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龙须草的化学脱胶工艺研究 摘要 近年来，“环境保护”这个概念越来越受到人们的重视，天 然纤维以其易于降解的优点对环境保护有着积极的意义，因此， 对天然纤维的研究越来越深入、广泛。研究龙须草纤维的脱胶方 法就是对新的天然纤维资源进行开发，龙须草作为一种新型的天 然纤维，不但对纺织工业有着重大的意义，同时有着极大的经济 意义，它的开发利用可以为国家创造经济价值。 本课题主要内容是研究龙须草的化学脱胶工艺。首先对龙须草的 化学成分进行了测试，确定原料的各化学成分的百分比，通过测 得的龙须草原料的纤维素含量，确定开发利用的价值。由其它成 分的百分比，还可以对以后的脱胶工艺起指导作用。通过测试， 龙须草原料的纤维素含量为4 5 3 4 ，相对其它麻类纤维稍低。龙 须草原料中的木质素含量为1 9 1 5 ，半纤维素含量为2 3 1 2 ， 胶质含量相对其他麻类纤维稍高。龙须草的脱胶工艺借鉴了麻类成 熟的化学脱胶工艺。本课题探讨了一煮法、二煮法、二煮一漂一练法、 漂煮联合法等脱胶工艺，同时探讨了加入几种助剂对龙须草化学脱胶 效果的影响。通过不同的试验组合，最终确定了一条“漂煮联合 法”的化学脱胶工艺路线，其工艺流程为：试样准备一一浸酸一 一水洗一一一煮一一水洗一一二煮( 煮练2 h 后加入双氧水再煮 练l h ) 一一酸洗一一水洗一一抖松一一脱水一一给油一一脱水一 一烘干。最优工艺条件为浸酸( 硫酸浓度2 5 9 l ，6 0 c ，2 5 h ，浴 比l ：1 5 ) ，头煮( 1 0 n a o h ，1 5 h ，浴比1 ：1 5 ) ，二煮( 1 4 n a o h ， 2 h ，加入双氧水再煮练1 h ，浴比1 ：1 5 ) 。此方案可以缩短试验流程， 同时达到与二煮一漂一练法同样的脱胶效果。 本课题还对经漂煮联合法脱胶后的龙须草工艺纤维进行了性能 与结构的测试。测试表明，龙须草脱胶后的工艺纤维在长度、细度、 强力等各方面都接近黄麻工艺纤维。同时对龙须草脱胶前和脱胶后的 截面形态和纵向形态进行了分析，并与黄麻纤维的截面和纵向形态进 行的对比。通过对龙须草纤维的红外光谱图的研究可以得出结论， 龙须草纤维的特征基团与其它纤维素纤维相类似。通过对龙须草 纤维的x 射线衍射结果的研究可以得出结论，龙须草纤维的结晶 度为7 1 0 2 。取向度为9 4 8 。运用本文中最优工艺流程及工艺 参数脱胶而得的龙须草纤维，残胶率为5 2 1 ，残余木质素含量 为8 3 2 ，强度为2 0 0 2 c n t e x ，细度为2 0 1 t e x 。与黄麻工艺纤维 相比较可以得出结论，脱胶后龙须草工艺纤维的强度与细度与黄 麻工艺纤维比较接近。 关键词：龙须草，化学脱胶，漂煮联合法，性能，结构 s t u d yo nc h e m i c a l d e g u m m i n go fe u l a l l 0 p s i sb i n a t a a b s t r a c t p e o p l e h a v eb e e n t h i n k i n g m u c ho ft h e c o n c e p t i o n o f “e n t i r o n m e n t p r o t e c t i o n ”t h e s e d a y s i t i s v e r yi m p o r t a n t t o e n t i r o n m e n tp r o t e c t i o nt od e c o m p o s en a t u r a lf i b r e s o ，p e o p l eh a v e s p e n tm o r ea n dm o r et i m eo ns t u d y i n gn a t u r a lf i b r e i ti san e w m e t h o do fn a t u r a lf i b r e d e v e l o p m e n t t o s t u d y o nc h e m i c a l d e g u m m i n go fe u l a l i o p s i sb i n a t a a san e wk i n do fn a t u r a lf i b r e ， e u l a l i o p s i sb i n a t a ss i g n i f i c a n c en o to n l ya p p e a r e di nt e x t i l ei n d u s t r y ， b u ta l s o i ne c o n o m y 。