竹筍殼過(guò)碳酸鈉脫膠工藝研究

楊銀芝，柯子奇，劉雨晴，方凱煬，曹新旺

竹筍殼過(guò)碳酸鈉脫膠工藝研究

楊銀芝a,b，柯子奇c，劉雨晴a，方凱煬a，曹新旺*a,b

（武漢紡織大學(xué) a. 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，b. 省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，c. 管理學(xué)院，湖北 武漢 430200）

采用環(huán)保型氧化劑——過(guò)碳酸鈉對(duì)竹筍殼進(jìn)行脫膠處理，以脫膠率為指標(biāo)，對(duì)脫膠處理中過(guò)碳酸鈉、過(guò)氧化氫的用量以及煮練溫度和時(shí)間等因素進(jìn)行優(yōu)化探討，最后借助掃描電子顯微鏡、X射線(xiàn)衍射儀、紅外光譜儀等儀器對(duì)所得竹筍殼纖維的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了分析。優(yōu)化后脫膠工藝為：煮練溫度為90 ℃、煮練時(shí)間為120 min、過(guò)碳酸鈉用量為24 g/L、過(guò)氧化氫用量為40 mL/L，此時(shí)脫膠率較高為69.17 %。本方法所制備的竹筍殼纖維被認(rèn)為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的、符合可持續(xù)發(fā)展理念的紡織工業(yè)原料。

竹筍殼纖維；脫膠率；過(guò)碳酸鈉；堿氧浴一浴法

竹筍殼纖維作為一種從竹筍殼中提取的天然纖維素纖維，具有強(qiáng)度高、剛性好等優(yōu)良性能[1]。目前竹筍殼大多被棄置在竹林中無(wú)人問(wèn)津，在天然纖維逐漸缺乏的時(shí)代，是一種極大的資源浪費(fèi)，目前關(guān)于竹筍殼纖維的研究主要集中在食用、廢水處理和藥用領(lǐng)域[2]，但其作為天然纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段。為加快其在紡織工業(yè)方面的應(yīng)用，首先需要通過(guò)脫膠工藝提取竹筍殼纖維[3]。目前已有的脫膠方法主要有物理脫膠法、化學(xué)脫膠法、生物脫膠法等[4,5]，其中，化學(xué)脫膠法處理更加快速、節(jié)省時(shí)間，但傳統(tǒng)的化學(xué)脫膠工藝在高溫下消耗大量的堿，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[6]。

本文采用環(huán)保型氧化劑過(guò)碳酸鈉提取竹筍殼纖維，用過(guò)碳酸鈉減少堿性試劑的使用，并加入一定的脫膠助劑增加原料與試劑的接觸面積加快反應(yīng)速度，該方法具有綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到的竹筍殼纖維中大部分膠質(zhì)被去除，纖維素含量大幅增加。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究中使用的竹筍殼原料采自湖北省武漢市武漢紡織大學(xué)竹園，為成熟自然脫落的竹筍殼。過(guò)碳酸鈉（分析純，阿拉丁化學(xué)試劑有限公司），98 %硫酸（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化工有限公司），NaOH（分析純，昆山金城試劑有限公司）、30 %H2O2（分析純，上海沃凱生物科技有限公司）、九水硅酸鈉（分析純，阿拉丁化學(xué)試劑有限公司）、三聚磷酸鈉（分析純，阿拉丁化學(xué)試劑有限公司）等化學(xué)藥品均為購(gòu)買(mǎi)后直接使用，未進(jìn)行特殊處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

脫膠工藝為：預(yù)處理→浸酸→水洗→烘干→堿氧一浴→水洗→酸洗→水洗→烘干。具體如下：

預(yù)處理：用50℃的溫水清洗竹筍殼去除其表面的雜質(zhì)及絨毛，然后將其放在75℃的烘箱中24 h至烘干，再將烘干的竹筍殼剪切成小塊（長(zhǎng)約70 mm，寬約2 mm）。

