（纺织材料与纺织品设计专业论文）甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 m r illir l l rii ii irl ri ii y 17 3 2 910 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在 年一月解密后适用本规定。 非涉密论文留 论文作者签名：蛊曲i 当日期：望! ! ! 兰! ! 生 导师签名：- = 匡牡日 期：兰! ! ：! ! ! 堡 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性 全球能源短缺，以 花生产总量仍然满足不了纺织业的生产需要，毛、麻等纺织原材料也需要大量的进口。 在这种情况下，探索开发一种新的纤维素纤维有现实意义。我国甘蔗的种植面积很大， 且甘蔗的产量较高，甘蔗皮可以直接取来使用，资源丰富。由于甘蔗渣密度低、价格 低廉、且可降解，近年来也被广泛用于制备复合材料。有研究表明甘蔗皮纤维比蔗渣 纤维增强复合材料的性能更好。因此本文针对甘蔗皮纤维的特点，研究了提取甘蔗皮 短纤维和束纤维的工艺。短纤维可用于制备复合材料，甘蔗皮束纤维可作为纺织用纤 维。 首先本文对甘蔗皮进行成分分析。成分分析结果表明，甘蔗皮中的纤维素含量约 为3 5 ，具有开发利用的价值。然后针对各个成分所占比例、各个成分对酸碱的稳定 性不同，选取合理的酸碱处理温度和浓度。本文利用正交试验的方法，以纤维得率为 主要指标、纤维长度为参照指标，参照红外光谱分析等方法确定甘蔗皮短纤维的初步 提取工艺，并分析影响纤维长度和得率的主要因素。 在提取过程中发现碱煮因素对甘蔗皮纤维的性能影响较大。因此本文在初步探索 得到的工艺基础上，进一步研究了碱煮温度、浓度、时间对甘蔗皮纤维的性能的影响。 通过对甘蔗皮纤维得率、长度、结晶度、力学性能、热学性能的综合分析，得出较优 的提取甘蔗皮长纤维的工艺。 最后，测试了较优工艺下甘蔗皮纤维的性能，包括形态结构、吸放湿、密度等性 能，探索甘蔗皮纤维作为纺织用纤维的可行性。 关键词：甘蔗皮纤维；提取工艺；正交试验；纤维性能 作者：宗闪闪 指导老师：杨旭红( 教授) a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ee x t r a c t i o np r o c e s so fs u g a r c a n er i n df i b e ra n dt h ef i b e r sp r o p e r t i e s a b s t r a c t t h eg l o b a le n e r g yi ss h o r t a g e ，t h ed e v e l o p m e n to fs y n t h e t i cf i b e r sw h o s em a i nr a w m a t e r i a li so i lh a v ea l s ob e e nl i m i t e d t h et o t a lc o t t o np r o d u c t i o ni ss t i l lu n a b l et om e e tt h e t e x t i l ei n d u s t r y sn e e d s w o o l ，l i n e na n do t h e rt e x t i l er a wm a t e r i a l sa l s on e e dal o to f i m p o r t s i nt h i ss i t u a t i o n ，t oe x p l o r ean e w c e l l u l o s ef i b e rh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h e r e a r el a r g ea r e ao fs u g a r c a n ec u l t i v a t i o ni nc h i n a ，a n dw i t hh i g h e ry i e l d s u g a r c a n er i n dc a n b ed i r e c t l yt a k e nt ou s e ，a n di sr i c hi nr e s o u r c e s a st h eb a g a s s eh a sl o wd e n s i t y , l o wc o s t ， a n dc a nb ed e g r a d e d ，i ti sa l s ob e e nw i d e l yu s e df o rp r e p a r a t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l s s o m es t u d i e ss h o w e dt h a t s u g a r c a n e r i n df i b e rr e i