罗布麻脱胶过程中纤维组成结构与性能变化研究9-46

徐天匹  巩继贤  林本术  张健飞*  孟繁杰  王莉      1. 天津工业大学纺织学院   2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室   3. 戈宝绿业(深圳)有限公司

原载:第九届全国染整前处理学术讨论会论文集;377-383

 

【摘要】罗布麻纤维是一种性能优良的天然纤维素纤维,在当前石油资源日益枯竭的背景下,罗布麻提供了生物基高分子材料的新来源。对罗布麻纤维脱胶过程中纤维组分变化以及性能变化进行分析,研究脱胶过程中纤维组分与性能的变化规律,为寻求最佳的脱胶工艺参数提供依据。

【关键词】罗布麻;脱胶;组分;性能

 

罗布麻是具有中国特色的珍稀药用植物资源,除了作为药用植物,因为罗布麻麻皮的韧皮组织中含有大量的纤维素,还可用作纺织纤维。罗布麻纤维具有天然的抗菌和防紫外等保健功能,是一种性能优良的天然纤维素纤维。在当前石油资源日益枯竭的背景下,罗布麻提供了生物基高分子材料的新来源。

本文对罗布麻纤维脱胶过程中纤维组分变化以及性能变化进行分析,研究脱胶过程中纤维组分与性能的变化规律,为寻求最佳的脱胶工艺参数提供依据。

1  材料与方法

1.1   

罗布麻韧皮纤维为新疆阿勒泰地区的罗布红麻,新疆戈宝红麻有限公司提供。

1.2  药品与试剂

碳酸钠,硅酸钠,氢氧化钠,苯,无水乙醇,氯仿,甲醇,双氧水,硫脲,麻脱胶酶

1.3  仪器与设备

DL-101-1型电热鼓风干燥箱(天津市中环实验电炉有限公司),XW-HWR-16×24型红外线小样机(靖江市新旺染整设备厂),ZDHW型调温电热套(黄骅市中兴仪器有限公司),UV2401-PC型紫外可见光分光光度计(日本岛津公司),SZCL-4B型智能磁力加热搅拌器(巩义市予华仪器有限公司),SHB-1型循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司),JKDC-WX型真空干燥箱(无锡市设备有限公司)

1.4  脱胶方法

本研究中罗布麻纤维的脱胶选用氧化还原预处理的碱脱胶工艺,工艺流程:

浸润→氧化→还原→碱煮→热水洗→冷水洗

工艺处方:

1)氧化:

双氧水浓度(mol/L   0.15-0.6

硅酸钠(g/L        5

JFCg/L      1

温度(℃)     70

氧化时间(min  15-75

2)还原:

硫脲浓度(mol/L        0.05-0.20

硅酸钠(g/L        5

JFCg/L      1

温度(℃)常温

还原时间(min  45

3)碱煮:

NaOHg/L 30

Na2CO3g/L        0.5

Na2SiO3g/L       0.5

JFCg/L      0.5

处理时间(h       0.5-2

温度(℃)     60-100

1.5  测试方法

1.5.1  纤维的组分分析

按照GB 5889-86《苎麻化学成分定量分析方法》操作要求,将麻样随机分取,做成每个重约5g的试样,共3个,按照GB 5881-86《苎麻理化性能试验取样方法》规定进行。测定原麻的含水率,按照GB-5883-86《苎麻回潮率、含水率试验方法》。

1.5.2  纤维形态的观测

用扫描电镜进行观察。

1.5.3  纤维性能的测试

1)机械性能

纤维强力参照GB5882-86标准进行测试。

2)导热性能

使用YBF-2型导热系数测试仪,按照GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定》进行测试。

3)吸湿性能

按照GB-5883-86《苎麻回潮率、含水率试验方法》进行测试。

4)导电性能

使用BCHK-DCY3K型导电系数测试仪,按照FZ/T01060-1999标准进行测试。

2  结果与讨论

2.1  脱胶过程中纤维组分的变化

罗布麻纤维的主要化学成分包括纤维素、半纤维素、果胶质、木质素和水溶物等,在脱胶过程中主要是除去部分果胶和半纤维素等非纤维物质。在预处理碱煮脱胶工艺中,脱胶过程中纤维组分的变化如图1所示。

1  脱胶过程中纤维组分变化

 

