稻秸稈纖維的吸濕性能

劉玉森， 陳 莉， 劉 冰， 王 馳

(1. 西安工程大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

稻秸稈纖維的吸濕性能

劉玉森1， 陳 莉2， 劉 冰2， 王 馳2

(1. 西安工程大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

為拓展稻秸稈纖維的應(yīng)用，利用掃描電鏡對稻秸稈纖維的表面形態(tài)進行表征，測試了稻秸稈纖維、亞麻纖維、棉纖維在標準大氣條件下的吸放濕特性，繪出了3種纖維的吸放濕回歸曲線，推導(dǎo)出吸濕和放濕速率回歸方程，對比分析了3種纖維吸濕性能的差異。結(jié)果表明：稻秸稈纖維縱向有大量溝槽，比表面積很大；稻秸稈纖維具有良好的吸濕、放濕性能，稻秸稈纖維的吸濕回潮率為9.3%，放濕回潮率為10.35%；3種纖維的吸放濕速率呈指數(shù)曲線衰減，亞麻纖維的吸放濕速率最高，稻秸稈纖維的吸放濕速率居中，棉纖維的吸放濕速率最低。

稻秸稈纖維； 形態(tài)結(jié)構(gòu)； 吸濕性； 吸放濕速率

我國是水稻種植大國，稻秸稈作為水稻的副產(chǎn)品其每年的產(chǎn)量約為2億t[1]。目前，部分稻秸稈用來造紙或加工成飼料，而大量的稻秸桿用于廢棄物焚燒、當做燃料、秸稈回填耕地或作為垃圾丟棄，對秸稈資源的高值化利用非常少[2]。研究表明，從稻秸稈中可以提取出一種新型天然纖維素纖維——稻秸稈纖維[2-3]，開發(fā)稻秸稈纖維可為稻秸稈合理利用開辟新的途徑，有助于拓展我國可再生紡織原料的來源，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)廢棄資源的合理利用，同時，可大大減少秸稈焚燒對環(huán)境造成的不利影響。

目前，稻秸稈纖維在紡織領(lǐng)域的開發(fā)研究還處于起步階段，主要集中在纖維提取方法研究[4-6]、稻秸稈纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及在非織造材料的開發(fā)利用[7]等方面，但對稻秸稈纖維的吸濕與放濕規(guī)律及性能的研究少見報道。本文對稻秸稈纖維的吸濕、放濕性能進行了研究，以期為稻秸稈纖維的應(yīng)用提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 材 料

稻秸稈纖維，自制，纖維平均長度為61.82 mm，線密度為3.9～4.2 tex，殘膠率為9.02%，結(jié)晶度為61.5%[3]。棉纖維、亞麻纖維，廣州輝瑞紡織有限公司提供。

稻秸稈纖維提取方法：原稻秸稈經(jīng)水洗、晾干后，剪取100 mm的長度，經(jīng)浸酸(H2SO42 g/L,浴比1∶30，溫度50 ℃，時間2 h)→水洗→堿煮(NaOH 30%(o.w.f)，H2O26 mL/L,Na2SiO33%(o.w.f)，Na2SO35%(o.w.f)，浸透劑JFC 2 mL/L, 浴比1∶30，溫度95 ℃，時間2 h)后，制得稻秸稈纖維。

稻秸稈纖維主要化學(xué)成分為：纖維素53.53%，半纖維素21.36%，木質(zhì)素10.23%(參照GB/T 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》測定)。亞麻纖維主要化學(xué)成分為：纖維素70%～80%，半纖維素12%～15%，木質(zhì)素2.5%～5%[2]。

1.2 儀 器

QUANTA600F掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)，DHG-9023型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機，HWS-250型恒溫恒濕箱，JA3003B型精密電子天平(精確度為0.000 1 g)，玻璃干燥器，密封稱量盒。

1.3 實驗方法

1.3.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

將稻秸稈纖維試樣經(jīng)真空噴金后，采用掃描電子顯微鏡觀察稻秸稈纖維的表面形態(tài)。

1.3.2 吸放濕性能測試

參照GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》和GB/T 6529—2008《紡織品的調(diào)濕和試驗用標準大氣》，分別進行纖維吸濕和放濕實驗，測定試樣在標準環(huán)境下的平衡回潮率，得到纖維的吸濕、放濕曲線。

