（纺织材料与纺织品设计专业论文）亚麻纤维的精细化改性和可纺性能的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

亚麻纤维的精细化改性和可纺性能的研究 摘要 亚麻纤维是一种性能优异的天然纤维素纤维，特有 的纤维性能使其产品具有良好的服用性能和外观风格， 颇受国内外市场和消费者的青睐。亚麻纤维特殊的性能 和风格使其越来越受到关注，但是由于纤维本身的可加 工性能以及传统的湿纺纺纱工艺的制约，使其产品开发 的品种和档次很受限制。 本文针对亚麻纤维性能的缺点和棉纺设备以及工艺 路线加工的要求，在原料的化学成分分析的基础上对其 进行三种精细化改性加工的方法，即碱改性法、生物酶 改性、化学生物联合改性。改性后纤维的可纺性指标表 明，改性的纤维能够在棉纺设备上纺纱，从而实现亚麻 与其它纤维混纺，提高了产品的档次。因此，亚麻的精 细化改性加工研究是一项非常具有实际意义的工作。得 到结论如下： 1 亚麻纤维的精细化改性采用预助剂处理工艺。这 种预处理方法可以使纤维在碱处理之前被充分浸润，能 够溶掉部分果胶和半纤维素，减轻碱处理的负担。 2 通过碱法改性工艺的研究发现：碱处理的浓度、 时间、温度对纤维果胶、木质素含量、失重率、细度、 强伸性能、长度等可纺性能指标产生很大影响。但碱处 理一定要有个范围，如果超过了这个范围，工艺纤维的 强伸性能就会下降，纤维受到损伤，从而在梳理过程中， 产生劈裂。 3 在单因子分析的基础上，利用正交设计的方法， 对碱法改性碱处理参数对改性效果的影响进行了对比， 得出最佳精细化工艺和助剂方案。 4 酶的种类、浓度、处理时间、温度、p h 值是影响 生物酶改性的主要因素。本课题选用果胶酶和纤维素酶， 通过正交设计确定了不同的工艺条件，进行亚麻的生物 酶改性。运用方差分析的方法处理数据，得出了生物酶 脱胶的最佳工艺条件。 5 化学生物联合改性将碱法改性和生物酶改性进行 有机的结合，既实现了低碱浓度脱胶，又有生物酶改性 的效果。 6 亚麻的三种精细化改性后的纤维都可以实现在棉 纺设备上和其他纤维进行混纺，纺制高支纱，但是各有 利弊。碱法改性存在对环境污染的问题。生物酶法和化 学生物联合改性给亚麻加工提供了一种新的可行方法， 可大大降低碱用量。而且改性后纤维手感柔软，但是有 酶介入的改性要严格控制反应条件，否则到不到预期效 果。 关键词：亚麻，精细化，可纺性能，碱改性，生物酶改 性 s t u d yo nt h er e f i n em o d i f y i n ga n d f i n es p i n n i n go f f i a xf i b e r a b s t r a c t f l a xi sak i n do fn a t u r a le e l l u l o s ef i b e rw i t he x c e l l e n t p r o p e r t i e s ， w h i c hm a k ei t s p r o d u c t sg o o dw e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t y l e s oi tm e e t sr e q u i r e m e n t so ft h e m a r k e t si nt h eg l o b a lt e x t i l e b u tt h ep r o p e r t ya n ds p i n n i n g a b i l i t y o ff l a xa n dt h et r a d i t i o n a lf l a xw e ts p i n n i n g t e c h n o l o g yr e s t r i c tt h es u p e r i o rq u a l i t ya n dd i v e r s i f i c a t i o n o fl i n e np r o d u c t s d e v e l o p i n g i no r d e rt o0 w 代口鹏：t h ed i s a d v a n t a g e so ff l a xa n dm e e t t h en e e d so ft h ec o t t o ns p i n n i n gs y s t e ma n dp r o c e s s m g ， t h r e ek i n d so fr e f i n i n gt e c h n o l o g yo ft h ef i b e rw e r es t u d i e d i n t h er e s e a r c hw o r k a l k a l im o d i f i c a t i o n ，e n z y m a t i c m o d i f i c a t i o na n dc o m b i n a t i o no fc h e m i c a la n de n z y m a t i c m o d i f i c a t i o n a c c o r d i n g t ot h e s p i n n i