趙益昕, 龐桂兵, 張赟閣, 卜繁嶺, 王 帥, 王靜思

(1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧大連 116034; 2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧大連 116026)

液電效應(yīng)麻脫膠技術(shù)

趙益昕1, 龐桂兵1, 張赟閣2, 卜繁嶺1, 王 帥1, 王靜思1

(1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧大連 116034; 2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧大連 116026)

為了改善目前大規(guī)模采用的麻化學(xué)脫膠法效率低、污染大的缺點(diǎn),將液相放電技術(shù)引入麻脫膠處理。實(shí)驗(yàn)研究了液電效應(yīng)處理前后的亞麻的質(zhì)量、力學(xué)性能、表面結(jié)構(gòu)以及脫膠水介質(zhì)的變化。結(jié)果表明,亞麻經(jīng)液相放電技術(shù)處理后,亞麻的質(zhì)量減輕,纖維強(qiáng)度增加,纖維表面變得光滑潔凈。液相放電技術(shù)可有效去除亞麻纖維表面雜質(zhì)和果膠,根據(jù)SEM圖像分析,纖維束變?yōu)橄嗷オ?dú)立的單根纖維,提高了亞麻纖維的分離度,有利于提高亞麻纖維上染率,脫膠廢水易于處理。

液電效應(yīng);麻;亞麻;脫膠;果膠

0 引 言

亞麻韌皮部外側(cè)的初生纖維約含70%的纖維素和30%的非纖維素類膠質(zhì)[1-2],這些膠質(zhì)成分主要為果膠和半纖維素類物質(zhì),它們充斥在纖維分子之間,具有營養(yǎng)或黏結(jié)作用,部分或全部與纖維相連接,結(jié)合緊密。脫去這些非纖維類膠質(zhì)成分,提取優(yōu)質(zhì)可紡纖維是麻紡織前處理過程中的關(guān)鍵階段。麻脫膠方法主要有化學(xué)脫膠法、酶法、微生物法等[3-6]。其中,目前國內(nèi)外應(yīng)用最普遍的是化學(xué)脫膠法,化學(xué)脫膠法消耗原料和能耗多,對(duì)纖維損傷大,按照GB 8978—1996三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)排放,COD為1 000 mg/L,嚴(yán)重污染環(huán)境[7-8];酶法脫膠活力太低,脫膠不徹底;微生物法脫膠也存在質(zhì)量不穩(wěn)定、耗時(shí)長等弊端[9]。液電加工技術(shù)是利用液相放電等離子體所引發(fā)的一系列物理、化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)加工的技術(shù)。液相放電的過程中會(huì)產(chǎn)生沖擊波[10-11]、紫外線[12]、強(qiáng)氧化性自由基[13]和強(qiáng)電場[14]4種作用效應(yīng),這些效應(yīng)為液電技術(shù)帶來廣闊的應(yīng)用前景,液電加工技術(shù)可采用自來水作為放電介質(zhì),具有耗能低、無污染等優(yōu)點(diǎn),液電加工技術(shù)現(xiàn)已成功運(yùn)用到機(jī)械零件成形與清洗、水下目標(biāo)探測、水處理、食品殺菌等諸多領(lǐng)域[15]。本實(shí)驗(yàn)將液電效應(yīng)應(yīng)用于麻脫膠工藝,實(shí)現(xiàn)纖維表面雜質(zhì)及果膠去除、改善纖維表面的微孔隙結(jié)構(gòu)等,探索綠色麻脫膠工藝。

1 液相放電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

液相放電電路組成如圖1所示。其中,交流電源、可調(diào)變壓器、升壓整流、脈沖電容器構(gòu)建成實(shí)驗(yàn)裝置的充電系統(tǒng)。放電系統(tǒng)由脈沖電容、理想開關(guān)和放電間隙組成。電路原理如圖2所示。

圖1 液相放電電路組成Fig.1 Composition of liquid discharge circuit

圖2 實(shí)驗(yàn)電路圖Fig.2 Experimental circuit

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.3 The picture of the experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

