楊銀芝，方凱煬，劉雨晴，劉 拯，2，曹新旺，2

(1.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.湖北省紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200)

竹筍殼是竹材生長(zhǎng)過(guò)程中的廢棄物，是一種可降解的天然纖維，竹筍殼大多被就地掩埋或直接作為農(nóng)業(yè)廢棄物焚燒，沒(méi)有被很好地利用，造成了相當(dāng)大的資源損失和環(huán)境問(wèn)題[1-2]。以竹筍殼為原料提取其中的纖維素可以緩解原料需求緊張的問(wèn)題，目前已有的脫膠方法主要有物理脫膠[3]、化學(xué)脫膠、生物脫膠等[4-9]，相對(duì)于其他方法而言，化學(xué)脫膠法處理更加快速、節(jié)省時(shí)間。Zhou等[10]利用芬頓試劑和過(guò)氧化氫對(duì)亞麻纖維進(jìn)行脫膠處理，使得脫膠后纖維的品質(zhì)有了很大的提高，但斷裂強(qiáng)力減弱。周曉潔等[11]采用預(yù)浸酸、堿煮等工藝對(duì)竹筍殼材料進(jìn)行脫膠，得出了最佳脫膠方法，但脫膠工藝繁瑣。Cui等[12]使用蒸汽爆破分散纖維，這種方法能有效地去除大部分的非纖維素成分，但對(duì)設(shè)備要求較高。

研究采用酸預(yù)處理結(jié)合堿氧-浴法脫膠工藝獲取竹筍殼纖維，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，結(jié)合紅外光譜儀對(duì)提取的竹筍殼纖維的性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

研究中使用的原料為武漢紡織大學(xué)纖維園區(qū)成熟自然脫落的竹筍殼、98%硫酸、NaOH、30%H2O2、硅酸鈉、亞硫酸鈉、三聚磷酸鈉等化學(xué)物質(zhì)均為實(shí)驗(yàn)室級(jí)(阿拉丁化學(xué)注冊(cè)公司，上海，中國(guó))，HH-ZK6恒溫水浴鍋(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)。

1.2 竹筍殼脫膠工藝流程

竹筍殼預(yù)處理→酸預(yù)處理→水洗→堿煮→水洗→酸洗→烘干→竹筍殼纖維。

竹筍殼預(yù)處理：將竹筍殼切成小塊(縱向30 mm，橫截面2 mm×2 mm)，然后用50 ℃的溫水清洗去除表面的雜質(zhì)及絨毛，再將其放在70 ℃的烘箱中至烘干。

酸預(yù)處理：預(yù)處理過(guò)的竹筍殼用2 mL·L-1浴比為1∶40的濃硫酸在溫度為60 ℃的水浴鍋中加熱1 h。

水洗：常溫下用清水將竹筍殼洗滌至中性，并將其放入烘箱中70 ℃烘干備用。

堿煮脫膠：在高溫堿性條件下去除竹筍殼中的半纖維素、木質(zhì)素、果膠等非纖維素成分。并添加適量的硅酸鈉、亞硫酸鈉等助劑以加速纖維的膨化，增加其與堿液接觸面積提高脫膠效率。

酸洗：配制2 mL·L-1的硫酸溶液，將脫膠后的竹筍殼在其中浸泡3～5 min，中和殘留的堿液，并且還能夠提高纖維白度。

水洗：常溫用清水洗滌至中性。

烘干：在70 ℃烘箱中進(jìn)行烘干備用。

1.3 竹筍殼纖維殘膠率

殘膠率分析參考GB 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析法》進(jìn)行測(cè)試。

1.4 紅外測(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，波數(shù)測(cè)試范圍400～4 000 cm-1，推測(cè)纖維中含有特征基團(tuán)的情況對(duì)處理前后竹筍殼纖維微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和討論

通過(guò)大量單因子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)堿氧浴處理中氫氧化鈉濃度、堿煮時(shí)間、溫度及過(guò)氧化氫濃度是主要影響因素。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中添加適量助劑硅酸鈉、亞硫酸鈉等可以使纖維膨化，增加纖維與溶液的接觸面積，提高反應(yīng)速度。

2.1 氫氧化鈉用量對(duì)殘膠率的影響

氫氧化鈉濃度對(duì)殘膠率的影響如圖1。根據(jù)孫穎等[13]的脫膠工藝，設(shè)定氫氧化鈉處理時(shí)間為2.5 h，過(guò)氧化氫濃度為20 mL·L-1，浴比為1∶40，溫度為90 ℃，竹筍殼纖維殘膠率隨氫氧化鈉用量的增加而減少，表明隨著氫氧化鈉用量的增加竹筍殼膠質(zhì)去除率也越高，但在氫氧化鈉濃度為22 g·L-1后殘膠率減少得較緩慢，因此氫氧化鈉適宜用量范圍為20～24 g·L-1。

圖1 氫氧化鈉濃度對(duì)竹筍殼殘膠率的影響Fig.1 Effect of sodium hydroxide concentration on residual gum rate of bamboo sheaths