脂蜡质%

水溶物%

果胶质%

半纤维素%

木质素%

纤维素%

原麻

2.42

6.88

18.48

11.52

16.23

44.47

氧化后

2.11

3.17

12.72

17.75

4.91

59.34

还原后

2.16

2.45

9.68

15.88

1.11

68.72

碱煮后

2.31

1.61

3.27

12.80

0.16

79.85

由实验结果可以看出,在使用双氧水氧化后与原麻相比,木质素的含量出现了大幅度的下降,果胶质含量出现了一定程度的下降。这一结果的主要原因是高温条件下双氧水得到活化,醌型结构、木质素酚型结构的苯环及含有羰基和具有α、β烯醛结构的侧链上的发生氧化反应,使侧链断开并导致芳香环氧化破裂,最后形成一系列的二元羧酸和芳香酸,从而使木质素从纤维中溶出。

在经过还原处理后,纤维中木质素和果胶质含量均又有一定程度的下降,但是减少的幅度较少。而在碱煮后,精干麻中的果胶质含量出现大幅度下降,木质素含量也同时出现了一定程度的下降,纤维素含量增大。这一结果的主要原因是可溶性果胶在碱液中溶于水;其次是由于钠离子是一种水合能力很强的离子,固定在他周围的水分子是很多的,或者说是其水化层很厚,当它与纤维素大分子结合时,有大量水分子被带入纤维内部,从而引起纤维的剧烈溶胀。纤维素在碱液中发生溶胀使得纤维表面覆盖着成片的果胶因附着的纤维发生溶胀而发生破裂,进而碎片变小从纤维上脱落,使纤维凸显出来,导致精干麻中的果胶质含量降低。

同时在高温下条件木质素与碱溶液反应,木质素中的各种醚键(α-芳基醚,α-烷基醚,β-芳基醚)受强碱中亲核试剂OH-的作用而断开,木质素大分子降解。在醚键断裂过程中,伴随着脱芳环基、脱烷基、脱甲醛等反应,使木质素分子逐渐降解而溶出:其中以非酚型结构的β-芳基醚键断裂的脱芳环基反应为引起木质素降解的主要反应,但此反应只是在α-位置有醇羟基的情况下才出现。因此,碱对木质素的作用并不是很强烈很彻底,只能对部分木质素发生反应。

2.2  脱胶过程中纤维形态的变化

氧化还原预处理的碱脱胶工艺过程中各工艺环节的精干麻样品,通过扫描电镜进行观测,可以直观地反映脱胶过程纤维形态的变化,如图2所示。 

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a. 韧皮纤维

b. 双氧水氧化后的精干麻纤维

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c. 硫脲还原后的精干麻纤维

d. 碱煮后的精干麻纤维

1  脱胶过程中罗布麻纤维500倍电镜照片

由图1可以直观地看出脱胶过程中的各个工艺步骤对脱胶效果都起着一定的作用。由图1a和图1b的比较可以看出,精干麻原麻经过双氧水氧化后纤维表面的胶质及杂质相当一部分已经去除,但是仍然残有部分胶质附着在纤维表面。已经完全显现出纤维的形态。说明双氧水的氧化作用能够去除纤维表面的大部分物质,能够完全显现纤维的形态,但是脱胶效果并不完全,精干麻的品质需要辅以后续脱胶工序,提高精干麻纤维的品质。

由图1c和图1b的比较可以看出,精干麻纤维经过硫脲还原后纤维表面所附着的胶质及杂质大部分脱落去除,但是仍有部分不连续的胶质粘附在纤维表面。纤维的形态已经完整地显现出来,纤维的整体品质较优。说明硫脲的还原的作用能够促进纤维表面胶质及杂质的去除,有利于提高精干麻纤维的整体品质。

从图1d和图1c可以发现韧皮纤维经过碱煮后纤维表面所残有的胶质大部分碎裂从纤维表面脱落,纤维表面未出现明显的裂痕,表面整体较为平整光滑,说明碱煮能够有效地去除纤维表面的胶质,提高纤维的整体品质。

2.3  脱胶过程中纤维性能的变化

2.3.1  精干麻的机械性能

对氧化还原预处理的碱脱胶工艺过程中各工艺流程中精干麻样品的取样通过测试精干麻束纤维的强力表述脱胶过程的纤维强力的变化,如图2所示。

 

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2  脱胶过程中精干麻束纤维强力变化

通过图2可以直观地得出,随着脱胶工艺的进行精干麻的束纤维强力逐渐降低。其中经过还原后的精干麻束纤维强力与经过氧化后的束纤维强力相比较,出现了较大幅度的下降。主要原因是经过双氧水氧化后的精干麻纤维之间还存在一定的胶质使得纤维之间能够交联在一起;经过在硫脲还原处理和碱煮处理后,纤维之间的胶质减少,使得纤维之间的交联被进一步破除,使得束纤维的强力出现了下降。

