化學(xué)脫膠法提取桑樹皮纖維工藝優(yōu)選及性能測(cè)定*

梁 冬

(廣東職業(yè)術(shù)學(xué)院輕工與材料學(xué)院， 廣東 佛山 528041)

據(jù)國(guó)家繭絲辦統(tǒng)計(jì)，截止至2020年我國(guó)桑樹種植面積為1146.5萬畝，每畝桑田每年修剪下來的廢桑枝條含桑樹皮纖維約80 kg，即每年可產(chǎn)桑樹皮纖維約90多萬噸。桑樹皮纖維屬韌皮纖維，是桑枝莖周圍的韌皮部的植物纖維，其主要化學(xué)成分是纖維素。采用該纖維做成的紡織品掉棄后可在自然條件下快速降解，是環(huán)境友好型天然纖維材料。由于過度開采、戰(zhàn)爭(zhēng)、貿(mào)易保護(hù)等因素影響，煤炭、石油等化石資源供應(yīng)日趨緊張，化學(xué)纖維的原料來源受到限制，且化學(xué)纖維掉棄后在自然界中需幾十甚至上百年的時(shí)間才能降解，降解過程中產(chǎn)生大量的微塑料，對(duì)環(huán)境造成極大的影響。在廣西、四川和云南等桑樹種植區(qū)，砍伐下來的桑樹枝條連外層韌皮一起被作為柴燒掉，造成一定資源浪費(fèi)和大氣污染。如果將這些桑樹枝條枝桿與外層韌皮分離，桑樹皮提取纖維作為紡織原料，則可對(duì)桑樹枝條進(jìn)行有效利用，也可增加桑農(nóng)收入，具有良好的市場(chǎng)前景[1]。

桑樹外層韌皮中除了含有50%以上的纖維素，還含有大量的果膠、半纖維素、木質(zhì)素等膠質(zhì)，膠質(zhì)總量達(dá)35%～48%，膠質(zhì)主要是多醣類高分子化合物的混合物，比麻類韌皮如亞麻、黃麻和苧麻中的膠質(zhì)含量高，因此給桑樹皮制備紡織纖維的重要步驟中的脫膠工序帶來一定的困難[2]。目前主要采用化學(xué)脫膠法、生物酶脫膠法、天然浸漚法等途徑從植物韌皮中提取紡織纖維。生物酶脫膠法脫膠周期長(zhǎng)，有選擇性，成本較高。天然浸漚法耗時(shí)長(zhǎng)，得到的纖維質(zhì)量不穩(wěn)定?；瘜W(xué)脫膠法具有快速、高效、短流程的特點(diǎn)，因此在實(shí)踐中主要使用化學(xué)脫膠法?；瘜W(xué)脫膠法是利用酸、堿和氧化劑等化學(xué)物質(zhì)，通過浸酸、煮漂、水洗等化學(xué)及物理機(jī)械過程使膠質(zhì)與纖維分離[3]。前人對(duì)桑樹皮中膠質(zhì)化學(xué)組成及脫膠化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究較多，深入進(jìn)行工藝優(yōu)化的應(yīng)用性研究較少[4-5]。本文通過對(duì)脫膠工藝影響較大的氫氧化鈉的用量、雙氧水的用量、煮漂溫度和煮漂時(shí)間四個(gè)主要因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)選桑樹皮纖維的化學(xué)脫膠工藝，并測(cè)定脫膠后的纖維性能，為桑樹皮纖維在紡織領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，拓展紡織原料的生物基來源。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

桑樹皮,廣東南海西樵。

1.2 儀器藥品

電子分析天平(精度0.0001 g),上海佑科儀器儀表有限公司;Y802型烘箱,南通三思機(jī)電科技有限公司;DMEX30生物顯微鏡,寧波舜宇儀器有限公司;YG006電子單纖維強(qiáng)力機(jī),寧波紡織儀器廠;HH-M8電熱恒溫水浴鍋,江蘇新春蘭科學(xué)儀器有限公司。

