桑皮纖維的化學(xué)法制備及性能研究

0桑皮纖維的利用價值黑莓是多年生水生草本植物。屬于盲目植物。黑莓的韌皮部形成大量的纖維絲。桑皮纖維是從桑樹枝剝下的桑皮經(jīng)脫膠提取而成,屬天然植物纖維素纖維,具有堅實(shí)、柔韌、密度適中和可塑性強(qiáng)等特點(diǎn),其手感柔軟、易于染色,既有蠶絲的光澤,又有麻纖維的挺括,并有著優(yōu)良的吸濕性、透氣性、保暖性和一定的保健功效。作為新型天然紡織材料,桑皮纖維具有較大的開發(fā)利用價值。本試驗(yàn)通過化學(xué)脫膠技術(shù)對桑樹皮進(jìn)行脫膠處理。試驗(yàn)選擇脫膠工藝技術(shù)參數(shù)來進(jìn)行脫膠生產(chǎn)流程試驗(yàn),形成桑皮纖維提取的配套工藝技術(shù),完成桑皮纖維材料的制備,為進(jìn)一步開發(fā)系列桑樹纖維紡織新產(chǎn)品創(chuàng)造條件。研制桑皮纖維不僅增加了一種新的天然紡織材料,還可對大量廢棄的桑樹皮進(jìn)行深度開發(fā),變廢為寶,大大提高其附加值,對于繭絲綢產(chǎn)業(yè)資源的綜合開發(fā)利用,有十分積極的意義。1試驗(yàn)機(jī)1.1桑皮纖維原料的組成麻屬單細(xì)胞纖維素纖維,一個細(xì)胞就是一根纖維。單纖維為長筒形厚壁纖維細(xì)胞,兩端封閉內(nèi)有中腔。桑樹皮的韌皮纖維在莖中是集合成纖維束的,纖維束間含有膠質(zhì)。目前國內(nèi)已有研究人員對桑樹皮進(jìn)行了初步研究,分析結(jié)果表明:桑皮最外層是表皮,含有大量的木質(zhì)素,表皮上有間隔的葉柄;第二層含有大量的單寧;第三層為粗長纖維,纖維間含有部分膠體;第四層為短纖維層,短纖維的長度是越向內(nèi)層,越短,纖維之間含有乳漿質(zhì);第五層為最內(nèi)層,纖維最短,纖維間有一種特殊的物質(zhì)使纖維相互并合。桑樹皮纖維的主要成分包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠四種。纖維素存在于桑樹皮的細(xì)胞壁內(nèi),是桑皮的主要成分,是在制備工藝?yán)w維過程中應(yīng)設(shè)法保留的部分。半纖維素是非纖維素的碳水化合物,一部分與纖維素聯(lián)系在一起,而另一部分則與木質(zhì)素連結(jié)在一起。木質(zhì)素使纖維互相粘在一起,不但影響可紡性,還降低了紡織品染色著色力。所以,必須使纖維原料中的木質(zhì)素溶出,使纖維互相分離。果膠物質(zhì)是由非常復(fù)雜的碳水化合物組成,主要是果膠酸的鈣-鎂鹽。隨著植物的生長成熟,鈣-鎂鹽聚集增多,果膠分子由長鏈變成網(wǎng)狀形,因而果膠難于溶解?？捎孟∷嵯A處理,使它水解溶出。1.2桑皮纖維制備工藝桑樹皮中除含有纖維素外,還含有較多的半纖維素、木質(zhì)素、果膠等膠雜質(zhì)成分。在提取桑皮纖維時,應(yīng)保留纖維素,除去膠雜質(zhì)。由于桑皮纖維單纖維長度過短,強(qiáng)度不足,不利于紡織加工,故應(yīng)將桑皮纖維制成工藝?yán)w維以供紡織使用。植物纖維化學(xué)脫膠的基本原理是利用植物韌皮中纖維素和膠雜質(zhì)成分對堿、無機(jī)酸和氧化劑等的穩(wěn)定性的不同,在不損傷植物纖維原有物理性能的原則下,去除膠雜質(zhì)成分,保留纖維素成分的化學(xué)加工過程。在此加工過程中可輔以一定的機(jī)械作用,以達(dá)到工業(yè)上脫膠加工的要求。堿法煮練是應(yīng)用較為普遍的化學(xué)脫膠方法。堿法煮練主要是利用纖維素對堿液的穩(wěn)定性和非纖維素對堿液的不穩(wěn)定的特性,將韌皮纖維在一定的濃度、溫度和蒸汽壓力的堿液中進(jìn)行煮練,使非纖維素物質(zhì)在煮練過程中,分別進(jìn)行溶解,裂構(gòu),皂化,乳化等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)而除去。由于桑皮中的膠雜質(zhì)主要為半纖維素、木質(zhì)素和果膠,這些雜質(zhì)在堿性條件下可以溶除,所以,桑皮纖維的提取工藝以堿煮為主,并輔以酸洗、氯漂等加工方法。