離子液體在羅布麻化學(xué)脫膠中的應(yīng)用

楊 鋒 銳，　馬 英 沖，　趙 玉 萍，　劉 禹 霖

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連　116034；2.大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連　116034 )

離子液體在羅布麻化學(xué)脫膠中的應(yīng)用

楊 鋒 銳1，馬 英 沖2，趙 玉 萍1，劉 禹 霖2

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連116034；2.大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連116034 )

摘要:為減少傳統(tǒng)化學(xué)脫膠所造成的環(huán)境污染，采用1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽離子液體水溶液對(duì)羅布麻進(jìn)行處理，再用堿煮法對(duì)羅布麻進(jìn)行脫膠，對(duì)脫膠所得纖維的殘膠率和物理性能進(jìn)行測(cè)定，并用紅外光譜儀和掃描電鏡對(duì)不同脫膠處理所得纖維的化學(xué)成分和表面形態(tài)進(jìn)行分析。離子液體處理最優(yōu)工藝條件：1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，處理時(shí)間6 h，溫度130 ℃，浴比1∶20；堿煮條件：NaOH質(zhì)量濃度10 g/L，Na3P3O10質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，處理溫度95 ℃，時(shí)間2 h，浴比1∶20。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用離子液體對(duì)羅布麻進(jìn)行處理并用堿煮法對(duì)羅布麻脫膠，可明顯降低脫膠過程中堿的用量，且脫膠處理所得纖維殘膠率低，可紡性好。

關(guān)鍵詞:羅布麻；離子液體；脫膠；纖維

0引言

羅布麻俗稱奶子草、野麻，是中國(guó)特產(chǎn)的一種野生植物，主要分布于新疆、青海地區(qū)，產(chǎn)量相當(dāng)可觀。羅布麻纖維屬于韌皮纖維，由于脫膠后的纖維具有絲的光澤、麻的挺括、棉的柔軟，并且具有醫(yī)療保健作用，被紡織部門譽(yù)為“野生纖維之冠”[1]。從20世紀(jì)50年代開始，國(guó)內(nèi)對(duì)其資源的調(diào)查研究時(shí)有問及，但由于缺乏制麻、脫膠等加工方面的先進(jìn)技術(shù)，不能直接提供工業(yè)生產(chǎn)所需的批量原料，使得大量的纖維資源沒有得到真正的開發(fā)利用。近年來隨著人們對(duì)綠色環(huán)保健康紡織品認(rèn)識(shí)的提高，麻紡織產(chǎn)品需求量不斷增大，提高羅布麻纖維在紡織生產(chǎn)中的應(yīng)用、羅布麻綠色脫膠也成為人們關(guān)注的課題[2-3]。

脫膠是韌皮纖維利用的基礎(chǔ)，不同的脫膠方法對(duì)脫膠后纖維的可紡性有重要影響，對(duì)環(huán)境造成的污染程度也不同。目前，工業(yè)上普遍使用的脫膠方法為化學(xué)脫膠，但化學(xué)脫膠法，無論是在脫膠預(yù)處理階段，還是在堿煮工藝中，均需使用大量的酸、堿等化學(xué)試劑，因此容易造成較嚴(yán)重的環(huán)境污染[4]。為了克服現(xiàn)有技術(shù)中單一化學(xué)脫膠對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，并提高纖維脫膠效果，課題組研究了采用綠色可回收離子液體(IL)對(duì)羅布麻處理，再采用堿煮法對(duì)羅布麻進(jìn)行了脫膠處理。

