山麻桿韌皮纖維的提取及其性能研究

趙 磊 蔡莉莉 劉 華 楊 賀 祁 寧

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇鹽城，224005；2.江蘇悅達家紡有限公司，江蘇鹽城，224000；3.蘇州大學，江蘇蘇州，215123)

山麻桿又叫狗尾巴樹，桐花桿，它是大戟科目植物的一種，屬于山麻桿屬植物，其生存能力極強[1-2]。根據(jù)相關報道，山麻桿韌皮中所含的纖維素含量高達45%～50%，因此可以從山麻桿韌皮中提取一定量的纖維，其力學、吸濕等性能類似亞麻、黃麻等麻類纖維，可作為服裝、工農(nóng)業(yè)用繩索、非織造布等紡織品原料。此外，山麻桿在工業(yè)上也具有很大的價值，如山麻桿的種子可以通過高效榨取獲得籽油，山麻桿枝葉也具有一定的藥用價值，也有將其自然降解作為農(nóng)作物生長的養(yǎng)分。由此可見，山麻桿具有廣泛的用途和利用價值。目前，對山麻桿韌皮纖維的提取和性能研究基本沒有，本研究將采用化學脫膠法對山麻桿韌皮進行纖維的提取，優(yōu)化脫膠工藝，探討山麻桿韌皮纖維的可紡性指標，對開發(fā)利用山麻桿韌皮纖維的研究學者或企業(yè)提供一定的參考。

1 試樣部分

1.1 材料與設備

山麻桿韌皮取自于校園，經(jīng)機械預處理后如圖1所示；氫氧化鈉(分析純)，滄州群意化工有限公司；水玻璃(分析純)，上海子欽化工有限公司；磷酸鈉(分析純)，吳江市東昇精細化工有限公司；HH·S21-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州金壇精達儀器制造有限公司；SY71/QUINTIX224型電子天平，北京中西遠大科技有限公司；Y171型纖維切斷器，常州市中纖儀器有限公司；YG(B)026G型電子單纖維強力儀，大榮紡織儀器有限公司。

圖1 山麻桿韌皮

1.2 脫膠工藝路線

1.3 試驗方法

采用堿NaOH濃度、脫膠時間、浴比三個單因素進行脫膠處理，在單因素脫膠處理的基礎上，分別選擇三個脫膠效果較佳的水平，再進行脫膠處理的正交試驗，從而確定出最佳的脫膠工藝。

1.4 性能指標測試

脫膠后的山麻桿韌皮纖維按照GB/T 6100—2007《棉纖維線密度試驗方法中段稱重法》，采用中段切斷稱重法測量細度；參照GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》測試拉伸性能。

2 結果與討論

2.1 脫膠單因素分析

2.1.1 堿濃度

不同濃度的氫氧化鈉對韌皮纖維脫膠效果有一定的差異，在其他因素不變的情況下，評價NaOH濃度對山麻桿纖維三個可紡性指標(斷裂強度、斷裂強力和細度)的影響。浴比1∶30，溫度100 ℃，脫膠時間180 min。不同NaOH濃度下測得的山麻桿韌皮纖維可紡性指標測試結果如表1所示。

表1不同NaOH濃度下山麻桿韌皮纖維可紡性指標

NaOH濃度/g·L-1細度/dtex斷裂強力/cN斷裂強度/cN·dtex-125303540452.652.452.342.282.2671.6375.0379.8676.9775.1527.0330.6234.1333.7633.25

從表1可以發(fā)現(xiàn)，山麻桿韌皮纖維的細度隨著堿液濃度的上升出現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但在濃度較低時，細度下降非常明顯，當堿液濃度超過35 g/L時，細度下降趨向緩和；而山麻桿韌皮纖維的斷裂強度則隨著堿液濃度的上升出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在濃度較低時，斷裂強度提高很明顯，當堿液濃度超過35 g/L時，斷裂強度下降緩慢。可見，NaOH能有效去除山麻桿韌皮中所含的各種非纖維素物質，但并非是濃度越大越好。當濃度較低時，能有效去除半纖維素、果膠等物質，此時纖維素大分子鏈活動自由度提高，大分子鏈之間將會形成新的氫鍵，因此山麻桿韌皮纖維內部的結晶度將會提高，斷裂強度便會增大。但濃度過高后，一方面堿會對纖維素大分子產(chǎn)生腐蝕破壞，產(chǎn)生堿纖維素，纖維素大分子鏈之間的氫鍵結合力下降，從而使纖維的斷裂強度也會下降[7-8]。

2.1.2 浴比

浴比的變化對韌皮纖維脫膠效果也會產(chǎn)生一定的影響， NaOH濃度35 g/L，溫度100 ℃，時間180 min。不同浴比下測得的山麻桿韌皮纖維性能情況如表2所示。

表2不同浴比下山麻桿韌皮纖維可紡性指標

浴比細度/dtex斷裂強力/cN斷裂強度/cN·dtex-11∶101∶201∶301∶401∶502.782.522.342.282.2781.0082.5379.8680.3479.3829.1432.7534.1335.2434.97