t h ed e v e l o p m e n ta n du s i n go fe u l a l i o p s i s b i n a t ac a nt a k eb e n e f i tt oo u rc o u n t r y i nt h i sp a p e r ，w es t u d i e do nc h e m i c a ld e g u m m i n go f e u l a l i o p s i s b i n a t a a tt h ef i r s t ，w et e s t e dt h ec h e m i c a lc o m p o n e n to fe u l a l i o p s i s b i n a t a w ec o n f i r m e dt h e p e r c e n to ft h ec h e m i c a lc o m p o n e n t t h r o u g ht h ec e l l u l o s ec o n t e n t ，w ec o n f i r m e dt h ev a l u eo ft h e d e v e l o p m e n t 。t h ec o m p o n e n tt e s ti sa l s ou s e df o rr e f e r e n c et ot h e n e x tw o r k t h r o u g ht h e t e s t ，t h ec e l l u l o s ec o n t e n to fe u l a l i o p s i s b i n a t ai s4 5 3 4 ，al i t t l el o w e rt h a n j u t e s t h e c o l l o i dc o n t e n ti s 19 15 ，a n dh e m i c e l l u l o s ec o n t e n ti s 2 3 12 ，al i t t l eh i g h e rt h a n j u t e s s ow es t u d i e dt h ec h e m i c a ld e g u m m i n go fj u t ea sr e f e r e n c e w es t u d i e dt h ec h e m i c a ld e g u m m i n gp r o c e s sb ym e a n so fb o i l i n g o n et i m e ，b o i l i n gt w ot i m e s ，b o i l i n gt w ot i m e sa n db l e a c h i n go n e t i m eo rb o i l i n ga n db l e a c h i n gt o g e t h e r s y n c h r o n o u s l y ，w es t u d i e d t h ei n f e c t i o no fc h e m i c a ld e g u m m i n gb ys e v e r a lc h e m i c a l a tt h e l a s t ，w eg e tt h er e s u l tt h a tt h eb e s tp r o c e s so fc h e m i c a ld e g u m m i n g i s b o i l i n ga n db l e a c h i n gt o g e t h e r t h ep r o c e s si s ：s a m p l e p r e p a r a t i v e - - a c i ds o a k w a s h i n g b o i l i n g w a s h i n g b o i l i n g ( b o i l i n g 2h o u r st h e na p p e n d i n gh 2 0 2a n db o i l i n g1h o u ra g a i n ) 一a c i ds o a k 一1 0 0 s i n g d e w a t e r i n g o i l i n g - d e w a t e r i n g - - d r y i n g t h eb e s tp r o c e s si sa c i ds o a k ( h 2 s 0 42 5 ，6 0 9 c ，2 5 h ，l i q u o rr a t i o 1 ：1 5 ) ，b o i l i n gt h e15 t i m e ( 1 0 n a o h ，1 5 h ，l i q u o rr a t i o1 ：1 5 ) ， b o i l i n gt h e2 甜t i m e ( 1 4 n a o h ，2 h ，a p p e n d i n gh 2 0 2 ，l h ，l i q u o r r a t i o1 ：15 ) t h i sm e t h o dc a nr e d u c et h ep r o c e s s ，a n dg a i nt h ee f f e c t a sw e l la sb o i l i n gt w ot i m e sa n db l e a c h i n go n et i m ec a ng a i n i nt h i sp a p e r ，w ea l s ot e s t e dt h