目前，能夠溶解纖維素的離子液體有40多種，已經(jīng)證實(shí)對(duì)纖維素的溶解比較有效的有咪唑類、吡啶類和三乙基季銨離子等，陰離子有甲酸、乙酸、鹵素和磺酸等，其中氯離子、甲酸鹽和乙酸鹽等溶解纖維素效果比較好。本課題使用離子液體對(duì)半纖維素和木質(zhì)素進(jìn)行溶解，陽離子使用咪唑類陽離子，陰離子使用乙酸離子。乙酸類的離子液體對(duì)木質(zhì)纖維素材料的處理結(jié)果得到很多實(shí)驗(yàn)的肯定，如在處理小黑麥稈、水稻麥稈和甘蔗渣中木質(zhì)素含量明顯下降[5-6]。本文探討了離子液體-化學(xué)聯(lián)合工藝對(duì)羅布麻纖維脫膠效果的影響，并用傅里葉紅外光譜儀和掃描電鏡分析了離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠前后羅布麻纖維化學(xué)成分和表面形態(tài)的變化。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料和試劑

纖維材料：羅布麻原麻，產(chǎn)自青海省柴達(dá)木盆地，將羅布麻剪成5cm左右用于實(shí)驗(yàn)。

主要化學(xué)試劑：1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽；苯、無水乙醇、草酸銨、多聚磷酸鈉、氫氧化鈉和硫酸，分析純。

1.2主要儀器設(shè)備

ZDHW型調(diào)溫電熱套，SZCL-4B型智能磁力加熱攪拌器，SHB-l型循環(huán)水式多用真空泵，DL-101-1 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，YG001A型單纖維強(qiáng)力儀，SpectrumOne-B型傅里葉紅外光譜儀，JSM-5610LV掃描電鏡。

1.3實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1離子液體預(yù)處理工藝及條件

試樣→預(yù)酸處理(1g/LH2SO4，50 ℃，2h)→水洗→離子液體處理(1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽 80%，處理時(shí)間6h，溫度130 ℃，浴比1∶20)→水洗→烘干。

1.3.2傳統(tǒng)化學(xué)脫膠工藝及條件

試樣→預(yù)酸處理(同“1.3.1”)→水洗→一煮(NaOH8g/L，Na3P3O102.5%，溫度95 ℃，時(shí)間1.5h，浴比1∶20)→水洗→二煮(NaOH12g/L，Na3P3O102%，溫度95 ℃，時(shí)間2.5h， 浴比1∶20)→水洗→烘干。

1.3.3離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝及參數(shù)

試樣→預(yù)酸處理(同“1.3.1”)→水洗→離子液體處理(1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽 80%，處理時(shí)間6h，溫度130 ℃，浴比1∶20)→水洗—堿煮(NaOH10g/L，Na3P3O102%，溫度95 ℃，時(shí)間2h，浴比1∶20)→水洗→烘干。

1.4測(cè)試與評(píng)價(jià)

1.4.1羅布麻纖維化學(xué)成分和殘膠率

參照GB5889—1986苧麻化學(xué)成分分析方法，對(duì)羅布麻原麻化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定。

將經(jīng)過脫膠處理后的羅布麻纖維放入150mL20g/L的NaOH溶液中煮沸3h，計(jì)算纖維殘膠率。

w=(m1-m0)/m1×100%

式中：w為試樣的殘膠率，%；m0為提取殘膠后的試樣干重，g；m1為試樣的干重，g。

1.4.2纖維表面形態(tài)

利用掃描電鏡，對(duì)不同脫膠方法所得羅布麻纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1.4.3紅外光譜測(cè)試

采用SpectrumOne-B型傅里葉紅外光譜儀，對(duì)不同脫膠方法所得羅布麻纖維進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)。

1.4.4羅布麻纖維物理性能

采用YG001A型單纖維強(qiáng)力儀對(duì)脫膠后羅布纖維強(qiáng)力進(jìn)行測(cè)試；采用中段切斷稱重法測(cè)得纖維細(xì)度；利用直尺在黑絨板上對(duì)脫膠后麻纖維長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)指標(biāo)均進(jìn)行30次測(cè)試，取其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2結(jié)果與討論