浸酸：將上一步剪切后的竹筍殼樣品放置于濃度為2 mL/L的稀硫酸溶液中，于60 ℃的水浴鍋中處理1小時(shí)，浴比為1:40。

水洗：用去離子水洗滌竹筍殼去除表面酸液。

烘干：將其放入75℃的烘箱中烘干。

堿氧一?。河眠^(guò)碳酸鈉處理竹筍殼。

酸洗：室溫下用2 mL/L的稀硫酸、浴比為1:20對(duì)纖維進(jìn)行酸洗，酸洗的主要目的是用酸中和上一步煮練工序中殘留在纖維上的堿液。

水洗：室溫下用去離子水沖洗纖維表面酸液，水洗至中性。

烘干：將纖維放入75℃的烘箱中烘干。

1.3 脫膠助劑的選擇

在過(guò)碳酸鈉脫膠過(guò)程中，為提高竹筍殼脫膠效率，在堿氧一浴過(guò)程中，固定氫氧化鈉用量為10 g/L，并需要加入一些輔助性的助劑，3％多聚磷酸鈉可以加速竹筍殼纖維的膨化，2%硅酸鈉起到保護(hù)纖維素的作用。

1.4 竹筍殼脫膠率

竹筍殼的脫膠率按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

其中：W1為脫膠前竹筍殼的重量，g；W2—脫膠后樣品的重量，g。

1.5 脫膠處理前后纖維組成成分分析

參照GB5888--89《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》分析。

1.6 紅外光譜測(cè)試分析

采用溴化鉀壓片法，用VERTEX 70型傅里葉變換紅外顯微光譜儀測(cè)定纖維含有基團(tuán)的種類(lèi)，波數(shù)測(cè)試范圍400-4000 cm-1，對(duì)處理前后竹筍殼纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.7 掃描電子顯微鏡

在20 ℃條件下，用UPS2000-A-1-KTTL掃描電鏡（華為技術(shù)有限公司）對(duì)處理前后竹筍殼樣品微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.8 X射線(xiàn)衍射

采用日本Rigaku公司D/max-2550PC型X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定處理前后竹筍殼的結(jié)晶度，實(shí)驗(yàn)條件為：Cu靶Ka輻射X射線(xiàn)波長(zhǎng)0.154 nm，管電壓40 kV, 管電流30 mA進(jìn)行掃描，衍射方向θ-2θ聯(lián)動(dòng)掃描方式, 掃描角度5-40°, 掃描速度5°/min。

2 結(jié)果和討論

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脫膠工藝流程中，過(guò)碳酸鈉濃度、堿煮時(shí)間、溫度及過(guò)氧化氫濃度是影響脫膠效率的主要因素。

2.1 過(guò)碳酸鈉用量對(duì)竹筍殼脫膠率的影響

圖1 過(guò)碳酸鈉對(duì)竹筍殼脫膠率的影響

圖2 過(guò)氧化氫對(duì)竹筍殼脫膠率的影響

過(guò)碳酸鈉濃度對(duì)竹筍殼脫膠率的影響如圖1所示。設(shè)定過(guò)碳酸鈉處理時(shí)間為2 h，過(guò)氧化氫濃度為30 mL/L，浴比為1:40，溫度為90 ℃，竹筍殼纖維脫膠率隨過(guò)碳酸鈉用量的增加逐漸增加，但濃度在22 g/L以后變化較平緩，因此，適宜的過(guò)碳酸鈉濃度為22-24 g/L。

2.2 過(guò)氧化氫用量對(duì)竹筍殼脫膠率的影響

過(guò)氧化氫濃度對(duì)竹筍殼脫膠率的影響如圖2所示。設(shè)定過(guò)碳酸鈉處理時(shí)間為2 h，過(guò)碳酸鈉濃度為20 g/L，浴比為1:40，溫度為90 ℃，由圖2可知，隨著過(guò)氧化氫用量的增加竹筍殼脫膠率先增加后減少，可能由于過(guò)氧化氫分解，導(dǎo)致脫膠率降低。因此，過(guò)氧化氫適宜用量為30-40 mL/L。