ep e r f o r m a n c ea n dc o n f i g u r a t i o n o fc h e m i c a ld e g u m m e de u l a l i o p s i sb i n a t ab yb o i l i n ga n db l e a c h i n g t o g e t h e r a st h er e s u l t ，e u l a l i o p s i sb i n a t af i b r e sl e n g t h ，f i n e n e s sa n d s t r e n g t hi sg o o da 8w e l la sj u t e s w ea n a l y z e dt h es e c t i o ns h a p ea n d p o r t r a i ts h a p eb e t w e e nb e f o r ed e g u m m i n ga n d a f t e rd e g u m m i n g ，a n d c o m p a r e dw i t hj u t e s w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h r o u g hi n f r a r e d s p e c t r o g r a mt h a tt h ep e d e s t a lo fe u l a l i o p s i sb i n a t ai ss i m i l i t u d e t o c e l l u l o s ef i b r e s t h r o u g hx - r a d i a ls p e c t r o g r a m ，w ek n o wt h a tt h e e u l a l i o p s i s b i n a t af i b r e s c r y s t a l l i n i t yd e g r e e i s7 1 0 2 a n d o r i e n t a t i o nd e g r e ei s9 4 8 。a st h ef i n a le x p e r i m e n tr e s u k w eg a i nt h e r e s u l tt h a te u l a l i o p s i sb i n a t af i b r e sp e r c e n t a g eo fc o l l o i dl e f ti nt h e p r o d u c ti s 5 2 1 ，l e f tl i g n i ni s8 3 2 ，s t r e n g t hi s 2 0 0 2 c n t e xa n d f i n e n e s si s2 0 1 t e x t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ee u l a l i o p s i sb i n a t a s w a ss i m i l i t u d et oj u t e s z h a n gy a n h u i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f y uc h o n g w e n k e y w o r d s ：e u l a l i o p s i sb i n a t a ，c h e m i c a ld e g u m m i n g ，b o i l i n ga n d b l e a c h i n gt o g e t h e r ，p e r f o r m a n c e ，c o n f i g u r a t i o n 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 ， 不保密口： 学位论文作者签名： 舛 日期：撕) 月朋 指导教师躲么韵 日期：沙磊年- 月j ，日 第一章概述 第一章概论 第一节龙须草的开发目的与意义 近来，“环境保护”这个概念越来越受到人们的重视。从国际市场看， 消费者从环境生态角度挑选产品将成为必然趋势。天然纤维以其易于降解 的优点对环境保护有着积极的意义。因此，对天然纤维的研究越来越深入、 广泛。天然纤维的研究主要有两个方面：一是改良已开发的天然纤维，二 是开发新的天然纤维。一些常规的天然纤维如棉、毛、丝、麻等已经在纺 织领域得到了广泛的应用。近年来人们越来越重视对新型天然纤维的开发 利用，因为，这不仅可以丰富纺织品的种类，又可以利用资源，同时带来 一定的社会效益。 探索龙须草纤维的脱胶方法就是对新的天然纤维资源进行开发。在过 去封闭型农村经济的状况下，龙须草主要被用来搓制草绳，编织蓑衣、草 鞋、凉席等物，甚至当做柴烧掉。这是一种极大的资源浪费。龙须草应用 于造纸行业，可以生产出优质的纸张。以龙须草为原料可以制造硝化纤维 素，精致龙须草纤维素可代替棉纤维素做人造纤维素的各种用途。且龙须 草纤维是一种天然的植物纤维，它具有天然植物纤维的优点，可以降解， 不会对周围环境造成污染，符合人们对环保的要求。 