桑皮纖維的綠色高效脫膠工藝

閔庭元 ，周 彬，王美紅

(1.鹽城市纖維檢驗(yàn)所，江蘇 鹽城 224000；2.鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224000)

1 前言

桑皮纖維來源于桑樹枝條的韌皮部分，屬天然植物纖維素纖維，是一種新型的高附加值純天然纖維。由于桑皮中纖維素含量較低，僅30%左右，纖維較短，而半纖維素、木質(zhì)素和果膠的含量較高，因此，如何有效地從桑皮纖維中提取可紡纖維是桑皮纖維利用的關(guān)鍵所在，脫膠工藝的選擇和脫膠程度的控制決定了桑皮纖維的可紡性能。

目前，傳統(tǒng)的脫膠方法有微生物脫膠法和化學(xué)脫膠法。桑皮微生物脫膠法是利用微生物產(chǎn)生的酶快速降解桑皮膠質(zhì)成分，此方法受環(huán)境影響大，耗費(fèi)時間長，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量難以保證，不利于產(chǎn)業(yè)化[1]?；瘜W(xué)脫膠法是利用酸、堿、氧化物對桑皮中的膠質(zhì)和纖維素的作用性質(zhì)不同，通過煮練水洗等化學(xué)、物理機(jī)械手段使膠質(zhì)與纖維分離，一般采用二煮法，有脫膠過度的弊端。本文結(jié)合桑皮的性能指標(biāo)，采用超聲波-生物酶-化學(xué)聯(lián)合的脫膠方法對桑皮進(jìn)行脫膠，探索一種高效、綠色、低碳的桑皮纖維脫膠工藝[1-5]。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原料

1～2年桑樹皮(產(chǎn)自江蘇鹽城)。

2.2 試劑

堿性果膠酶(青島康地恩生物科技有限公司，KDN-T04過氧化氫酶)、氫氧化鈉(AR)、濃硫酸、多聚磷酸鈉、水玻璃。

2.3 儀器

TXD-2024R超聲波清洗機(jī)(深圳市同欣達(dá)超聲波設(shè)備有限公司，1 200 W，28 kHZ)、Y802八籃烘箱、pH計(jì)、電子分析天平(1 mg)。

2.4 脫膠工藝

2.4.1 傳統(tǒng)二煮法脫膠工藝

桑皮除雜→水浸→錘洗→預(yù)處理→ 一煮→水洗→二煮→酸漂洗→水洗→皂洗→水洗→烘干→后整理[2]

2.4.2 超聲波-生物酶-化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝

桑皮自然、機(jī)械處理→浸酸預(yù)處理→中和→酶處理→水洗→堿煮→打纖→酸洗→水洗→脫水→抖松→干燥

其中：

浸酸預(yù)處理：硫酸溶液1.5 g/L，溫度 50～60 ℃，浴比 1∶(15～20)，處理時間 1 h；

中和：氫氧化鈉溶液 2.5 g/L，常溫常壓，處理時間 0.5 h；

酶處理：堿性果膠酶(液態(tài)濃縮型，主要包括原果膠酶，裂解酶和果膠水解酶)，配制2%～5%的堿性果膠酶溶液，溫度 55 ℃，常壓 ，pH=9.0，浴比 1∶20，處理時間 3 h；

堿煮：氫氧化鈉溶液10～12 g/L，在每1 000 mL氫氧化鈉溶液中分別加入(30～50)g三聚磷酸鈉與(30～80)g 水玻璃，配制成堿煮液，溫度 100 ℃，常壓，浴比1∶ (15～20)，處理時間 3 h；

水洗：濾除堿液，用蒸餾水反復(fù)浸泡搓洗2～5次。

烘干：Y802八籃烘箱，溫度 (105±3)℃，常壓，處理時間1 h。

3 工藝分析

3.1 超聲波脫膠作用

超聲波-生物酶-化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝中的預(yù)處理、酶處理、水洗、堿煮、酸洗等過程均在TXD-2024R超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行。其作用機(jī)理為：當(dāng)超聲波作用于液體溶液時，液體介質(zhì)要作壓縮與稀疏的周期振動，從而引起液體內(nèi)部各點(diǎn)受到壓力或拉伸力作用，拉伸力的作用會將大量液體撕裂，并形成大量微小氣泡，即空化泡。當(dāng)這些巨量空化泡破裂時，能放出巨大的能量，可以產(chǎn)生高達(dá)幾百個大氣壓的局部瞬間壓力，從而形成沖擊波，對浸在液體內(nèi)部的固體物質(zhì)表面形成強(qiáng)大的沖擊與破壞。這就是高強(qiáng)度超聲波特有的“空化效應(yīng)”。當(dāng)超聲波頻率達(dá)到一定程度時，還可以使大分子解聚。利用超聲波的空化效應(yīng)作用于桑皮的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)，能大大提高桑皮纖維的脫膠效率，并極大地減少化學(xué)試劑的濃度、用量及作用時間，從而達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、高效的目的[6]。

3.2 桑皮自然、機(jī)械處理

經(jīng)日曬處理后的桑皮纖維，膠質(zhì)干化，其與纖維的黏著力已經(jīng)大大降低，經(jīng)過機(jī)械捶打，可以極大地減小膠質(zhì)與纖維的結(jié)合程度，便于酶及化學(xué)試劑的吸附與滲透。部分膠質(zhì)已脫離纖維，可直接去除。同時可以除去大部分的蠟質(zhì)及部分外皮，大大減小脫膠壓力。