1.3.2.1 吸濕實驗 取1 g纖維試樣在40～50 ℃烘箱內(nèi)處理1 h，使纖維試樣的回潮率顯著降低，再精確稱取并記錄纖維試樣的初始質(zhì)量，然后將纖維試樣置于稱量盒中，每5 min稱取并記錄1次纖維試樣質(zhì)量，直到纖維試樣的質(zhì)量不再發(fā)生變化。將試樣放置于烘箱內(nèi)，于105 ℃條件下烘干后密閉冷卻，精確稱量，并計算回潮率。

1.3.2.2 放濕實驗 取1 g纖維試樣置于相對濕度為100%的恒溫恒濕箱內(nèi)，放置96 h，使得纖維試樣充分吸濕，精確稱取纖維試樣的初始質(zhì)量，每5 min稱取并記錄纖維試樣質(zhì)量，直至纖維試樣質(zhì)量不再發(fā)生變化。將纖維試樣放置于烘箱內(nèi)，于105 ℃條件下烘干后密閉冷卻，精確稱量，計算回潮率。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖1示出稻秸稈纖維的縱向形態(tài)?？梢钥闯觯窘斩捓w維縱向外觀粗糙，有大量深淺不一的溝槽，表面積很大，這樣的結(jié)構(gòu)使稻秸稈纖維具有較大的吸濕放濕空間，并能產(chǎn)生毛細管效應(yīng)。

2.2 纖維的吸放濕曲線

根據(jù)實驗結(jié)果繪制稻秸稈纖維、棉纖維和亞麻纖維的吸濕曲線和放濕曲線，分別如圖2、3所示。

由圖2可知，稻秸稈纖維的吸濕過程及變化規(guī)律與亞麻、棉纖維的基本一致，在吸濕初始階段吸濕曲線斜率較大，吸濕速率很快，在吸濕過程的中、后階段，曲線趨于平直，吸濕速率放緩。在吸濕時間少于40 min時，3種纖維的吸濕回潮率都快速增加；40～60 min后，纖維吸濕回潮率增加緩慢；在100 min后逐漸達到吸濕平衡。吸濕平衡回潮率分別為：稻秸稈纖維9.3%，亞麻纖維11.2%，棉纖維8.2%。稻秸稈纖維的吸濕能力介于棉纖維和亞麻纖維之間。

由圖3可看出，3種纖維的放濕曲線也相似，呈現(xiàn)出先快后慢的特點。亞麻纖維的初始回潮率最高，稻秸稈纖維居中，棉纖維最小。3種纖維均在放濕5 h左右達到放濕平衡。達到放濕平衡狀態(tài)時，稻秸稈纖維的回潮率為10.35%，亞麻纖維的回潮率為12.12%，棉纖維的回潮率為9.21%。

稻秸稈纖維的吸放濕能力是比較突出的，這與其表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和超分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。與棉纖維相比，稻秸稈纖維吸放濕能力好于棉纖維，主要是因為纖維縱向有大量溝槽，纖維比表面積大；與亞麻纖維相比，稻秸稈纖維的吸放濕能力要差一些，主要與稻秸稈纖維的纖維素和半纖維素含量較低，木質(zhì)素含量較高以及殘膠率高有關(guān)。

2.3 纖維的吸放濕回歸方程及其曲線

為研究稻秸稈纖維的吸濕、放濕的規(guī)律，利用Origin軟件將實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合[8]，得到稻秸稈纖維、亞麻纖維及棉纖維的吸濕、放濕回歸方程，具體方程見表1。3種纖維的回歸方程曲線分別見圖4、5。

表1 3種纖維的吸濕和放濕回歸方程Tab.1 Regression equations of moisture absorption and liberation of three fibers