龙须草作为一种新型的天然纤维，不但对纺织工业有着重大的意义， 同时有着极大的经济意义。它的开发利用可以为国家刨造经济价值。 第二节龙须草纤维的开发与利用的现状 龙须草学名拟金茅，俗称衰草、羊胡子草、羊草，为多年生禾本科纤维 植物。世界上龙须草仅分布于中国、印度北部、克什米尔、阿富汗与菲律 宾等少数国家的局部地区。我国主产于云、贵、川、鄂、粤、桂、湘、豫、 冀、陕、台等省。 一、国外的研究现状 密脱s p 、萨德a d 一直从事龙须草的研究有3 0 余年。1 ，研究结果表明 第一章概述 龙须草具有良好的水土保持特性和极高的经济利用价值。 龙须草的一般特性：龙须草广泛分布于印度北部( 喜马拉雅山脚) 海 拔3 0 0 5 0 0 m 层段，属该地本生资源。用于造纸始于1 8 7 0 年，现年均造纸用 草量8 0 万吨，它能在各种类型土壤及各种地形地貌上生长良好。可与西瓦 里克山脉的许多经济林木套作。 龙须草的生物与栽培习性：龙须草一年两次结籽，但以四五月籽生 活力强，种籽繁殖有直播与育苗两种，也可分蔸繁殖。田间定植密度以4 万 蔸h m 2 为宜，株行距5 0 c m 5 0 c m ，田间除草仅需定植当年两次，次年一 次即可。 龙须草的生态学意义：强大的根系与茂密的地上部分既固着土壤又 保蓄雨水，即使在陡峭山坡地也能有效地减少水土流失。在缓坡地农田每 隔3 0 m 种植一条i m 宽的龙须草有助于坡自然形成相对平整的梯田，土壤面 积的损失可由龙须草得到补偿。在田埂上种植有利于加固田埂、防洪水冲 垮。 龙须草的经济学意义；龙须草纤维素含量5 4 5 2 ，适于制做高级书 写纸与印刷纸，制浆收获率4 0 ；用于制绳、编织，许多山民以此为生， 成绳率8 0 ，为山村剩余劳力提供了大量的就业机会。 总之，其无与伦比的生态、经济价值使它在北部西瓦里克地区具有十 分突出的地位。 二、国内的研究背景与应用现状 1 、水土保持 龙须草叶密细长，根蘖发达，适应性强，是一种护坡固沟的优良草种。 龙须草能够保持水土的原因主要有两个：一个是地面上龙须草叶片的 有滞留雨水的能力。二是地面下龙须草须根可固定土壤，也起到了固土保 土的作用。 龙须草叶面粗糙，草叶上附生一层茸毛，本身具有一定的滞留雨水的 能力，每次降雨，首先草叶上就可滞留一层雨水。龙须草在地面上的草长 度为0 4 2 5 m ，覆盖地面的草厚可达0 3 o 8 m 。根据对龙须草试验区采用 喷雾器进行喷水试验，龙须草厚度在0 3 o 8 m 的地方，每l m 3 滞留水量 2 0 3 k g ，即可滞留降雨量约2 m m ，在0 6 o 8 m 草厚的地方可滞留水量 2 第一章概述 2 9 4 k g ，即可滞留近3 r a m 的雨量。如果结合蓄水保土整地工程措施种植龙 须草，蓄水作用会更加明显。1 。 龙须草地面部分可以滞留雨水和缓解暴雨击溅表土，地下须根发达且 多密布于活土层内，龙须草具有优良且象网状纤维般的根系，可固定土壤颗 粒。具调查，每公顷龙须草可蓄水5 2 51 8 0 0 m 3 以上。强大的根系与茂密的 地上部分既固着土壤又保蓄雨水，即使在陡峭山坡地也能有效地减少水土 流失。在缓坡地农田每隔3 0m 种植一条l m 宽的龙须草有助于坡自然形式相 对平整的梯田。在田埂上种植有利于加固田埂、防洪水冲垮“1 。龙须草不 仅截留了大量水分，起到固土保土作用，而且也起到了保水、保肥和保温 作用，创造了微生物活动的环境，改良和培肥了土壤。同时改善了气候， 净化、美化了环境，创造了良好的生态条件，促进了生态系统良性循环， 产生了明显的生态效益和社会效益。 黄宇等人曾经从土壤物理性状的变化和土壤蓄水保水能力的变化两方 面通过相关试验分析过龙须草对土壤的水土保持作用“1 。试验表明，与空 旷地相比种植龙须草可降低土壤容重o 1 3 9 e m 3 ，增加土壤总孔隙度4 9 ， 提高土层土壤贮水量1 4 9 ，年土壤侵蚀量减少9 4 5 。 我国利用龙须草进行水土保持，已在河南、陕西、四川等省实行h ”。 据河南省水土保持研究所试验，每公顷龙须草可拦蓄径流6 0 0 m 3 以上，保土 减沙效益在8 0 以上。大力推广龙须草的种植，将会加快荒山荒坡的治理“。 2 、造纸的原料 随着经济的不断发展，对纸张的需求量越来越多，对纸张的品种和质 量要求也越来越高，造纸工业纤维原料的矛盾也更加突出。中国、印度都 先后出现了纤维原料的紧缺。我国是少林的国家，森林资源贫乏，覆盖率 仅为1 2 。计划年采伐量4 ，5 0 0 万立方米，而用于造纸的木材不到4 0 0 万立方 米，导致了造纸原料中木材纤维极为紧张，影响了造纸工业的发展，国家 每年不得不花费5 亿美元进口木浆和以木材为原料的纸和纸板。有专家预测 1 5 年内，国产木材将不可能满足造纸工业的需要。利用先进的生物技术， 开发野生草类纤维植物，提高生长速度，缩短生长周期，增加产量，不仅 能够为造纸工业提供充足的纤维原料，促进我国造纸工业的发展，而且有 利于生态环境的保护“8 1 第一章概述 龙须草现在多被应用于造纸领域，它是我国常用的草类造纸工业原料 之一。 