n f o r c e d c o m p o s i t eh a d b e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e dw i t hb a g a s s ef i b e r a sar e s u l t ，b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs u g a r c a n er i n df i b e r , t h i sp a p e rs t u d i e do nt h ee x t r a c t i o nt e c h n o l o g yo f s u g a r c a n er i n ds h o r tf i b e r sa n d f i b e rb u n d l e s s h o r tf i b e r sc a nb eu s e dt op r e p a r ec o m p o s i t e m a t e r i a l s ，f i b e rb u n d l e sc a nb eu s e da st e x t i l ef i b e r s f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es u g a r c a n er i n d sc o m p o n e n t s t h ea n a l y s i s i n gr e s u l t s s h o w e dt h a tt h es u g a r c a n er i n dc o n t e n t e da b o u t3 5 c e l l u l o s e ，w i t ht h ev a l u eo f d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n t h e n ，f o re a c hc o m p o n e n t sp r o p o r t i o na n dd i f f e r e n ts t a b i l i t y t oa c i d - b a s e ，w es e l e c t e dt h er e a s o n a b l et e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o no f a c i d - b a s e t h i sp a p e rs t u d i e do nt h ei n i t i a le x t r a c t i o np r o c e s st oe x t r a c ts u g a r c a n er i n ds h o r t f i b e r s b ym e a n s o ft h eo r t h o g o n a lt e s t ，c o m b i n e dw i t ht h ef i b e rl e n g t ha n df r l r s p e c t r a a n di ta l s oa n a l y z et h e m a i nf a c t o r sw h i c hi m p a c tt h ef i b e r sl e n g t h w a sf o u n dt h ea l k a l ib o i l i n gp e r f o r m a n c eh a sg r e a t e ri m p a c tt os u g a r c a n er i n df i b e r s d u r i n gt h ee x t r a c t i o np r o c e s s s ot h i sp a p e rh a saf u r t h e rs t u d yo nt h ee f f e c to ft h ea l k a l i s b o i l i n gt e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o na n dt i m et ot h es u g a r c a n er i n df i b e r sp r o p e r t i e sb a s e d o nt h ei n i t i a le x p l o r a t i o np r o c e s s w eo b t a i n e dt h eo p t i m u me x t r a c t i o nt e c h n o l o g yb y c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fs u g a r c a n er i n df i b e r sy i e l d ，l e n g t h ，c r y s t a l l i n i t y , m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，t h e r m a lp r o p e r t i e s f i n a l l y , w et e s t e dt h ep r o p e r t i e so f t h ef i b e ro b t a i n e dt h r o u g ht h eo p t i m u me x t r a c t i o n t e c h n o l o g y , s u c ha st h ef i b e r sm o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r e ，m o i s t u r ea b s o r p t i o na n dd e s o r p t i o n , d e n s i t y , a n ds oo n b yt h i sm e a n s ，w ee x p l o r et h ef e a s i b i l i t yo fs u g a r c a n ef i n df i b e ru s i n gi n t e x t i l e k e yw o r d s ： s u g a r c a n er i n df i b e r e x t r a c t i o np r o c e s s o r t h o g o n a lt e s t f i b e rp e r f o r m a n c e w r i t t e nb y ：z o n gs h a n s h a n s u p e r v i s e db y ：y a n gx u h o n g 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 甘蔗渣及甘蔗渣纤维的利用现状3 1 3 甘蔗皮纤维的化学组成及脱胶机理5 1 4 本课题的研究目的、意义和内容7 第二章甘蔗皮纤维的提取工艺初探9 2 1 甘蔗皮成分分析9 。2 1 1 试验原材料一9 2 1 2 试样预处理9 2 1 3 试验方法。9 2 1 4 试验结果及分析1 1 2 2 甘蔗皮纤维提取工艺初探1 3 2 2 1 试验原材料1 3 2 2 2 试样预处理1 3 2 2 3 试验方法1 3 2 2 4 试验结果与分析1 4 2 3 甘蔗皮纤维提取工艺优化1 5 2 3 1 试验原材料1 5 2 3 2 试样预处理1 5 2 3 3 试验方法1 5 2 3 4 实验结果及讨论1 6 2 4 本章小结2 l 第三章碱煮条件对提取出的甘蔗皮纤维结构和性能的影响2 3 3 1 碱煮温度对甘蔗皮纤维性能的影响2 3 3 1 1 试验材料2 3 3 1 2 试样预处理与试验方法2 3 3 1 - 3 测试方法2 3 3 1 4 试验结果和讨论。2 4 3 1 4 3x 衍射分析2 6 3 2 碱煮浓度对提取纤维性能的影响。3 5 3 2 1 试验材料3 5 3 2 2 试样预处理与试验方法3 5 3 2 3 测试方法3 5 3 2 4 试验结果和讨论3 6 3 3 碱煮时间对提取纤维性能的影响4 6 3 3 1 试验材料4 6 3 3 2 试样预处理与试验方法。4 6 3 3 3 测试方法4 6 3 3 4 试验结果和讨论4 7 3 4 较优工艺下提取的甘蔗皮纤维的性能5 7 3 4 1 试验材料：5 7 3 4 2 试验方法5 7 3 4 3 结果和分析。5 8 3 5 本章小结6 0 第四章结论6 2 参考文献“ 攻读学位期间发表的论文6 8 致谢6 9 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究第一章 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 研究背景 目前，全球能源短缺，石油消费量大，近1 0 年来石油消耗量达到了历史消 量的1 4 t 1 1 。石油是一种不可再生资源，其总量是固定的，全世界的石油总量由于不 断的消耗都在呈总体下降的态势。加上近年来油价持续上涨，以石油为主要的原料的 合成纤维的发展也受到了一定的限制。 我国人口众多、人均耕地少。2 0 0 8 年，我国人均耕地仅为1 3 7 亩，不足世界人均 水平的4 0 t 2 j 。我国正处在城市化、工业化高速发展的时期，国民经济建设中的道路、 城市、工矿、乡村等的建设占用了大量耕地；沙漠化严重，沙尘暴肆虐，很多地区为 了保护生态环境部被破坏，进行退耕还草还林等举措；土地沙漠化、水土流失情况严 重；宜农荒地减少，后备耕地不足。由于上述原因，耕地面积持续减少。耕地面积的 不足，从某种程度上制约了棉、麻等天然纤维的种植和开发。虽然依靠多年的科技进 步，棉花单产提高了很多，但我国棉花生产总量仍然满足不了纺织业的生产需要。据 商务部公布的数据，2 0 0 8 年我国棉花进口量是2 1 1 万吨，毛、麻等纺织原材料也需要 大量的进口。 全球森林面积总体上继续呈下降趋势，全球原生林面积迅速减少。