2.1羅布麻化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)所用羅布麻原麻纖維及常見麻纖維(苧麻、亞麻和大麻)[7-8]化學(xué)成分見表1。從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)所使用的羅布麻纖維膠質(zhì)含量很高，且含有較多的木質(zhì)素和半纖維素。一般麻纖維脫膠過程中，希望纖維素伴生物中果膠、木質(zhì)素和半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低越好，而羅布麻原麻的果膠、木質(zhì)素和半纖維素值都較高，因此加大了羅布麻脫膠的難度[9-10]。由于羅布麻的單纖維長(zhǎng)度較短，因此羅布麻在紡紗過程中使用的是工藝?yán)w維，這就要求在整個(gè)羅布麻脫膠過程中，需要保證纖維具有一定的果膠含量，達(dá)到半脫膠效果。

表1羅布麻原麻及其他常用麻纖維化學(xué)組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.1　　　　Component contents of apocynum venetum

2.2羅布麻纖維脫膠工藝

分別對(duì)羅布麻原麻進(jìn)行脫膠處理，測(cè)試脫膠處理后纖維的殘膠率，結(jié)果見表2。從表2可以看出，離子液體處理所得麻纖維的殘膠率最高。與傳統(tǒng)化學(xué)脫膠相比，離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠方法所得纖維的殘膠率最低，更加符合紡織生產(chǎn)的要求。離子液體對(duì)原麻進(jìn)行處理，是利用離子液體的強(qiáng)極性，破壞原麻中膠質(zhì)之間的氫鍵來達(dá)到溶解膠質(zhì)的目的，但是膠質(zhì)之間還存在少量的脂鍵、醚鍵和C—C鍵，正是這部分鍵的存在，導(dǎo)致羅布麻離子液體處理后所得纖維的殘膠較高。化學(xué)脫膠是利用纖維素和膠質(zhì)對(duì)酸堿穩(wěn)定性的不同來進(jìn)行脫膠，而且其脫膠效果可以達(dá)到紡織生產(chǎn)要求，但是堿煮過程中堿的用量較大，會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染。離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，脫膠效果穩(wěn)定，并且優(yōu)于化學(xué)脫膠，同時(shí)堿的使用量還明顯減少，有利于環(huán)境保護(hù)。

表2　羅布麻精干麻殘膠率的測(cè)試結(jié)果

2.3纖維表面形態(tài)比較

圖1為不同處理方法所得羅布麻纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片。由圖1(a)可以看出，羅布麻原麻纖維表面非常粗糙，有大量的膠質(zhì)覆蓋，這些膠質(zhì)的存在，對(duì)羅布麻本身起到一個(gè)保護(hù)的作用。從圖1(b)、(c)和(d)可以看出，離子液體處理、傳統(tǒng)化學(xué)脫膠和離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠等方法，都有十分明顯的脫膠效果，羅布麻纖維表面都變得十分的光滑，能大幅度地去除原麻纖維表面的膠質(zhì)。3種脫膠方法所得羅布麻纖維在纖維表面無明顯的區(qū)別，但是傳統(tǒng)化學(xué)脫膠和離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠相比，聯(lián)合脫膠中堿的用量明顯減少，而且堿煮時(shí)間也大大地縮短，因此離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠要優(yōu)于化學(xué)脫膠，且對(duì)環(huán)境的污染小。

圖1纖維外觀形態(tài)結(jié)構(gòu)比較(500×)

Fig.1Comparisonoffiberstructureandmorphology

(500×)

圖2　羅布麻纖維的紅外光譜

2.4紅外光譜分析

圖2為羅布麻原麻和3種不同處理方法所得麻纖維的紅外光譜圖。從圖2可以看出，3種不同處理方法所得麻纖維的紅外光譜圖幾乎完全相同，3 338和1 643cm-1分別為O—H的伸縮振動(dòng)峰和彎曲振動(dòng)峰，2 900和1 425cm-1分別為C—H的伸縮振動(dòng)峰和彎曲振動(dòng)峰，1 030cm-1為C—O—C的伸縮振動(dòng)峰。這些特征峰都是纖維素的特征，3種處理方法所得麻纖維主體都是纖維素。原麻中1 727.7cm-1為半纖維的特征峰[11]，該特征峰在b、c和d中都幾乎消失，表明大量的半纖維在經(jīng)過3種方法處理后基本去除。1 618.7和1 535.8cm-1為木質(zhì)素芳環(huán)振動(dòng)吸收峰，1 535.8cm-1在b、c和d中幾乎消失，1 618.7cm-1處吸收峰在b中有小幅度的降低，在c和d中有較大幅度的降低，說明木質(zhì)素在經(jīng)過3種方法處理后部分去除。因此，離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠對(duì)膠質(zhì)有著很強(qiáng)的脫除效果。