從表2可以看出，隨著浴比的逐漸增大，山麻桿韌皮纖維的細度出現(xiàn)一直降低的變化趨勢，浴比從1∶10提高到1∶30時，細度降低較快，但浴比從1∶30提高到1∶50時，細度變化很小，而山麻桿韌皮纖維斷裂強度則先出現(xiàn)迅速提高、后緩慢下降的變化。它們的變化在一定程度上與山麻桿韌皮纖維與堿接觸的機會不一樣有關。當浴比小時，脫膠處理液中堿的含量就少，不能充分地將果膠、半纖維素等物質去除；當浴比繼續(xù)提高后，由于堿的含量都同時增加，因此不但脫膠效果好，果膠等物質能較快地溶于脫膠廢液中；但浴比增大到一定程度后，雖然堿的含量會提高，但由于堿在堿液中分離度也會變大，降低了堿與山麻桿韌皮接觸的機會，因此脫膠效果會變差。

2.1.3 脫膠時間

山麻桿韌皮質地較為緊密，在堿煮工序中，堿溶液浸透比較困難。因此，如果堿煮時間較短，脫膠效果不充分；但堿煮時間過長，山麻桿韌皮纖維的纖維素就會被破壞，從而引起纖維斷裂強度下降。另外一方面，脫膠后廢液中的果膠會重新黏附到纖維表層，因此需確定較適宜的脫膠時間。堿濃度35 g/L，浴比1∶40。不同脫膠時間下測得的山麻桿韌皮纖維可紡性指標如表3所示。

表3不同脫膠時間下山麻桿韌皮纖維可紡性指標

脫膠時間/min細度/dtex斷裂強力/cN斷裂強度/cN·dtex-11201802403003602.432.282.112.082.0883.2283.7678.3280.2078.6734.2536.7437.1238.5637.82

從表3可以看出，隨著脫膠時間的延長，山麻桿韌皮纖維的細度出現(xiàn)一直降低的變化趨勢，而山麻桿韌皮纖維的斷裂強度則出現(xiàn)增大后有所降低的現(xiàn)象，時間越長細度下降越不明顯，斷裂強度提高也不顯著。出現(xiàn)這些變化的原因在于：當時間在300 min以下時，時間越長，堿與山麻桿韌皮越能充分接觸并滲透，果膠、糖類物質水解也越徹底[9-10]；但當時間超過300 min以后，由于非纖維素物質絕大多數(shù)都已去除，因此山麻桿韌皮纖維細度將不會發(fā)生多大的變化，而由于堿與纖維素接觸的時間過長，纖維素大分子鏈會發(fā)生一定程度的損傷，山麻桿韌皮纖維的斷裂強度有所下降，況且時間越長，脫膠成本也越高。

2.2 正交試驗分析

在單因素試驗基礎上設計三因素三水平L9(33)正交試驗，正交試驗結果如表4所示。

表4L9(33)正交試驗結果

試驗序號NaOH濃度A/g·L-1浴比B脫膠時間C/min纖維細度/dtex纖維斷裂強度/cN·dtex-1123456789細度k1細度k2細度k3細度極差R斷裂強度k1斷裂強度k2斷裂強度k3斷裂強度極差R3535354040404545452.302.192.130.1735.0435.3830.814.571∶301∶401∶501∶301∶401∶501∶301∶401∶502.232.152.250.1032.8335.3233.072.491802403003001802402403001802.192.192.250.0634.9234.5531.763.162.34 2.21 2.36 2.23 2.10 2.25 2.11 2.15 2.14 35.2337.1232.7832.1738.5335.4331.0930.3231.01

從正交試驗分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于山麻桿韌皮纖維細度的影響，堿的濃度最大，脫膠時間最??；對于山麻桿韌皮纖維斷裂強度的影響，堿的濃度最大，浴比最小?？梢?，對細度和斷裂強度影響最大的都是堿液濃度，這是因為NaOH能有效地分離糖類、果膠等半纖維素物質與纖維素，纖維內部的結晶度提高，但NaOH濃度過高也會損傷纖維素[11-12]，所以從正交試驗的最佳工藝看出，NaOH濃度不是最高的。山麻桿韌皮纖維脫膠工藝：NaOH濃度40 g/L，浴比1∶40，脫膠時間180 min 時，脫膠效果最好，纖維細度2.10 dtex，斷裂強度38.53 cN/dtex。脫膠后山麻桿韌皮纖維的形態(tài)如圖2所示，顏色、手感均與黃麻等麻類纖維非常接近。

圖2 山麻桿韌皮纖維

3 結論

通過對山麻桿韌皮進行化學脫膠單因素分析可知，在堿濃度35 g/L，浴比為1∶40，脫膠時間300 min時，纖維細度達到2.08 dtex，斷裂強度達到38.56 cN/dtex。在化學脫膠單因素分析的基礎之上，對山麻桿韌皮采用正交試驗進行再次優(yōu)化分析。當NaOH濃度40 g/L，浴比1∶40，脫膠時間180 min時，脫膠效果最好，纖維細度2.10 dtex，斷裂強度38.53 cN/dtex，工藝符合節(jié)能減排的要求。脫膠后山麻桿韌皮纖維的顏色、手感等均與黃麻等麻類纖維非常接近。