龙须草用于造纸是在5 0 年代初，先在汉阳纸厂采用，发现为一种优质 造纸原料，被造纸部门誉称为“群草之冠”、“草中之宝”。现在全国以 龙须草为主要原科的造纸厂家就有6 0 7 0 家。9 ”1 。 龙须草能作为优良的造纸原料主要因为，龙须草纤维介于针叶树种和 阔叶树种之间，拉力强、韧度高，单纤维平均长度为2 m m 左右，纤维素 含量较高，纤维打浆帚化度较好，因此适宜制造拷贝纸、打字纸等高档薄 型纸张，是理想的代替木材纤维的天然资源。还具有草长无节，纤维长容 易漂白等特点，造纸要求的大多数性能指标都明显优于常见造纸原料芦苇， 以1 0 0 的龙须草为原料可以生产1 号纸、薄型纸，特别是复写原纸、打字 蜡纸、拷贝纸、信封纸，又适于造胶版纸、铜版原纸、书写纸和晒图纸等 较厚的文化用纸。用于造纸其加工工艺简单、收获率高、造价低，作为优 良造纸原料在市场上直供不应求。因此它是一种需要量很大的高级造纸 原料n ”1 3 1 钔。 龙须草应用于造纸的专利由郑明文等人申请，名称为一种龙须草代替 木浆生产防锈原纸的方法“”。此专利主要是以一种龙须草为主要原料代替 木浆生产防锈原纸的生产工艺，其技术特征是8 0 9 0 的龙须草和1 0 2 0 的木浆代替木浆做原料，工艺主要包括蒸煮、洗涤和打浆三大过程。具有 生产成本低、产品各项技术指标达到或超过国家标准等优点，为以草类原 料代替木浆生产防锈原纸提供了发展方向。李平申请了两个专利，一是龙 须草画纸的制造方法，主要是以龙须草或竹子为主要原料制成用于手抄书 画的纸“。二是龙须草书画纸“”，主要是以龙须草为主要原料制成用于手抄 书画的纸。其组成成分包括龙须草、桑皮、麻、烧矸。利用他的发明生产 的书画纸强度和浸润性能能够满足书画艺术的要求，特别适用于重笔和反 复渲染，纸质韧两润，原料丰富且价格低。 用龙须草生产高级纸，国内已有成熟的生产经验：陕西商洛纸厂利用 龙须草生产的拷贝纸专供出口，经济效益很好；湖北汉阳纸厂用全龙须草 生产的银雀牌复写原纸，曾获国家银质奖；四川青城纸厂用龙须草生产出 口打字纸，已有多年的历史“”。 4 第一章概述 根据我国国情实行“草木并举”方针，开发草类长纤维资源，以节约 树木。保护森林，提高纸质是一项长期任务。1 吨龙须草可抵2 5 m 3 木材， 是理想的以草代木原料。所以龙须草在造纸工业中的作用重大，龙须草的 开发利用为我国造纸行业带来了新的曙光“。 3 、编织材料 在古代龙须草就被用来搓制草绳、编织蓑衣、草鞋、凉席等物。湖南 的龙须草席在北宋就已是远近闻名的产品，现今更是在国际国内市场上享 有很高的声誉“。 龙须草具有纤维长、韧度高、拉力强和防潮性能好的特点。在过去封 闭型农村经济的状况下，龙须草仅仅被用来拧绳、盖房和打草鞋，甚或当做 柴烧掉。为了扩大龙须草的利用途径，近几年来，草垫、草席、草地毯等 系列加工产品已在兴起，龙须草地毯，由于质优、价廉和无污染，保持天 然的色泽，吸引了外商。目前不少地方生产的地毯已销往英国、日本、意 大利等国家。一些地方还探索开发龙须草编织工艺品，并作为纤维原料进 行生产人造棉、人造丝的试验，拓展龙须草利用的新前景。“。龙须草还可 以编织宾馆、饭店用的草毯、门垫及席梦思，飞机、轿车、沙发靠垫、座 垫，以及草帽、提包、提篮、草袋等编织物1 0 0 多个花色品种，远销美国、 日本、英国、意大利、德国、加拿大和香港等2 0 多个国家和地区“1 。 4 、人造丝、人造棉的原材料 龙须草可作为人造丝、人造棉的原材料胫”。 龙须草制作人造棉的大体流程如下：将龙须草切成一定长度投入铁锅 中碱煮将木质素和其他杂质除去后取出晾干，然后再用肥皂液浸泡使其更 易碱化，漂洗后，加入硫酸漂白，最后经过清洗、干燥、柔软、梳弹即成。“。 中国科学院应用技术研究所曾经利用稻草、小麦秆、棉秆、龙须草等 秸秆纤维制成人造棉，虽然质量较棉花差，但是弹性好，疏松洁白，尤其 适合代替棉花制作一次性医疗用品。”。 有关龙须草纤维的专利由刘吉平申请“”。名称为以龙须草为原料制造 硝化纤维素的方法。它的主要工艺过程是将龙须草与3 左右的稀酸共热， 洗涤后再与低浓度的碱液共同加热，再经氯化、漂洗后可得精致纤维素， 将其抄制成纤维纸，以混酸硝化，再经安定处理，即可制得硝化纤维素。 5 第一章概述 硝化龙须草纤维素可以制造硝基漆、赛璐珞、乒乓球等各种产品，精致龙 须草纤维素可代替棉纤维素做人造纤维素的各种用途。 第三节龙须草纤维与其他一些天然纤维的性畿比较 一、龙须草的特性 龙须草纤维是一种优良的中长纤维原料。表l - 1 为龙须草的纤维形态 表。 表1 - 1龙须草原料的纤维形态” 纤维平均长度r a m纤维平均宽度r t m长径比 i2 1 01 02 1 0 由表1 - 1 可以看出，龙须草的长径比较大。 二、龙须草的化学成分组成 表1 2 为文献中记载的龙须草的化学成分组成。 表1 - 2龙须草化学成分组成1 ( ) 水分灰分 1 n a o h抽出物苯醇木质素多缩纤维素 热水溶物 抽出物戊糖 1 06 5 61 4 0 64 3 2 64 6 71 4 6 12 0 2 35 6 5 8 9 56 4 5 1 3 5 84 3 1 44 6 51 4 2 92 4 2 95 8 1 3 由表1 - 2 ，可以看出龙须草的纤维素含量在5 6 5 8 5 8 1 3 ，纤维素 的含量比较高。 