2.5纖維物理性能測(cè)試與分析

表3為采用不同處理方法所得羅布麻纖維的物理性能檢測(cè)結(jié)果。從表3可知，離子液體脫膠后羅布麻纖維強(qiáng)力最高，但是該種方法所得麻纖維較粗，且含有較多膠質(zhì)，與實(shí)際生產(chǎn)還有較大差距。離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠比傳統(tǒng)化學(xué)脫膠所得纖維細(xì)，且強(qiáng)度高12.8%。纖維強(qiáng)力提高的原因可能是，在離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠中，堿煮過程中使用的堿量較少，堿煮時(shí)間較短，堿對(duì)羅布麻纖維的破壞較小，故使其強(qiáng)力比傳統(tǒng)化學(xué)脫膠提高。3種不同處理方法所得麻纖維的細(xì)度相差不大，但是離子液體處理和離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠所得纖維的長(zhǎng)度比化學(xué)脫膠所得纖維的長(zhǎng)度要長(zhǎng)。這是由于在化學(xué)脫膠過程中，大量的酸堿作用，容易造成其纖維素的破壞，導(dǎo)致其纖維長(zhǎng)度變短，強(qiáng)力較低。

表3　羅布麻纖維物理性能比較

3結(jié)論

(1)根據(jù)麻纖維的化學(xué)成分，選擇合適的離子液體，用于羅布麻纖維脫膠處理，方法可行。

(2)離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠所得羅布麻纖維的長(zhǎng)度、細(xì)度和強(qiáng)度都優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)脫膠，纖維可紡性好，且該脫膠方法在一定程度上可減少堿的用量，對(duì)環(huán)境保護(hù)有積極意義。

(3)羅布麻離子液體-化學(xué)聯(lián)合脫膠的最優(yōu)工藝條件如下。離子液體處理?xiàng)l件：1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，處理時(shí)間6h，溫度130 ℃，浴比1∶20；堿煮條件：NaOH用量10g/L，Na3P3O10用量2%，處理溫度95 ℃，時(shí)間2h,浴比1∶20。

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Applicationofionicliquidinchemicaldegummingofapocynumvenetum

YANGFengrui1,MAYingchong2,ZHAOYuping1,LIUYulin2

( 1.SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China；2.SchoolofLightIndustryandChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

Abstract:To reduce the environmental pollution caused by chemical degumming, 1-butyl-3-methyl imidazole acetate was used to treat the apocynum venetum fiber followed by alkalic degummed. The residual gum content and physical property were measured and the apocynum venetum fibers before and after degumming were characterized by scanning electron micrographs and fourier transform infrared spectroscopy. The optimally degumming for apocynum venetum fiber should be carried out at 80% ionic liquid with, liquor ratio of 1∶20, 90 ℃ for 4 h, and then in the alkalic solution containing 10 g/L NaOH , 2% Na3P3O10, with liquor ratio of 1∶20 at 95 ℃ for 2 h. The result suggested that the alkali content could be reduced and the residual gum content was lowed and the fiber had good spinnability when pretreatment with ionic liquid was used.

Key words:apocynum venetum; ionic liquid; degumming; fiber

收稿日期:2015-06-02.

作者簡(jiǎn)介:楊鋒銳(1990-)，男，碩士研究生；通信作者，趙玉萍(1963-)，女，教授.

中圖分類號(hào):TS123

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1674-1404(2016)03-0221-05