經(jīng)煮練后,纖維中的膠雜質(zhì)被分解而除去,韌皮部中的纖維束彼此分離,而成為可供紡織用的纖維束。但是,粘合單纖維成纖維束的果膠等膠質(zhì)不宜除去,否則將造成精練過度,纖維失去強(qiáng)力,使紡織上無法使用而遭受損失。1.3化學(xué)脫膠工藝在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,苧麻的化學(xué)脫膠工藝是麻類植物纖維化學(xué)脫膠工藝中比較成熟的。苧麻的化學(xué)脫膠的工藝流程大體是:原麻→浸水→浸酸→堿煮→拷麻→氯漂→酸洗→給油→烘干。苧麻化學(xué)脫膠工藝的核心部分是堿煮。堿煮一般分為一煮法和二煮原法兩種。兩種堿煮方式均為常壓煮練,煮練液中輔以適量煮練助劑,用堿量、保溫時間等視原麻的膠含量多少有所增減。實(shí)踐表明,二煮法比一煮法的脫膠效果好。另外,二煮法中頭煮所用煮液是二煮殘液,可提高化工藥劑的利用率。拷麻有助于脫除殘留在纖維上的膠雜質(zhì),氯漂采用常溫下低濃度短時間處理的方式,酸洗后用清水洗至中性。桑樹皮纖維與苧麻纖維同屬麻類植物纖維,所以桑樹皮的脫膠工藝可參考苧麻現(xiàn)有的脫膠工藝。但是,由于桑樹皮在化學(xué)組成上與苧麻有較大的不同,所以桑樹皮的化學(xué)脫膠工藝不適宜完全套用苧麻的脫膠工藝,須進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。考慮到桑樹皮纖維的膠雜質(zhì)含量大等因素,脫膠工藝可考慮延長煮練時間,添加煮練助劑,生物預(yù)處理以及加強(qiáng)機(jī)械捶拷等改進(jìn)方式。2流程順序2.1試驗(yàn)材料本試驗(yàn)采用經(jīng)過適當(dāng)前處理的桑皮樣品作為材料進(jìn)行脫膠試驗(yàn)。2.2試樣工藝路線二:纖維浸氯初練制備復(fù)練為空纖酸干路線一:試樣→浸水→浸酸→堿煮→打纖→氯漂→酸洗→給油→烘干→成品。路線二:試樣→浸氯→初練→打纖→酸洗→復(fù)練→打纖→酸洗→給油→烘干→成品。路線三:試樣→預(yù)浸氯→初練→打纖→酸洗→浸氯→復(fù)練→打纖→酸洗→給油→烘干→成品。3結(jié)果與分析的討論3.1桑皮纖維化學(xué)脫膠處理桑皮中木質(zhì)素的含量較大,達(dá)10%~20%(干重)。經(jīng)試樣對比后認(rèn)為,當(dāng)成品的木質(zhì)素含量低于0.8%時,纖維光澤好,潔白、柔軟且有彈性,可紡性、染色性好;而當(dāng)成品的木質(zhì)素含量在1.5%以上時,纖維粗硬、脆、彈性差,呈棕黃色,后道工序加工較為困難。因此,如果桑皮纖維中的木質(zhì)素不能有效地除去,纖維成品的品質(zhì)將大受影響。木質(zhì)素遇酸不能溶解,經(jīng)無機(jī)酸處理后的木質(zhì)素更加穩(wěn)定,這增大了堿液煮練的難度。試驗(yàn)按路線一進(jìn)行時,煮練時間為4h,木質(zhì)素殘留量仍較大。此路線的桑皮纖維成品還不適合作為紡織材料。因此,桑樹皮化學(xué)脫膠的預(yù)處理不宜采用苧麻傳統(tǒng)脫膠工藝的預(yù)浸酸處理。木質(zhì)素易氯化,生成氯化木質(zhì)素,可用堿液輕松除去。路線二采用先浸氯處理,再堿煮的工藝,可以盡早且盡可能多地除去木質(zhì)素。但桑樹皮中含有大量的木質(zhì)素,當(dāng)外層的木質(zhì)素與氯發(fā)生反應(yīng)后,生成的氯化木質(zhì)素因處于其他木質(zhì)素的外表,阻止了氯化作用的繼續(xù)進(jìn)行,對內(nèi)層木質(zhì)素反而起到保護(hù)作用,致使處于內(nèi)層的木質(zhì)素不易繼續(xù)被氯化。對比試驗(yàn)表明,在只進(jìn)行一次氯化處理的前提下,即使進(jìn)行兩次堿煮,要除盡木質(zhì)素也是比較困難的。按路線二所得的桑皮纖維成品呈棕黃色,手感偏硬。對比路線三采用氯化→堿煮→氯化→堿煮的多次氯化與堿煮的方案。方案通過預(yù)浸氯和初次煮練除去大部分木質(zhì)素,再進(jìn)行第二次氯化和堿煮將纖維中的內(nèi)層木質(zhì)素除去,效果良好。因?yàn)槌醮温然瘯r纖維中木質(zhì)素含量較大,而在第二次氯化時木質(zhì)素含量已大幅度下降,所以第二次氯化作用的時間要比初次氯化作用的時間短。