2.2 過(guò)氧化氫用量對(duì)殘膠率的影響

過(guò)氧化氫用量對(duì)殘膠率的影響如圖2。設(shè)定過(guò)氧化氫處理時(shí)間為2.5 h，氫氧化鈉濃度為20 g·L-1，浴比為1∶40，溫度為90 ℃，由圖2知隨著過(guò)氧化氫用量的增加竹筍殼殘膠率先減少后增加，過(guò)氧化氫適宜用量為25～35 mL·L-1。

圖2 過(guò)氧化氫濃度對(duì)竹筍殼殘膠率的影響Fig.2 Effect of hydrogen peroxide concentration on residual gum rate of bamboo sheaths

2.3 堿煮時(shí)間對(duì)殘膠率的影響

竹筍殼纖維的殘膠率隨時(shí)間變化如圖3所示。定氫氧化鈉濃度為20 g·L-1，過(guò)氧化氫濃度為20 mL·L-1，浴比1∶40，溫度為90 ℃，隨著時(shí)間的增加竹筍殼纖維殘膠率先減少后增加，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不僅能耗高，而且對(duì)纖維的品質(zhì)有一定的損傷，因此選擇時(shí)間段為2～3 h。

圖3 堿煮時(shí)間對(duì)竹筍殼殘膠率的影響Fig.3 Effect of alkali treatment time on residual gum rate of bamboo sheaths

2.4 堿煮溫度對(duì)殘膠率的影響

竹筍殼纖維的殘膠率隨溫度變化如圖4所示。定氫氧化鈉為20 g·L-1，過(guò)氧化氫20 mL·L-1，浴比1∶40，時(shí)間為2.5 h，由圖5可知?dú)埬z率隨著溫度升高而降低，選擇溫度范圍是90～100 ℃。

圖4 堿煮溫度對(duì)竹筍殼殘膠率的影響Fig.4 Effect of alkali treatment temperature on residual gum rate of bamboo sheaths

圖5 竹筍殼纖維的紅外圖譜(a)脫膠前 (b)脫膠后Fig.5 Infrared spectrum of bamboo sheath fiber(a) before degumming (b) after degumming

2.5 殘膠工藝正交試驗(yàn)

通過(guò)大量單因子實(shí)驗(yàn)確定脫膠工藝流程中氫氧化鈉濃度、堿煮時(shí)間、溫度及過(guò)氧化氫濃度范圍如表1所示。

表1 氫氧化鈉濃度對(duì)竹筍殼殘膠率的影響

由表2可知，影響殘膠率考查指標(biāo)的因素主次順序?yàn)镃>A>B>D，即脫膠溫度對(duì)竹筍殼纖維的提取影響因素最大。正交試驗(yàn)的最優(yōu)方案為：A3B2C3D3，即堿濃度24 g·L-1、過(guò)氧化氫濃度35 mL·L-1、溫度95 ℃、處理時(shí)間3 h，按照最優(yōu)工藝處理竹筍殼纖維其殘膠率為15.10%。

表2 竹筍殼纖維殘膠正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及測(cè)試數(shù)據(jù)

2.6 紅外分析

脫膠前后竹筍殼纖維的紅外光譜圖如圖6所示，由圖6知，脫膠前后竹筍殼纖維的紅外峰值基本相同，但脫膠后竹筍纖維較原竹筍殼纖維在1 732 cm-1、1 250 cm-12處的吸收峰消失了，而1 732 cm-1處的吸收峰是因?yàn)楹蠧=O基團(tuán)，這是半纖維素的特征吸收峰，1 250 cm-1處的吸收峰是C-O伸縮振動(dòng)，這是木質(zhì)素的特征吸收峰，可以看出經(jīng)酸堿處理后半纖維素和木質(zhì)素已經(jīng)被基本去除了[14-16]。處理后的竹筍殼纖維在3 323 cm-1處的吸收峰加強(qiáng)這是-OH的伸縮振動(dòng)，由于氫氧化鈉能夠作用于羥基導(dǎo)致部分氫鍵斷裂從而釋放更多-OH出來(lái)[17-20]。

3 結(jié)論

采用酸預(yù)處理結(jié)合堿氧脫膠方法對(duì)竹筍殼纖維進(jìn)行脫膠，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到優(yōu)化的工藝參數(shù)為：堿煮溫度為95 ℃，堿液質(zhì)量濃度為24 g·L-1，過(guò)氧化氫質(zhì)量濃度35 mL·L-1，堿煮時(shí)間為3 h。對(duì)竹筍殼纖維脫膠的影響因素順序?yàn)椋好撃z溫度>堿液濃度>過(guò)氧化氫濃度>堿煮時(shí)間。紅外光譜表征結(jié)果表明經(jīng)過(guò)堿氧-浴脫膠處理后竹筍殼纖維中的半纖維素、木質(zhì)素及果膠等非纖維素成分得到了有效地去除。該方法也可應(yīng)用于其它材料。研究所得竹筍殼纖維作為新型環(huán)保纖維，是一種潛在的天然纖維資源，可廣泛應(yīng)用于紡織、復(fù)合材料、醫(yī)療保健等方面，如果開(kāi)發(fā)利用，將有廣闊的市場(chǎng)。