88%甲酸,石家莊市泰和化工有限公司;偏硅酸鈉,臨沂晶誠(chéng)洗滌助劑有限公司;98%硫酸、氫氧化鈉、99%冰乙酸、37%濃鹽酸、6%次氯酸鈉溶液(化學(xué)純),廣州化學(xué)試劑廠。

1.3 提取桑樹皮纖維工藝流程

桑樹皮→浸酸→水洗→煮漂→水洗→酸洗→水洗→脫水→烘干

浸酸：浴比1:15，98%H2SO4用量為0.5 mL/L，在常溫常壓下浸漬1 h。

煮漂：浴比1:20，質(zhì)量濃度為10%Na2SiO3為穩(wěn)定劑，防止H2O2在堿性溶液中分解。在常壓下進(jìn)行，其它條件參照正交試驗(yàn)表2進(jìn)行。

酸洗：浴比1:15，H2SO4濃度為1～2 mol/L，在常溫常壓下15 min[6]。

1.4 桑樹皮煮漂工藝因素水平選擇

1.4.1 氫氧化鈉因素水平

氫氧化鈉濃度低難以有效去除膠質(zhì)，使纖維束無法充分松解；濃度太高則易造成脫膠過度，損傷工藝?yán)w維，因此選定5 g/L，10 g/L，15 g/L三個(gè)水平。

1.4.2 雙氧水因素水平

雙氧水能與桑樹皮中的膠質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被去除，并具漂白的作用，取10 mL/L，20 mL/L，30 mL/L三個(gè)水平。

1.4.3 煮漂溫度因素水平

為了能達(dá)到良好的煮練效果而又不損傷纖維，取80 ℃，90 ℃，100 ℃三個(gè)水平。

1.4.4 煮漂時(shí)間因素水平

煮漂時(shí)間長(zhǎng)試劑對(duì)膠質(zhì)作用充分，可以較好的去除膠質(zhì)。但煮練時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使工藝?yán)w維強(qiáng)度降低，取60 min，90 min，120 min三個(gè)水平[6]。

1.5 桑樹皮纖維殘膠率測(cè)定方法[7-8]

取3份干重約5 g脫膠后的桑樹皮纖維，放入已知重量的稱量瓶中，烘干至恒重，在干燥器中冷卻，稱重。將試樣放入加有150 mL，濃度為20 g/L的氫氧化鈉溶液的圓底燒瓶中，裝好球形冷凝管，加熱沸煮回流3 h。取出試樣，在分樣篩中用水沖洗干凈，放入已知重量的稱量瓶中烘至恒重，取出在干燥器中冷卻，稱重。按下式計(jì)算：

式中：Wc——試樣的殘膠率，%

G0——試樣的干重，g

1.6 桑樹皮纖維化學(xué)脫膠正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)影響煮漂的4個(gè)主要因素氫氧化鈉用量、雙氧水用量、煮漂溫度和煮漂時(shí)間進(jìn)行正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，因素水平表如表1所示，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Test protocol

1.7 桑樹皮纖維性能測(cè)定[9]

1.7.1 桑樹皮纖維縱向形態(tài)測(cè)定

將脫膠后的桑樹皮纖維置于載玻片上，蓋上蓋玻片后放于顯微鏡載物臺(tái)上，調(diào)整顯微境至視野清晰，拍攝照片。

1.7.2 桑樹皮纖維的耐化學(xué)性的測(cè)定

將少量脫膠后的桑樹皮纖維分別放入裝有化學(xué)試劑的小試管中，觀察其溶解性況，并記錄現(xiàn)象。

1.7.3 桑樹皮纖維的吸濕性能測(cè)定

脫膠后的桑樹皮纖維在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(20 ℃，65%相對(duì)濕度)放置24 h，取3份約2 g的纖維的重量，然后在一定溫度的烘箱內(nèi)烘干纖維，稱得干重，通過式(1)和(2)計(jì)算纖維的回潮率和含濕率。