按路線三所得的桑皮纖維成品性能較好。分析對比后,優(yōu)選路線三。3.2堿減量法脫膠工藝?yán)w維的制備本試驗(yàn)采用堿法煮練對桑樹皮進(jìn)行化學(xué)脫膠,試驗(yàn)中大部分的膠雜質(zhì)是在堿煮的過程中除去的,工藝中堿的濃度與煮練時間對脫膠效果有十分重要的影響。由于桑樹皮中膠雜質(zhì)含量較高,試驗(yàn)中添加助劑硅酸鈉和凈洗劑6501加強(qiáng)煮練效果。硅酸鈉具有滲透性、乳化性、泡沫性和保護(hù)膠性,因而具有很強(qiáng)的洗滌與擴(kuò)散作用。硅酸鈉在水溶液中可水解出氫氧化鈉與偏硅酸,既能穩(wěn)定練液的pH值,加強(qiáng)煮練的效果,又能吸附雜質(zhì)與色素,防止分離的雜質(zhì)與色素再度粘附在纖維上。凈洗劑6501具有懸浮污垢的作用,發(fā)泡、穩(wěn)泡性能良好,在膠雜質(zhì)含量較大的桑皮纖維脫膠工藝中有良好的適用性。在試驗(yàn)工藝過程中,初練液中加入多量的硅酸鈉,可吸附大量從纖維上分離出來的膠雜質(zhì),并可減少氫氧化鈉的使用量。復(fù)練液中加入多量的氫氧化鈉,可以在短時間內(nèi)除去剩余的膠雜質(zhì),制取符合紡紗要求的桑皮工藝?yán)w維。因復(fù)練時膠雜質(zhì)含量相對較少,硅酸鈉吸附雜質(zhì)與色素的作用相應(yīng)減弱,主要起到滲透、乳化等作用,所以,硅酸鈉的加入量亦隨之減少。試驗(yàn)表明,煮練時間長,則脫膠效果好。但是,隨著煮練時間的延長,膠雜質(zhì)逐步分離和溶解,練液變混濁,黏度增大,變稠,影響堿液在纖維間的滲透,使膠雜質(zhì)無法被進(jìn)一步分離溶解,造成煮練不均,甚至達(dá)不到煮練應(yīng)有的效果。經(jīng)優(yōu)選,確定初練時間為1.5h,復(fù)練時間為1h。此外,在試驗(yàn)過程中嘗試煮練液套用,將復(fù)練后的煮練液用于初練,以提高化學(xué)藥劑的利用率,達(dá)到一定的脫膠效果。3.3低濃度酸液和桑皮纖維浸酸對產(chǎn)品質(zhì)量的影響經(jīng)煮練脫膠后的纖維用酸進(jìn)行清洗,目的是中和留在纖維上的殘堿,去除被纖維吸附的有色物質(zhì),使纖維色澤潔白松散。經(jīng)煮練后,纖維上的大部分膠雜質(zhì)脫離被去除,纖維素部分裸露。為了減少酸洗對桑皮纖維的損傷,此時選用低濃度的酸液較為適宜。浸酸時間不宜過長或過短,過長則有損纖維的強(qiáng)度,過短則纖維內(nèi)殘膠不宜中和潔凈,色素不易退清,桑皮纖維亦不松散。經(jīng)優(yōu)化對比,確定浸酸時間約10min,浸酸時須不斷攪動。3.4延長煮練時間在初練與復(fù)練后,先用熱水對纖維進(jìn)行清洗,然后用冷水洗至中性。熱水處理的目的是利用殘留在纖維上的堿液來延長煮練的時間,提高練液的利用率,增強(qiáng)煮練的效果,可看作是煮練的繼續(xù)。煮練液中含有硅酸鈉,遇酸后易生成膠狀偏硅酸。不溶性的偏硅酸經(jīng)烘干后易黏附在纖維表面,導(dǎo)致成品纖維品質(zhì)下降,手感粗硬,不利于后續(xù)加工。所以,煮練后的試樣在進(jìn)行酸洗前應(yīng)充分水洗,避免硅酸鈉的殘留。3.5桑皮、桑皮纖維的制備桑皮纖維經(jīng)脫膠后,須及時進(jìn)行給油或柔軟處理,使纖維柔軟、松散與潔白,防止殘留的膠質(zhì)重新聚結(jié)而出現(xiàn)并絲、硬條等不良現(xiàn)象,使制得的桑皮工藝?yán)w維滿足梳紡等后道工序加工的需要。3.6桑皮原料的處理經(jīng)過工藝優(yōu)化改進(jìn),整個工藝過程耗時大幅減少,制得的桑皮工藝?yán)w維為束狀纖維,呈細(xì)條網(wǎng)狀,纖維束長度比單纖維長,白度較好,手感較柔軟。經(jīng)適當(dāng)開松處理后,可作紡織材料使用。在脫膠試驗(yàn)過程中,存在脫膠不均勻的現(xiàn)象,所制得的桑皮工藝?yán)w維中常出現(xiàn)夾帶部分單纖維或硬皮等現(xiàn)象,影響進(jìn)一步的紡紗。出現(xiàn)這樣的問題,疑為桑皮原料不均一所致。在實(shí)際生產(chǎn)中可考