進(jìn)行試驗(yàn)性放電,確定合理放電間隙距離為35 mm,根據(jù)擊穿效果和穩(wěn)定性,選取如表1所示參數(shù)為實(shí)驗(yàn)電參數(shù)。表1中,一次電壓為調(diào)壓器調(diào)節(jié)后輸入電壓,二次電壓為放電瞬間的放電端電壓,放電聲級(jí)表示放電能量大小。試驗(yàn)樣品: 500 g原麻5組;放電條件:見表1;放電次數(shù):4、10、18、28和40次。

表1 放電數(shù)據(jù)Tab.1 Discharge data

2 結(jié)果與分析

2.1 處理前后水質(zhì)

觀測放電處理后的水質(zhì)情況,水質(zhì)由清變渾,膠質(zhì)雜質(zhì)懸浮于水介質(zhì)中,說明液相放電技術(shù)對(duì)麻脫效果明顯,可以迅速將附著于亞麻表面的膠質(zhì)擊碎并脫離亞麻。5組實(shí)驗(yàn)前后的水質(zhì)對(duì)比結(jié)果如表2所示。水介質(zhì)的p H略微降低,說明液相放電技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)脫膠可以避免在加工過程中對(duì)水介質(zhì)p H的影響;水介質(zhì)濁度、色度和化學(xué)需氧量(COD)均有明顯變化,4次放電后, COD從1.9 mg/L升至76.2 mg/L,濁度由6.49升至31.02,色度由7升至33。亞麻表面的污染物主要為果膠和亞麻中裹挾的泥沙等物質(zhì),當(dāng)液電沖擊波巨大的物理機(jī)械效應(yīng)作用于亞麻表面時(shí),擊碎附著在亞麻表面的果膠和泥沙,使其進(jìn)入水中。果膠作為有機(jī)物的主要來源,使COD迅速提高,而泥沙等污物被擊碎為小顆?；煊谒?。根據(jù)表2所示的水質(zhì)變化趨勢(shì),超過4次放電后,隨著放電次數(shù)的增加,濁度和色度基本沒有顯著變化,COD略有升高。

表2 脫膠前后水質(zhì)變化情況Tab.2 Changes of water quality before and after degumming

2.2 處理前后亞麻質(zhì)量

用處理前后麻質(zhì)量的變化表示脫膠效果。對(duì)處理前后的5組亞麻進(jìn)行烘干處理,m1為實(shí)驗(yàn)前亞麻質(zhì)量,m2為實(shí)驗(yàn)后亞麻質(zhì)量,η為實(shí)驗(yàn)后亞麻質(zhì)量的減少率,所稱質(zhì)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 處理前后亞麻質(zhì)量變化Tab.3 Changes of flax mass before and after degumming

液電效應(yīng)麻脫膠處理后,每組亞麻質(zhì)量均減少,說明液電效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)有效脫膠,但放電10次后的亞麻質(zhì)量變化微小。說明達(dá)到一定的放電次數(shù)后亞麻脫膠效果趨于穩(wěn)定,增加加工次數(shù)不能獲得更好的加工效果,還可能會(huì)破壞亞麻表面組織結(jié)構(gòu),使亞麻喪失原本優(yōu)良的可紡性。

2.3 處理前后亞麻纖維的力學(xué)性能

進(jìn)行了亞麻單纖維強(qiáng)度測量,每組樣品取10根亞麻纖維測量,獲得平均值,如表4所示。隨著放電次數(shù)的增加,亞麻纖維強(qiáng)度逐漸升高,原因是麻脫膠后纖維軟化有助于提高亞麻的纖維強(qiáng)度。

2.4 處理前后亞麻纖維的表面結(jié)構(gòu)

亞麻脫膠前后的SEM圖,如圖4所示。未經(jīng)處理的原麻(圖4(a)),纖維表面粗糙不平,含有大量膠質(zhì),亞麻相互粘連在一起。經(jīng)過4次放電處理(圖4(b)),相對(duì)于原麻表面有了大幅度改善,覆蓋在原麻表面的膠質(zhì)大部分已被清除,只有極少量的膠質(zhì)殘留。經(jīng)過18次放電后(圖4(d))亞麻表面更加平滑,亞麻纖維束出現(xiàn)較為明顯的裂痕,有的亞麻纖維之間已經(jīng)分離,由纖維束變?yōu)橄嗷オ?dú)立的單根纖維,提高了亞麻纖維的分離度,麻表面的膠質(zhì)基本已被完全清除掉。再增加放電次數(shù),麻的脫膠效果沒有顯著提升。

