濕法紡絲用玉米秸稈皮纖維漿粕的制備與研究

張小葉，何 斌，武世鋒，汪澤幸，華澤芳

(湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭411104)

中國(guó)作為秸稈大國(guó)之一，擁有十分豐厚的農(nóng)作物秸稈資源，但很多秸稈資源并沒(méi)有得到充分的利用，被隨意焚燒的現(xiàn)象會(huì)時(shí)常發(fā)生，對(duì)空氣也造成了污染，與這些年來(lái)十分重視的環(huán)保意識(shí)相悖[1]。由于黏膠纖維工業(yè)發(fā)展速度迅猛，木漿粕和棉漿粕的供給已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足黏膠纖維發(fā)展用料的需要。玉米秸稈漿粕的出現(xiàn)，給木漿粕和棉漿粕產(chǎn)量減輕了壓力，使我國(guó)漿粕短缺局面得到了一定改善，也豐富了纖維素纖維和化學(xué)纖維的種類(lèi)。

1 漿粕的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)的化纖漿粕主要從棉花、木材、甘蔗、芒草、蘆葦?shù)忍烊焕w維中制取，化纖漿粕的用處很多，主要用于生產(chǎn)黏膠短絲、黏膠長(zhǎng)絲、玻璃紙、過(guò)濾紙等。

我國(guó)的漿粕生產(chǎn)設(shè)備比較落后，生產(chǎn)過(guò)程粗糙，生產(chǎn)能力較低，生產(chǎn)環(huán)節(jié)過(guò)多，并且對(duì)環(huán)境造成一定的污染，環(huán)保壓力很大。國(guó)外的漿粕生產(chǎn)技術(shù)由傳統(tǒng)的設(shè)備、工藝過(guò)渡為向連續(xù)式生產(chǎn)(連續(xù)蒸煮、連續(xù)漂白、連續(xù)打漿等)，以及連續(xù)氧堿法蒸漂等新工藝，生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)始向高得漿率、高白度、高強(qiáng)度、低污染、低消耗、低塵埃的方向發(fā)展[2]。

2 傳統(tǒng)漿粕制備方法

漿粕的制備方法主要有化學(xué)法、機(jī)械法和半化學(xué)法等。

2.1 化學(xué)法

化學(xué)法是指運(yùn)用化學(xué)試劑把植物纖維原料中的木質(zhì)素、半纖維素、油脂和樹(shù)脂等物質(zhì)都破壞掉，而使纖維原材料里盡量多留下纖維素和少量的半纖維素的方法。一般工業(yè)生產(chǎn)中主要是使用硫酸鹽法和亞硫酸鹽法這2種化學(xué)制漿法。

2.2 機(jī)械法

機(jī)械法主要通過(guò)機(jī)械作用，把纖維原料變成漿粕。這種制漿方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)成本非常低，不需要使用化學(xué)試劑，并且制漿率很高;缺點(diǎn)是生產(chǎn)過(guò)程中內(nèi)部纖維受到較多的摩擦撕裂，制備出的漿粕物理強(qiáng)度比其他的低一點(diǎn)，漿粕不易漂白，容易變黃和變脆。

2.3 半化學(xué)法制漿

把化學(xué)制漿法和機(jī)械制漿法結(jié)合起來(lái)的一種制漿方法稱(chēng)為半化學(xué)法制漿。一般把原材料經(jīng)過(guò)化學(xué)藥品處理之后，再經(jīng)過(guò)機(jī)械作用來(lái)制取漿粕。這種制漿方法不僅節(jié)約原料，而且得漿率較高。

3 玉米秸稈皮纖維漿粕制備

3.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈外皮(本校紡織實(shí)驗(yàn)室提供)、氫氧化鈉(天津市永大化學(xué)試劑有限公司)、九水合硫化鈉(西隴化工股份有限公司)、次氯酸鈉溶液(天津市富宇精細(xì)化工有限公司)、過(guò)氧化氫溶液(西隴科學(xué)股份有限公司)、蒸餾水(紡織實(shí)驗(yàn)室)等。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