由联合国大 学、欧洲森林研究所、芬兰森林研究所组成的联合调查小组公布的调查结果表明，从 1 9 9 0 年到2 0 2 5 年，全球森林正在以或将以每年1 6 0 0 万至2 0 0 0 万公顷的速度消失1 3 1 。 根据2 0 0 5 年世界森林状况报告，中国森林每公顷平均蓄积量只有5 2 i n 3 ，而世界 平均为l o o m 3 。我国人均森林面积0 1 3 2h m 2 , 只相当于世界人均占有量的2 2 o ，我 国要用占世界5 0 的森林资源，要满足占世界2 2 的人口的生产生活和国家经济建 设的需要，森林资源较为短缺【4 】。无论是人均占有森林资源数量，还是人均消耗森林资 源水平，均远低于世界平均水平，与林业较发达国家相比差距更大我国仍属于森林资 源贫乏的国家之一【5 1 。在耕地面积和森林面积不断减少的形势下，以高级木浆和棉短 绒为主要原料的再生纤维素纤维都受到了一定的限制。 农业固体废弃物也称为农业垃圾，主要包括粪便及植物秸秆类。我国是世界上农 业固体废弃物产出量最大的国家，据资料显示，我国每年约产生农业固体废弃物约 第一章绪论甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究 4 0 多亿吨。目前世界上对秸秆类废弃物主要以焚烧为主，燃烧时容易产生了大量的 污染气体和灰烬，引起大气污染。甘蔗渣作为糖厂制糖后的一种废弃物，和小麦秸秆， 稻壳等一起构成了植物废弃物的主要组成部分。2 0 0 7 年，全世界共收获甘蔗约4 9 0 7 2 7 万吨，位居世界第三【们。如果按照一吨甘蔗产生1 3 吨甘蔗渣计算，2 0 0 7 年全世界约 产生4 9 6 9 0 9 万吨甘蔗渣。2 0 0 8 年，我国蔗糖产量1 1 5 2 7 6 万吨【刀。如按照生产出1 吨蔗糖产生吨的甘蔗渣，2 0 0 8 年我国共产生2 3 0 5 5 2 万吨的甘蔗渣。蔗渣产量巨大， 价格低廉，但它的利用率还很低，除少量用于造纸外、成为农家堆肥和牲畜的饲料生 产等，绝大部分被作为燃料烧掉或废弃，造成植物资源的巨大浪费。废弃的甘蔗渣不 但给环境造成了污染，也给糖厂带来了一定的经济负担。如能好好利用，不仅可以减 轻环境污染，还可以缓解资源短缺的问题，也可以减轻糖厂的经济负担，具有重要的 现实意义。 ( a ) 红甘蔗c o ) 自甘蔗 图1 1 红甘蔗( a ) 和白甘蔗( b ) 甘蔗是禾本科单子叶植物，主要生长于温带和热带，适合栽种于土壤肥沃、阳光 充足、冬夏温差大的地方。甘蔗是一种高光效的植物，光饱和点高，二氧化碳补 偿点低，光呼吸率低，光合强度大，因此甘蔗生物产量高，收益大。甘蔗种植 面积最大的国家是巴西，其次是印度，中国位居第三，种植面积较大的国家还 有古巴、泰国、墨西哥、澳大利亚、美国等。我国的主产蔗区，主要分布在热 带、亚热带地区，包括广东、台湾、广西、福建、四川、云南、江西、贵州、 湖南、浙江、湖北等南方1 1 个省、自治区。世界上目前有三个栽培种：即中国种、 热带种、印度种。又因其颜色、形状、用途、产地不同，而分为红蔗、紫蔗、竿蔗、 茅蔗、腊蔗、暑蔗、昆仑蔗等诸类。目前我国市场上常见是红甘蔗( 外皮墨红色) 和 2 的包装用纸，据资料介绍，每吨甘蔗渣可以代替1 1 2 5 m 3 木材。甘蔗渣造纸也成了广 西造纸行业的一大特色，开创了糖纸结合的可持续发展的道路。甘蔗渣纤维加入树脂 胶铺装成板坯，经压制，可制作中密度纤维板。在非木质中纤板中，甘蔗渣中纤板的 性能优于稻草、棉杆、秸秆等制成的产品【8 】，甘蔗渣中纤板强度高，握钉力强，板面涂 饰性能好，表面光滑、板边密实无需封边，还适合锯切、拉槽、钻孔、雕刻及车制成 品机械n t t 9 。可以用于制造家具、包装、车船、家庭内部装修等方面。由于纤维板 性能比木材优越，因而可以缓解木材短缺的局面。甘蔗渣和废地膜混合，加入发泡剂， 可以制备发泡木塑复合材料【1 0 】。这种环保型复合材料，本身也可以回收利用，利于节 约资源，保护环境。它兼具木材和塑料的特殊性能。主要应用于家具家装，建筑装饰 等领域中的装饰塑材、模板、耐磨装饰板等。 甘蔗渣中含有丰富的可发酵成乙醇的纤维素和半纤维素，利用产纤维素酶的微生 物或纤维素酶将纤维素水解成可发酵性糖，再通过酵母发酵可生成乙醇。大致步骤为： 甘蔗渣预处理、糖化、发酵【1 1 1 。甘蔗渣为经过预处理、酸处理、脱色、降解、洗滤除 灰、干燥、粉碎之后，可得到甘蔗渣纤维素粉。由此方法得到的甘蔗渣纤维素粉总纤 维素含量达到9 0 ，可作为食品添加剂，能有效的提高产品的纤维素含量【1 2 1 。s y o u 等【l3 】得出的甘蔗渣生产对香豆酸的工艺适合大规模的工业化生产，并且生产出的对香 豆酸的抗氧化活性、降低功耗和清除自由基的能力与标准的对香豆酸相同。 天然纤维素纤维具有长径比大，比强度高，比表面积较大，及可生物降解等优点。 且纤维素纤维的密度为1 5 9g c m 3 左右，比无机纤维如陶瓷纤维、玻璃纤维等的密度 ( 约为2 3 9 c m 3 - 2 3 9 c m 3 ) 小的多。由于甘蔗渣截面呈多孔结构，蔗渣比麻纤维的抗 压缩能力更强【1 4 】。