(1)

(2)

式中：Rh——試樣的回潮率，%

rh——試樣的含濕率，%

W1——試樣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的重量，g

1.7.4 桑樹皮纖維的力學(xué)性能測(cè)定[9]

YG006電子單纖維強(qiáng)力機(jī)試驗(yàn)參數(shù)：拉伸方式為定速拉伸，隔距為10 mm，拉伸速度為10 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

桑樹皮提取纖維化學(xué)脫膠正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

由表3可知，KA(7.24)>KC(7.23)>KD(5.64)>KB(1.62)，所以影響化學(xué)脫膠效果的各因素從主到次的順序?yàn)椋篈因素(NaOH用量)，C因素(煮漂溫度)， D因素(煮漂時(shí)間)， B因素(H2O2用量)，KA與KC接近，說明NaOH用量與煮漂溫度的影響權(quán)重接近 。在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)脫膠后的桑樹皮纖維的殘膠率越低越好，在優(yōu)方案選擇中應(yīng)選取指標(biāo)小的那個(gè)水平，即應(yīng)選每個(gè)因素的K1，K2，K3中最小值所對(duì)應(yīng)的水平。

A因素(NaOH用量)列：K2(39.76)

B因素(H2O2用量)列：K3(41.36)

C因素(煮漂溫度)列：K3(39.93)

D因素(煮漂時(shí)間)列：K3(39.88)

由此得到初步優(yōu)方案為：A2B3C3D3，即NaOH用量10 g/L，H2O2用量30 mL/L，煮漂溫度100 ℃，煮漂時(shí)間120 min。

根據(jù)表3的正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的ki值，繪出各因素水平分別對(duì)化學(xué)脫膠后桑樹皮纖維殘膠率的影響曲線，如圖1～圖4所示。

由圖1可知，氫氧化鈉濃度對(duì)脫膠效果影響明顯，隨著氫氧化鈉濃度的增加，試樣的殘膠率降低明顯，當(dāng)氫氧化鈉用量大于10 g/L后，殘膠率基本保持不變，由曲線趨勢(shì)可知，當(dāng)氫氧化鈉濃度達(dá)到一定后，其對(duì)桑樹皮的脫膠效果基本維持不變。

圖1 NaOH用量對(duì)殘膠率影響Fig.1 Effect of NaOH dosage on residual rate

圖2 H2O2用量對(duì)殘膠率影響Fig.2 Effect of H2O2 dosage on residual rate

由圖2可知，雙氧水可以增加脫膠后纖維的白度，隨著雙氧水用量的的增大，殘膠率隨之下降，但降低的幅度不大，由曲線趨勢(shì)可知，其用量對(duì)桑樹皮的脫膠效果影響權(quán)重較小。

圖3 煮漂溫度對(duì)殘膠率影響Fig.3 Effect of boiling and bleaching temperature on residual rate

由圖3可知，煮漂溫度在90 ℃前，隨著煮漂溫度升高殘膠率下降明顯，當(dāng)煮漂溫度超過90 ℃以后，殘膠率數(shù)值不再明顯下降，由曲線趨勢(shì)可知，當(dāng)煮漂溫度達(dá)到一定后，其對(duì)桑樹皮的脫膠效果趨于平衡。

圖4 煮漂時(shí)間對(duì)殘膠率影響Fig.4 Effect of boiling and bleaching time on residual glue rate

由圖4可知，隨煮漂時(shí)間增加，殘膠率逐步降低，當(dāng)煮漂時(shí)間大于90 min后，殘膠率數(shù)值下降幅度收窄，由曲線趨勢(shì)可知，當(dāng)煮漂時(shí)間達(dá)到一定后，其對(duì)桑樹皮的脫膠效果也趨于平衡。

