（服装设计与工程专业论文）纺织用竹纤维的制取及其结构性能研究[服装设计与工程专业优秀论文].pdf

p r e p a r a t i o no fn a t u r a l b a m b o on b e rf o rt e x t i l ea p p l i c a t i o n a n ds t u d yo ni t ss t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e s a b s t r a c t s i n c eb a m b o oi sr i c hi nc h i n a , t h ed e v e l o p m e n to f b a m b o of i b e r , n o to n l ye n l a r g e sb a m b o o p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , b u ta l s oe n r i c h e st h ef i b e rv a r i e t i e su s e di nt e x t i l e i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ed e g u m m i n ga s s i s t a n t sw 9 1 ec h o s e na n dd e g u m m i n gp r o c e s sw a s d e s i 鼎o r d e r t o b 蕊碉印趔拿w 者孙ey c 盯o l d b 黜b o o s e c o n d l 弘m cb e s t b 锄b o o v a r i e c y 舳i 溅rt e x t i l e 瑚ew 嬲l e c t e da c c o r d i n gt ot l l ec o m p r e h e l l s i v ep r o p e m 铅o ft h i r t y b a m b o o v a r i e t i e s f i n a l l y , t h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo f t h eb a m b o of i b e rw e r ee v a l u a t 既1 rw a sf o u n dt h a tt h ep r o p o r t i o no ft h r e ea s s i s t a n t sw a sn a 2 s 0 3 ：n a 4 p 2 0 7 ：z f - - - 2 ：1 ：t w h e nb a m b o os h e e tw a sd e g u m m e du n d e ra t m o s p h e r ep r e s s u r ea n da tt h et e m p e r a t u r eo f1 0 0 c f o r8 0 m i nw i t h15 鲈n a o ha n d1 0 o fa s s i s t a n t ，t h ef i b e rw a sm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l y b u t t h ef i b e rw a sn o tf i n ee n o u g hf o rs p i n n i n g b yt e s t i n g , w ef o u n dt h a tt h ed a y eb a m b o ow a sm o s t a p p r o p r i a t ef o rt e x t i l ea p p l i c a t i o na m o n gt l l i r t yb a m b o ov a r i e t i e s a n di t sf i n e n e s sw a s2 7 t e x w h i c hh a dab e a e rp r o s p e c t r e s e a r c h i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec r o s s s e c t i o no ft h eb a m b o o f i b e rl o o k e d 飚r o u n d ，a n di nt h ec h e m i c a lc o m p o n e n to ft h eb a m b o of i b e r , c e l l u l o s ew a st h e m a i ns u b s t a n c e ，b u tt h e r ew e r eb i t so fl i g n i n 嘭毹e ds t i l l m e a n w h i l e ，t h eb a m b o of i b e rh a da 。 