由表1可知，3種纖維的吸濕回歸方程顯著，這3種纖維的放濕回歸方程也顯著。

由圖4、5可知，在整個吸濕、放濕過程中，稻秸稈纖維的吸放濕回潮率介于亞麻纖維和棉纖維之間。纖維的吸放濕回潮率不同，且吸放濕速率也在不斷變化，這主要與3種纖維的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分差異以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同有直接關(guān)系。

2.4 纖維的吸放濕速率回歸方程及其曲線

利用Origin軟件得出3種纖維的吸濕速率方程、放濕速率方程[9-11]以及3種纖維的吸濕、放濕速率回歸曲線，分別見表2和圖6、7。

表2 3種纖維的吸放濕速率回歸方程Tab.2 Regression equations of absorption and liberation rates of three fibers

由表2和圖6可知，3種纖維的吸濕速率方程均為指數(shù)函數(shù)，隨吸濕時間的延長，吸濕速率下降。這是由于3種纖維的化學(xué)組成相似，即都主要由纖維素組成，含有大量親水性基團，具有較好的吸濕能力，但是，由于纖維表面形態(tài)、結(jié)晶度、伴生物含量等方面的差異，又決定了纖維吸濕速率及其速率變化存在不同。在吸濕開始時，稻秸稈纖維的吸濕速率略小于亞麻，而棉纖維較前二者小很多。亞麻纖維速率衰減最快，稻秸稈纖維衰減速度次之，棉纖維衰減最慢。約100 min后，3種纖維先后達到吸濕平衡，吸濕速率均趨于零，進入到平衡狀態(tài)。

由圖7可看出，3種纖維的放濕速率衰減趨勢相近。初始階段，亞麻纖維的放濕速率最快，稻秸稈纖維居中，棉纖維最慢；約300 min后3種纖維的放濕速率逐漸接近、減小，逐漸趨于零，進入到平衡狀態(tài)。

3 結(jié) 論

1)稻秸稈纖維縱向有溝槽結(jié)構(gòu)，比表面積比較大，可為纖維的吸濕、放濕提供較大空間，同時，細小的溝槽也能夠產(chǎn)生毛細管效應(yīng)。

2)稻秸稈纖維具有良好的吸放濕性能，其吸放濕回潮率低于亞麻纖維，高于棉纖維，吸濕平衡回潮率為9.3%，放濕平衡回潮率為10.35%。

3)稻秸稈纖維吸放濕速率變化規(guī)律與亞麻纖維、棉纖維相似，均呈指數(shù)曲線衰減，即隨著吸放濕時間的延長，纖維的吸放濕速率減小。

4)在吸濕初始階段，稻秸稈纖維吸濕速率高于棉纖維，低于亞麻纖維，但在吸濕30 min后，稻秸稈纖維吸濕速率又低于棉纖維，3種纖維均約在100 min后達到吸濕平衡。稻秸稈纖維放濕速率低于亞麻纖維，高于棉纖維，約在300 min后達到放濕平衡。

[1] 劉金鵬，鞠美庭，劉英華，等.中國農(nóng)業(yè)秸稈資源化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[J].生態(tài)經(jīng)濟，2011(5)：136-141. LIU Jinpeng, JU Meiting, LIU Yinghua, et al.The analysis of China′s utilization technology of agricultural straw and development of biomass industry[J].Ecological Economy, 2011(5):136-141.

[2] 劉冰.稻秸稈纖維的提取及性能研究[D].西安：西安工程大學(xué)，2011:5-7. LIU Bing.Study on chemical degumming, structure and physico-chemical properties of rice straw fibers[D]. Xi′an: Xi′an Polytechnic University，2011:5-7.

[3] 陳莉，劉玉森，劉冰，等.稻秸稈纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)與性能[J].紡織學(xué)報,2015，36(1):6-10. CHEN Li, LIU Yusen, LIU Bing, et al. Morphological structure and property of rice-straw fibers[J]. Journal of Textile Research,2015,36(1):6-10.

[4] 張蓓，李培光，孫衛(wèi)國.生物酶預(yù)處理對稻秸稈脫膠的影響[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2014,28(6)：687-690. ZHANG Bei，LI Peiguang，SUN Weiguo.Effect of biological enzyme pretreatment for rice straw degum-ming [J]. Journal of Xi′an Polytechnic University，2014,28(6)：687-690.