n g p r o p e r t y o f m o d i f i e df l a xf i b e r ，t h i sk i n do ff i b e rc o u l ds a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fc o t t o ns p i n n i n g m a c h i n ea n dm a k eh i g h q u a l i t yp r o d u c t t h e r e f o r e ，i tw o u l db eam e a n i n g f u lw o r k t os t u d yh o wt og e tt h er e f i n 缸jf i b e r t h ec o n c l u s i o n sw e r e d r a w na sf o l l o w s ： 1 m o d i f i c a t i o na n d r e f i n i n g o ff l a xn e e d t h e p r e t r e a t m e n ti nh o tw a t e rw i t ha s s i s t a n t t h i sw a yc o u l dh e l p t h el i q u i dp e r m e a t et h et o wb e f o r ea l k a l it r e a t m e n t t h i s p r o c e s sc o u l da l s od i s s o l v ep a r to fp e c t i na n dh e m i c e l l u l o s e ， w h i c hw o u l dr e d u c et h et r e a t m e n tb u r d e n 2 b yr e s e a r c h i n g , t h ep r o c e s so fa l k a l im o d i f i c a t i o nw e f o u n dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n ，t i m ea n dt e m p e r a t u r eh a dg r e a t i n f l u e n c eo nt h ef i b e rp e r f o r m a n c el i k ep e c t i nc o n t e n t ，l i g n i n c o n t e n t ，w e i g h t l e s s n e s s ，s t r e n g t ha n de l o n g a t i o n 、l e n g t h ，e t c h o w e v e r ，a l k a l it r e a t m e n th a si t so w ne x t e n t i ft h er e a c t i o n e x c e e di t ，t h ef i b e rw i l lb e h a sd a m n i f i c a t i o na n dt h e s t r e n g t ho ff i b e rw o u l dd e c l i n e t h i sk i n do ff l a xw i l ls p l i t d e c l i n ed u r i n gc a r d i n g 3 t h eo p t i m a lp r o c e s s i n ga n db e s ta s s i s t a n ta g e n 亡、w a s o b t a i n e db yo r t h o g o n a ld e s i g no nt h eb a s i so fa n a l y s i s o f e v e r ys i n g l ep a r a m e t e ro fa l k a l it r e a t m e n t 。t h ei n f l u e n c eo f e v e r ys i n g l ep a r a m e t e rw a sc o m p a r e d 4 s p e c i e s o f e n z y m e ，c o n c e n t r a t i o no fl i q u i d ，t i m e t e m p e r a t u r ea n dp hc o u l da f f e c tt h ee f f e c to fe n z y m a t i c m o d i f i c a t i o n p e c t i n a s ea n dh e m i c e l l u l a s ew e r ec h o s e n a n d d i f f e r e n t p r o c e s s i n g c o n d i t i o nw e r ec a r r i e do u t t b r o u g h o