3.3 試樣浸酸預(yù)處理及堿中和

煮練前的浸酸預(yù)處理，采用硫酸可去除一部分果膠和雜質(zhì)，減輕以后的煮練負(fù)擔(dān)，提高煮練效率。由于酸在高溫條件下會使纖維素發(fā)生水解，所以溫度不能太高(一般不高于60 ℃)，同時高濃度的酸會引起纖維水解，因此酸濃度也不宜過高。浸酸預(yù)處理后，纖維上殘留的酸必須用堿中和，為堿性果膠酶的處理提供一個可靠的堿性環(huán)境。

3.4 堿性果膠酶處理

堿性果膠酶能有效分解去除果膠質(zhì)及其它共生物雜質(zhì)，是一種比較理想的生物精練和煮練酶，脫膠效率高，可減少堿、酸(中和)和水(清洗)的用量；不損傷纖維，不影響纖維強(qiáng)力，低能耗、低水耗，降低廢水中TDS、COD、BOD指數(shù)，減少環(huán)境污染，減輕污水處理壓力，降低污水治理費(fèi)用；同時，作業(yè)環(huán)境安全，對環(huán)境、操作人員及設(shè)備均無害。

3.5 堿煮

高溫堿煮的作用主要是去除木質(zhì)素，在此過程中木質(zhì)素大分子發(fā)生分解，變成能溶于水的小分子物質(zhì)。另外，酸處理過程中沒有被溶解的果膠在堿煮過程中也一并去除。由于纖維素在一般情況下對堿穩(wěn)定，但在強(qiáng)堿高溫條件下也會發(fā)生水解。堿的濃度對纖維的各項(xiàng)性能也有較大的影響，濃度過大，纖維脫膠較好，但對纖維損傷嚴(yán)重；濃度過小，脫膠不干凈，梳理困難，難以成紗。所以，煮練過程對堿溫度、濃度要嚴(yán)格控制。在煮練液中同時加入多聚磷酸鈉、水玻璃等助劑，三聚磷酸鈉是一種煮練助劑，可增強(qiáng)煮練時的去污效果；硅酸鈉具有較強(qiáng)的吸附性能，可以吸附雜質(zhì)，避免分解后的雜質(zhì)二次污染纖維；同時也有較強(qiáng)的絡(luò)合能力，能軟化硬水，可與煮練液中的多價金屬離子(鈣、鎂、鐵等)生成較穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而加速煮練過程，并能穩(wěn)定和提高脫膠質(zhì)量，脫膠后的纖維具有強(qiáng)度高、短纖少、分離好、制成率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。

3.6 水洗及烘干

堿煮后的桑皮纖維，需用蒸餾水洗至中性或弱堿性，濾除多余水分，自然晾干2～3天，然后用烘箱烘干。在烘干過程中，每隔20 min翻動一次。烘干時，溫度不宜過高，時間不宜過長，以免損傷纖維。

4 工藝比較

大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明化學(xué)脫膠法(二煮法)存在脫膠過度的弊端，破壞了桑皮纖維的結(jié)構(gòu)，短絨較多，使纖維表面粗糙，可紡性差、制成率低，且工藝流程長、操作相對復(fù)雜，同時對環(huán)境也會造成嚴(yán)重污染，不符合現(xiàn)代紡織工業(yè)清潔化、低碳生產(chǎn)的理念，因此也限制了其產(chǎn)業(yè)化[2]。

本文所述的超聲波-生物酶-化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝能很好地解決現(xiàn)有脫膠工藝的不足，工藝流程短，處理時間短，作用條件溫和，所用試劑如生物酶綠色環(huán)保，減少對環(huán)境的污染。所得桑皮纖維的性能指標(biāo)也有所改善(見表1)?？梢?，此脫膠方法達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、高效的目的。

表1 不同方法所得桑皮纖維的性能對比

5 結(jié)語

桑皮纖維的開發(fā)，屬于新型天然紡織材料研發(fā)領(lǐng)域的一次新的突破。采用高效、低污染的方法對桑皮進(jìn)行開發(fā)利用符合當(dāng)今“低碳、環(huán)保、節(jié)能”的大形勢，必將會有巨大的開發(fā)前景。

[1]龐宗文.桑皮微生物脫膠機(jī)理的初步研究[J].絲綢，2008(8)：34-36.

[2]叢銳利，董衛(wèi)國.桑皮纖維的化學(xué)提取方法及性能測試[J].山東紡織科技，2007(4):23-25.

[3]董震，丁志榮.桑皮纖維的脫膠工藝研究[J].上海紡織科技，2008(11)：20-22.

[4]張之亮．桑皮纖維脫膠工藝和結(jié)構(gòu)性能研究[D].上海：東華大學(xué),2005:45-75．

[5]荊學(xué)謙，楊佩鵬，武海良.桑皮纖維脫膠工藝初探[J].中國麻業(yè)，2006,28(4)：182-186.

[6]楊英賢.超聲波在羅布麻脫膠預(yù)處理中的應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2005(5)：74-76.