山麻杆韧皮纤维的提取及其性能研究

赵 磊 蔡莉莉 刘 华 杨 贺 祁 宁

(1.盐城工业职业技术学院，江苏盐城，224005；2.江苏悦达家纺有限公司，江苏盐城，224000；3.苏州大学，江苏苏州，215123)

山麻杆又叫狗尾巴树，桐花杆，它是大戟科目植物的一种，属于山麻杆属植物，其生存能力极强[1-2]。根据相关报道，山麻杆韧皮中所含的纤维素含量高达45%～50%，因此可以从山麻杆韧皮中提取一定量的纤维，其力学、吸湿等性能类似亚麻、黄麻等麻类纤维，可作为服装、工农业用绳索、非织造布等纺织品原料。此外，山麻杆在工业上也具有很大的价值，如山麻杆的种子可以通过高效榨取获得籽油，山麻杆枝叶也具有一定的药用价值，也有将其自然降解作为农作物生长的养分。由此可见，山麻杆具有广泛的用途和利用价值。目前，对山麻杆韧皮纤维的提取和性能研究基本没有，本研究将采用化学脱胶法对山麻杆韧皮进行纤维的提取，优化脱胶工艺，探讨山麻杆韧皮纤维的可纺性指标，对开发利用山麻杆韧皮纤维的研究学者或企业提供一定的参考。

1 试样部分

1.1 材料与设备

山麻杆韧皮取自于校园，经机械预处理后如图1所示；氢氧化钠(分析纯)，沧州群意化工有限公司；水玻璃(分析纯)，上海子钦化工有限公司；磷酸钠(分析纯)，吴江市东昇精细化工有限公司；HH·S21-4型数显恒温水浴锅，常州金坛精达仪器制造有限公司；SY71/QUINTIX224型电子天平，北京中西远大科技有限公司；Y171型纤维切断器，常州市中纤仪器有限公司；YG(B)026G型电子单纤维强力仪，大荣纺织仪器有限公司。

图1 山麻杆韧皮

1.2 脱胶工艺路线

1.3 试验方法

采用碱NaOH浓度、脱胶时间、浴比三个单因素进行脱胶处理，在单因素脱胶处理的基础上，分别选择三个脱胶效果较佳的水平，再进行脱胶处理的正交试验，从而确定出最佳的脱胶工艺。

1.4 性能指标测试

脱胶后的山麻杆韧皮纤维按照GB/T 6100—2007《棉纤维线密度试验方法中段称重法》，采用中段切断称重法测量细度；参照GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》测试拉伸性能。

2 结果与讨论

2.1 脱胶单因素分析

2.1.1 碱浓度

不同浓度的氢氧化钠对韧皮纤维脱胶效果有一定的差异，在其他因素不变的情况下，评价NaOH浓度对山麻杆纤维三个可纺性指标(断裂强度、断裂强力和细度)的影响。浴比1∶30，温度100 ℃，脱胶时间180 min。不同NaOH浓度下测得的山麻杆韧皮纤维可纺性指标测试结果如表1所示。

表1不同NaOH浓度下山麻杆韧皮纤维可纺性指标

NaOH浓度/g·L-1细度/dtex断裂强力/cN断裂强度/cN·dtex-125303540452.652.452.342.282.2671.6375.0379.8676.9775.1527.0330.6234.1333.7633.25

从表1可以发现，山麻杆韧皮纤维的细度随着碱液浓度的上升出现逐渐降低的趋势，但在浓度较低时，细度下降非常明显，当碱液浓度超过35 g/L时，细度下降趋向缓和；而山麻杆韧皮纤维的断裂强度则随着碱液浓度的上升出现先上升后下降的趋势，在浓度较低时，断裂强度提高很明显，当碱液浓度超过35 g/L时，断裂强度下降缓慢。可见，NaOH能有效去除山麻杆韧皮中所含的各种非纤维素物质，但并非是浓度越大越好。当浓度较低时，能有效去除半纤维素、果胶等物质，此时纤维素大分子链活动自由度提高，大分子链之间将会形成新的氢键，因此山麻杆韧皮纤维内部的结晶度将会提高，断裂强度便会增大。但浓度过高后，一方面碱会对纤维素大分子产生腐蚀破坏，产生碱纤维素，纤维素大分子链之间的氢键结合力下降，从而使纤维的断裂强度也会下降[7-8]。

2.1.2 浴比

浴比的变化对韧皮纤维脱胶效果也会产生一定的影响， NaOH浓度35 g/L，温度100 ℃，时间180 min。不同浴比下测得的山麻杆韧皮纤维性能情况如表2所示。

表2不同浴比下山麻杆韧皮纤维可纺性指标

浴比细度/dtex断裂强力/cN断裂强度/cN·dtex-11∶101∶201∶301∶401∶502.782.522.342.282.2781.0082.5379.8680.3479.3829.1432.7534.1335.2434.97