恒溫水浴鍋、電熱套、通風(fēng)式快速八籃恒溫烘箱、電子天平、多規(guī)格的燒杯、剪刀、鑷子、過(guò)濾袋、溫度計(jì)等。

3.3 工藝流程

3.3.1 原材料處理

把玉米秸稈的外皮剪成長(zhǎng)度大約為5 c m，見(jiàn)圖1(a)。

3.3.2 原材料的預(yù)水解

準(zhǔn)確稱(chēng)取原材料10 g，放入規(guī)格500 ml的燒杯中。往燒杯中加入蒸餾水，固液比為1∶20，把燒杯放到電熱套上加熱。前20 min溫度調(diào)到100℃，之后溫度調(diào)到80℃保持100 min，見(jiàn)圖1(b)。

3.3.3 堿煮過(guò)程

按試驗(yàn)方案的要求配制一定濃度的Na OH溶液和濃度為5%的Na2S溶液，固液比為1∶20，然后倒入已經(jīng)水解完的原材料中。之后把燒杯放入水浴鍋內(nèi)加熱，按照試驗(yàn)方案規(guī)定的時(shí)間和溫度蒸煮，見(jiàn)圖1(c)。

3.3.4 洗滌

把堿煮之后的原材料倒入過(guò)濾袋中，再用蒸餾水沖洗原材料。沖洗的過(guò)程中，盡量多擠壓過(guò)濾袋，反復(fù)沖洗幾次。

3.3.5 收集原材料

把沖洗完的原材料從過(guò)濾袋中全部拿出來(lái)，放入燒杯中收集起來(lái)。

3.3.6 原材料的漂白

(1)把配制好的濃度為4%的次氯酸鈉溶液倒入裝有原材料的燒杯中，用玻璃棒攪拌幾分鐘后，放置45 min。再把原材料倒入已經(jīng)沖洗干凈的過(guò)濾袋中，反復(fù)沖洗幾次后，放入干凈的燒杯中。

(2)把裝有經(jīng)過(guò)初次漂白原材料的燒杯放入恒溫水浴鍋內(nèi)，溫度保持在70℃左右。往燒杯里加入配制好的Na OH溶液，濃度為5%，蒸煮60 min。最后把原材料倒入已經(jīng)沖洗干凈的過(guò)濾袋中，反復(fù)沖洗幾次后，放入干凈的燒杯中。

(3)把配制好的濃度為5%的H2O2溶液倒入燒杯中，用玻璃棒攪拌幾分鐘后，放置60 min。再把原材料倒入已經(jīng)沖洗干凈的過(guò)濾袋中，反復(fù)沖洗幾次后，放入干凈的燒杯中，見(jiàn)圖1(d)。

3.3.7 烘干

把漂白之后的原材料放入烘箱里烘干。烘箱溫度調(diào)為100℃，當(dāng)溫度上升到100℃之后，再把原材料放進(jìn)去烘干0.5 h。

3.4 單因素試驗(yàn)

3.4.1 堿煮溫度

濃度為20%的Na OH溶液150 ml、濃度為5%的Na2S溶液50 ml、蒸煮時(shí)間為90 min，蒸煮溫度分別為60、80、100、120℃，見(jiàn)圖2，然后對(duì)各組進(jìn)行測(cè)試。

圖2 堿煮溫度的變化

圖3 堿煮時(shí)間的變化

由圖2可以知道，隨著堿煮溫度的升高，得漿率也在緩慢上升，當(dāng)蒸煮溫度達(dá)到80℃時(shí)，得漿率開(kāi)始快速增加;當(dāng)蒸煮溫度為100℃時(shí)，得漿率達(dá)到最大值;當(dāng)蒸煮溫度超過(guò)100℃之后，得漿率開(kāi)始下降。因此，可以確定蒸煮溫度的三水平為：90、100、110℃。

3.4.2 蒸煮時(shí)間

濃度為20%的Na OH溶液150 ml、濃度為5%的Na2S溶液50 ml、蒸煮溫度為100℃，蒸煮時(shí)間分別為30、90、150、210 min，見(jiàn)圖3，然后對(duì)各組進(jìn)行測(cè)試。

由圖3可以知道，隨著堿煮時(shí)間的增長(zhǎng)，得漿率迅速上升，當(dāng)蒸煮時(shí)間為90 min時(shí)，得漿率達(dá)到最大值，當(dāng)蒸煮時(shí)間超過(guò)90 min時(shí)，得漿率開(kāi)始緩慢下降;到150 min時(shí)，得漿率開(kāi)始迅速下降。因此，可以確定蒸煮時(shí)間的三水平為60、90、120 min。