甘蔗渣原料丰富、密度低、价格低廉、且可降解，近年来也被广 泛用于制备复合材料。 第一章绪论甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究 周兆等采用固体小蔗渣、酚醛树脂胶、石蜡乳液等制作包装材料。为了便于制作 模压材料，在经行模压前他们还设置了预压工序。预压可以使板坯密实，具有一定强 度，减少出现分层和鼓泡现象的几率。在此工艺下的模压制品的各项物理力学性能指 标均已超过国家标准( g b t 4 8 9 7 - - 9 2 d ) 的特级品标准，成本却低了得多，企业如使用 该系统将会带来很大的经济效益【1 5 】。曹勇等【1 6 1 刀研究了甘蔗渣纤维做增强材，可降解 树脂c p - 3 0 0 ( 聚己酸内酯和淀粉的混合物) 作为基材，制备环境友好、可自然降解 的复合材料。研究了纤维的含有量、长度材料对材料弯曲模量的影响，并探讨利用 c o x 剪滞修正模型对材料弯曲模量进行预测。由于可降解树脂价格高、力学性能较低， 聚乙烯、聚丙烯等性价比较高的树脂也被用于和甘蔗渣纤维制备复合材料。高密度 低密度聚乙烯材料和甘蔗渣材料复合，成型方法有压缩成型、挤压成型等【1 0 , 1 8 】。，由 于聚乙烯、聚丙烯等基体材料可以从废旧塑料袋等回收获得，不仅可以减少白色污染， 又能废物再利用，创造新的经济价值，称为今年来一种新的研究方向。 经过除髓的甘蔗渣，经过酸预水解处理、碱法蒸煮、洗涤、筛选和漂白后，制成 浆粕。浆粕的纤维素含量达8 8 以上。经过碱浸渍、磺化、溶解得到粘胶。然后将粘 胶和淀粉的混合物放在玻璃板上，利用玻璃棒刮膜。刮好的膜在硫酸浴中凝固再生， 经水洗后放入增塑浴中增塑。然后把湿膜贴在玻璃板上，放入鼓风干燥机经行干燥。 此方法为溶解浆与淀粉共混合成膜技术。此方法所制得的地膜具有较高的干、湿强度 和透明度，并可完全达到可降解的目的。此地膜适应环保的要求，可以避免不必要的 “白色污染”，具有广阔的发展前景【1 9 1 。 甘蔗渣除了直接利用外，经过化学处理和加工，得到甘蔗渣纤维，比甘蔗渣增强 复合材料的效果更好，也有很广泛的应用。经过碱处理后甘蔗渣增制的强复合材料， 和没有经过处理的甘蔗渣复合材料相比，初始模量、拉伸强度、弯曲模量更高。复合 材料的耐热性能高，吸水性能减弱。纤维和基体之间的粘结性更好 2 0 , 2 1 。经适当浓度 的碱处理后，通过提高甘蔗皮纤维的拉伸强度，以及长径比，改善材料的纤维缺陷， 增强甘蔗渣复合材料的力学性能和界面性能1 2 2 】。经过一定的酸、碱处理、超声波和均 匀化处理后，可以从甘蔗渣中分离出纤维素微纤维。大多数微纤维的大小是在亚微米 范围内，具有5 0 1 2 0 的长宽比。用此方法得到的纤维不仅成功的去除了非晶区，也对 。且甘蔗渣纤维素微纤维强度好、结晶度高，广泛应用于加强和 4 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究第一章绪论 经过改性后的甘蔗渣纤维素纤维，和高密度或者低密度的聚乙烯复合，制备的复合材 料比甘蔗渣纤维素纤维直接增强复合材料的性能更好。经过改性的纤维素纤维和基体 材料之间有更好的粘结性能，有较好的拒水性能，复合材料具有更好的力学性能1 2 4 2 5 】。 甘蔗渣纤维较短，单纤维平均长度不足l m m ，且强度较低，限制了它在纺织领域 的应用。相对于甘蔗内髓中小束纤维，甘蔗皮中含有更长而细的纤维【冽。甘蔗皮纤维 增强复合材料比甘蔗渣纤维增强复合材料的抗弯性能和强度更好，且吸水率较低网。 甘蔗渣纤维和棉用f 0 1 5 d 实验室梳棉机梳理两次后，用针刺机使纤维粘结成网， 把纤维毡和可降解树脂制成的膜交替层叠，在1 5 0 、8 6 2 p a 下热压一分钟成型，可 生产非织造材料 2 8 1 。由于此方法采用了针刺法使纤维成网，便于大规模生产，在工业 上利用前景广阔。 1 3 甘蔗皮纤维的化学组成及脱胶机理 甘蔗皮的主要成分有：纤维素、半纤维素、木质素、果胶、脂蜡质。 纤维素( c e l l u l o s e ) 是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。 是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植 物界碳含量的5 0 以上。甘蔗皮中的纤维素含量3 0 。4 0 ，不同生长年份或者不同 部位的甘蔗皮，纤维素含量也不同。维素大分子的基环是d - 葡萄糖以b 一1 ，4 糖苷 键组成的大分子多糖，分子量约5 0 0 0 0 - 2 5 0 0 0 0 0 ，相当于3 0 0 - 1 5 0 0 0 个葡萄糖 基脱水葡萄糖，分子式可写作( c 6 h l 0 0 5 ) 1 1 。广义的纤维素可分为有a - e 午维素 ( a - - c e l l u l o s e ) 、p 一纤维素( 1 3 - - c e l l u l o s e ) 、丫- 纤维素( ) , - c e l l u l o s e ) 。