2.3 堿煮時(shí)間對(duì)竹筍殼脫膠率的影響

處理時(shí)間對(duì)竹筍殼脫膠率的影響如圖3所示。設(shè)定過(guò)碳酸鈉濃度為20 g/L，過(guò)氧化氫濃度為30 mL/L，浴比l:40，溫度為90 ℃，隨著時(shí)間的增加竹筍殼纖維脫膠率逐漸增加，但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不僅消耗能源，而且對(duì)纖維的品質(zhì)有一定的損傷[7]。因此選擇2-3 h作為正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖3 堿煮時(shí)間對(duì)竹筍殼脫膠率的影響

圖4 堿煮溫度對(duì)竹筍殼脫膠率的影響

2.4 煮練溫度對(duì)竹筍殼脫膠率的影響

堿煮溫度對(duì)竹筍殼脫膠率的影響如圖4所示。設(shè)定過(guò)碳酸鈉濃度為20 g/L，過(guò)氧化氫濃度為30 mL/L，浴比l:40，時(shí)間為2 h，由圖4可知，隨著堿煮溫度的升高，脫膠率增加較緩，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致過(guò)氧化氫分解，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，導(dǎo)致其使纖維向上移動(dòng)，竹筍殼因與溶液接觸不均勻使脫膠率降低，所以選擇適宜溫度范圍為90-100 ℃。

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定出各因素的水平范圍，然后采用4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)最終確定脫膠的最佳工藝，表1為竹筍殼的脫膠實(shí)驗(yàn)的正交因素水平，表2為竹筍殼脫膠的正交試驗(yàn)結(jié)果。

表1 竹筍殼脫膠實(shí)驗(yàn)中正交因素的水平

由表2可見(jiàn)，影響脫膠率考查指標(biāo)的因素主次順序?yàn)镈>B>C>A，正交試驗(yàn)的最優(yōu)方案為：A3B3C1D1，即過(guò)碳酸鈉濃度為24 g/L、過(guò)氧化氫濃度為40 mL/L、處理溫度為90 ℃、處理時(shí)間為120 min。按照最優(yōu)工藝處理方案時(shí)，得到竹筍殼纖維的脫膠率為69.17 %。

2.5 竹筍殼纖維的組成成分分析

表3列舉了脫膠處理前后竹筍殼與其他纖維組成成分的對(duì)比數(shù)據(jù)。由表3可知竹筍殼原樣中纖維素含量較低，其中半纖維素和木質(zhì)素占了相當(dāng)大的比例。竹筍殼樣品的纖維素含量與椰子殼（44 %）相當(dāng)，它們高于稻草（32.0 %）和稻殼（28.6 %），但遠(yuǎn)低于其他纖維如棉花（90 %）、苧麻（75 %）和亞麻（65 %）[8]。在竹筍殼原料脫膠處理中需要去除半纖維素和木質(zhì)素這兩種成分，而本實(shí)驗(yàn)中所用的過(guò)碳酸鈉脫膠工藝可以很好地將半纖維素和木質(zhì)素等非纖維素成分分解掉，脫膠后竹筍殼纖維素含量（73.19 %）得到明顯的提升，說(shuō)明它們作為一種生物聚合物資源，具有很高的利用潛力。

表2 竹筍殼脫膠的正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 脫膠處理前后竹筍殼與其他纖維組成成分的對(duì)比數(shù)據(jù)