第四节本课题主要研究的内容及前景 一、主要研究内容 1 、对龙须草的化学成分进行分析 运用定量分析方法对龙须草的各种化学组成成分进行分析。并分析研 究其物理机械性能以及微细结构。 2 、制取龙须草的工艺探索及工艺的优化设计 在上述分析基础上，拟采用化学脱胶的方法，主要工艺流程借鉴麻类 的脱胶工艺。对关键工序进行优化设计，找出最佳脱胶工艺。 3 、龙须草纤维脱胶后各项性能测试 通过相应的实验方法，对龙须草脱胶后的各项性能进行测试。 6 第一章概述 通过实验定量分析出龙须草的化学成分；根据不同的脱胶路线，通过 优化设计找出脱胶的最佳工艺；对脱胶后的纤维进行各项性能的测定，使 纤维脱胶后具有可纺性。 二、课题前景 现在我国对于龙须草纤维的开发研究还处于起步阶段，对它的性能了 解的还不多。龙须草的应用领域还很狭窄，有待于进一步的研究。我国的 龙须革的种植比较广阔，每年都有数量巨大的龙须草收割，为龙须草纤维 的开发研究提供了大量的原料。同时，龙须草的价格便宜。若能研究龙须 草的脱胶工艺，使其能应用于纺织行业。不仅能缓解天然纤维的紧张，同 时也能创造一定的经济价值。所以，龙须草的开发与研究具有重要的意义。 7 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 龙须草的分布比较广泛，在世界上龙须草主要分布于中国、印度北部、 克什米尔、阿富汗与菲律宾等国家，我国主产于云、贵、川、鄂、粤、桂、 湘、豫、冀、陕、台等省。不同地区的龙须草之间有着一定的区别，从 而影响到龙须草的性质也有所不同，化学成分含量也有一定的差别。 第一节实验原料的选取 龙须草，又名蓑草或羊须子草，学名为e u l a l i o p s i sb i n a t a ，属禾本科 多年生草本植物，一次种植可生长2 0 3 0 年，每次收割后宿根发芽再生， 根愈大繁殖愈多，有野生的，也可采取人工培植建立基地的办法发展。每 年3 月上、中旬2 0 天内种植，当年每亩可收割1 5 0 k g ，第二年2 0 0 k g ，第三年 2 5 0 k g ，以后生长更盛，产量更高。龙须草性喜干燥及阳光，耐寒耐旱，于 荒山瘠土亦能生长，不需施肥，一般生长在荒野的山坡，肥土繁殖更好。 龙须草叶抱拥根茎基部而生，叶片狭长而扁平，一般长约0 5 1 5 m ，受日 光曝晒时便卷曲成细长的圆筒状，叶根有白毛头，无节无髓，以手扯之， 其叶即与白毛头根茎脱离。龙须草一般在3 4 月份发芽，7 9 月份成熟， 一年可收割一二次，夏季收割的称伏草，颜色青绿；秋冬收割的为秋草“”。 本课题所有的实验原料均是属于同一品种，是湖南农学院提供，为夏 季收割，晒干备用。 第二节原料的化学成分定量分析 一、实验目的 龙须草的化学成分分析是龙须草纤维制取的基础性工作。通过对龙须 草原料的化学成分定量分析，确定原料的各化学成分的百分比，可以通过 测得的龙须草原料的纤维素的含量，确定其开发利用的价值。还可以由其 他成分的百分比，找出其特点，从而对以后的脱胶工艺起指导作用。 二、实验内容 8 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 按照g b 5 8 8 8 8 9 苎麻化学成分定量分析方法，对所选湖南的龙须草 原料进行化学成分定量分析。分别确定龙须草的脂腊质、水溶物、果胶、 半纤维素、木质素、纤维素等组分含量。 三、实验仪器及化学药品 1 、玻璃器皿 脂肪提取器：2 5 0 m i 球型玻璃真空管 三角烧瓶：5 0 0 m l抽滤瓶：1 0 0 0 m l 球型冷凝管：2 5 0 m i玻璃砂芯滤器：n 0 3 3 有塞三角烧瓶：5 0 m l玻璃干燥器 高型称量瓶：4 0 m m x 7 0 m m量筒：2 5 0 m l 、1 0 0 0 m l 2 、称量仪器 精密电子天平：s a r t t o t i o u s 电子天平感量万分之一克 托盘天平：感量十分之一克 3 、其他 电冰箱分样筛1 2 0 目 电热恒温水浴锅3 7 1 0 0 型号h h s 8 电热恒温干燥箱：温度控制范围：5 0 1 5 0 ，灵敏度：士1 4 、化学药品 氢氧化钠( n a o h ) ：含量不低于9 5 ，化学纯： 硫酸( h 2 s 0 4 ) ：含量9 5 9 8 ，化学纯； 草酸铵( c n h 4 ) 2 c 2 0 4 h 2 0 ) ：含量9 9 8 ，化学纯； 苯( c 6 h 6 ) ：含量不少于9 9 o ，化学纯； 无水乙醇( c h 3 c h 2 0 h ) ：化学纯； 氯化钡( b a c l 2 ) ：含量不少于9 9 o ，化学纯。 四、试样准备 所有试样是将晒干后的整株龙须草，捆成每个5 9 左右的试样。 五、实验方法与步骤 参照g b 5 8 8 8 8 9 苎麻化学成分定量分析方法。 1 、脂蜡质 将测过含水率的试样，分别放入脂肪提取器内，试样高度低于溢流口 9 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 约l o 1 5 m m 。