叫n c r y s t a l l i n es t r u c t u r eo fc e l l u l o s e - i ，b u ti t sd e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o nw a sl o w a s 自粥t h e p r o p e r t i e s ，t h eb a m b o of i b e rh a da d v a n t a g a s o fh i g ht e n a c i t y 、l o wd e n s i t y 、g o o dw a t e r a b s o r b e n c ya n dg o o dh e a t - s t a b i l i t y a n di ta l s oh a dd i s a d v a n t a g e so fl o we l o n g a t i o n 、p o o r e l a s t i c i t ya n de x c e s s i v ew a t e r - r e t e n t i o nv a l u e i naw o r d ，t h em a n u f a c t u r eo f b a m b o of i b e rh a sm a d ea s i g n i f i c a t i 甜p r o g r e s si no u rs t u d y k e yw o r d s ：b a m b o of i b e r ；, d e g u m m i n gp r o c e s s ；s e l e c t i n go f b a m b o ov a r i e t y ； s t r u c t u r e ；p e r f o r m a n c e 原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已缀注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作晶成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名辅髂 签字日期：2 嗣年乞月2 7 疆 学位论文版权使用授权书 学位论文体者完全了解l b 京服装学院蠢关保留和使用学饿论文的髋定，郄： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权 保留并尚国家有关部门或抚构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：韩岛谴 导师签名 签字日期：扣们年z 月2 1 7 日签字e t 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单德： 通讯地址： 王逝彳 伽d 7 年l 月叼日 ff 电话 邮编 北京服装学院2 0 0 7 届硕上论文 第1 章绪论 人类使用植物纤维已经有几千年的历史了，但是在整个2 0 世纪，植物纤维却渐渐被 从石化原料中制造出来的化学纤维所取代。由于可利用的石油资源是有限的，又考虑到废 料处理问题，以及经济方面、生态方面的原因，植物纤维又重新受到人们的关注m 。竹纤 维作为一种新型植物纤维，它和各种麻纤维一样，成为越来越多国内外人士的研究焦点。 按照加工方法的不同，纺织用竹纤维分为原生竹纤维和再生竹纤维两种o ”。原生竹纤 维是用物理机械的方法将竹子反复轧压后，采用脱胶工艺进行部分脱胶，部分脱胶后的竹 纤维靠余胶将竹单纤维纵向相互连接起来而制成，这种纤维不是单纤维，而是束纤维，即 工艺纤维“5 1 。再生竹纤维是把竹子切片、风干后，采用化学方法将竹片精制成符合纤维生 产要求的浆粕，再经溶解、纺丝而成，现在市场上所售的竹纤维基本上都是再生竹纤维嘲。 由于原生竹纤维能更好地保持其植物的特性，本课题的研究对象是原生竹纤维，因此， 在以后的章节中，如无特别说明，文章中所提到的竹纤维都是指原生竹纤维。 藁妻1-1一 竹秆在宏观上由三部分构成，即竹皮、竹肉和髓外组织。：。，冀冀穗麓奠i 竹皮是在横切面上见不着维管束的最外侧部分；髓外组织是：争夺而! ：夸 一基奉瓤 竹秆邻接竹腔的部分，也不含维管束；竹肉是竹皮和髓外组 霉夸z 了毒飞 织之间的部分，在横切面上有维管束分布，维管束之间是基毒宁。曾- 矿 本组织，如图 m 1 。 皆簪垂。簪、 北京服装学院2 0 0 7 届硕上论文 1 1 1 2 竹秆的微观结构 竹秆的微观解剖构造由竹皮系统、基本系统和维管系统组成。其中，基本系统和维管 系统会影响竹纤维的制取。 基本系统包括基本组织和髓外组织。基本组织为薄壁组织，细胞一般较大，大多数胞 壁较薄，在横切面上多近于呈圆形，具有明显的细胞间隙。基本组织主要分布在维管束系 统之间，其作用相当于填充物，是竹材构成中的基本部分，它们比较疏松，起缓冲作用， 刚柔相济以增强竹秆弹性。髓外组织包括髓环和髓，髓环位于髓腔竹膜的外围，髓一般由 大型薄壁细胞组成，呈一层半透明的薄膜粘附在秆腔内壁周围，俗称竹衣。在竹纤维制取 过程中，基本组织和髓外组织都是要去除的部分。 维管系统是竹纤维制取的主要对象，在此作重点介绍。