表4 處理前后亞麻纖維強(qiáng)度變化Tab.4 Strength of the fiber before and after degumming

圖4 亞麻纖維表面SEM圖Fig.4 SEM pictures of linen fiber

亞麻脫膠的困難之處主要在于亞麻纖維結(jié)構(gòu)及組織的特殊性。亞麻韌皮組織中的纖維處于膠質(zhì)的包圍中,膠質(zhì)將各單纖維黏結(jié)成片狀,另外,在植物生長過程中,由于自然災(zāi)害和病蟲害等的侵襲而形成的風(fēng)斑、蟲斑等表面缺陷,以及收獲、剝制等操作不良而使一些麻殼、皮屑留在原麻中,導(dǎo)致麻脫膠處理困難,而不得不采用化學(xué)脫膠。采用液電加工進(jìn)行麻脫膠,發(fā)揮了液電爆炸在短時(shí)間內(nèi)能量急劇釋放的物理和化學(xué)效應(yīng),沖擊亞麻表面,實(shí)現(xiàn)果膠質(zhì)及污物的有效去除。同時(shí),由于纖維表面受到巨大的沖擊波作用,纖維分離度提高的同時(shí),纖維表面容易發(fā)生膨化,分子間排列變得疏松,使得染料大分子易于進(jìn)入纖維內(nèi)部,從而有利于提高亞麻上染率。

3 結(jié) 論

采用液電效應(yīng)進(jìn)行亞麻纖維脫膠,能達(dá)到理想的脫膠和清洗效果。經(jīng)過處理后,亞麻纖維表面的雜質(zhì)和果膠質(zhì)不僅大幅減少,脫膠后的亞麻纖維強(qiáng)度也有所加強(qiáng);脫膠廢水中僅含有亞麻本身帶有的污染物,廢水容易處理;亞麻纖維被有效地開纖分裂,由纖維束變?yōu)橄嗷オ?dú)立的單根纖維,提高了亞麻纖維的分離度,有利于上染率的提高。液電效應(yīng)脫膠技術(shù)為亞麻脫膠、清洗乃至進(jìn)一步的纖維分離提供了一種全新的途徑。

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Hemp degumming technology using liquid electric effect

ZHAO Yixin1, PANG Guibing1, ZHANG Yunge2, BU Fanling1, WANG Shuai1, WANG Jingsi1
(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China; 2.Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

The liquid electrical explosion technology was used for the hemp degumming to overcome the shortcomings such as low efficiency and pollution in chemical degumming method.The changes in quality,mechanical properties,surface structure of the flax fiber and water medium before and after degumming were analyzed.The results showed that the flax weight was reduced,while fiber strength and fiber surface became smooth and clean after treated by liquid discharge technology,indicating that the liquid discharge technology could remove the flax fiber surface impurities and pectin effectively. The fiber bundle was separated into single fiber,and the separation degree and dyeing rate of flax fiber were improved according to SEM image analysis,while the degumming waste water could be treated easily.

liquid electrical effect;fiber;flax;degumming;pectin

TS123

A

1674-1404(2017)01-0046-04

2015-04-08.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275062);遼寧省優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LR2014014);遼寧省百千萬人才工程項(xiàng)目(201569).

趙益昕(1989-),男,碩士研究生;通信作者:龐桂兵(1975-),男,教授.

趙益昕,龐桂兵,張赟閣,卜繁嶺,王帥,王靜思.液電效應(yīng)麻脫膠技術(shù)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(1):46-49.

ZHAO Yixin,PANG Guibing,ZHANG Yunge,BU Fanling,WANG Shuai,WANG Jingsi.Hemp degumming technology using liquid electric effect[J].Journal of Dalian Polytechnic University,2017,36(1):46-49.