[5] 劉冰，孫衛(wèi)國.稻秸稈纖維短流程脫膠工藝[J].毛紡科技,2011(2):60-63. LIU Bing, SUN Weiguo. Short degumming process of rice straw fiber[J].Wool Textile Journal,2011(2):60-63.

[6] 花兆輝,楊丹,孫衛(wèi)國.稻秸稈的化學(xué)脫膠工藝研究[J].現(xiàn)代紡織技術(shù),2011(6):1-3. HUA Zhaohui，YANG Dan，SUN Weiguo. Studies on chemical degumming processes of rice straw[J]. Advanced Textile Technology,2011(6):1-3.

[7] 陶金.稻秸稈纖維與麻纖維混合非織造布性能的研究[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報,2012，18(13)：186-190. TAO Jin.The research of performance of rice straw stalk and hemp′s synthetic fabric supatex abric[J].Anhui Agri Sci Bull, 2012, 18(13):186-190.

[8] 倪海燕，陳東生，付世偉.竹筍殼纖維的吸濕性能[J].紡織學(xué)報,2014，35(6):20-24. NI Haiyan，CHEN Dongsheng，F(xiàn)U Shiwei. Moisture adsorption property of bamboo shell fiber[J]. Journal of Textile Research, 2014，35(6):20-24.

[9] 萬玉芹，吳麗莉，俞建勇.竹纖維吸濕性能研究[J].紡織學(xué)報,2004，25(3):14-16. WAN Yuqin, WU Lili, YU Jianyong. Research on hygroscopic property of the bamboo fiber [J]. Journal of Textile Research, 2004, 25(3):14-16.

[10] 王建剛，倪海燕，袁小紅，等．蓮纖維的吸濕性能[J].紡織學(xué)報，2009，30(9):11-14． WANG Jiangang，NI Haiyan，YUAN Xiaohong，et al．Moisture adsorption property of lotus fibers[J].Journal of Textile Research，2009，30(9): 11-14.

[11] 李汝勤，王越．紡織材料吸濕速率測試研究[J].紡織學(xué)報，1991，12(6):35-39. LI Ruqin，WANG Yue.Absorption rate testing of textile materials[J].Journal of Textile Research，1991，12(6): 35-39..

Moisture adsorption property of rice-straw fiber

LIU Yusen1， CHEN Li2， LIU Bing2， WANG Chi2

(1.SchoolofAppliedTechnology，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an,Shaanxi710048,China；2.SchoolofTextiles&Materials，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an,Shaanxi710048,China)

In order to extend the application of rice-straw fiber, the morphological structure of rice-straw fiber was characterized by scanning electron microscopy, and the absorption and liberation properties of rice-straw fiber,flax fiber and cotton fiber were tested in the standard normal atmospheric conditions.The moisture absorption and desorption properties of rice-straw fiber were tested.Their regression curves of moisture absorption and liberation were drawn, and based on it, the regression equations of moisture absorption and desorption velocity were derived. The hygroscopicity of rice-straw fiber was analyzed and compared with that of flax fiber and cotton fiber. The results show that the lengthwise of the rice-straw fiber has a large number of grooves and its specific surface area is large. The moisture absorption and liberation of rice-straw fiber are very good. The moisture absorption and liberation regain rate of rice-straw fiber are 9.3% and 10.35%, respectively. The moisture absorption and liberation rate of three fibers decay as an exponential curve. The moisture absorption and liberation rate of flax fiber is the quickest, rice-straw fiber is the second, and cotton fiber is the slowest.

rice-straw fiber; morphological structure; hygroscopicity; absorption and liberation rate

10.13475/j.fzxb.20150401005

2015-04-08

2015-12-07

陜西省教育廳自然科學(xué)專項項目(12JK0565)

劉玉森(1974—)，男，高級工程師。研究方向為新型紡織加工技術(shù)。E-mail: fzlys@xpu.edu.cn。

TS 102.2

A