幾種常見韌皮纖維脫膠工藝研究現(xiàn)狀

楊 旭

（江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201）

我國擁有較為廣闊的韌皮作物種植面積，據(jù)統(tǒng)計(jì)2014年僅棉花的實(shí)際種植面積就高達(dá)到422萬hm2，韌皮纖維資源來源豐富。目前我國對(duì)韌皮纖維的利用還較低，利用的種類也大多集中在幾種麻類作物上，且主要是對(duì)韌皮纖維的初級(jí)加工，韌皮纖維的很多種類還沒有完全進(jìn)入服飾纖維的行列，而其他大多韌皮纖維的利用主要是作為焚燒材料，比如棉稈，給環(huán)境造成污染的同時(shí)也造成了巨大的資源浪費(fèi)。如何提高韌皮纖維的利用率已經(jīng)成為當(dāng)今世界的一個(gè)熱點(diǎn)話題。韌皮纖維利用的難度主要在于脫膠，本文通過闡述韌皮纖維的生物脫膠、化學(xué)脫膠、蒸汽閃爆法脫膠等工藝的研究現(xiàn)狀并通過對(duì)各種工藝制得的韌皮纖維性能的表征對(duì)比介紹，為實(shí)際生產(chǎn)中高效、清潔的對(duì)韌皮纖維進(jìn)行脫膠及新型韌皮纖維的開發(fā)利用提供一定的參考依據(jù)。

1 韌皮纖維成分

韌皮作物的皮層包括表皮層與韌皮部，表皮層主要由一層破壁細(xì)胞組成，外附有少量的蠟質(zhì)和角質(zhì)層，其中纖維素含量較低，利用價(jià)值較小，而韌皮部的韌皮纖維纖維素含量豐富，是韌皮纖維開發(fā)利用的主要來源。表1列舉了幾種常見韌皮纖維的成分含量［1］，從表1可以明顯看出，韌皮纖維中纖維素含量均較高，即使含量較低的棉稈韌皮纖維中纖維素含量也達(dá)到了23.65%，具有很高的開發(fā)利用價(jià)值，達(dá)到了服用纖維開發(fā)利用的行列范疇。

2 脫膠工藝

2.1 生物脫膠

生物脫膠工藝范疇包括微生物浸漬和生物酶作用法。生物浸漬進(jìn)行脫膠由來已久，古時(shí)就有通過將麻類作物放置在河水中，在自然狀態(tài)下經(jīng)過生物浸漬處理對(duì)麻類作物進(jìn)行脫膠。該方法的主要作用機(jī)理是通過在生物浸漬過程中，微生物通過產(chǎn)生生物酶對(duì)麻類作物的膠質(zhì)及半纖維素進(jìn)行降解，因此生物浸漬的機(jī)理就是利用生物酶的降解作用，因此該法對(duì)酶處理的環(huán)境要求較高。東華大學(xué)的鄭來久、劉劍宇［2］通過以下工藝：漚麻廢水或土壤→稀釋法分離培養(yǎng)→初篩→出發(fā)菌→脫膠試驗(yàn)→分析檢測(cè)→目的菌，分離出了活性較高、脫膠能力較強(qiáng)、適合規(guī)模化生產(chǎn)的脫膠菌DQ1，并從物質(zhì)代謝與能量代謝的角度分析研究DQ1脫膠菌脫膠的最佳條件為溫度35～37℃，pH值4～10，浴比1：20。

脫膠菌對(duì)韌皮纖維的膠質(zhì)及半纖維等成分的作用主要是通過菌類產(chǎn)生的酶進(jìn)行降解。酶在作用韌皮作物的同時(shí)會(huì)對(duì)菌類生活環(huán)境產(chǎn)生反作用，進(jìn)而影響脫膠效率。廣西大學(xué)的龐宗文等［3］通過分析測(cè)試脫膠菌數(shù)量、脫膠液成分變化及脫膠酶的活性，研究微生物對(duì)桑皮韌皮的脫膠能力。研究表明微生物的脫膠前期，脫膠菌的數(shù)量增加較快，隨著時(shí)間增加脫膠菌的數(shù)量增加速率降低，后期有下降趨勢(shì)。而各種脫膠酶（包括木聚糖酶、果膠酶等，除纖維素酶）的活性在60h之前呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，60h后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而纖維素酶在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并保持較高的活性。研究成果表明韌皮纖維的微生物脫膠過程中主要發(fā)生在脫膠前期。