3.4.3 用堿量

濃度為5%的Na2S溶液50 ml、蒸煮時(shí)間為1.5 h、蒸煮溫度為100℃，用堿量分別為10%、15%、20%、25%，見(jiàn)圖4，然后對(duì)各組進(jìn)行測(cè)試。

由圖4可以知道，隨著Na OH用量的增多，得漿率開(kāi)始上升，當(dāng)Na OH用量為20%時(shí)，得漿率達(dá)到最大值;當(dāng)用堿量超過(guò)20%后，得漿率開(kāi)始下降。因此，可以確定用堿量的三水平為：17%、20%、23%。

圖4 用堿量的變化

3.4.4 堿煮工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)

在進(jìn)行堿煮試驗(yàn)制備漿粕時(shí)，堿煮的溫度、時(shí)間和堿煮時(shí)氫氧化鈉的用量是影響成品漿粕的主要因素。因此，設(shè)計(jì)了3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)對(duì)這3個(gè)重要因素進(jìn)行優(yōu)化，選出最佳的工藝參數(shù)(見(jiàn)表1)。

通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)得得漿率，由表2可以知道，第7組試驗(yàn)組的得漿率最高，為39.9%;第8組試驗(yàn)組的得漿率最低，為30.2%。由極差來(lái)分析R值可以看出，這3個(gè)因素對(duì)成漿質(zhì)量的影響大小依次為用堿量>堿煮溫度>堿煮時(shí)間。比較各組K值的大小，得出各因素最佳工藝參數(shù)：堿煮溫度為K2，堿煮時(shí)間為K1，用堿量為K3，即堿煮溫度為100℃，蒸煮時(shí)間為60 min，Na OH用量為23%。

表1 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

4 玉米秸稈皮纖維漿粕成品性能測(cè)試

4.1 甲纖含量的測(cè)量

在工業(yè)生產(chǎn)中，纖維素一般分為α-纖維素、β-纖維素、γ-纖維素這3種。β-纖維素與γ-纖維素被統(tǒng)稱(chēng)為半纖維素。木質(zhì)素和半纖維素的含量對(duì)漿粕成品的好壞有一些影響，所以需要檢測(cè)玉米秸稈皮纖維漿粕中甲種纖維的含量[3]。

4.1.1 測(cè)試方法

(1)稱(chēng)取0.5 g試樣，放入燒杯中，往燒杯里倒入15 ml已經(jīng)配制好的濃度為17.5%的Na OH溶液，放置1～2 min，再使用玻璃棒進(jìn)行攪拌。往燒杯中倒入15 ml濃度為17.5%的Na OH溶液，使用玻璃棒攪拌后放置40 min;之后往燒杯里加入30 ml蒸餾水，再倒入放在真空吸濾瓶上的砂芯漏斗中，使用真空泵抽干。

(2)把25 ml濃度為9.5%的Na OH倒入漏斗中，倒入的過(guò)程中關(guān)掉真空泵，倒完之后用玻璃棒攪拌一下;把剩下的濃度為9.5%的Na OH溶液倒入漏斗中，邊抽邊用玻璃棒攪拌，最后用蒸餾水沖洗，直到纖維溶液p H值不大于7時(shí)結(jié)束洗滌(可以用酚酞檢測(cè))。

(3)把過(guò)濾后的砂芯漏斗放入恒溫烘箱內(nèi)烘干，再放到電子天平上稱(chēng)重。

4.1.2 甲種纖維含量的計(jì)算

式中：G0—— 試樣重量(g);

G1——恒重的砂芯漏斗重量(g);

G2——過(guò)濾后恒重的砂芯漏斗和試樣重量(g)。

在堿煮溫度為100℃，堿煮時(shí)間為60 min和用堿量為23%的最佳工藝參數(shù)下，漿粕里的甲種纖維的含量為92.1%。

4.2 灰分的測(cè)定

灰分是鍛燒后的殘留物也可以是烘干后的剩余物?；曳质侵参锢w維原料中的鉀、鈣等無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，漿粕中的無(wú)機(jī)含量會(huì)對(duì)纖維的可紡性產(chǎn)生一定的影響，所以，需要檢測(cè)所得漿粕的灰分含量。

