竹材的化学-酶联合脱胶工艺研究

竹材的化学-酶联合脱胶工艺研究

竹子是森林资源的重要组成部分。我国是世界上竹类植物面积最广、资源最多、利用最早的国家。竹纤维因其本身的多孔微细结构而具有良好的吸湿、导湿性,以及天然的抗菌抑螨和防臭性能,适用于各类纺织品。目前国内主要研究竹浆纤维的加工,但竹浆纤维的一些天然特性遭到一定程度的破坏,纤维的除臭、抗菌、防紫外线功能出现一定程度的下降,湿强也下降较多,而竹原纤维的上述性能得到了最大的保留。目前国内制取竹原纤维的主要方法可分为物理法、化学法和生物法。其中物理法工艺简单、操作便捷,但制取的纤维胶质(非纤维素部分)含量高,纤维粗硬,且线密度离散性大;化学法能够制取线密度相对较小的竹原纤维,但成本较高,且对环境污染严重;而生物法对环境污染小,且具有专一性强、催化效率高和反应条件温和等显著特点。考虑到生物酶的运用尚在初始阶段,本文试采用化学–酶联合脱胶方法对竹材进行脱胶实验,探索竹原纤维的制取方法。1实验部分1.1酶、硫酸、双氧水等聚合物的渗透剂试样:毛竹(产自河南郑州),毛竹的化学成分见表1。实验药品:果胶酶(诺维信(中国)有限公司)、氢氧化钠、多聚磷酸钠、硅酸钠、亚硫酸钠、JFC渗透剂、98%硫酸、30%双氧水。实验仪器:JA2003A电子天平、ZQS1型电热蒸煮锅、恒温振荡水浴锅、烘箱、烧杯、量筒等。1.2成分分析参照GB/T5889—86《苎麻化学成分定量分析方法》对竹原纤维的化学成分和残胶率进行测试。1.3化学脱胶工艺采用化学–酶联合脱胶方法,充分发挥生物酶脱胶和化学脱胶各自的优势,工艺流程如下:原料准备→超声波处理→碱煮→水洗→碾压梳理→酸洗→水洗→生物酶→水洗→漂白→柔软处理→烘干。1.4不同煮练温度和时间对竹纤维的不同研磨法(1)超声波处理:利用超声波产生的“空化效应”提高除胶效率。超声波频率50kHz,温度50℃、时间15min、浴比1∶15。(2)碱煮:常压,浴比1∶30,硅酸钠、亚硫酸钠、多聚磷酸钠和质量分数为2%的JFC,氢氧化钠的质量浓度、煮练的温度和时间见表2。(3)水洗:用50~60℃温水反复冲洗至中性。(4)碾压梳理:用自制的圆形铁棒将经过碱煮的试样机械碾压,使竹纤维分离,迫使部分胶质被剥离。(5)酸洗:将竹纤维浸泡在酸液中,中和竹纤维上的残余化合物,并进一步去除部分胶质。98%硫酸的质量浓度1g/L,浴比1∶30,时间30min。(6)水洗:用30℃温水反复冲洗,去除化学药品的残留。(7)生物酶:果胶酶4%,pH值6~7,温度50~60℃,时间3h。(8)水洗:用自来水冲至中性。(9)漂白:30%双氧水的质量浓度4g/L,浴比1∶100,加入质量分数为2%的尿素、硅酸钠、亚硫酸钠、多聚磷酸钠和渗透剂JFC,温度99.9℃,时间30min。(10)柔软处理:乳化油3%,温度40~60℃,时间3h。2结果与讨论2.1果胶脱甲基、释放果胶酶实验所选用的果胶酶主要成分能够有效分解去除果胶质及其他共生杂质。其作用原理主要为:果胶酶首先与纤维细胞壁中的果胶结合,成为果胶质;随后果胶质脱甲基成为果胶酸;最后水解各半乳糖醛酸单体间的1,4苷键,降解大分子。同时产生的水溶性产物游离初生胞壁基质,释放出果胶酶,使其成为其他果胶质再吸附,周而复始地重复这一过程。生物酶处理与化学脱胶相比,不仅具有专一的针对性和高效性,而且减轻了对纤维的损伤。本次实验将生物酶处理放置在碱煮辗压后,可以有效地使酶制剂渗入已分散的纤维之间,进一步去除剩余胶质及部分杂质,以达到更好的效果。2.2碱处理脱胶试验初次实验,在生物酶配合作用的基础上,以碱煮工艺中氢氧化钠的质量浓度,煮练时间和煮练温度参数作为试验因子,以残胶率和断裂强度作为考察目标,进行正交试验和分析,相关指标测试结果见表3。残胶率是衡量脱胶效果的一个重要指标,由表3得出,当氢氧化钠的质量浓度为10g/L,残胶率最低,脱胶效果最好。但是随着氢氧化钠浓度的提高,竹纤维断裂强度逐渐减小。主要原因是随着脱胶的逐步进行,纤维受损伤的情况加剧,从而导致纤维断裂强度的减小。另一方面,煮练时间和煮练温度也影响到纤维的脱胶效果。一般情况下,煮练温度和煮练时间与纤维的脱胶效果在一定范围内呈正比,随着煮练时间和温度的提升,脱胶效果提升。但是,综合考虑到生产效率和生产成本等问题,煮练时间和温度尽量控制在一定范围内。由正交试验的结果分析见表4,极差反映出氢氧化钠质量浓度对试验的影响最大,碱浓度小,胶质不能得到很好的去除;碱浓度大,对纤维断裂强度易造成损伤。其次是煮练的时间,而煮练温度对试验的影响相对较小些。最后,综合多项指标分析确定最优方案为在氢氧化钠的质量浓度8g/L、煮练时间150min、煮练温度80℃的条件下进行化学脱胶,然后进行生物酶辅助脱胶,条件为果胶酶4%,pH值6~7,温度50~60℃,时间3h。3脱胶工序效果采用化学–酶联合脱胶方法对竹材进行脱胶,对正交试验结果的分析得出如下结论。(1)对竹纤维残胶率和断裂强度影响因素从大到小依次为:氢氧化钠浓度、煮练时间、煮练温度。(2)最优工艺:氢氧化钠质量浓度8g/L,煮练时间150min,煮练温度80℃;助剂硅酸钠、Na2SO3、多聚磷酸钠和质量分数为2%的JFC,浴比1∶30;果胶酶4%,pH值6~7,温度50~60℃,时间3h。经过脱胶工序,竹材的残胶率降至28.12%,说明化学–酶脱胶具有一定的效果,但在实验条件下制取的纤维较粗,尚不能满足服用性能的要求,仍然需要进一步的柔软和梳理处理。在纺织工业快速发展的今天,竹原纤维的市场前景十分广阔,但是纤维本身仍然存在不足,有待进一步改进。竹原纤维的强力虽优于竹浆纤维,却低于棉纤维,更不能和涤纶相比,一般可以通