué)性能

纖維的綜合品質(zhì)主要體現(xiàn)在力學(xué)性能上，檢測(cè)纖維的力學(xué)性能主要指標(biāo)是拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、初始模量等。下頁(yè)圖5是測(cè)得的強(qiáng)力伸長(zhǎng)曲線圖，下頁(yè)表4是測(cè)得的力學(xué)性能結(jié)果。

圖4 香蕉莖纖維強(qiáng)力伸長(zhǎng)曲線圖

拉伸強(qiáng)度(cN/dtex)初始模量(cN/dtex)斷裂伸長(zhǎng)率(%)斷裂功(mJ)2.1990.12512.9042.102

如圖4、表5所示，拉伸初期的香蕉莖纖維的伸長(zhǎng)變化較快，是因?yàn)樵诖穗A段主要是纖維表面膠體等物質(zhì)發(fā)生斷裂，而后曲線斜率開(kāi)始增大，單根纖維開(kāi)始受力，在此階段主要是因?yàn)榉肿渔滄I長(zhǎng)和鍵角發(fā)生改變，當(dāng)纖維伸長(zhǎng)約0.8mm時(shí)，大多數(shù)的纖維開(kāi)始進(jìn)入屈服區(qū)，這一階段纖維的非晶區(qū)中的一些橫向鏈接鍵因經(jīng)大變形而不能承受施加在它們上的力，發(fā)生鍵斷裂，卷曲分子鏈在纖維中拉伸，分子鏈之間的應(yīng)力重新分布，其他橫向鍵繼續(xù)承受力的拉伸而發(fā)生鍵斷裂，分子鏈進(jìn)一步延伸。在這個(gè)階段中纖維的形變與應(yīng)力的比值變大。當(dāng)纖維伸長(zhǎng)為1.5mm時(shí)，由于斷裂時(shí)間不同，此時(shí)大部分纖維開(kāi)始發(fā)生斷裂，導(dǎo)致曲線呈現(xiàn)圖4所示的趨勢(shì)。

2.5 熱學(xué)性能

香蕉莖纖維的熱學(xué)性能通過(guò)熱分析技術(shù)測(cè)量，得到香蕉莖纖維的TG 曲線，如圖5所示。

圖5 香蕉莖纖維的TG曲線圖

從圖5中可以看出，香蕉莖纖維的熱濕重過(guò)程與纖維素的相似：25℃～240℃為脫水階段，纖維中的水分子蒸發(fā)； 240℃～ 400℃為熱分解階段，纖維中的C-O、C-C鍵斷裂，并產(chǎn)生H2O、CO、CO2等小分子化合物。但香蕉莖纖維的組成中還含有大量木質(zhì)素、半纖維素和其他成分，因此熱失重曲線并不完全同于纖維素纖維。由于香蕉莖纖維的含水率較大，所以在100℃之前主要是水分子的蒸發(fā)導(dǎo)致的熱損失，然后逐漸變緩；當(dāng)溫度超過(guò)250℃時(shí)，香蕉莖纖維的失重速率急劇加快，此時(shí)纖維開(kāi)始熱分解，伴隨著新的產(chǎn)物和低分子量揮發(fā)性化合物的產(chǎn)生，香蕉莖纖維的重量急劇損失高達(dá)69.33%；溫度達(dá)到385℃后，熱分解過(guò)程結(jié)束，隨后香蕉莖纖維的內(nèi)部殘余部分會(huì)隨著溫度的升高而產(chǎn)生芳香環(huán)，并逐漸形成石墨結(jié)構(gòu)，此過(guò)程重量發(fā)生微量變化；400℃后纖維的殘重率開(kāi)始穩(wěn)定在23.34%。

3 結(jié)論

(1)香蕉莖纖維的橫截面多為腰圓形，部分呈實(shí)心腰圓形，細(xì)胞壁與中腔之間存在裂紋，縱向上存在橫節(jié)和不同長(zhǎng)度的豎紋，部分纖維在縱向上表現(xiàn)出自然卷曲。

(2)香蕉莖纖維細(xì)度為 10.4tex，比較粗硬，回潮率為9.889%，吸濕性好，易染色，拉伸斷裂強(qiáng)度為 2.199cN/dtex，強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)小、初始模量高等特性。香蕉莖纖維的熱分解溫度為250℃，400℃后形成石墨結(jié)構(gòu)，殘重率穩(wěn)定在23.34%。