r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n v a r i a n c e a n a l y s i sm e t h o d s w e r eu s e di n a n a l y z i n g t h en u m e r i c a l d a t a f i n a l l y ，t h e o p t i m a lp r o c e s s i n gc o n d i t i o no fe n z y m a t i cm o d i f i c a t i o no f f l a xw a so b t a i n e d 5 c o m b i n a t i o no f c h e m i c a la n d e n z y m a t c m o d i f i c a t i o nh a dm e r i t i nb o t ha l k a l ia n d e n z y m a t i c t r e a t m e n t i tr e f i n e d a n dm o d i f i e dt h ef l a xb e t t e rt h a nt h e o t h e rm e t h o d s 6 f l a xf i b e rm o d i f i e dw i t ht h r e ed i f f e r e n tt r e a t m e n t c o u l db eu s e di nc o t t o ns y s t e mp r o c e s s i n g ，t om a n u f a c t u r e y a r nw i t hs u p e r i o rq u a l i t y ，b u te v e r yp r o c e s sh a di t so w n t h e r ew a se n v i r o n m e n t p o l l u t i o ni n t h ea l k a l i 吖 幽出 m o d i f i c a t i o n ，a n dan e wf e a s i b l em e t h o dw a sa p p l i e db y e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o na n dc o m b i n a t i o n0 fe h e m i e a la n d e n z y m a t i c m o d i f i c a t i o n e n z y m a t i e w h i c he n a b l e dt o c o n s u m el e s sa l k a l ia n dw a se n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ya n dt h e r e s u l t e df i b e rh a s g o o d h a n d p r o p e r t y h o w e v e r ，t h e r e a c t i o nc o n d i t i o n so ft h et w om e t h o d sw i t he n z y m ew e r e s t r i c t c a o y i n g ( t e x t i l em a t e r i a la n dp r o d u c td e s i g n ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o r sy uj i a n y o n g k e yw o r d s ：f l a x ，r e f i n i n g ，f i n e s p i n n i n g ，a l k a l i t r e a t m e n t ，e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重卢明：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。 学位论文作者签名：毋数 日期：2 l 彤了年j t 月2 d 日 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密“ 学位论文作者签名： 专短 指导教师签名： 日期：2 棚于年，2 月上p 日日期：a , o o s 年历月2 口日 、1 c u c 矽 第一章绪论 1 1 引言 皿麻纤维是人类最早使用的纤维，是一种具有许多优异性能的天然纤 维素纤维，因其品质雍容飘逸，风格高雅华贵，素享有“纤维皇后”的美 誉。今天亚麻纤维制品正以其独特的风格和性能风靡世界，备受人们的喜 爱。在生活水平不断提高、重视绿色时尚和生态环保的消费潮流推动下， 亚麻纤维具有很大的发展空间和市场前景。中国麻类作物种植具有悠久的 历史，麻纺织机器加工也具有8 0 多年的历史，经过5 0 多年的建设与发展， 我国麻纺行业已经具有了完整的生产体系和相当的规模。