维管系统由若干维管束组成， 维管束包藏于基本薄壁组织之中，是输导组织( 导管、筛管) 、维管束鞘和纤维组织共同 构成的在形态上的一个复合组织。如图1 - 2 m 1 是一个 维管束的微观结构图。竹材通过维管束中的筛管与导 管下连鞭根，上连枝叶，沟通整个植物体，以输送营 养。由于竹子个体通常比较高大，为保证输导组织的 通畅，在输导组织的外缘需要有比较坚韧的强固组织 加以保护，这就是维管束鞘比较发达的原因。纤维组 织部分与维管束鞘连接，部分被薄壁细胞隔开，形成 一个或两个纤维股，即外纤维股和内纤维股。其中除 去薄壁细胞和纤维股的部分称为中心维管束。纤维组 织是竹材结构中的一类特殊细胞群体，也是制取竹纤 维要提取的部分。多数实测结果发现，竹材纤维组织 比量一般均小于薄壁细胞组织比量，占总组织的4 0 0 5 左右。其形态特点是形长、两端尖，纤维长度多在1 5 2 o m m 之间，最长为5 m m ，并以竹秆中部为最大，宽 度一般为1 2 1 6 u m ，纤维壁较厚，并随竹龄逐增。 1 外方纤维股 3 维管束外鞘 5 导管 7 细胞问隙 2 薄壁细胞 4 初生韧皮部的筛管 6 后生木质部分子 8 内方纤维股 图l - 2 维管束微观结构图 竹秆的维管束不均匀的散布于基本组织中，外部 密，内部疏，外部小，内部逐渐增大，适合于竹纤维制取的纤维群体全部分布于维管束上。 维管束的形态、大小和数量随竹子品种的不同而有所差异，从而也会对竹纤维的制取造成 一定影响。竹类维管束微观形态的研究已有7 0 余年的历史嗍，8 0 年代初，温太辉对产自 2 北京服装学院2 0 0 7 届硕士论文 溪辫鬻 卜双断腰型2 - 断腰翌3 一紧腰堑4 一开放型5 一半开放型 图卜3 竹类植物维管束的类型 双断腰型的维管束被薄壁细胞分隔为三部分，即中心维管束的外方和内方各增生一个 纤维股；断腰型的维管束有两部分组成，中心维管束和一个纤维股，纤维股位于中心维管 束的内方；紧腰型的维管束不存在纤维股，仅有中心维管束，其中内方维管束鞘显著地较 其他三个大，并向左右呈扇形延伸；开放型维管束只有一部分，即没有纤维股的中心维管 束，四个维管束鞘大小近相等，相互对称；半开放型的维管束也不存在纤维股，但侧方与 内方维管束鞘相连接。竹类维管束形态的研究，不仅有助于鉴别竹种，对竹纤维的制取也 有一定的指导作用。 1 1 2 竹材的化学成分“”1 竹材的化学成分和麻类植物相似，主要由纤维素、木质素和半纤维素组成，另外还有 少量的果胶、蜡脂质和灰分等，其中除了纤维素以外的成分统称为胶质。 纤维素是植物中含量最为广泛的物质之一，由纤维素构成的纺织纤维是纺织工业的重 要原料，也是竹纤维制取中主要保留的部分。目前对纤维素大分子的化学结构一致认为： 纤维素是由b 型d 一葡萄糖通过1 ，4 甙键互相连接而成的直链型商分子化合物。在每一个 葡萄糖基环上有三个羟基，其中一个是伯羟基，其它两个是仲羟基。在超分子结构上，纤 维素大分子具有结晶结构，这种结晶结构以及由于结晶使大分子间存在的氢键键合都会在 一定程度上影响纤维的强度、弹性、浸透性、润胀能力、柔软性能和化学反应性能。纤维 素不易溶于水，且耐碱。 3 北京服装学院2 0 0 7 届硕上论文 木质素是植物细胞壁的主要组成部分之一，是一种无定形的高分子化合物。木质素起 着支撑作用，粘结纤维素，使其具有承受机械作用的能力。植物中的木质素基本上存在于 细胞的胞问膜及细胞壁的内部，其中，一部分木质素与半纤维素有化学连接，但与纤维素 间未发现有化学结合，因此，木质素的脱除对半纤维素的去除也十分重要。木质素的结构 复杂，不能用简单的语言表达，只能说木质素是一种具有芳香族特性，其结构单元为苯丙 烷型的三维高分子网状化合物“”。它的大分子上除含有甲氧基外，还有羟基、羰基等特 征功能团，很难全部降解和去除。而木质素含量的多少是影响纤维品质的重要因素之一， 木质素含量少，纤维光泽好、白度高、柔软并富有弹性，可纺性能及染色性能均好。因此， 在脱胶工艺中应尽量去除木质素，但对工艺纤维来说，工艺条件要掌握适度，否则会使工 艺纤维解体，甚至不能进行纺纱。 半纤维素是植物组织中与纤维素相伴生的一种低分子质量( 其平均聚合度为5 0 2 0 0 ) 的无定形物质，是由两种或两种以上的单糖组成的不均一聚糖，大多数带有短侧链；绝大 部分位于纤维素细胞的胞问层和细胞壁上，也可认为是纤维素细胞问的填料和黏结物质， 因此在脱胶时半纤维素是要去除的。半纤维素区别于纤维素首先是在一些药剂中的溶解度 大，容易溶于碱溶液中，因此在以碱为主要成分的脱胶剂煮练时，半纤维素绝大部分能在 碱液中裂解为单糖，但也有少部分顽固性抗碱物质的存在；其次，半纤维素由于其无定形 结构，吸湿、溶胀、渗透都比纤维素高得多，于是有人提出半纤维素对染整加工有利的方 面，即部分半纤维素的存在有利于染色时染料的上染率和色牢度等。 果胶类物质是一种含有酸性、高聚合度、胶状碳水化合物的复合体，代表高等植物初 级细胞壁和相邻细胞间紧密联合的一组多糖。在植物纤维学中认为果胶物质是植物生长纤 维素、半纤维素和木质素的营养物质。一般认为，其组成成分主要是果胶酸以及果胶酸的 衍生物，包括果胶酸甲酯和果胶酸的钙、镁盐。