綜合上述各因素水平對(duì)殘膠率的影響，并從實(shí)際生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本出發(fā)，確定化學(xué)脫膠法提取桑樹皮纖維煮漂最優(yōu)工藝參數(shù)為：氫氧化鈉用量為10 g/L，雙氧水用量為30 mL/L，煮漂溫度為90 ℃，煮漂時(shí)間為90 min。

2.2 桑樹皮纖維性能

采用最優(yōu)工藝對(duì)桑樹皮進(jìn)行化學(xué)脫膠處理，將得到的纖維進(jìn)行性能分析。

2.2.1 桑皮纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

將桑樹皮纖維置于顯微鏡下進(jìn)行觀察，并拍下縱向形態(tài)顯微照片，如圖5所示。

圖5 桑樹皮纖維縱向形態(tài)(放大400倍)Fig.5 Longitudinal morphology of mulberry bark fibers (magnified 400 times)

從圖5可見，桑樹皮纖維表面不平滑，沿縱向有很多粗細(xì)不勻的凹槽和裂紋，有橫節(jié)。這些細(xì)小的凹槽和裂紋使纖維具有良好的毛細(xì)效應(yīng)，能迅速吸收和蒸發(fā)水份，纖維的吸濕及放濕能力強(qiáng)，與苧麻、亞麻等麻類纖維相近。

2.2.2 桑樹皮纖維的耐化學(xué)性的測(cè)定

耐化學(xué)性是檢測(cè)纖維耐酸、堿、溶劑和其他化學(xué)物質(zhì)的能力。如表4所示。

表4 桑樹皮纖維化學(xué)穩(wěn)定性Table 4 Chemical stability of mulberry bark fibers

由表4可知桑樹皮纖維不溶于堿、弱酸和次氯酸鈉，在室溫條件下，溶于強(qiáng)酸，這與桑樹皮纖維的主要化學(xué)成分為纖維素以及其內(nèi)部的超分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.2.3 桑樹皮纖維的吸濕性能

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)得的桑樹皮纖維的吸濕性能如表5所示。

表5 桑樹皮纖維吸濕性能Table 5 Moisture absorption properties of mulberry bark fibers

由表5可知，桑樹皮纖維在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的的回潮率和含水率較大，與其他麻類纖維吸濕性能相近，這與桑樹皮纖維本身的化學(xué)組成為纖維素及其形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.2.4 桑樹皮纖維力學(xué)性能

纖維的力學(xué)性能主要包括斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，是表征纖維品質(zhì)的主要指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)得桑樹皮纖維力學(xué)性能如表6所示。

表6 桑樹皮纖維力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of mulberry bark fibers

由表6可知桑樹皮纖維的斷裂強(qiáng)度均值高達(dá)5.65 cN/dtex-1，大于普通民用化學(xué)纖維的斷裂強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率均值為6.76%，是一種高強(qiáng)低伸型纖維。這主要是因?yàn)樯淦だw維是韌皮纖維，而韌皮纖維是植物的基本骨架，有較高的結(jié)晶度和取向度，而且原纖維又沿纖維徑向呈層狀結(jié)構(gòu)分布。纖維手感比較硬，不輕易變形，適用于純紡或與其他化學(xué)纖維及天然纖維混紡制備紡織面料用的紗線。

3 結(jié) 論

(1)桑樹皮化學(xué)脫膠法提取纖維最佳工藝條件為：氫氧化鈉10 g/L,雙氧水30 mL/L,溫度90 ℃,時(shí)間100 min。

(2)桑樹皮纖維性能：纖維沿縱向有很多粗細(xì)不勻的凹槽，有橫向節(jié)；桑皮纖維耐化學(xué)試劑能力較強(qiáng)，耐堿及弱酸，在室溫條件下，溶于強(qiáng)酸；桑皮纖維的回潮率為7.84%；纖維的斷裂強(qiáng)度5.65 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率6.76%，具備紡織纖維所需的性能。