烧瓶内加入1 5 0 r a l 苯乙醇( 体积比2 ：1 ) 溶液，在恒温下进 行提取，控制回流速度为4 6 次h 。从提取液开始滴落起计时，提取3 h 。 取出试样，在通风橱内风干。然后放入已知重量的称量瓶中，在1 0 5 l i o c 下烘至恒重。取出迅速放于干燥器中冷却3 0 r a i n ，分别精确称取试样与称量 瓶总重量并记录。 计算公式：w 1 旦；鱼。1 0 0 u 0 式中：w t 一试样的脂蜡质含量( ) ； g o 一试样抽取脂蜡质前的干重( g ) ； g 1 试样抽取脂蜡质后的干重( g ) 。 2 、水溶物含量 将提取脂蜡质后的试样，分别放入加有1 5 0 m l 蒸馏水的三角烧瓶中，装 好球形冷凝管，沸煮1 h ，更换新蒸馏水，重新煮沸2 h ，取出试样，在分样筛 中洗净。放入已知重量的称量瓶中，烘至恒重。取出，迅速放于干燥器中 冷却，称重并记录。 计算公式：w 2 = ( h - j _ 竺2x 1 0 0 l ，o 式中：w 2 一一试样的水溶物含量( ) ； g 2 一试样提取水溶物后的干重( g ) 。 3 、果胶质含量 将提取水溶物后的试样，分别放入加有1 5 0 m l ，浓度为5 l 的草酸铵溶 液的三角烧瓶中，装好球型冷凝管，沸煮3 h ，在分样筛中洗净，放入已知重 量的称量瓶中，烘至恒重。取出迅速放入干燥器中冷却，称重并记录。 计算公式：w 3 - ( j 2 _ - - ( - t 3 1 0 0 1 _ o 式中：w 3 试样的果胶质含量( ) ； g 3 一试样提取果胶质后的干重( g ) 。 4 、半纤维素含量 将提取果胶物质后的试样，分别放入加有1 5 0 m l ，浓度为2 0 9 1 氢氧化钠 溶液的三角烧瓶中，装好球型冷凝管，沸煮3 5 h 取出，于分样筛中洗净，放 入已知重量的称量瓶中，烘至恒重，取出迅速放于干燥器中冷却，称重并 记录。 1 0 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 计算公式：w 4 g 3 - - g 4 1 0 0 式中：w 4 一试样的半纤维素含量( ) ； g 4 试样提取半纤维素后的干重( g ) 。 5 、木质素含量 将已被提取过脂蜡质的试样约1 9 左右剪碎( 长度不超过1 5 m m ) 放入 己知重量的有塞三角瓶中，在烘箱中烘至恒重、称重。而后慢慢加入3 0 m l ， 7 2 的硫酸溶液。在8 1 5 下放置2 4 h 。然后，移至三角烧瓶中，用蒸馏 水稀释至3 0 0 m l ，装好球型冷凝管沸煮1 h ，稍冷，用已知重量的玻璃砂芯滤 器反复抽滤、洗涤，直至滤液中不含硫酸根离子时为止( 用1 0 氯化钡溶 液检验) 。取下玻璃砂芯滤器烘至恒重，取出迅速放于干燥器中冷却，称 重并记录。 计算公式： 形垆黑1 0 0 u o u o 式中：w 5 试样的木质素含量( ) ； g 5 试样的木质素与玻璃器的总干重( g ) ； g 6 一玻璃滤器干重( g ) ； g o ”一试样与有塞三角瓶总干重( g ) ； g o 有塞三角瓶干重( g ) 。 6 、纤维素含量 计算公式：w 6 = 1 0 0 一( w l + w 2 + w 3 + w 4 + w 5 ) 式中：w 6 试样的纤维素含量。 六、实验结果与分析 按g b 5 8 8 8 - 8 9 苎麻化学成分定量分析方法测出龙须草中各化学物质 成分含量。见表2 1 。 表2 1龙须草中各物质化学成分含量 ( ) l 脂腊质水溶物果胶半纤维素 木质素纤维素 1 2 5 9 2 4 1 9 2 3 1 2 1 9 1 54 5 3 4 从表2 1 可以看出龙须草中各化学成分含量，其中半纤维素成分占 2 3 1 2 ，木质素占1 9 1 5 ，按百分比来说占了相当大的比例。 由于生长环境的差异，不同产地的龙须草和龙须草的不同部位的试验 l i 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 结果都可能会有较大差异。”。本试验仅针对湖南产龙须草，整株( 包括根 部、中部和梢部) 进行。 第三节与其他一些植物纤维原料成分的比较 为了更好地把握龙须草的性能，将龙须草与其他一些植物纤维的原料 ( 如竹子、亚麻、苎麻、黄麻、大麻) 的化学成分进行比较，如表2 2 所示。 表2 - 2龙须草与几种植物纤维原料化学成分含量比较表2 ”( ) 种类龙须草苎麻亚麻黄麻竹子 脂腊质 1 2 5 0 2 11 2 1 8 o 3 0 7 水溶物9 2 46 5 97 5 1 2 5 果胶1 93 5 4 51 4 5 71 1 1 30 5 一1 5 半纤维素 2 3 1 2 1 2 1 51 2 1 51 6 1 92 0 2 5 木质素 1 9 1 5o 5 2 2 5 5 1 1 1 52 0 3 0 纤维素4 5 3 47 0 7 77 0 8 06 4 6 74 5 5 5 灰分 3 4 5 0 8 1 3 0 6 1 7 从表2 2 可以得出龙须草与竹子的各化学成分含量相近。龙须草的纤 维素含量为4 5 3 4 ，与竹子的纤维素含量相近，比其他三种原料要低一些。 