其中前者可溶于水，后者虽不溶于水，但 对酸和碱作用的稳定性较低，经过稀碱溶液的沸煮可使其长分子链裂解，去除率较高。同 时，果胶物质的存在对纤维的毛细管性能和吸附性能有很大影响，果胶物质含量越少，纤 维的毛细管性能及吸附性能就越好。 蜡脂质是能用有机溶剂所提取的部分，其中以蜡质为主。蜡质的主要成分为高级饱和 脂肪酸和高级一元醇组成的脂。在脱胶过程中，蜡脂质并不是要去除的对象，因为它赋予 纤维以光泽、柔软及松散性，对可纺性是有利的。但由于脱胶过程中须经碱、酸等药剂处 理，因此这部分物质就难避免被酸所水解或被碱所皂化，使脱胶后的纤维变的粗糙、硬脆。 为了改善这种情况，在脱胶后通常设有给油工序予以弥补。 北京服装学院2 0 0 届硕士论文 灰分大多为金属和非金属的氧化物及无机盐类物质，灰分成分有硅酸、碳酸、盐酸和 磷酸的钾、钠、钙、镁和锰盐，还有氧化铁和氧化铝。其中以钾盐和钠盐的含量最多，约 占灰分总量的9 5 。无机盐类物质的存在对纤维的吸水性、白度、手感都有一些影响，而 且某些盐类和氧化铁等对漂白剂的分解有催化作用，因此灰分应该去除。 1 1 3 竹材与麻的异同“”嘲 首先是二者在资源和种类上有所差别，据介绍，我国竹资源面积共有7 2 0 万公顷，其 中纯竹林面积就达4 2 0 多万公顷，而我国主要麻类作物面积只有5 0 多万公顷“”，如果 能将竹材制成纤维加以利用，将会有广阔的前景；另外，我国的竹材不仅资源多，而且在 种类上达4 0 0 多种，明显要比麻类植物的种类更多，不同地区不同种类的竹材由于生长环 境的影响，其内部的结构和性能都存在一定差异，从而也会影响竹纤维的制取，因此，很 有必要采集大量竹种，从中筛选出适合纺织用的竹材种类。 其次是二者制取纤维时取材部位的不同，竹纤维的制取主要利用竹材的竹秆部分，通 过分离其竹肉维管束中的纤维群体而得，整个竹秆的薄壁细胞等杂细胞含量较多；而麻纤 维如苎麻、亚麻、大麻和黄麻等是从其植物的茎秆或枝条的韧皮部所分离出来的纤维，也 称为韧皮纤维，韧皮部纤维在茎秆中的排列和组合状态随品种而异，大部分韧皮部较发达， 皮质较厚，薄壁细胞含量较少汕1 。 再者是二者的单纤维在物理形态方面有所区别，如表卜i 所示，竹纤维的单纤维长度 很短，长宽比较小，与黄麻纤维接近。因此在竹纤维制取过程中只能像黄麻纤维一 翔采 用工艺纤维的形式，脱胶工艺也只能采用适度脱胶的方式，而不能像大麻、亚麻纤维那样 制成单纤维。 表卜1 竹材与麻类植物单纤维的物理指标 最后是二者的化学成分含量存在一定差异，如下表，竹材中的半纤维素含量和木质素 含量都比麻类植物高，因而加大了竹纤维制取的难度。 北京服装学院2 0 0 7 届硕上论文 1 2 竹纤维制取的研究现状 竹纤维制取的主要难点是竹子单纤维太短，无法纺纱。通常是采用半脱胶的方法，因 而脱胶程度的把握成为关键，如果脱胶过重，会使束纤维的长度过短，甚至形成单纤维， 无法纺纱；如果脱胶过轻，会使胶质大量存在于纤维间，束纤维变粗，也不利于纺纱加工。 因此，竹纤维制取的研究主要集中在脱胶问题上。 竹纤维的脱胶工艺目前尚在研究中，它的脱胶工艺大部分参考麻脱胶方法。下面分别 介绍国内外在竹及麻脱胶方面的研究进展。 1 9 9 7 年，阆中棉纺织厂、四川省外贸公司和东方远成机械有限公司联合成立了竹纤维 研制小组，对竹纤维及其在棉纺设备上的可纺性进行了探索研究。他们将生长1 2 1 8 个 月的慈竹，经过去青和用齿轮反复轧压后，采用脱胶工艺进行部分脱胶，从而制成需要的 竹纤维。这样制得的竹纤维束的细度为2 0 5 0t e x ，且硬丝、并丝很多，含水也较大，一 般达1 3 ，并且由于脱胶不足，它的色泽为黄色，在干燥的状态下，粉尘较大，潮湿时强 度又非常低，所以在加工前对竹纤维进行烘干和上油两道预处理，先将竹纤维烘干，使之 达到强度最高点后，利用圆梳机进行几道梳理，使之尽量除去并丝、硬丝，使支数尽量提 高。经过两年多的努力，2 0 0 0 年4 月底终于在阆中棉纺织厂出纱，但所纺的竹纤维纱的各 项指标还远不能达到下一步工序生产的要求。 2 0 0 3 年，万玉芹在纺织用竹纤维脱胶、细化工艺研究中，主要探讨了竹纤维的化学脱 胶方法，但制得的竹纤维细度较粗，残胶率和木质素含量比麻类纤维高出很多，无法达到 后道纺纱工序的要求。在此基础上，又分别从机械辅助、超声波震荡和强化化学脱木素三 个方面讨论了竹纤维细化的方法，发现机械击打和超声波震荡都可以在一定程度上达到纤 维细化的目的，但存在细化不匀现象；强化的化学脱木素方法有比较明显的效果，纤维细 度可细化到1 4 t e x ，可仍然达不到纺纱的要求，还使得工艺路线延长，纤维制得率有所下 降啪。 6 北京服装学院2 0 0 7 届硕士论文 2 0 0 4 年，东华大学的张魏在竹纤维精细化加工的研究中，在对竹子的化学成分分析和 物理性能分析的基础上，对竹纤维的精细化加工工艺流程和条件进行了研究，将二甲基二 环氧乙烷( d m d ) 应用于漂白工艺；并首次将机械牵伸机应用于竹纤维的制取，结论表明采 用机械牵伸机对束纤维细度的降低有利；生物脱胶作为一种新近发展的脱胶方法，该论文 对此进行探索，发现生物脱胶对竹纤维细度的减小有一定的贡献，而且它赋予纤维柔软的 特点，是一种较先进的绿色脱胶方法，也是一种较好的辅助脱胶手段。