特别是近2 0 多 年，中国的麻纺织业有了快速的发展，已成为具有一定生产规模和贸易竞 争优势的特色纺织产业【2 1 。 1 2 亚麻纤维的内部结构与性能 1 ，2 1 亚麻纤维的内部结构 亚麻纤维的化学组成是极为复杂的，有些物质的结构至今还不清楚。 总的可分为纤维素和非纤维素两类成分。纤维素是构成亚麻纤维的基础物 质。非纤维素成分包括半纤维素、果胶物质、木质素等，存在于口麻的单 纤维细胞之间，将单纤维粘结在一起，因此工业上习惯上把非纤维素成分 统称为胶质( 详见第二章) 。 天然纤维中的亚麻、苎麻、黄麻、大麻等属单细胞纤维。它们的基本 链节是葡萄糖剩基，相邻的葡萄糖剩基转过1 8 0 。左右，彼此以1 、4 苷键 相结合而形成大分子。它们的基原纤、微原纤、原纤的结构、尺寸与棉纤 维接近( 3 】。但亚麻纤维的取向度比棉纤维高。亚麻纤维大分子的聚合度、 结晶度也都很高 4 1 。大分子、基原纤、微原纤的螺旋角较小约为6 。8 。， 因而纤维的强度较高，断裂强度通常在5 5 - 7 9 c n d t e x 之间垆l ，伸长变形 较小，耐腐蚀性性较好。亚麻单纤维很细只有0 1 6 7 - 0 3 3 3 t e x ，横截面为 五角形、六角形和多角形。断面有倾斜龟裂条痕；表面呈竹子节状，这些 横节由细胞壁的裂缝产生的( 6 1 ，见图卜l ，卜2 ；纤维细胞厚度整齐呈圆筒 状，没有天然卷曲 长度为1 7 2 0 m m ，因单纤维较短，长度参差不齐。因 东华大学硕士学位论文第一章绪论 此在亚麻纺纱中，是用亚麻工艺纤维进行纺纱，而不是用亚麻单纤维【”。 由于皿麻的化学组成分为纤维素和非纤维素两类，亚麻纺织染整中很 多工艺目的就是提高纤维素值，降低其它指标含量，提高亚麻纤维、纱线 和织物的可纺性能、成纱性能、织物服用性能【8 l 。但是这些伴生物又不能 过度的去除，否则会对工艺纤维造成损伤，给产品开发带来困难。 图i l 亚麻纤维横截面图图1 2 亚麻单纤维纵向图 1 2 2 亚麻纤维的性能特点 ( 1 ) 吸湿快干性：亚麻纤维的化学结构和形态结构使其具有快速的吸放 湿和透湿能力1 9 】，亚麻纤维吸湿能力比棉好。因此亚麻产品能够很好的调 节人体与环境的热湿平衡，通过将人体的气态和液态汗快速地中从织物排 除，使得人体始终保持在一个热湿适宜条件下，具有良好的穿着舒适性能 d o ，所以亚麻面料冬暖夏凉。 ( 2 ) 亚麻纤维具有抗菌保健功能：古代埃及法老的木乃伊都是被裹在惊 人结实的亚麻细布内，使之完整地保存至今。亚麻纤维能够发生淡淡的隐 香味，加这特殊的纤维结构，能够抑制细菌的生长、繁殖、使亚麻具有天 然的抑菌功能。科学实验测定，亚麻纤维对细菌和真菌均有强大的抑制性， 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率高达9 0 以上，因而使这种纤维倍 受青睐。史加强和刘晓平通过接触法、浸出液法和熏法验证了亚麻织物的 抗菌性能1 1 “。亚麻产品的抗菌性能持久稳定，经常穿着和洗涤后抗菌保 健作用不会降低。 ( 3 ) 表面光泽、抗辐射性：亚麻束纤维微观不规则截面使亚麻织物具有 自然光泽，这种横截面使亚麻纤维能减少辐射热，防磁，能有效防止皮肤 癌发生。总之，亚麻纤维的聚合度高、纤维束较粗、横截面不规则等因素 使其抗辐射性优于其它纤维【l2 1 。 2 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 “) 刚柔性：其刚性是常见纤维中最大的。刚柔性除与品种、生长条件 有关外，还与脱胶程度和工艺纤维细度有关。刚性强不仅手感粗硬，也会 导致纤维不易捻合，影响可纺性，成纱毛羽多。因此纯麻织物常有刺痒感。 但刚性强又便麻织物吸汗后不易沾身。 ( 5 ) 亚麻纤维制成的衣服无静电不贴身，又不和其他衣服粘贴，通气 性好，不易沾染灰尘和其它微生物，体感舒服。见纤维静电电位序列表1 - 1 d 3 。 1 3 国内外亚麻纤维的研究动态 目前国内外的亚麻纤维纺纱方法可分为干法纺纱和湿法纺纱，从加捻 卷绕的方式来看，湿法纺纱采用环锭细纱；干法纺纱采用吊锭细纱；从纺 纱工艺流程上来看，湿法纺纱要比干法纺纱多经过粗纱煮漂工序。湿法纺 纱的细纱具有表面光洁，毛羽少，条干均匀，强度大，光泽好，特数低的 优点，但同时也存在生产效率低，品种单调，质量难以控制，而且传统的 亚麻湿纺对原材料质量要求较高，织物染整处理难，设备投入、运行费用 大，作业环境差等弊端f h j ；而干法纺纱可以一定程度克服湿纺中的问题， 对亚麻短纤维的加工能力加强，由于干法纺纱不需经过粗纱煮漂工序，故 可实现混纺1 1 5 j ，实现亚麻产品的多样化，同时通过改进相关工艺可以 生产高支纱。 1 3 1 国外对亚麻纤维的研发情况 亚麻短纤维可用于非织造布生产，如纸张，同时也可用来生产产业用 纺织品，如绝缘材料；亚麻的下脚料可用来制作一些工业制品。目前，皿 麻的一个新用途是作为汽车内部装饰。在美国，亚麻短纤维与其他纤维相 混合采用棉纺系统进行纺纱【”1 。在国际上，亚麻产品有细致优雅的亚麻手 帕、衬衫衣料，绉绸、花式色纱产品、运动装以及麻毛混纺产品；亚麻家 用产品则包括窗帘、墙布、桌布、床上用品等；亚麻产业用产品则包括画 东华大学硕士学位论文第一章绪论 布、行李帐篷、绝缘布、滤布以及航空用产品。 