与其他三种麻类原料相比，龙须草中的半纤维素和木质素含量普遍偏高， 按百分比来说占了相当大的比例，因此在龙须草纤维的制取过程中对半纤 维素和木质素的去除将是重点。 第四节龙须草主要化学成分的特征及脱胶机理 一、龙须草的主要化学成分及其特征 龙须草纤维中含有多种不同的化学成分，主要是纤维素、半纤维素和 木质素等成分。其中纤维素占4 5 3 4 ，其他近5 5 的非纤维素成分统称为 胶质。胶质包括半纤维素、果胶、木质素、水溶物、脂蜡质、灰分等物质。 对龙须草纤维进行化学脱胶的主要目的是获取纤维素成分同时去除一定量 的胶质。在前面已经对龙须草纤维的化学成分作了定量分析，测出了各成 分的百分含量。本节要在进行化学脱胶之前对龙须草的主要化学成分及各 成分的特性有所了解，以便我们能顺利地脱胶以达到理想的效果。 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 1 、纤维素 纤维素是一种高分子的碳水化合物，是细胞壁中最主要的成分。分子 式为( c 6 h l 0 0 5 ) n ，n 为聚合度。其分子为1 0 0 个以上葡萄糖根用氧桥联结 而成3 ”。 纤维素的化学性质主要有： 、纤维素的酸性水解 纤维素的酸性水解，是指在适当的氢离子浓度、温度和时间下，纤维 素大分子中的1 ，4 b 甙键发生断裂，从而导致纤维素的聚合度降低，使纤 维素的性质有了不同程度的改变。 纤维素水解后聚合度下降，强力降低，在碱液浓度中溶解度增加，吸 湿能力改变。 、纤维素的碱性降解及碱纤维素生成 纤维素大分子在碱性条件下所发生的分子链断裂的过程，称之为碱性 降解。碱性降解包含有碱性水解和剥皮反应。碱性水解程度与用碱量，温 度和时间等有关，特别是温度。当温度超过1 5 0 时，产生碱性水解作用。 在温度较低时，碱性水解反应甚微，碱性水解使纤维素甙键部分断裂、聚 合度下降。纤维素与浓碱作用时则生成碱纤维素。生成碱纤维素的条件与 碱的种类、温度、浓度等因素有关。 、纤维素的氧化 纤维素与氧化剂作用时，其大分子中的羟基很容易被氧化剂氧化，形 成氧化纤维素。在大多数情况下，随着羟基的被氧化，纤维素的聚合度也 同时下降，这种现象称为氧化降解。纤维素的氧化作用，与氧化剂类别、 用量、氧化温度及时间有很大关系，改变这些条件，会生成化学结构与性 质不同的氧化纤维素“。 2 、半纤维素 半纤维素是多种多糖类物质的总称，包括多缩戊糖和多缩己糖。”。 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5 0 2 0 0 ) 的无定形结壳物质，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间层和细胞壁上， 也可认为是纤维素细胞间的填料和黏结物质。”。 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 半纤维素不像纤维素那样由一种单糖组成的均一聚糖“1 ，而是一些低分 子量聚糖类化合物，是多种多糖类物质的总称，包括多缩戊糖和多缩己糖。 还包括葡萄甘露聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖、半乳甘露聚糖等。其中葡萄 甘露聚糖半纤维素对碱的抗性最大，在脱胶过程中最难除去。 半纤维素在龙须草胶质中含量最高，是龙须草脱胶的主攻对象。由于 半纤维素分子量较纤维素小，因此对酸、碱、氧化剂的作用比纤维素更不 稳定，大多数半纤维素能溶解在热碱液中“。 3 、果胶物质 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。通过氢键或 钙等多价离子与细胞壁成分形成桥式结合，从而发生与细胞壁成分物理上 的缠结，结果使水不溶性果胶增加。它存在于纤维的细胞壁、细胞内及 细胞间，其含量随植物成熟度的提高而降低。”。 果胶物质是部分甲氧基化或完全甲氧基化的聚半乳糖醛酸( 果胶酸) 。 果胶质的性质取决于甲氧基含量的多少及聚合度的高低。果胶质中未被酯 化的羟基，与多价金属离子结合成盐，变成网状结构，降低溶解度。果胶 物质对酸、碱和氧化剂作用的稳定性要较纤维素低1 。 果胶是一种无定形的胶质物，具有可塑性和很高的亲水性。果胶分生 果胶与熟果胶两种。熟果胶是水溶性的，生果胶则难溶于水，能溶于热的 i n a o h 或草酸铵溶液中，也能被果胶分解酶所分解。黄麻、洋麻的精洗 脱胶过程就是使部分果胶分解，使纤维分离出来，同时靠部分未分解的果 胶使单纤维粘结成为具有可纺性的工艺纤维。如沤麻过度，单纤维间的胶 质全被分解，则将成为单纤维状态，就丧失纤维的使用价值。 4 、木质素 木质素是一种具有芳香族特性的、其结构单体为苯丙烷型的、三度空 间立体结构的高分子化合物。木质素与半纤维素之间的主要联结是苯甲醚 键、缩醛键等。木质素对无机酸作用稳定性极高，但可用碱提纯。分析木 质素含量的方法之一就是测定在7 2 硫酸溶液中不被水解的残渣的重量。 木质素易氯化，氯化木质素易溶于碱液中。“。木质素在日光长时间曝晒下， 可导致纤维的强力下降，颜色逐渐变黄。 1 4 第二章龙须草化学成分分析及其脱胶原理 木质素含量的多少是影响麻纤维品质的重要因素之一。木质