但无论是机械牵伸 法还是酶脱胶法均未使纤维的细度发生飞跃性进展，竹纤维的细度还是在1 3 r e x 左右 王惠明在苎麻无浸酸常压碱煮脱胶工艺中采用了新型煮练助剂a l b o r o n ，l u f i b r o lk b ， r 洲g a lh t ，在原麻无浸酸预处理的情况下，直接进行常压一次碱煮及漂白，脱胶后苎麻 纤维的分散性、残胶率、断裂强度及伸长等指标均获得较好的效果。由此可见，碱煮脱胶 逐渐向着采用新型助剂前处理代替浸酸，常压代替高压，一次煮练代替二次煮练的方向发 展嘲。 在黄麻纤维生物酶脱胶上，印度一种曲霉形成的培养物与固相载体混合配制成菌剂在 生产上已获得一定规模的应用。中国农科院麻类研究所孙庆祥等人用多粘芽孢杆菌 b a c i l l u sp o l y m y x a ( 编号t 1 1 6 3 ) 进行干皮润湿脱胶试验表明：3 5 c 振荡培养6 h 后的菌 液可使湿润干皮在7 6h 完成脱胶，与不加菌液的陆地湿润脱胶相比，时间缩短了3 天。 生物酶法是传统细菌法的改进，能取得比细菌法更好的效果，但同时成本更加昂贵，对设 备技术要求也更高，目前很难在国内进行大范围的推广。 瑞士苏黎士的f a l 公司采用化学脱胶控制法将麻剥皮后，把原麻纤维浸入强碱溶液中， 在1 2 1 c 条件下高温高压蒸煮3 0m i n ，当高压加热器冷却至1 0 0 c 时，将其打开。然后， 纤维经水洗、中和、洗涤、干燥，最后将纤维打包。 由德国e c c o 公司拥有专利权的超声波脱胶法，是在麻经过机械剥皮后，将原麻纤维 放入有助剂或无助剂的水中预处理，然后再将其放入有助剂的水中进行超声波处理，接着 将麻水洗、干燥和打包。 美国密西西比州立大学采用细菌工艺浸解洋麻和细菌与化学品相结合的工艺浸解洋 麻，并比较了纤维性能。在3 0 浸解槽中，洋麻中自然存在着细菌群落，再用浓度为7 的氢氧化钠溶液和浓度为0 5 的亚硫酸钠溶液将它煮沸，洗涤后再进行梳理。结果表明， 经过化学品浸解后，束纤维的强度、含胶量和弱节长度都减小了。经过细菌浸解的纤维， 其含胶量均匀且光泽较优。 北京服装学院2 0 0 7 届硕士论文 印度加尔各答技术学院研究了用化学品有效脱除半纤维素和木质素的方法脚。半纤维 素的分离脱除过程为渐进式的：先用1 的氢氧化钠溶液在3 0 c 时处理1 小时，然后在3 0 时用1 0 浓度的氢氧化钠溶液沸煮3 0 分钟，再用2 浓度的醋酸溶液中和，然后水洗干 燥；木质素的分离脱除过程为：在p i 值为4 5 情况下，用0 7 浓度的亚氯酸钠溶液把去 脂黄麻纤维沸煮1 0 0 一1 2 0 分钟，然后用2 浓度的亚硫酸钠溶液在4 0 时处理3 0 分钟， 再干燥、水洗。 竹材的脱胶是国内外研究的一个新课题，到现在还未见成功的报道，因此竹纤维的制 取还有待于大量的研究工作。 1 3 本课题的研究意义 1 竹子在生长过程中不需要使用任何农药，这保证了竹纤维原料的天然无毒性；同 时，竹纤维及其制品可完全分解，具有优良的生物可降解性，可完全回归自然；再生竹纤 维由于生产过程容易形成对环境的污染，其发展在一定程度上受到了限制，原生竹纤维的 生产工艺相对比较环保，符合可持续发展的要求。 2 由于合成纤维的原材料受到能源的限制，因此必须考虑世界能源的合理应用问题， 不能再把纤维原料集中在石油工业。而竹子作为一种速生丰产的植物，不仅栽种成活率高， 而且2 3 年即可形成一个成长周期，即使进行砍伐也不会对生态环境造成大的影响啪1 。 如果对竹类资源进行开发，既有利于森林资源的综合保护，也为竹资源的合理利用寻找了 一条理想途径。 3 加入w t o 后，我国纺织品在国际市场上的障碍将大大减少，充分利用我国丰富的 竹资源，使其产品走向国际市场。本课题的研究希望对丰富纺织纤维的原料品种、扩大纺 织原材料资源、弥补天然资源的不足以及活跃消费者市场等方面起到一定的积极作用。 另外，本课题在竹纤维结构和性能方面的测试与评价，也希望对竹纤维的开发、应用 与推广起到积极的作用。 1 4 本课题的研究内容 1 竹纤维制取工艺的摸索 以一年生毛竹为研究对象，以纤维细度、强度和残胶率作为主要测试指标，利用单因 素影响分析及正交实验设计方法，研究竹纤维制取的最佳化学脱胶工艺条件。 8 北京服装学院2 0 0 7 届硕t 论文 2 竹种的筛选 对五个省份的三十种竹材进行化学成分定量分析，并通过最佳工艺条件分别制取其纤 维。以各竹种的化学成分含量、纤维细度和竹材壁厚等为性状指标，利用数学统计方 法筛选出综合性状较好的竹种。 3 对所制取竹纤维的结构和性能进行测试评价 结构方面包括化学组成( 化学成分定量分析、红外光谱分析、核磁共振波谱分析) 、 宏观形态结构、聚集态结构( x 射线衍射、双折射) 和分子结构( 聚合度) 等； 性能方面包括比重、强伸性、回潮率、保水率和热性能等。 9 北京服装学院2 0 0 7 届硕上论文 第2 章竹纤维制取工艺的摸索 2 1 实验材料 在我国，毛竹种植面积大( 占纯竹林的7 0 m 1 ) ，并且具有生长快、成材早、产量高、 再生能力强等优点，是我国经济价值最高的竹种。因此在课题开展的初期，采集了湖南一 年生毛竹，并以它的中部竹材作为本章竹纤维制取实验的原料。 