4.2.1 測(cè)試方法

(1)在電子天平上稱(chēng)取1.8 g的試樣，放入磁坩堝里，把坩堝蓋半蓋在上面，然后放在電磁爐上加熱，使試樣慢慢炭化。

(2)等試樣無(wú)黑色的煙產(chǎn)生時(shí)，把磁坩堝轉(zhuǎn)移到馬弗爐中，加熱溫度調(diào)為650℃，保溫時(shí)間為2 h，見(jiàn)圖5。

(3)到規(guī)定時(shí)間后，用坩堝鉗將試樣拿出坩堝，放在旁邊冷卻10 min，再去稱(chēng)重。

圖5 漿粕的炭化與灰化

4.2.2 灰分的計(jì)算及分析

式中：G0—— 試樣的重量(g);

G1——恒重的空坩堝重量(g);

G2——冷卻之后的磁坩堝和試樣的重量(g)。

在堿煮溫度100℃、堿煮時(shí)間60 min和用堿量為23%的最佳工藝參數(shù)下，漿粕的灰分為1.68%。

4.3 白度的測(cè)量

白度(whiteness)是表示物質(zhì)表面白色的程度，表示方法一般以白色含有量的百分率表示。用成品漿粕所紡出的纖維，它的漂白性好壞與成品漿粕的白度有很大的關(guān)系。所以，需要檢測(cè)所得漿粕的白度。

將機(jī)器打開(kāi)預(yù)熱，把1#，2#濾光插件均插入二檔，R457和UV的燈會(huì)亮起，之后把黑筒放到試樣座上，進(jìn)行調(diào)零;把黑筒取下放上工作板，按下白標(biāo)準(zhǔn)再輸入工作板的標(biāo)準(zhǔn)值;取下工作板，放上漿粕試樣，按下測(cè)量鍵。

在堿煮溫度為100℃、堿煮時(shí)間為60 min和用堿量為23%的最佳工藝參數(shù)下，漿粕的白度為101.37。

5 結(jié)論

以玉米秸稈的外皮作為原料，通過(guò)對(duì)硫酸鹽法制備漿粕的工藝過(guò)程進(jìn)行一定的改進(jìn)和優(yōu)化，最終得出了一個(gè)最優(yōu)的工藝過(guò)程。通過(guò)檢測(cè)成品漿粕的甲種纖維的含量、白度、灰分這3個(gè)性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)漿粕質(zhì)量的好壞，得到結(jié)論：

(1)通過(guò)單因素試驗(yàn)對(duì)玉米秸稈皮進(jìn)行蒸煮，隨著堿煮溫度的升高，得漿率也在緩慢上升。當(dāng)蒸煮溫度為100℃時(shí)，得漿率達(dá)到最大值;隨著堿煮時(shí)間的增長(zhǎng)，得漿率迅速上升;當(dāng)蒸煮時(shí)間為90 min時(shí)，得漿率達(dá)到最大值;隨著Na OH用量的增多，得漿率開(kāi)始上升;當(dāng)Na OH用量為20%時(shí)，得漿率達(dá)到最大值。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)確定了硫酸鹽法制備漿粕在蒸煮這一部分的最佳工藝條件，即蒸煮時(shí)間60 min、蒸煮溫度100℃、Na OH的用量為23%。

(3)在最佳工藝條件下制備的漿粕，它的甲種纖維的含量為92.1%，白度為101.37，灰分為1.68%。

在黏膠纖維的行業(yè)中，生產(chǎn)黏膠長(zhǎng)絲、短絲、多用膜和多功能纖維(遠(yuǎn)紅外纖維、納米纖維、中空纖維)等都可以用玉米秸稈的外皮漿粕來(lái)生產(chǎn)，還可用于生產(chǎn)綠色纖維。隨著國(guó)家倡導(dǎo)“高效、節(jié)能和環(huán)?！钡墓I(yè)發(fā)展模式，制備再生纖維素纖維所用的漿粕生產(chǎn)過(guò)程也正向著降耗節(jié)能、環(huán)境保護(hù)、提高資源利用率的方向發(fā)展。