目前，西欧亚麻业以其技术、集团经营和原料优势，控制世界亚麻高 支纱和高档织物的市场。东欧和俄罗斯是世界上最大的亚麻制品生产区， 实力雄厚，他们以量大、价低、品种多的优势，占据着亚麻产品的主要市 场。东亚的韩国、日本以及我国台湾亚麻厂家则采取“进纱、制造、深加 工”的战略，发挥技术优势获得高附加值的亚麻产品，也具有很强的竞争 力。 国外主要研究亚麻纤维与其它纤维的混纺，研发不同于传统纺纱技术 的纺纱方法，即研究亚麻纤维在棉纺和毛纺设备上纺纱。采用亚麻和羊毛， 丝绢、棉和化纤混合生产四季可穿的亚麻面料，而不仅仅是夏季面料。这 种趋势有以下几个方面的原因：一。提高产品的服用性能；二，降低成本： 三，改善工作环境减少对环境的污染；四，利用低级亚麻原料，通过与其 它纤维的混纺，改善亚麻纺织品的品质。另外还与涤纶长丝混纺纺制包芯 纱，使织物的手感好，且保型性好。 1 3 ，2 国内对亚麻纤维的研发情况 纵观我国亚麻纺织工业近半个世纪的发展历程，主要出现几大变化： ( 1 ) 亚麻纺纱设备国产化。过去，亚麻纺纱设备几乎是全部依靠从 前苏联、罗马尼亚、意大利等国家引进，设备投资大，回收期长，成为行 业发展的最大障碍。二十世纪九十年代中期，亚麻纺纱设备完成了全部国 产化的进程，价格低廉，性能稳定( 国际中档水平) 的国产设备的投入使用， 大大降低了建设亚麻纺纱厂的投资，刺激了亚麻纺织行业的发展。 ( 2 ) 上世纪八十年代后期，亚麻短纤维的全面开发利用，棉纺行业 的介入，改变了亚麻纺织品的品种结构，使其应用领域进一步拓宽，产品 档次得到提高。 ( 3 ) 随着我国经济政策的进一步开放，资源、技术等方面共享步伐 加快，我国亚麻纺织工业的分布格局也发生了重大变化。由传统的原料产 地向经济发达、实力雄厚、纺织行业先进的长江中下游地区转移，加强了 - 哑麻纺织在大纺织行业中的市场、管理等方面的相融性，并促进了先进纺 织技术的嫁接，提高了我国亚麻纺织品在国际市场的竞争力，但在发展中 也存在自我竞争、盲目扩建、资源浪费的现象 j 6 l 。 4 东华大学硕士学位论文第一章绪论 受国内市场的需求及出口增加的拉动，我国亚麻纺织品产量增长迅 猛，生产规模仅次于俄罗斯，居世界第二位。但我国亚麻纤维制品存在产 品结构不合理以及由于结构问题造成的附加值低。这主要有三个原因：一 是我国缺少优质的亚麻原料：二是我国缺少先进的纺纱生产设备以及加工 工艺；三是我国织物的后整理不过关。当今世界亚麻工业发展迅速，而我 国亚麻纤维作物的种植却发展缓慢，亚麻纺织纤维原料的短缺仍然是影响 我国亚麻纺织业稳定、持续、快速发展的重要因素”。 1 4 亚麻纤维研究与开发所面临的问题以及发展方向 1 41 亚麻纤维进行改性 由于亚麻纤维本身的缺点，使得它的可纺性较差，进而也影响到了最 终产品的服用性能。因此对亚麻纤维本身的物理化学性能进行改进，通过 精细化亚麻的加工，从而提高可纺性和最终使用性能，已经成为了甄麻类 产品开发所面临的首要问题，国内外都已经开展了不少的工作。 但是亚麻的本身条件相当复杂，有很多的条件是相互制约的，比如， 亚麻中伴生物的存在制约了纤维光泽、柔软性、弹性，可纺性和印染的着 色性能。但是亚麻是单纤维粘结的工艺纤维，其中的伴生物就起到了粘结 作用，不能全部脱除，否则易使工艺纤维解体，从而降低纤维的可纺织性 能。同样追求亚麻纤维的细度势必会降低纤维的长度，但是纤维的细度长 度都是重要的可纺性能指标。因此对皿麻纤维精细化改性有着很多的工作 要做。 1 4 2 提高亚麻纤维产品开发的档次和应用范围 由于受亚麻纤维本身特性与传统纺纱形式的局限性，亚麻纺织不易采 用其他纺织品通常采用的产品开发方式，产品的混纺以及后道的整理加工 比较困难，麻类产品长期以来一平二素，产品档次不高，品种单一。因此 在亚麻产品开发的时候，一是要提高纱线的支数和质量以求提高产品的档 次；二是要扩大亚麻的产品范围，将亚麻纤维纯纺或与各种其它纤维混纺， 开发各种性能的产品。要做到这两点既要求将亚麻纤维精细化加工，从改 进原料的品质入手，还要改进纺纱的工艺流程，利用棉纺工艺设备的优势， 调整各个工序，从而生产出符合市场要求的高品质高档的产品【”1 。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 本课题的研究意义 ( 1 ) 亚麻二粗纤维是在制取亚麻长纺原料( 打成麻) 落下的粗纤维。 长度差异较大，整齐度较差，含短绒杂质高，纤维脂硬，无弹性，抱台力 差，因此可纺性能差。本论文通过对亚麻纤维进行精细化改性，不仅对精 细化改性进行理论探讨，而且通过试验设计得出精细化改性的最佳工艺方 案，使其具有较好的可纺性能，从而实现利用亚麻纤维在棉纺设备上纺高 支纱的目的。 ( 2 ) 亚麻原料通过精细化改性处理之后便可以与其它纤维混纺，不 但可以降低生产消耗，提高制成率，解决亚麻加工过程中的浪费问题，而 且还可以实现亚麻产品的多样化，纺制亚麻高支纱，提高亚麻产品的附加 值，跳出传统麻纺工艺对产品品种和档次上的局限性。从而在某种程度上 缓解我国原料短缺的局面，减少原料的进口，降低成本，提高产品的竞争 力。 ( 3 ) 本课题对亚麻纤维在精细化改性前后的各项物理指标进行了比较 和理论分析，这些物理指标关系到后道纺纱工序的可操作性。对采用精细 化噩麻进行各种产品开发有着指导意义，由此可将改性后亚麻广泛地运用 到各种类型的产品中，充分发挥亚麻纤维的优势，极大的扩大了亚麻纤维 的使用范围。 1 6 本课题的主要研究内容 针对亚麻发展中的问题，本课题主要研究亚麻的精细化改性，对亚麻 纤维本身的物理化学性能进行改进，从亚麻工艺纤维的成份、细度、长度、 强伸性等多方面提高纤维的可纺性。本论文主要包括以下几个方面的内 容： ( 1 ) 进行亚麻纤维化学成分和物理指标的分析； ( 2 ) 探索研究确定亚麻纤维碱法改性的预处理工艺； ( 3 ) 对碱法改性的工艺参数进行单因子分析、正交设计； ( 4 ) 探讨亚麻纤维生物酶改性的可行性，并运用最优化设计与分析 的方法寻求最佳工艺； ( 5 ) 探讨化学生物联合改性。 东华大学硕士学位论文第二章亚麻纤维精细化加工可行性分析及机理 第二章亚麻纤维精细化加工可行性分析及机理 2 1 亚麻纤维化学组成及其性质 噩麻纤维的化学组成除了含有纤维素外，还包括半纤维素、果胶物质、 木质素等胶质成分。表2 1 列出了几种常见麻类纤维的参数特征m 2 0 】。 表2 一i 几种纤维的化学成分对比 纤维索半纤维素果胶术质素瞻蜡质灰分 苎麻6 5 7 51 2 一1 6 3 6o 8 2o 2 一l2 5 4 5 亚麻6 0 7 01 5 一1 82 36 8 2 30 2 一l 大麻 5 7 11 7 8 47 3 l5 8 i 9 6 1 3 黄麻5 9 6 31 4 一1 60 5 一l9 一1 7 0 3 0 5o ，5 1 5 1 纤维紊 纤维素在组成上相当于( c 6 h l 0 0 5 ) 。，属多矿类物质。纤维素大分予 是由很多d 六环葡萄糖基环彼此间以1 ，4 p 甙键连接而成，而在葡萄糖 基环上有三个羟基，其中有一个伯羟基( 在第六碳原子上) 和两个仲羟基 ( 在第二、三个碳原子上) ，其结构式如下； 其中n 为纤维的聚合度，表明构成纤维素大分子中的葡萄糖基环的数 量，根据铜氨溶液粘度法测定的结果，亚麻为2 4 0 0 左右，苎麻2 2 0 0 ，棉 2 6 6 0 左右。从这样的结构出发，纤维素的化学性质表现在两个方面：一为 与大分子截短有关的反应。这主要指由水解荆与甙键相互作用，在一定条 件下引起甙键的断裂，使纤维素大分子截短。二为与羟基有关的反应。羟 基是比较活泼的基团，很多试剂都可与羟基发生反应，生成纤维素的不同 衍生物。正是由于羟基的存在，使亚麻纤维具有很好的吸湿性能。 2 半纤维素 东华大学硕士学位论文第二章亚麻纤维精细化加工可行性分析及机理 半纤维素主要以聚木糖为主体的聚戊糖类，由五碳糖组成，单体为 c s h s 0 4 ，其分子结构和纤维素大分子的结构相似，是由d 木糖( 1 ，5 b 型) 按1 - 4 甙键联结而成，具有线型大分子形式，其结构式大致为： 可见，它与纤维素不同之处是木糖基环上没有伯羟基，分子链较短， 其聚合度用铜氨粘度法测定为n = 2 0 0 。半纤维素在一些药剂中的溶解度大， 很容易溶于稀碱溶液中，甚至在水中也能部分溶解。水解成单糖的条件比 纤维素简单得多。 3 木质素 关于木质素的结构，许多学者做了不少工作，至今未获得最后解决。 现在各国科学家一致认为木质素是芳香族类化合物，其结构单元为苯丙烷 的。它是一种非结晶性的，三维高分子网状化合物。按照植物的种类不同， 木质素可分为针叶材、阔叶材和草本植物木质素三大类。亚麻纤维属于草 本类植物，其木质素的主要对羟基苯丙烷，邻甲基苯丙烷，2 羟基一3 ，5 二 甲氧基苯丙烷构成，呈三维网状f 2 ”。构成木质素结构单元如下。 h o _ f h 一彤 h ，c o o c 珊t n c c“。 扣c c 倪娃， 2 一羟基一3 ，5 二甲氧基苯雨烷邻甲基苯丙烷对羟基苯丙烷 木质素和半纤维素一起作为细胞间质时，填充在细胞壁的微细纤维之 间，加固木化组织的细胞壁；当木质素存在于细胞间层时，把相邻的细胞 粘接在一起，如图2 1 所示【2 ”。木质素与n a o h 的反应式如下： 型蜷n 倪h 。扪t - ( h 一 东华大学硬士学位论文第二章亚赓纤维耪细化加工可行性分斩及机理 圈2 - i 木质素存在状态示意图 亚麻纤维中术质素含量的多少直接影响纤维的品质。木质素含量少的 纤维光泽好、柔软并富有弹性，可纺性能及印染时的着色性能均好。另外 木质素含量越高，则麻纤维在长期目光照射下或过于潮湿时易起质变化。 因此，从纺纱工艺角度出发，希望亚麻纤维中的术质索含量越低越好，即 要求在亚麻纤维的精细化加工过程中尽量去除木质素。 4 果胶 果胶是一种含有酸性、高聚合度、胶状碳水化合物的复合体。一般认 为，其组成成分主要是果胶酸以及果胶酸的衍生物。果胶酸的衍生物包括 果胶酸甲酯和果胶酸的钙、镁盐。其结构大致为： 果胶酸甲酯的特点是对水具有良好的可溶性，因此这种果胶又称为可 溶性果胶。果胶酸的钙、镁盐由于具有网状结构，增加了果胶分子问的联 系力量，表现为对水的难溶性。这就增加了精细化改性的难度。果胶含量 越岛，纤维粗糙而易于折断。 5 脂肪腊脂 脂肪腊脂的主要成分是高级脂肪酸和高级元醇所组成的酯。