2 2 实验方法、药品与仪器 2 2 i 竹纤维制取方法 实验方法：化学脱胶法，即利用竹材中的纤维素和胶质成分对碱液稳定性的不同，在不损 伤或尽量少损伤纤维原有机械性能的原则下，去除其中的胶质成分，而制取纤 维素的化学加工过程。 实验设计：采用正交实验法进行实验设计，利用正交表安排实验方案。 实验仪器：恒温水浴锅( h h $ 2 1 - 8 型)上海树立仪器仪表有限公司 实验药品：氢氧化钠分析纯北京化工厂 亚硫酸钠分析纯北京益利精细化学品有限公司 焦磷酸四钠分析纯汕头市西陇化工厂 表面活性剂z f分析纯江苏常州纺织印染助剂公司 2 2 2 竹纤维主要指标的测试方法 由于竹纤维的细度、强度及残胶率等指标是竹纤维制取成功的主要评价标准，决定 了纤维的可纺性、应用价值，因此作为本章实验的主要测试内容。 2 2 2 1 纤维细度 实验方法：参照国标g b t 1 2 4 1 1 3 - 9 0 黄麻纤维线密度试验方法，采用中段称重法测试 实验仪器：中段切断器( y 1 7 1 型)宁波纺织仪器厂 电子精密天平( a r 2 1 4 0 型)奥豪斯国际贸易有限公司 电脑式恒温恒湿箱( y g 7 5 l b 型)宁波纺织仪器厂 实验条件：纤维在温度2 0 _ _ 3 1 2 ，相对湿度为6 5 5 的环境下调湿2 4 小时 纤维细度计算：t 。= 1 0 0 0 m ( l x n ) 式中：t 。一线密度( t e x ) ；m 一中段纤维重量( m g ) ； n 一纤维根数( 3 0 0 根) ；l _ 切断纤维长度( 2 0 r i o n ) 。 1 0 北京服装学院2 0 0 7 届硕上论文 2 2 2 2 纤维断裂强度 实验方法：参照国标g b 5 8 8 6 - 8 6 苎麻单纤维断裂强力试验方法进行测试 实验仪器：单纤维强力仪( l l y 一0 6 c p c 型)莱州市电子仪器有限公司 电脑式恒温恒湿箱( y g 7 5 1 b 型)宁波纺织仪器厂 实验条件：预加张力0 0 5 c n d t e x 夹持距离2 0 m m 下夹头下降速度2 0 m m m i n 试样在温度2 0 3 ，相对湿度为6 5 5 的环境下调湿2 4 小时 测试指标：断裂强度( c n d t e x ) 2 2 2 3 纤维残胶率 实验方法：参照国标g b 5 8 8 9 - 8 6 苎麻残胶率测试方法 实验仪器：八篮恒温烘箱( y 8 0 2 l 型)莱州市电子仪器有限公司 电子分析天平( a r 2 1 4 0 型)奥豪斯国际贸易有限公司 恒温水浴锅( h h $ 2 1 8 型)上海树立仪器仪表有限公司 实验用品：1 2 0 目分样筛；三角烧瓶；称量瓶 实验条件：n a o h 溶液浓度：2 0 9 1 沸煮时间：3 h 烘干温度：1 0 5 1 1 0 ( 直至恒重) 残胶率计算：w c = ( g o g 。) g ox1 0 0 式中：w 。一试样残胶率( ) ； g 广试样提取残胶前的干重( g ) ； g 。一试样提取残胶后的干重( g ) 。 2 3 竹纤维制取工艺流程设计 目前，对于竹纤维脱胶工艺的研究还处于初期阶段，它的脱胶工艺大部分参考麻脱胶 方法。麻脱胶方法主要有：机械脱胶法、化学脱胶法以及生物脱胶法等，其中，化学脱胶 法仍是现在麻纤维制取最主要的途径。 国内外麻化学脱胶的发展趋势是快速、高效、短流程和连续化，为了缩短工艺流程、 加速脱胶工序进程以及节省能源，其中一种趋向是取消传统的浸酸、高温高压煮练等工艺， 其作用由碱煮工序增加功能作用来代替，即在碱液中添加有效的脱胶助剂，为加速胶质的 1 1 北京服装学院2 0 0 7 届硕士论文 溶出速度和效率创造条件“”“。借鉴麻脱胶的研究基础，本课题对竹纤维的化学脱胶工艺 进行了设计。其宗旨是短工序、低能耗、低污染、低成本，因而寻求有效的脱胶助剂并进 行复配，将不进行传统的浸酸工序，并且煮练也在常压沸煮的条件下进行。此外，在这里 要说明的是，本文中所制取的只是生竹纤维，因此，本章没有对竹纤维进行进一步的精细 化加工，如：漂白、多道煮练等。 综上所述，将竹纤维化学脱胶的工艺流程设计为： 匿噩j i 蛩一目i 蚤一自i 蛩一e i 斗一! 蚤一i 一匝蛩围 1 试样准备 由于竹材结构紧密，使得化学试剂不易渗透到竹子的内部。因此，在准备试样时，将 竹材去除竹皮和髓外组织后，制成薄片，以利于化学试剂的均匀渗透，同时可以缩短 各道工序的作用时间。 2 煮练 碱煮是竹材进行化学脱胶的基础，煮练的过程可以去除竹材中大部分的基本组织，包 括大部分的果胶、半纤维素和部分可溶木质素，从而制得竹纤维。 3 酸洗 酸洗的主要目的是为了中和煮练过程中残余的碱，防止纤维在碱长时间作用下产生损 伤，并进一步去除胶质。 4 梳理 梳理可以使半脱胶后的竹纤维整齐，并提高纤维的光洁度。 2 4 竹纤维制取用助剂的选择与复配 2 4 1 竹纤维制取用助剂的选择 在化学脱胶的过程中，若只用烧碱溶液( 不含其他化学助剂) 作用于竹材，由于烧碱 溶液对竹材的界面张力大于水对竹材的界面张力，会导致脱胶速度慢、脱胶时间长，甚至 靳 消耗更多的烧碱。