趙 磊 蔡莉莉 劉 華 楊 賀 祁 寧

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城，224005；2.江蘇悅達(dá)家紡有限公司，江蘇鹽城，224000；3.蘇州大學(xué)，江蘇蘇州，215123)

山麻桿又叫狗尾巴樹(shù)，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(qiáng)[1-2]。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，山麻桿韌皮中所含的纖維素含量高達(dá)45%～50%，因此可以從山麻桿韌皮中提取一定量的纖維，其力學(xué)、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(jià)值，如山麻桿的種子可以通過(guò)高效榨取獲得籽油，山麻桿枝葉也具有一定的藥用價(jià)值，也有將其自然降解作為農(nóng)作物生長(zhǎng)的養(yǎng)分。由此可見(jiàn)，山麻桿具有廣泛的用途和利用價(jià)值。目前，對(duì)山麻桿韌皮纖維的提取和性能研究基本沒(méi)有，本研究將采用化學(xué)脫膠法對(duì)山麻桿韌皮進(jìn)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(biāo)，對(duì)開(kāi)發(fā)利用山麻桿韌皮纖維的研究學(xué)者或企業(yè)提供一定的參考。

1 試樣部分

1.1 材料與設(shè)備

山麻桿韌皮取自于校園，經(jīng)機(jī)械預(yù)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(xì)化工有限公司；HH·S21-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州金壇精達(dá)儀器制造有限公司；SY71/QUINTIX224型電子天平，北京中西遠(yuǎn)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(qiáng)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(yàn)方法

采用堿NaOH濃度、脫膠時(shí)間、浴比三個(gè)單因素進(jìn)行脫膠處理，在單因素脫膠處理的基礎(chǔ)上，分別選擇三個(gè)脫膠效果較佳的水平，再進(jìn)行脫膠處理的正交試驗(yàn)，從而確定出最佳的脫膠工藝。

1.4 性能指標(biāo)測(cè)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(yàn)方法中段稱重法》，采用中段切斷稱重法測(cè)量細(xì)度；參照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》測(cè)試?yán)煨阅堋?/p>

2 結(jié)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(duì)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(píng)價(jià)NaOH濃度對(duì)山麻桿纖維三個(gè)可紡性指標(biāo)(斷裂強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)力和細(xì)度)的影響。浴比1∶30，溫度100 ℃，脫膠時(shí)間180 min。不同NaOH濃度下測(cè)得的山麻桿韌皮纖維可紡性指標(biāo)測(cè)試結(jié)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(biāo)

NaOH濃度/g·L-1細(xì)度/dtex斷裂強(qiáng)力/cN斷裂強(qiáng)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(xì)度隨著堿液濃度的上升出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，但在濃度較低時(shí)，細(xì)度下降非常明顯，當(dāng)堿液濃度超過(guò)35 g/L時(shí)，細(xì)度下降趨向緩和；而山麻桿韌皮纖維的斷裂強(qiáng)度則隨著堿液濃度的上升出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在濃度較低時(shí)，斷裂強(qiáng)度提高很明顯，當(dāng)堿液濃度超過(guò)35 g/L時(shí)，斷裂強(qiáng)度下降緩慢?？梢?jiàn)，NaOH能有效去除山麻桿韌皮中所含的各種非纖維素物質(zhì)，但并非是濃度越大越好。當(dāng)濃度較低時(shí)，能有效去除半纖維素、果膠等物質(zhì)，此時(shí)纖維素大分子鏈活動(dòng)自由度提高，大分子鏈之間將會(huì)形成新的氫鍵，因此山麻桿韌皮纖維內(nèi)部的結(jié)晶度將會(huì)提高，斷裂強(qiáng)度便會(huì)增大。但濃度過(guò)高后，一方面堿會(huì)對(duì)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(jié)合力下降，從而使纖維的斷裂強(qiáng)度也會(huì)下降[7-8]。

2.1.2 浴比

浴比的變化對(duì)韌皮纖維脫膠效果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響， NaOH濃度35 g/L，溫度100 ℃，時(shí)間180 min。不同浴比下測(cè)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(biāo)

浴比細(xì)度/dtex斷裂強(qiáng)力/cN斷裂強(qiáng)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(xì)度出現(xiàn)一直降低的變化趨勢(shì)，浴比從1∶10提高到1∶30時(shí)，細(xì)度降低較快，但浴比從1∶30提高到1∶50時(shí)，細(xì)度變化很小，而山麻桿韌皮纖維斷裂強(qiáng)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(jī)會(huì)不一樣有關(guān)。當(dāng)浴比小時(shí)，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(zhì)去除；當(dāng)浴比繼續(xù)提高后，由于堿的含量都同時(shí)增加，因此不但脫膠效果好，果膠等物質(zhì)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(huì)提高，但由于堿在堿液中分離度也會(huì)變大，降低了堿與山麻桿韌皮接觸的機(jī)會(huì)，因此脫膠效果會(huì)變差。

2.1.3 脫膠時(shí)間

山麻桿韌皮質(zhì)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(shí)間較短，脫膠效果不充分；但堿煮時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，山麻桿韌皮纖維的纖維素就會(huì)被破壞，從而引起纖維斷裂強(qiáng)度下降。另外一方面，脫膠后廢液中的果膠會(huì)重新黏附到纖維表層，因此需確定較適宜的脫膠時(shí)間。堿濃度35 g/L，浴比1∶40。不同脫膠時(shí)間下測(cè)得的山麻桿韌皮纖維可紡性指標(biāo)如表3所示。

表3不同脫膠時(shí)間下山麻桿韌皮纖維可紡性指標(biāo)

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

2.2 正交試驗(yàn)分析

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三因素三水平L9(33)正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)序號(hào)NaOH濃度A/g·L-1浴比B脫膠時(shí)間C/min纖維細(xì)度/dtex纖維斷裂強(qiáng)度/cN·dtex-1123456789細(xì)度k1細(xì)度k2細(xì)度k3細(xì)度極差R斷裂強(qiáng)度k1斷裂強(qiáng)度k2斷裂強(qiáng)度k3斷裂強(qiáng)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(yàn)分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于山麻桿韌皮纖維細(xì)度的影響，堿的濃度最大，脫膠時(shí)間最??；對(duì)于山麻桿韌皮纖維斷裂強(qiáng)度的影響，堿的濃度最大，浴比最小?？梢?jiàn)，對(duì)細(xì)度和斷裂強(qiáng)度影響最大的都是堿液濃度，這是因?yàn)镹aOH能有效地分離糖類、果膠等半纖維素物質(zhì)與纖維素，纖維內(nèi)部的結(jié)晶度提高，但NaOH濃度過(guò)高也會(huì)損傷纖維素[11-12]，所以從正交試驗(yàn)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(shí)間180 min 時(shí)，脫膠效果最好，纖維細(xì)度2.10 dtex，斷裂強(qiáng)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(jié)論

通過(guò)對(duì)山麻桿韌皮進(jìn)行化學(xué)脫膠單因素分析可知，在堿濃度35 g/L，浴比為1∶40，脫膠時(shí)間300 min時(shí)，纖維細(xì)度達(dá)到2.08 dtex，斷裂強(qiáng)度達(dá)到38.56 cN/dtex。在化學(xué)脫膠單因素分析的基礎(chǔ)之上，對(duì)山麻桿韌皮采用正交試驗(yàn)進(jìn)行再次優(yōu)化分析。當(dāng)NaOH濃度40 g/L，浴比1∶40，脫膠時(shí)間180 min時(shí)，脫膠效果最好，纖維細(xì)度2.10 dtex，斷裂強(qiáng)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。