在亚麻 9 东华大学硕士学位论文第二章亚麻纤维精细化加工可行性分析及机理 纤维的精细化加工过程中，脂肪腊质并不是要脱除的主要对象。脂肪腊质 在纤维的外表能赋予纤维以光泽，使纤维柔软及松散，对可纺性是有利的。 因此，脂肪腊质不属于胶质的范围，但在常规亚麻纤维的精细化改性过程 中容易被化学物质水解或皂化，使精细化后的纤维粗糙、硬脆。为了改善 这种情况，通常要对改性后的纤维给油。 2 2 亚麻胶质问的相互联系 亚麻胶质是一种无定型的结壳物质，绝大部分存在于纤维素细胞的胞 间层和细胞壁上，是纤维细胞问填料和粘结物质，使纤维成为细胞结合体。 亚麻纤维的细胞壁从外向内由初生壁和次生壁组成，初生壁很薄，主要由 半纤维素、脂腊含量组成，次生壁比初生壁厚得多。次生壁由平行排列的 原纤所组成的原纤层，各原纤之闻以及各原纤层之间的缝隙、空洞均为半 纤维素和木质素等胶质填充。半纤维素和纤维素之间并无化学连接，仅存 在次价结合力，术质素和纤维素之间也无化学键连接。但是，半纤维素与 木质素之闻存在紧密化学键连接，并渗透到细胞壁的微原纤中，填充了纤 维细胞问地空隙。木质素和半纤维索之间地化学键，有人认为是一种醚键， 也有人认为除了醚键外，还同时存在着苯基糖甙键和缩醛键，这种化学键 构成了木质素碳水化合物复合体。 2 3 酶的概述 酶是一种生物催化剂，其化学本质是蛋白质，分子是由氨基酸组成， 结构通式如下： 目前己在食品、轻工、医药、环保、能源和科研等许多方面得到广泛应用， 在纺织工业中也不例外。 酶作为一种蛋白质，一般具有蛋白质的一级、二级和三级结构。有的 还具有蛋白质的四级结构特征。由此可看出，蛋白质和酶分子并不仅仅是 许多氨基酸组成的简单的线形肽链，而且具有非常复杂的立体结构的巨大 o h吖 i c ，m r 东华大学硕j - 学位论文第二章亚麻纤维楮细化加工可行性分析及机璋 分子这种精细和复杂的立体结构就决定了酶的一些独特性质，例如：极 高的催化效率和高度专一性，以及这种结构极易受外界条件的影响，包括 高温、高能辐射，强酸和强碱、重金属离子的作用等，都能导致空间立体 精细结构的变形或损坏，从而使酶的催化能力发生变化或丧失，这也是应 用酶处理时要严格控制处理条件的原因。 2 3 1 酶的活性 与许多蛋白质不同，酶存在活性中心，活性中心又称酶的活性部位， 是指酶分子中能同底物结合并起催化反应的空间部位。酶的活性部位是由 结合部位和催化部位所组成。前者直接与底物结合，它决定酶的专一性， 也就是决定同何种底物结合，后者直接参加催化，它决定着催化反应的性 质。酶的活性部位不是一个点、一条线或一个面，而是一个三维结构，组 成活性部位的氨基酸基位于同一肽链的不同位置，并且相距很远，但通过 肽链的盘曲折叠，在空间结构上都处于十分邻近的位置。酶分子构象的完 整性是酶活性所必需的，立体构象受到破坏，活性部位即随之破坏，酶就 失去活性。 2 3 2 酶的特性f 2 3 】 1 高倦化效率 酶对化学反应的提高是极为显著的，据报道，某些酶可加快反应速度 商达1 0 h 。一般情况下，纯酶催化反应速度比无机催化剂要高达1 0 5 一1 0 8 倍，工业酶制剂( 大多含有杂质) 的催化速度比无机催化剂高1 0 5 1 0 7 倍。 虽然在工业应用中，酶的催化效率受到多种复杂因素的干扰，但对反应速 度的加快都是非常明显的。 2 高度的专一性 酶的专一性是一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种 类型反应的特性。催化反应的专一性是酶的最重要的特性之一，是酶与其 它非酶催化剂最主要的不同之处。酶对底物这种专一性表现在两个方面： 即对被作用的反应物是专一的，和对于被催化的反应是专一的。酶的这种 专一性应用于生产。可以有选择地使用对某一种酶催化物质进行反应，而 保留另一种物质。 东华大学硕士学位论文第二章亚麻纤维精细化加工可行性分析及机理 3 反应条件温和 酶来自生物体，因而一般酶的催化反应均为非极端条件，除个别酶种 外，均可在常温常压条件下使反应顺利进行，这就为生产中的控制带来了 便利，并可节约能源，降低设备成本。另外，酶催化反应都在弱酸、弱碱 和中性条件下进行，对环境污染较小，对设备的腐蚀轻，生产安全。 4 活性受一些化合物调控 酶活性的调节控制主要有下列几种方式，即：酶浓度调节，p h 值调 节、激素调节、共价修饰调节、抑制剂调节、反馈调节、金属离子和其它 小分子化合物的调节。酶浓度调节、p h 值调节、抑制剂调节，金属离子 调节等可直接在工业生产中得到应用。 2 3 ，3 影响酶的反应因素 影响酶反应的因素又很多，下面简介其中主要因素【2 4 】： 1 p h 值对酶催化反应速度的影响 p h 值对酶催化反应速度有很大的影响，其原因复杂。每种酶都有各 自的最适p h 域，在这个p h 值范围内酶表现出最佳的活力。在一定的p h 值条件下，酶反应具有最大的反应速度。高于或低于此值反应速度都会下 降( 图2 2 ) 。不同的酶具有不同的最适p h 值，彼此出入很大。p h 值对酶 及其反应系统可能产生两种影响，一是破环酶的空间构象，使酶变性失活。 二是改变了反应系统的组成成分，不同的p h 值将改变和影响酶的解离状 态、底物的解离状态及酶底物络合物的解离等，从而影响酶催化反应速 度。 