随着人们对麻化学脱胶工艺的改进研究，特别是7 0 世纪朱到8 0 年代初， 湖南株洲苎麻纺织厂、武汉纺织科学研究所等单位先后在磷酸盐内选用助剂，成功实现了 以磷酸三钠和亚硫酸钠、三聚磷酸钠、焦磷酸四钠和亚硫酸钠三种为代表的无机助剂化学 快速脱胶工艺。该工艺大大缩短了碱煮时间，提高了工效和脱胶效率，因此很快在全国范 围内得到了应用和推广“”。 北京服装学院2 0 0 7 届硕士论文 亚硫酸钠具有还原作用，能夺取其它物质中的氧，防止这些物质在高温和强碱性介质 中对纤维的损伤，尤其在碱煮过程中，亚硫酸钠能使木质素变成木质素磺酸盐而易溶于碱 液中。 磷酸三钠有溶解果胶、蜡脂的作用，同时具有渗透、乳化和很强的分散性能。分散性 能的产生，使它对多价金属离子有较强的络合能力，可促使胶质分解、溶出。此外，磷酸 三钠本身对胶质有吸附能力，使胶质不断与煮练液作用，而又不断地分散在煮练液中。 三聚磷酸钠是一种多电荷并具有胶束结构的电解质，正是这个原因，煮练一开始就大 大增加了胶质上的负电势，加快了钠离子对胶质作用的反应速度，使果胶、木质素、半纤 维素胶质分散成微小的胶溶粒子而悬浮于碱液中，同时由于它的高势垒可以阻止、延缓溶 解了的胶质重新吸附到竹材表面的现象，这也是三聚磷酸钠优于磷酸三钠的一个很重要的 原因。而且它也是一种很强的螯合剂。 焦磷酸四钠具备三聚磷酸钠所有的优点，并且更优于三聚磷酸钠的是，它在高温、高 浓度碱液条件下的水解性小，有利于保持和发挥效能，故能以较小的用量达到较好的快速 脱胶效果，很好地适应了实际生产条件。 除上述无机化学助剂外，表面活性剂也是一种应用较多的脱胶助剂，它可以大大降低 液面的表面张力，提高反应的活化能。若将表面活性剂与几种无机化学助剂复配，将会综 合低表面张力、高渗透效果、扩散和多价电荷胶束的强电解质等多方面优势，而发挥出较 佳的快速脱胶效果。 鉴于上述原因，经反复预实验，最终选定焦磷酸四钠和亚硫酸钠这两种无机化学助剂， 并选用江苏常州纺织印染助剂公司提供的表面活性剂( z f ) ，利用正交实验方法进行实验 设计，确定这三种助剂的最佳用量并按比例进行复配。 2 4 2 竹纤维制取用助剂的正交实验设计 表2 - 1 脱胶用助剂正交实验设计 因素 abc 承尹 亚硫酸钠焦磷酸四钠表面活性剂( z f ) 10oo 23 53 5 3 36 6 f i 由于竹材结构紧密，而且其中的半纤维素、木质素等胶质含量远远大于传统麻的胶质 含量，因此，三种脱胶助剂( 亚硫酸钠、焦磷酸四钠、表面活性剂z f ) 的最大用量范围都 1 3 北京服装学院2 0 0 7 届硕士论文 比麻脱胶用量多了一倍。为了确定它们的最佳值，选择l 一( 3 ) 正交表进行实验设计( 见 表2 - 1 ) 。另外，助剂用量单位都为对竹材重( ) ，实验工艺流程为2 3 节所述，碱煮n a o h 浓度为l o g 1 ，碱煮时间为l 小时。 2 4 3 竹纤维制取用助剂的正交实验结果与分析 表2 - 2 是竹纤维制取用助剂的正交实验结果，表2 3 、2 - 4 、2 - 5 是各测试指标的显著 性结果。其中，k 表示各个水平的均值，r 表示极差。 表2 2 脱胶用助剂正交实验结果 测试指标 样品编号 abc 衔维细度毛纤维强度残胶率 ( r e x )( c n d t e x )( ) z 1 1 l16 8 82 9 7 9 1 7 8 3 z 2l225 3 9 3 5 1 9 1 6 6 l z 3l334 6 93 6 3 71 7 7 3 z 42125 3 93 4 4 51 6 6 6 z 5223 4 8 63 3 5 3 1 8 5 0 z 623l 5 9 03 1 3 6 1 7 4 8 z 7313 4 8 1 3 8 0 51 7 1 6 z 832l5 5 03 6 5 81 6 0 9 z 9 3326 3 52 8 6 21 7 7 8 癸k l j 5 6 5 05 6 9 36 0 9 2 纤 维 k 2 j 5 3 8 35 2 4 75 7 0 8 细 k 3 j 5 5 5 25 6 4 54 7 8 5 度 r j 0 2 6 7o 4 4 61 3 0 7 丧 k l j 3 3 7 83 4 1 0 3 2 5 8 纤 维 k 2 j 3 3 l l3 5 1 03 2 7 5 强 k 3 j 3 4 4 23 2 1 23 5 9 8 度 r j0 1 3 10 2 9 8 0 3 4 0 k l j 1 7 3 9 01 7 2 1 71 7 1 3 3 残 k 2 j 1 7 5 4 71 7 0 2 71 7 0 1 7 胶 盔k 3 j 1 7 0 1 01 7 6 6 3 1 7 7 9 7 r j 0 5 3 70 5 9 60 7 8 0 北京服装学院2 0 0 7 届硕士论文 表2 - 3 纤维细度显著性实验结果 因素偏差平方和自由度 f 比 显著性f 临界值 0 1 0 921 0 0 0 f ) ( 0 1 ) - - 9 b0 3 6 123 3 1 2 f 2 ) ( o 0 5 ) = 1 9 c 2 7 0 7 22 4 8 3 5掌 f 。