蘭州理工大學(xué)蔣少軍等［4］利用纖維素果膠酶對(duì)大麻韌皮進(jìn)行脫膠實(shí)驗(yàn)，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，分析果膠酶脫膠后韌皮纖維各組分含量的變化，提出了纖維素果膠酶對(duì)大麻韌皮最優(yōu)的脫膠工藝為溫度50℃、pH值4.5、纖維素果膠酶濃度5g／L、酶處理時(shí)間2 h。中原工學(xué)院的朱正鋒、李飛等人［5］利用301L復(fù)合生物酶對(duì)棉稈韌皮進(jìn)行脫膠實(shí)驗(yàn)，提出了復(fù)合酶對(duì)棉稈韌皮最優(yōu)的脫膠工藝為溫度50℃，pH值4.0，酶濃度5g／L，處理時(shí)間為96h，并通過酶脫膠處理→稀堿處理→弱酸處理的工藝流程，制得細(xì)度3.35～3.65 tex、長(zhǎng)度為84.5mm的工藝?yán)w維，使得棉稈韌皮纖維酶脫膠的產(chǎn)業(yè)化更往前一步，但也看到所制得的工藝?yán)w維依然很粗，有待于進(jìn)一步處理，這也說明復(fù)合酶的種類及活性高低對(duì)脫膠效果的高低有很大影響。

表1 韌皮纖維的成分含量單位：%

大連工業(yè)大學(xué)張曉岑，魏春艷等［6］利用半纖維素酶與果膠酶復(fù)配的方法在溫度54℃，酶濃度1.98%，脫膠時(shí)間15h的條件下，制得了主體長(zhǎng)度為70～130 mm，細(xì)度3.46tex，斷裂強(qiáng)度為50.8cN／tex的棉稈韌皮纖維，該項(xiàng)工藝所制得的棉稈韌皮纖維已經(jīng)達(dá)到了紡織纖維加工的要求，使得除麻類之外的韌皮纖維的研究更進(jìn)一步，也為新韌皮纖維的脫膠工藝開辟了一條新的實(shí)驗(yàn)道路。

2.2 化學(xué)脫膠

目前，化學(xué)脫膠是最直接最有效的對(duì)韌皮纖維的脫膠方法，主要是利用強(qiáng)酸強(qiáng)堿對(duì)韌皮纖維進(jìn)行處理，在強(qiáng)酸強(qiáng)堿作用下使得韌皮纖維的果膠、木質(zhì)素等進(jìn)行分解。該脫膠方法雖然具有較好的脫膠效果，但會(huì)在脫膠過程中產(chǎn)生大量的廢水，造成環(huán)境污染。中原工學(xué)院朱正鋒、董新蕾等［7］采用棉稈皮→預(yù)處理→水洗→一煮→水洗→堿氧浴→打纖→水洗→酸洗→水洗→烘干脫膠工藝，利用正交實(shí)驗(yàn)提出了在H2O2濃度9.5g／L，NaOH 濃度13.5g／L，煮煉時(shí)間110min條件下制得細(xì)度1.86tex、斷裂強(qiáng)度22.39cN／tex的棉稈韌皮纖維，并將棉稈韌皮纖維中的木質(zhì)素含量降到7.47%，使得在較低化學(xué)試劑使用量的條件下，盡可能提高脫膠效果，不僅降低了成本，也保護(hù)了環(huán)境。

盛冠忠、李龍等［8］通過采用化學(xué)脫膠的方法制得工藝?yán)w維細(xì)度為2.7～3.44tex，長(zhǎng)度為5～35cm，斷裂強(qiáng)力達(dá)到了24.91cN／tex，斷裂伸長(zhǎng)率為7.53%，僅次于麻類纖維，同時(shí)還通過掃描電鏡觀察所制得的棉稈韌皮纖維表面，發(fā)現(xiàn)纖維表面有明顯的溝槽，也驗(yàn)證了棉稈韌皮纖維具有較好的表面摩擦性能及吸濕、導(dǎo)汗性能。他們還利用X衍射儀，利用peakfit軟件對(duì)棉稈韌皮纖維X衍射所測(cè)數(shù)據(jù)繪制成的曲線進(jìn)行分峰，計(jì)算得棉稈韌皮纖維結(jié)晶度高達(dá)51.16%，僅次于棉的59.58%，同時(shí)101、101-、002結(jié)晶面的晶粒尺寸分別為3.059nm、3.365nm、3.296nm，可知棉稈韌皮纖維的晶粒尺寸較小，染色較為容易，且色譜齊全，屬于較為理想的服飾纖維。