仅研维素 ( a - - c e l l u l o s e ) 指从原来细胞壁的完全纤维素标准样品用1 7 5 n a o h 不能提取 的部分。p - 纤维素( 1 3 - c e l l u l o s e ) 、丫- 纤维素( t - c e l l u l o s e ) 是相应于半纤维素的 纤维素。0 l 蚜维素通常大部分是结晶性纤维素，d 研维素，丫- 纤维素在化学上除 含有纤维素以外，还含有各种多种糖类。纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机 溶剂，能溶于铜氨c u ( n h 3 ) 4 ( o h ) 2 溶液和铜乙二胺 n h 2 c h 2 c h 2 n h 2 c u ( o h ) 2 溶 液等。水可使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶 区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。纤维素加热到约1 5 0 时不发生显著变化， 超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。纤维素与较浓的无机酸起水解作用生成葡 萄糖等，与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素，与强氧化剂作用生成氧化纤 5 第一章绪论甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究 维素。 木质素是由四种醇单体( 对香豆醇、松柏醇、5 掘基松柏醇、芥子醇) 形 成的一种复杂酚类聚合物。从化学观点来看，木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随 机聚合而成的高分子【2 9 1 。木质素填充于纤维素构架中以增强植物体的机械强度，它的 强度比纤维素弱，但能提供刚度并改善耐久性1 3 0 。木质素主要位于纤维素纤维之间， 是构成植物细胞壁的成分之一，起细胞连接和抗压作用。在木本植物中，木质 素占2 5 ，是世界上第二位最丰富的有机物( 纤维素是第一位) 。因单体不同，可 将木质素分为3 种类型：紫丁香基木质素( s y r i n g y ll i g n i n ，s _ 木质素) ，愈创木基 木质素( g u a j a c y ll i g n i n ，g 木质素) 和对羟基苯基木质素( h y d r o x y - p h e n y ll i g n i n ， h - 木质素) 。甘蔗为单子叶植物，含有的木质素的类型为为愈创木基- 紫丁香基 对羟基苯基木质素( g - s - h ) 。木质素包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细 胞及厚壁细胞外，并使这些细胞具有特定显色反应。木质素是由高度取代的苯 基丙烷单元随机聚合而成的高分子，它与纤维素、半纤维素一起，形成植物骨 架的主要成分，在数量上仅次于纤维素。木质素填充于纤维素构架中增强植物 体的机械强度，利于输导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。 半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体。半纤维素是构成植物 细胞初生壁的主要成分之一，它与伸展蛋白、结构蛋白、壁酶、纤维素和果胶等一起 构成具有一定硬度和弹性的细胞壁 3 1 - 3 3 】。自然界中木聚糖是半纤维素的主要组成 部分。半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的5 0 ，它结合在纤维素微纤维的表 面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。半纤维素具 有亲水性能，这将造成细胞壁的润胀，可赋予纤维弹性。纤维素有利于纤维构 造和纤维间的结合力。因此，半纤维素的加入影响了表面纤维的吸附，对纸张 强度有影响。半纤维素吸附到纤维素上，可以增加了纤维的润胀和弹性，使纤 维不易被切断。 果胶( p e c t i n ) 是一组聚半乳糖醛酸。果胶存在于植物的细胞壁和细胞内层， 为内部细胞的支撑物质。如果纤维中含有较多的果胶，容易使纤维的细胞壁联 合在一起，纤维分离较为困难。果胶可分为熟果胶和生果胶，熟果胶具有水溶 性，生果胶不溶于水。按果胶的组成可有同质多糖和杂多糖两种类型：同质多 糖型果胶如d 半乳聚糖、l 一阿拉伯聚糖和d 半乳糖醛酸聚糖等；杂多糖果胶最 6 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究 第一章绪论 常见，是由半乳糖醛酸聚糖、半乳聚糖和阿拉伯聚糖以不同比例组成，通常称 为果胶酸。果胶广泛用于食品工业，适量的果胶能使冰淇淋、果酱和果汁凝胶 化。 甘蔗皮的主要化学成分是纤维素、半纤维素、木质素、果胶等。