2 ，( 0 0 1 ) - - 9 9 表2 - 4 纤维强度显著性实验结果 因素偏差平方和 自由度f 比 显著性f 临界值 a0 0 2 52i 0 0 0 f n2 ，( 0 1 ) - - 9 b0 1 3 825 5 2 0 f ) ( 0 0 5 ) = 1 9 c 0 2 2 128 8 4 0 f n2 ) ( 0 0 1 ) - - 9 9 表2 - 5 纤维残胶率显著性实验结果 因素偏差平方和自由度 f 比 显著性f 临界值 0 4 5 72i 0 0 0 f ) ( o 1 ) = 9 b0 5 7 821 2 6 5 f 。2 ) ( 0 0 5 ) = 1 9 ci 0 6 222 3 2 4f c ( 0 0 1 ) = 9 9 首先利用表2 2 确定各助剂的最佳用量。对于纤维细度来说，该指标越小越好，最佳 方案为a 2 b 舷；对于纤维强度来说，该指标越大越好，最佳方案为a 3 b 。；对于纤维残胶率 来说，该指标越小越好，最佳方案为a 弗2 c 2 。综合得出三种助剂的最优用量方案是a 。b 。， 即：亚硫酸钠6 ，焦磷酸四钠3 ，表面活性剂( z f ) 6 。这种组合方案没有安排在表2 2 中的九个实验中，按照最优方案重新制取竹纤维，得纤维性能指标如下表： 表2 6 助剂最优方案下的纤维性能指标 表2 - 6 中各项纤维性能指标相对较优，因此竹纤维制取用助剂的最优方案为：a 3 b ：c 。 并在此基础上，按照( 亚硫酸钠：焦磷酸四钠：表面活性剂z f ) = 2 ：l ：2 的比例把这三 种助剂复配成一种新的助剂，称为复合助剂。 1 5 北京服装学院2 0 0 7 届硕t 论文 另外，通过表2 3 、2 4 、2 5 ，可以看出，对于脱胶效果来说，三种助剂的作用大小 各不相同，基本趋势是：表面活性剂( z f ) 焦磷酸四钠亚硫酸钠。但就助剂作用的显 著性来说，只有表面活性剂( z f ) 对纤维细度的影响作用显著，其它二者的作用都不明显： 而对于纤维强度和残胶率来说，三者均没有显著作用。这可能是由于单纯脱胶助剂的作用 还不够强，还需要与碱浓度、碱煮时间等工艺方面相结合才能发挥出最佳效果。为此进一 步研究竹纤维制取的工艺。 2 5 竹纤维制取工艺的研究 在竹纤维制取工艺中，氢氧化钠浓度、碱煮时间及复合助剂的用量都会对脱胶效果产 生很大影响，因此，首先进行单因素影响分析，即在保持其它因素水平一致的情况下，变 化一种因素，通过对所制取纤维性能指标( 细度、强度、残胶率) 的测试分析，找出该因 素的水平范围。然后再根据各个因素的水平范围进行正交实验设计，优化工艺参数，最终 得到竹纤维制取的最佳工艺条件。 2 5 1 竹纤维制取工艺参数的单因素分析 2 5 1 1 碱浓度对脱胶效果的影响 氢氧化钠是碱煮过程中的主要化工原料，其用量大小不仅影响脱胶的质量，也影响化 工原料的消耗和成本m 鲥。用量过少，脱胶量不足，必定要增大脱胶助剂的用量或者增加 其他工序；反之，用量过多，既浪费了化工原料，还会导致脱胶过头，形成竹单纤维，无 法进行纺纱。因此，氢氧化钠的用量非常重要。在复合助剂用量为10 9 6 ( 对竹材重) ，碱煮 时间为9 0 m i n 的条件下，改变n a o h 的浓度，进行一系列实验，实验结果见表2 7 。 表2 - 7 碱浓度对脱胶效果的影响 1 6 北京服装学院2 0 0 7 届硕 ：论文 从表2 - 7 中可以看出，随着碱浓度的增高，纤维的细度、强度和残胶率都呈下降趋势。 这是由于在相同助剂用量及碱煮时间的条件下，n a o h 浓度越高，便有更多的n a + 离子进入 竹材内部与胶质进行反应，这样，纤维素与胶质的分离程度也更大，因此纤维变细、残胶 率下降，但与此同时，也有更多的n a + 离子进入竹材内部破坏纤维细胞间质的连接，同时也 对纤维素造成一定损伤，因而纤维强度有所降低。 当n a o h 浓度增加到1 6 9 1 时，纤维细度、强度、残胶率值基本达到稳定。事实上，在 1 4 9 1 时，各项指标变化速率显著减慢，即使再增加n a o h 浓度到2 0 9 1 ，纤维细度、残胶率 也没有太大改善，反而使纤维强度进一步下降，说明这时残留在竹纤维上的都是顽固性胶 质，很难在碱作用下去除。因而再增加n a o h 浓度也是徒劳的，故选择n a o h 浓度范围为 l l g 1 1 5 9 1 即可。 2 5 1 2 碱煮时间对脱胶效果的影响 碱煮时间也是煮练过程的重要工艺参数之一，在n a o h 浓度为1 4 9 1 ，复合助剂用量为 1 0 的条件下，摸索时间对脱胶效果的影响，实验结果见表2 8 。 表2 - 8 碱煮时间对脱胶效果的影响 从表2 - 8 中可以看出，随着碱煮时日j 的增长，纤维强度呈下降趋势，纤维的细度和残 胶率先下降，而后随着时间的延长( 1 2 0 m i n 后) 有所上升；而且碱煮时间到9 0 m i n 后，下 降的趋势较平缓。这是因为，一方面，随着时间的增长，溶液中的碱浓度在不断减小，反 应的速度逐渐变慢，因而碱煮时问从3 0 m i n 延长到6 0 m i n 时，纤维细度、强度、残胶率的 下降幅度都较大，而把时间从6 0 m i n 再延长到9 0 m i n 时，下降速度减慢。另一方面，随着 碱煮时间的延长，竹材表面开始形成多糖高分子物凝胶，即溶解了