从表2可以看出，随着浴比的逐渐增大，山麻杆韧皮纤维的细度出现一直降低的变化趋势，浴比从1∶10提高到1∶30时，细度降低较快，但浴比从1∶30提高到1∶50时，细度变化很小，而山麻杆韧皮纤维断裂强度则先出现迅速提高、后缓慢下降的变化。它们的变化在一定程度上与山麻杆韧皮纤维与碱接触的机会不一样有关。当浴比小时，脱胶处理液中碱的含量就少，不能充分地将果胶、半纤维素等物质去除；当浴比继续提高后，由于碱的含量都同时增加，因此不但脱胶效果好，果胶等物质能较快地溶于脱胶废液中；但浴比增大到一定程度后，虽然碱的含量会提高，但由于碱在碱液中分离度也会变大，降低了碱与山麻杆韧皮接触的机会，因此脱胶效果会变差。

2.1.3 脱胶时间

山麻杆韧皮质地较为紧密，在碱煮工序中，碱溶液浸透比较困难。因此，如果碱煮时间较短，脱胶效果不充分；但碱煮时间过长，山麻杆韧皮纤维的纤维素就会被破坏，从而引起纤维断裂强度下降。另外一方面，脱胶后废液中的果胶会重新黏附到纤维表层，因此需确定较适宜的脱胶时间。碱浓度35 g/L，浴比1∶40。不同脱胶时间下测得的山麻杆韧皮纤维可纺性指标如表3所示。

表3不同脱胶时间下山麻杆韧皮纤维可纺性指标

脱胶时间/min细度/dtex断裂强力/cN断裂强度/cN·dtex-11201802403003602.432.282.112.082.0883.2283.7678.3280.2078.6734.2536.7437.1238.5637.82

从表3可以看出，随着脱胶时间的延长，山麻杆韧皮纤维的细度出现一直降低的变化趋势，而山麻杆韧皮纤维的断裂强度则出现增大后有所降低的现象，时间越长细度下降越不明显，断裂强度提高也不显著。出现这些变化的原因在于：当时间在300 min以下时，时间越长，碱与山麻杆韧皮越能充分接触并渗透，果胶、糖类物质水解也越彻底[9-10]；但当时间超过300 min以后，由于非纤维素物质绝大多数都已去除，因此山麻杆韧皮纤维细度将不会发生多大的变化，而由于碱与纤维素接触的时间过长，纤维素大分子链会发生一定程度的损伤，山麻杆韧皮纤维的断裂强度有所下降，况且时间越长，脱胶成本也越高。

2.2 正交试验分析

在单因素试验基础上设计三因素三水平L9(33)正交试验，正交试验结果如表4所示。

表4L9(33)正交试验结果

试验序号NaOH浓度A/g·L-1浴比B脱胶时间C/min纤维细度/dtex纤维断裂强度/cN·dtex-1123456789细度k1细度k2细度k3细度极差R断裂强度k1断裂强度k2断裂强度k3断裂强度极差R3535354040404545452.302.192.130.1735.0435.3830.814.571∶301∶401∶501∶301∶401∶501∶301∶401∶502.232.152.250.1032.8335.3233.072.491802403003001802402403001802.192.192.250.0634.9234.5531.763.162.34 2.21 2.36 2.23 2.10 2.25 2.11 2.15 2.14 35.2337.1232.7832.1738.5335.4331.0930.3231.01

从正交试验分析数据可以发现，对于山麻杆韧皮纤维细度的影响，碱的浓度最大，脱胶时间最小；对于山麻杆韧皮纤维断裂强度的影响，碱的浓度最大，浴比最小。可见，对细度和断裂强度影响最大的都是碱液浓度，这是因为NaOH能有效地分离糖类、果胶等半纤维素物质与纤维素，纤维内部的结晶度提高，但NaOH浓度过高也会损伤纤维素[11-12]，所以从正交试验的最佳工艺看出，NaOH浓度不是最高的。山麻杆韧皮纤维脱胶工艺：NaOH浓度40 g/L，浴比1∶40，脱胶时间180 min 时，脱胶效果最好，纤维细度2.10 dtex，断裂强度38.53 cN/dtex。脱胶后山麻杆韧皮纤维的形态如图2所示，颜色、手感均与黄麻等麻类纤维非常接近。

图2 山麻杆韧皮纤维

3 结论

通过对山麻杆韧皮进行化学脱胶单因素分析可知，在碱浓度35 g/L，浴比为1∶40，脱胶时间300 min时，纤维细度达到2.08 dtex，断裂强度达到38.56 cN/dtex。在化学脱胶单因素分析的基础之上，对山麻杆韧皮采用正交试验进行再次优化分析。当NaOH浓度40 g/L，浴比1∶40，脱胶时间180 min时，脱胶效果最好，纤维细度2.10 dtex，断裂强度38.53 cN/dtex，工艺符合节能减排的要求。脱胶后山麻杆韧皮纤维的颜色、手感等均与黄麻等麻类纤维非常接近。