如要得到纤维素 纤维，需要去除半纤维素、木质素、果胶等杂质。半纤维素在碱性溶液中可产生碱性 降解，在较为强烈的条件下可产生碱性水解。半纤维素碱性水解可产生低聚合度的聚 木糖和聚甘露糖，容易吸附在纤维素上，难以去除，因此酸预水解可以提高碱煮的效 果。木质素在一定条件下碱溶液中可以和碱发生反应，生成碱木质素溶解在碱液中。 生果胶对酸碱的稳定性较低，果胶大分子链易在稀碱溶液的沸煮或无机酸的处理下易 水解。 甘蔗皮化学脱胶的基本原理，概括地说就是利用甘蔗皮中纤维素和胶质成分对 碱、无机酸的稳定性的不同，在不损伤纤维原有机械性能的原则下，采用以碱处理为 中心的脱胶工艺，以去甘蔗皮中的杂质，提取甘蔗皮纤维。在脱胶过程中，为了使脱 胶效果更好，往往辅以一定的机械作用，以达到纺织用纤维的要求。为提高碱处理的 效果，提高甘蔗皮纤维的质量，在碱处理前后分别加以前处理和后处理两大工艺过程。 因此，甘蔗皮的脱胶工艺从大的方面来说可分为酸预处理、碱处理和搅拌。 1 4 本课题的研究目的、意义和内容 甘蔗皮中含有比甘蔗渣中更长而细的纤维，且甘蔗渣利用前要进行除髓处理，较 为麻烦。甘蔗上市后，超市的甘蔗皮堆积如山，可以直接取来使用，既避免了除髓的 麻烦，也充分利用了废弃资源。 本课题将针对甘蔗皮短纤维的提取工艺做初步的探究，并研究碱煮因素对甘蔗皮 纤维的性能的影响，得出较优的提取甘蔗皮长纤维的工艺。研究甘蔗皮纤维的长度、 强力、吸放湿等性能，探索甘蔗皮纤维作为纺织用纤维的可行性。 本课题的研究内容主要分为三大部分： ( 1 ) 利用正交试验的方法，以纤维得率为主要指标、纤维长度为参照指标，参照 红外光谱分析等分析方法确定甘蔗皮短纤维的初步提取工艺，并分析影响纤 维长度和得率的主要因素。 ( 2 ) 研究碱煮时间、碱煮温度、碱煮浓度等因素对纤维性能的影响，包括：纤维 7 第一章绪论 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究 得率、纤维长度和直径、微观结构、热学性能、；虽f 申性能等。并参照纤维的 各项性能，得出提取长纤维束的较优工艺。 ( 3 ) 测试较优工艺下所得束纤维的基本性能。 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究第二章甘蔗皮纤维的提取工艺初探 第二章甘蔗皮纤维的提取工艺初探 为了制定甘蔗皮纤维的提取工艺，首先对甘蔗皮的主要成分进行分析。针对各个 成分所占比例、各个成分对酸碱的稳定性不同，选取合理的酸碱处理温度和浓度，去 除甘蔗皮中的杂质，得到长度较长，杂质较少的纤维。为了初步探索影响纤维提取的 主次因素和减少实验次数，本实验采用正交试验法对甘蔗皮纤维的提取工艺进行初步 探索，确定酸处理的温度、时间及浓度。然后再以纤维的得率为主要参照指标，结合 纤维的长度和红外光谱分析，得出提取甘蔗皮纤维的较优的提取工艺。 2 1 甘蔗皮成分分析 2 1 1 试验原材料 原料：市售甘蔗废弃物甘蔗外皮 试剂：所用试剂见表2 - 1 表2 - 1 化学试剂 2 1 2 试样预处理 取适量甘蔗皮，放于烘箱中在1 0 5 。c 的条件下烘至恒重，迅速取出放入干燥器中 冷却3 0 分钟，分别称取4 个约5 克的甘蔗皮样品，用于对甘蔗皮进行成分分析。 2 1 3 试验方法 2 1 3 1 甘蔗皮成分分析 甘蔗皮的成分分析参照苎麻化学成分定量分析方法( g b 厂i 5 8 8 9 8 6 ) 进行测 试。按照脂蜡质一水溶物一果胶半纤维素一木质素的顺序去除，最后剩下即为纤维 素的含量。 将称取好的试样，分别放人脂肪提取器内，试样高度低于溢流口约1 0 1 5 m m ，烧 瓶中加人1 5 0 m 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 9 第二章甘蔗皮纤维的提取工艺初探甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究 l l 。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。烘至恒重后， 称取试样的重量。 彤i ) ：g o 伫- g l 1 0 0 ( 1 ) u b w 试样的脂蜡质含量， g 0 式样去脂蜡质前的干重，g g 1 试样去脂蜡质后的干重，g 将提取脂蜡质后的试样，分别放人加有1 5 0 m l 蒸馏水的三角烧瓶中，装好球型冷 凝管，沸煮1 h ，更换新蒸馏水，重新沸煮2 h ，然后换新的蒸馏水，再重新沸煮1 h 。取 出试样，在分样筛中洗净。放人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。按式( 2 ) 计算： ( ) ：导瑚 。 ( 2 ) u o 职- 式样的水溶物含量， g 2 试样提取水容物后的干重，g 将提取水溶物后的试样，分别放人加有1 5 0 m l ，浓度为5 9 i 的草酸钱溶液的三角 烧瓶中，装好球型冷凝管，沸煮3 h 。取出，在分样筛中洗净，放人已知重量的称量瓶 中，烘至恒重。取出迅速放于干燥器中冷却，称重并记录。