大連輕工業(yè)學(xué)院牛書野、姜鳳琴等人［9］，通過工藝流程：漢麻原莖→扎把→堿液煮（90℃）→水洗→晾曬→皮稈分離→打成麻／二粗。高壓堿煮，配合脫膠助劑的使用測(cè)試對(duì)漢麻的脫膠效果。研究表明，在脫膠助劑為5.25g／L、NaOH 為14.05g／L工藝條件下制得的漢麻纖維纖維素含量較高，木質(zhì)素與果膠殘留量較低，制得的纖維整齊度較好，達(dá)到了紡紗的要求。

2.3 蒸汽閃爆法脫膠

蒸汽閃爆法脫膠是利用水蒸汽在高溫高壓條件下所產(chǎn)生的巨大能量，對(duì)韌皮纖維進(jìn)行處理。通過所產(chǎn)生的能量對(duì)木質(zhì)素與果膠間分子作用力的破壞，達(dá)到脫膠的目的。目前蒸汽閃爆法在功能性材料、制漿等較多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

蒸汽閃爆法脫膠不會(huì)對(duì)環(huán)境生產(chǎn)任何污染物，屬于清潔的脫膠工藝，隨著高壓設(shè)備的不斷改進(jìn)，越來越先進(jìn)的高壓設(shè)備被應(yīng)用到韌皮纖維的脫膠研究中。江南理工大學(xué)孫芳芳等［10］通過在不同蒸汽壓力下測(cè)試所制得的棉稈韌皮纖維分子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、吸濕、熱性能等特性，選擇最適宜棉稈韌皮纖維脫膠所需要的蒸汽壓力。研究表明，蒸汽閃爆法脫膠并沒有改變棉稈韌皮纖維纖維素Ⅰ的晶型結(jié)構(gòu)，棉稈韌皮纖維中的纖維素含量隨著蒸汽壓力的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)蒸汽壓力超過2.5MPa時(shí)，纖維素的含量趨于穩(wěn)定。經(jīng)過優(yōu)化各道脫膠工藝得出，在蒸汽壓力2.5MPa，處理時(shí)間2min時(shí)所制得的棉稈韌皮纖維的纖維素含量較高，達(dá)到了72%，結(jié)晶指數(shù)68，同時(shí)纖維的細(xì)度45dtex、長(zhǎng)度48mm，拉伸斷裂強(qiáng)度2.4cN／dtex，具有較高的服用性能指標(biāo)。

孫芳芳等利用蒸汽閃爆法與堿處理相結(jié)合的方法，得出聯(lián)合處理的最優(yōu)脫膠工藝。在蒸汽壓力2.0 MPa，NaOH濃度6g／L、處理時(shí)間為2min的條件下，制得棉稈韌皮纖維的細(xì)度29dtex，長(zhǎng)度53mm，斷裂強(qiáng)度2.6cN／dtex，進(jìn)一步改善了棉稈韌皮纖維的性能。

青島大學(xué)袁本振等［11］利用Borda數(shù)學(xué)模糊決策方法對(duì)蒸汽閃爆粗蓮纖維的脫膠預(yù)處理?xiàng)l件、蒸汽壓力、處理次數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并利用制得的纖維的力學(xué)性能、分子結(jié)構(gòu)、微觀形貌圖片，驗(yàn)證所得的最優(yōu)脫膠工藝。結(jié)論為用5%的NaOH溶液預(yù)處理24h后，溫度為90℃，處理時(shí)間160 s，蒸汽壓力1.5MPa。通過實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)蒸汽處理次數(shù)超過3次時(shí)，纖維的力學(xué)性能下降，因此對(duì)粗蓮纖維制取的蒸汽次數(shù)以3次最優(yōu)，為開發(fā)新型的韌皮纖維提供了很好的實(shí)驗(yàn)依據(jù)及經(jīng)驗(yàn)積累。

3 結(jié)語

韌皮纖維主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、水溶物等成分組成，本文列舉的幾種韌皮纖維中的纖維素含量較高，均有較高的開發(fā)利用價(jià)值。通過對(duì)常見的幾種韌皮纖維的成分含量及脫膠工藝的最優(yōu)化選擇，并通過對(duì)制得的韌皮纖維性能的表征對(duì)比分析，為實(shí)際生產(chǎn)中如何最大可能的提高脫膠效率，減少環(huán)境污染，提高韌皮纖維的脫膠率、減少資源浪費(fèi)提供一定的參考依據(jù)。

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