2 温度对催化反应速度的影响 温度对酶反应的影响和普通化学反应一样，温度上升增加了分子的运 动速度和碰撞次数，由此活化了分子，从而加快了分子问反应的速度。但 过高的温度会使酶蛋白肽键间的键合发生解体。使酶受热变性而失活。因 此温度对酶催化反应包括两方面的影响，即温度对反应速度提高的影响和 对酶失活的影响。反应速度和温度的关系见图2 3 。实际应用的酶制剂产 品，供应商会推荐一定的作用条件下( 如p h 值) 一个最适处理温度。 东华大学硕士学位论文第二章亚麻纤维精细化加工可行性分析及机理 反 应 遵 盅 瓜 阱、! o 州 图2 - 2p h 和反应速率的关系 反 应 速 鼙 沮度t ： 图2 3 温度和反应速率的关系 3 金属离子对酶反应的影响 许多金属离子能提高酶的活力，称为酶的激活剂和活化剂，如 c a 2 + ，z n 2 + ，m 9 2 + 等；有些金属离子对酶的活力起抑制作用，成为抑制剂， 如a g “，f e 2 + ，h 9 2 + ，c u 2 + 等。金属离子的作用机理还不十分清楚，可能 和它们影响酶的三级结构和四级结构有关，改变酶的活性部位的结构，也 有可能和底物发生作用，例如和底物发生结合，甚至发生反应，从而也会 影响酶的催化反应。 4 酶浓度和底物浓度对酶反应的影响 在反应底物浓度足够大的情况下，酶的浓度越大，反应速度越快，酶 的反应速度和酶的浓度成正比。当酶的浓度一定时，酶的反应速度也随底 物浓度浓度的增加而增加，但底物的浓度( 或数量) 增加到一定浓度，体 系中酶已全部和底物像结合，在增加底物，反应速度不会增加。 5 影响酶反应的其它因素 有机溶剂、部分表面活性剂，另外还有一些物理因素，它包括紫外线， 超声波、高压、剧烈的振荡等都会对酶反应产生影响。 2 4 亚麻纤维精细化改性的可行性分析 本课题所用原料为亚麻二租纤维。它是亚麻纤维是在制取亚麻长纺原 料( 打成麻) 落下的粗纤维。这些短纤维纤维分裂度低、长度差异大，纤 维硬挺而造成可纺性差，虽然传统工艺亚麻二粗纤维经过一定的机械处理 能够去除部分杂质，提高分裂度，但是为了兼顾短绒率，所以一般机械作 用力度不大，从而对纤维性能的改善非常有限，很难纺制高档低特纱，一 般纱线支数不超过l o s 。而且无法去除纤维的臭味，提高白度，改善柔软 东华大学硕士学位论文 第二章亚麻纤维精细化加工可行性分析及机理 性。所以，为了提高其可纺性，要对其进行精细化改性，去除部分胶质使 纤维成为一定支数的可供纺纱的工艺纤维。 亚麻二粗纤维虽然可纺性能差，但它仍然具有亚麻纤维的优良特性。 所以，利用改性的亚麻纤维开发高档产品，将能够在一定程度上缓解我国 亚麻原料短缺的局面，有着较好的经济和社会效益。 亚麻纤维的精细化改性就是通过物理、化学、生物的方法使该种纤维 进一步脱胶细化。由于亚麻是工艺纤维纺纱，所以一定要控制脱胶的度。 既要裂解纤维素间的薄壁细胞去除与纤维素平行的胶质，又要防止过度作 用到纤维素的内部，防止纤维素离解成单纤维。 2 4 1 亚麻碱法改性的目的和机理 在亚麻碱法改性中难以去除的胶质主要是果胶、半纤维素和木质素， 因为这三种胶质都不是由一种结构的物质组成，具有十分复杂的化学结 构，并且胶质之间关系复杂，化学稳定性高。碱法改性其中一个重要的工 艺是碱处理。碱处理主要是利用亚麻纤维中纤维素、半纤维素、木质素、 果胶等对碱液的稳定性不同，在尽量不损伤或少损伤纤维原有机械性质的 前提下，去除胶质而保留纤维素的化学加工过程。为了提高碱法改性中碱 处理的效果，仅仅采用碱处理是不够的，还要在碱处理前后分剐另加处理， 称预处理和后处理。故亚麻纤维的碱法改性可分为三个阶段，即预处理阶 段、碱处理阶段和后处理阶段。 碱处理是一个综合化学作用过程【2 5 】，可分为：物理作用、界面动电化 学作用、物理化学作用和纤维素与伴生物的化学反应四个过程，如图2 - 4 ， 其间相互区别又相互交叉。 图2 4 亚麻碱处理综合化学作用过程的分解和联结 物理过程是含水体系中溶解的化学试剂离子对亚麻润湿、吸附、扩散、 溶胀为配合内容的渗透作用过程；界面动电化学作用是动电位推动n a + 进 入纤维内部与胶质产生化学反应和生成的可溶性复合盐移出分子的过程： 东华大学硕士学位论文第二章亚席纤维精细化加工可行性分析及机理 物理化学作用是由分散、净洗、助溶、降解、络合，悬浮等组成的：纤维 素的伴生物的化学反应，无论是物理作用、界面动电化学作用、物理化学 作用，都必然产生纤维素伴生物的化学反应，已达到溶出胶质的目的。例 如果胶质若以钙盐、镁盐或铁盐等二价以上的金属盐化合物形态存在，则 在碱处理过程中，与碱液中的n a + 生成复合盐，从而产生置换而分解、水 解，以至产生脱去甲基而溶解的皂化反应。如果有多聚磷酸钠助剂存在的 话，则对多价金属离子有较强的鳌合能力，将不溶性金属离子络合生成可 溶性复合离子。半纤维素多糖的还原性末端，因碱液而产生1 3 消除反应， 从而逐级降解；c 3 分支还原性末端残基也会导致侧链的消失。在碱处理 件下，木质素和碱反应，使四种醚键即d 苯基醚、a 烷基醚、8 芳基醚、 甲芳基醚受亲核试剂o h 。的作用而断开，使木质素等大分子逐步降解而溶 出1 2 “。碱液脱除木质素后，还会促使半纤维索还原性末端氧化成醣酸，进 而