按式( 3 ) 计算： 嵋( ) ：与导1 0 0 ( 3 ) u o 职试样的果胶物质含量， g 3 试样提取果胶物质后的干重，g 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 l 魂出，于分样筛中洗净，放人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。按式( 4 ) 计算： ( ) ：鱼丢鱼1 0 0 ( 4 ) u o 形_ 式样的半纤维素含量， g 4 试样提取半纤维素后的干重，g 1 0 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究第二章甘蔗皮纤维的提取工艺初探 从甘蔗皮样品中，随机选4 缶点，取重约5 9 的样品，提取脂蜡质后风干剪碎( 长度 不超过1 5 r a m ) ，称取每个重约1 9 的试样，共3 个。分别放于已知重量的有塞三角烧瓶中， 烘至恒重取出迅速放于干燥器中冷却，称重，记录。而后缓缓加人3 0 m 1 7 2 的硫酸 溶液。在8 一1 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l 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。 按式( 5 ) 计算： 暇( ) = 兰若1 0 0 ( 5 ) u o 一 职试样中木质素的含量， g ”试样中木质素和玻璃砂芯滤器总干重，g g 、玻璃砂芯干重，g 试样与有塞三角烧杯总干重，g 瓯有塞三角烧杯干重，g 由以上各成分含量的测定值按式( 6 ) 计算： 岷2 l o o - ( 彤+ + + 岷+ 瞧) ( 6 ) 巩甘蔗渣的纤维素含量， 2 1 3 2 甘蔗皮的形态结构分析 利用y 1 7 2 型纤维切片器，采用哈氏切片法制纤维切片，用扫描电镜s - 4 7 0 0 ( 日 本日立公司) 观察纤维的横截面形状。放大倍数为1 0 0 0 1 5 0 0 倍。 2 1 4 试验结果及分析 2 1 4 1 甘蔗皮的化学成分组成 经测试，甘蔗皮的化学成分组成如表2 - 2 所示。 由表2 - 2 可知，甘蔗皮纤维中的纤维素含量约为3 5 ，具有开发利用的价值。甘 蔗皮中的脂蜡质和果胶含量较低。与麻类纤维中的亚麻和黄麻相比，甘蔗皮的半纤维 素和木质素含量较高，纤维素含量较低，在后续脱胶工艺中，要针对半纤维和木质素 高的特点，在不损伤纤维素的提前下，加大反应时间，或适当提高提取溶液浓度；与 慈竹相比，甘蔗皮的半纤维素含量稍高，木质素和纤维素含量都和慈竹较为接近。 第二章甘蔗皮纤维的提取工艺初探 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究 表2 - 2 甘蔗皮的化学成分 2 1 4 2 甘蔗皮化学成分定量分析各阶段的形态结构 图2 _ 1 是甘蔗皮在化学成分定量分析过程中各个成分被逐步去除后的截面形状变化图。 ( a ) 处理前甘蔗皮纤维截面( b ) 去除脂蜡质后甘蔗皮纤维截面 ( c ) 去除水溶物后甘蔗皮纤维截面( d ) 去除果胶后甘蔗皮纤维截面 ( e ) 去除半纤维素后甘蔗皮纤维截面 图2 - 1 甘蔗皮纤维截面形状变化图 1 2 甘蔗皮纤维的提取及纤维的性能研究第二章甘蔗皮纤维的提取工艺初探 图2 - 1 是甘蔗皮在化学成分定量分析过程中各个成分被逐步去除后的截面形状变 化图。由图2 1 ( b ) 可知，当甘蔗皮中的脂蜡质去除后，和未处理的甘蔗皮2 1 ( a ) 相比，截面中腔变得扁平，说明纤维易被压扁；当水溶物去除后( 图2 1 ( c ) ) ，甘蔗 皮截面的空隙变小；去除果胶后( 图2 - 1 ( d ) ) ，和3 ( c ) 相比，截面形态除了中腔 更为扁平外没有明显变化；而当甘蔗皮纤维中的半纤维素去除后，纤维中的空隙消失， 纤维粘结在一起，如图2 - 1 ( e ) 所示，这可能是因为氢氧化钠溶液处理使得纤维沿纵 向裂开，中腔消失，在制作切片时纤维受挤压而粘结在一起。 2 2 甘蔗皮纤维提取工艺初探 本实验采用正交试验法探索甘蔗皮纤维的提取工艺。正交实验法是较为成熟，经 实践验证较为科学的实验方法。采用正交实验法，不仅可以节省试验时间，还可以得 出影响纤维提取的主次因素，为进一步研究纤维的提取方法做准备。 2 2 1 试验原材料 原料：甘蔗外皮 试剂：本研究所用试剂见表2 1 。 2 2 2 试样预处理 取适量甘蔗皮，加入蒸馏水，浴比为5 0 1 ，置于1 0 0 的水浴中沸煮1 小时， 更换新的蒸馏水再沸处理2 小时，再换水沸处理1 小时，以去除甘蔗渣中的糖分。将 甘蔗皮取出洗净，放在6 0 烘箱中烘至恒重后，放入干燥器里干燥3 0 分钟后称量。 每5 克为一份，共称量9 份，用于做纤维提取实验。 2 2 3 试验方法 针对甘蔗皮的成分组成，经过一系列的前期试验，初步探索出提取甘蔗皮纤维的 工艺：硫酸预处理- 水洗_ 氢氧化钠处理_ 水洗一搅拌_ 水洗_ 烘干。为了确定提取 甘蔗皮纤维的较优工艺，并得出影响纤维提取的主要因素，我们采用正交实验