2.3.2  精干麻的热性能

对氧化还原预处理的碱脱胶工艺过程中各工艺流程中精干麻样品的取样,通过测试精干麻纤维的热性能表述果胶过程的纤维强力的变化,如图3所示。

image003.jpg

3  脱胶过程中精干麻束纤维导热系数变化

由图3可以的直观地得出,随着脱胶工艺的进行,精干麻的导热系数逐渐上升,由此可得出精干麻的导热性能逐渐提高,束纤维的保温性能逐渐下降。其中原麻经过双氧水氧化处理后,精干麻的导热系数大幅度的上升,精干麻的导热性能出现了很大程度的提高。主要原因是由于经过氧化处理后精干麻中的木质素和果胶质大量减少,使得纤维的形态出现了明显的变化,单纤维间的交联受到了很大程度的破坏,直接导致精干麻纤维的导热性能提高。

2.3.3  精干麻的吸湿性能

对氧化还原预处理的碱脱胶工艺过程中各工艺流程中精干麻样品的取样,通过测试精干麻纤维的回潮率表述果胶过程的纤维吸湿性能的变化,如图4所示。

image005.jpg

4  脱胶过程中精干麻束纤维吸湿性能变化

由图4可以直观地得出,随着脱胶工艺的进行罗布麻精干麻的吸湿性能逐渐提高。其中原麻经过双氧水氧化后精干麻纤维的吸湿性能大幅度提高;同时经过碱煮处理后的精干麻纤维相比较与硫脲还原后的精干麻纤维的吸湿性能也出现了较大幅度的提高。主要原因是覆盖在纤维表面的胶质的主要成分是木质素和果胶质,这两种物质结构中都含有大量的苯环结构,对环境中的水分都不能够进行吸收。在脱胶过程中,纤维表面的胶质逐渐被去除,纤维逐渐显露在空气中,因此精干麻纤维的稀释性能得以得到提高。

2.3.4  精干麻的导电性能

对氧化还原预处理的碱脱胶工艺过程中各工艺流程中精干麻样品的取样,通过测试精干麻纤维的质量比电阻表述果胶过程的纤维导电性能的变化,如图5所示。

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5  脱胶过程中精干麻束纤维导电性能变化

由图5可以直观地得出,随着脱胶工艺的进行,罗布麻精干麻的质量比电阻逐渐降低,纤维的导电性能在不断提高。其中原麻经过双氧水氧化后精干麻纤维的质量比电阻大幅度降低,导电性能大幅度提高。主要原因是覆盖在纤维表面的胶质的主要成分是木质素和果胶质,这两种物质结构中都含有大量的苯环结构,并不能成为导电过程的优质中间介质。在脱胶过程中,纤维表面的胶质逐渐被去除,纤维逐渐显露,纤维中含有大量的羟基结构可降低纤维的质量比电阻,提高纤维的导电性能。

3   

1)脱胶过程中的双氧水氧化步骤主要作用于木质素的侧链结构,使得精干麻纤维中的木质素含量大幅度降低。

2)脱胶过程中硫脲还原步骤主要起着双氧水氧化的辅助作用,进一步降低精干麻纤维中木质素和果胶质的含量。

3)脱胶过程中的碱煮步骤主要是通过钠离子对纤维的溶胀作用,使得覆盖在纤维的木质素以及不溶性的果胶质发生裂解从纤维表面脱落。

4)纤维表面覆盖着的胶质,胶质的主要结构严重影响了精干麻纤维的导电、导热和吸湿等性能。随着脱胶过程中胶质从纤维表面脱落,纤维逐渐显露,精干麻纤维的各项性能都在一定程度上得到提高。

参考文献:

1]周裔彬,刘正初,彭源德等.罗布麻脱胶时有机物总量变化规律的研究[J.纺织学报,2003244):21-23

2]张元明,韩光亭.不同脱胶方法加工罗布麻精干麻品质比较[J.中国麻业,2005272):81-85

3Leilei Wang Guangting Han Yuanming Zhang. Comparative study- of composition structure and properties of Apocynum venetum fibers under pretreatmentsJ.Carbohydrate Polymers2007 69 391-397

4Yuan ming ZhangGuang ting Han. Influence on the Quality of Apocynum Venetum with Different degumming MethodsJ. Journal of Donghua University 2006 4): 37-42

5Fredi Bru hlmann Marianne Leupin Karl H. Erismann Armin Fiechter. Enzymatic degumming of ramie bast fibersJ. Journal of Biotechnology 2000 76 43-50