2.6 紅外光譜分析

圖5為處理前后竹筍殼纖維的紅外光譜圖，可以發(fā)現(xiàn)處理前后竹筍殼纖維的波形并未發(fā)生改變，表明竹筍殼原料與竹筍殼纖維化學(xué)成分相似，竹筍殼纖維在2905 cm-1和1740 cm-1處分別為C—H和C=O伸縮振動(dòng)峰，這是半纖維素的特征峰，在1501 cm-1處為木質(zhì)素中芳香環(huán)骨架振動(dòng)峰，以上峰值都在紅外光譜圖中減弱或消失，表明竹筍殼脫膠后的樣品中的非纖維素成分減少，在1033 cm-1處為C-O-C伸縮振動(dòng)峰，峰值較脫膠前強(qiáng)度明顯增加，表明纖維素含量提高[9]，這與纖維組成成分分析的結(jié)果是一致的。

圖5 （a）脫膠后和（b）脫膠前竹筍殼紅外光譜圖

2.7 微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析

圖6為處理前后竹筍殼纖維的掃描電鏡圖，由圖6（a）知脫膠前竹筍殼纖維由很多膠質(zhì)連在一起，表面粗糙呈現(xiàn)凹凸不平狀，由圖6（b）知脫膠后纖維呈直徑約5微米左右的單纖維狀態(tài)，表面膠質(zhì)基本被去除，表面光潔。

圖6 脫膠前（a）和脫膠后（b）竹筍殼電鏡圖

2.8 結(jié)晶度分析

圖7為處理前后竹筍殼X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)圖，由圖7可以看出，處理前后兩種纖維波形接近，為典型的纖維素Ⅰ結(jié)構(gòu)，表明脫膠處理并未改變纖維素的晶型結(jié)構(gòu)。采用X射線(xiàn)衍射儀分析軟件MDI Jade 6.0計(jì)算知處理前竹筍殼纖維的結(jié)晶度為45.02 %，處理后竹筍殼纖維的結(jié)晶度為60.18 %，結(jié)晶度的提高是由于半纖維素和木質(zhì)素等無(wú)定形區(qū)的成分被去除后，纖維內(nèi)結(jié)晶部分總比例提高[10]。

圖7 （a）脫膠后（b）脫膠前竹筍殼X衍射曲線(xiàn)圖

3 結(jié)論

采用環(huán)保清潔型氧化劑過(guò)碳酸鈉提取竹筍殼纖維，得出了優(yōu)化脫膠工藝。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出：竹筍殼通過(guò)過(guò)碳酸鈉脫膠處理去除了半纖維素、木質(zhì)素等大部分非纖維素成分，提取的竹筍殼纖維纖維素含量高，結(jié)晶度為60.18%，可廣泛應(yīng)用于紡織、復(fù)合材料、醫(yī)療保健等方面，這一方法也可應(yīng)用于今后研究其他纖維素纖維材料。

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Study on the Sodium Percarbonate Degumming of Bamboo Shoot Shell

YANG Yin-zhia,b, KE Zi-qic, LIU Yu-qinga，F(xiàn)ANG Kai-yanga, CAO Xin-wanga,b

(a. College of Textiles Science and Engineering, b. State Key Laboratory of New Textile Materials and Advanced Processing Technologies, c. School of Management, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

Bamboo shoot shell was degummed with environmental friendly oxidant sodium percarbonate. Taking the degumming rate as the index, the factors such as the concentrations of sodium percarbonate and hydrogen peroxide, soaking temperature and time in degumming treatment were optimized, and the structure and properties of the extracted bamboo shoot shell fiber were analyzed by scanning electronic microscope, XRD, infrared spectrometer. The results showed that when the scouring temperature was 90 ℃, the scouring time was 120 min, the dosage of sodium percarbonate was 24 g/L and the dosage of hydrogen peroxide was 40 ml/L, the degumming rate was 69.17 %. The prepared bamboo shoot shell fibers would be considered as a kind of widely applicable and sustainable raw material for textile industry.

bamboo shoot shell fiber; degumming rate; sodium percarbonate; alkali oxygen one bath method

曹新旺（1984-），男，副教授，博士，研究方向：天然纖維的提取及其性能.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51503162）；湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2016CFB459）；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910495014）；湖北省技術(shù)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)（2019AAA005）；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201910495063）.

TS102.229

A

2095－414X(2021)06－0009－05