桑皮纖維的綠色高效脫膠工藝

閔庭元 ，周 彬，王美紅

(1.鹽城市纖維檢驗所，江蘇 鹽城 224000；2.鹽城紡織職業技術學院，江蘇 鹽城 224000)

1 前言

桑皮纖維來源于桑樹枝條的韌皮部分，屬天然植物纖維素纖維，是一種新型的高附加值純天然纖維。由于桑皮中纖維素含量較低，僅30%左右，纖維較短，而半纖維素、木質素和果膠的含量較高，因此，如何有效地從桑皮纖維中提取可紡纖維是桑皮纖維利用的關鍵所在，脫膠工藝的選擇和脫膠程度的控制決定了桑皮纖維的可紡性能。

目前，傳統的脫膠方法有微生物脫膠法和化學脫膠法。桑皮微生物脫膠法是利用微生物產生的酶快速降解桑皮膠質成分，此方法受環境影響大，耗費時間長，生產效率低，質量難以保證，不利于產業化[1]。化學脫膠法是利用酸、堿、氧化物對桑皮中的膠質和纖維素的作用性質不同，通過煮練水洗等化學、物理機械手段使膠質與纖維分離，一般采用二煮法，有脫膠過度的弊端。本文結合桑皮的性能指標，采用超聲波-生物酶-化學聯合的脫膠方法對桑皮進行脫膠，探索一種高效、綠色、低碳的桑皮纖維脫膠工藝[1-5]。

2 實驗

2.1 原料

1～2年桑樹皮(產自江蘇鹽城)。

2.2 試劑

堿性果膠酶(青島康地恩生物科技有限公司，KDN-T04過氧化氫酶)、氫氧化鈉(AR)、濃硫酸、多聚磷酸鈉、水玻璃。

2.3 儀器

TXD-2024R超聲波清洗機(深圳市同欣達超聲波設備有限公司，1 200 W，28 kHZ)、Y802八籃烘箱、pH計、電子分析天平(1 mg)。

2.4 脫膠工藝

2.4.1 傳統二煮法脫膠工藝

桑皮除雜→水浸→錘洗→預處理→ 一煮→水洗→二煮→酸漂洗→水洗→皂洗→水洗→烘干→后整理[2]

2.4.2 超聲波-生物酶-化學聯合脫膠工藝

桑皮自然、機械處理→浸酸預處理→中和→酶處理→水洗→堿煮→打纖→酸洗→水洗→脫水→抖松→干燥

其中：

浸酸預處理：硫酸溶液1.5 g/L，溫度 50～60 ℃，浴比 1∶(15～20)，處理時間 1 h；

中和：氫氧化鈉溶液 2.5 g/L，常溫常壓，處理時間 0.5 h；

酶處理：堿性果膠酶(液態濃縮型，主要包括原果膠酶，裂解酶和果膠水解酶)，配制2%～5%的堿性果膠酶溶液，溫度 55 ℃，常壓 ，pH=9.0，浴比 1∶20，處理時間 3 h；

堿煮：氫氧化鈉溶液10～12 g/L，在每1 000 mL氫氧化鈉溶液中分別加入(30～50)g三聚磷酸鈉與(30～80)g 水玻璃，配制成堿煮液，溫度 100 ℃，常壓，浴比1∶ (15～20)，處理時間 3 h；

水洗：濾除堿液，用蒸餾水反復浸泡搓洗2～5次。

烘干：Y802八籃烘箱，溫度 (105±3)℃，常壓，處理時間1 h。

3 工藝分析

3.1 超聲波脫膠作用

超聲波-生物酶-化學聯合脫膠工藝中的預處理、酶處理、水洗、堿煮、酸洗等過程均在TXD-2024R超聲波清洗機中進行。其作用機理為：當超聲波作用于液體溶液時，液體介質要作壓縮與稀疏的周期振動，從而引起液體內部各點受到壓力或拉伸力作用，拉伸力的作用會將大量液體撕裂，并形成大量微小氣泡，即空化泡。當這些巨量空化泡破裂時，能放出巨大的能量，可以產生高達幾百個大氣壓的局部瞬間壓力，從而形成沖擊波，對浸在液體內部的固體物質表面形成強大的沖擊與破壞。這就是高強度超聲波特有的“空化效應”。當超聲波頻率達到一定程度時，還可以使大分子解聚。利用超聲波的空化效應作用于桑皮的宏觀與微觀結構，能大大提高桑皮纖維的脫膠效率，并極大地減少化學試劑的濃度、用量及作用時間，從而達到節能、環保、高效的目的[6]。

3.2 桑皮自然、機械處理

經日曬處理后的桑皮纖維，膠質干化，其與纖維的黏著力已經大大降低，經過機械捶打，可以極大地減小膠質與纖維的結合程度，便于酶及化學試劑的吸附與滲透。部分膠質已脫離纖維，可直接去除。同時可以除去大部分的蠟質及部分外皮，大大減小脫膠壓力。

3.3 試樣浸酸預處理及堿中和

煮練前的浸酸預處理，采用硫酸可去除一部分果膠和雜質，減輕以后的煮練負擔，提高煮練效率。由于酸在高溫條件下會使纖維素發生水解，所以溫度不能太高(一般不高于60 ℃)，同時高濃度的酸會引起纖維水解，因此酸濃度也不宜過高。浸酸預處理后，纖維上殘留的酸必須用堿中和，為堿性果膠酶的處理提供一個可靠的堿性環境。

3.4 堿性果膠酶處理

堿性果膠酶能有效分解去除果膠質及其它共生物雜質，是一種比較理想的生物精練和煮練酶，脫膠效率高，可減少堿、酸(中和)和水(清洗)的用量；不損傷纖維，不影響纖維強力，低能耗、低水耗，降低廢水中TDS、COD、BOD指數，減少環境污染，減輕污水處理壓力，降低污水治理費用；同時，作業環境安全，對環境、操作人員及設備均無害。

3.5 堿煮

高溫堿煮的作用主要是去除木質素，在此過程中木質素大分子發生分解，變成能溶于水的小分子物質。另外，酸處理過程中沒有被溶解的果膠在堿煮過程中也一并去除。由于纖維素在一般情況下對堿穩定，但在強堿高溫條件下也會發生水解。堿的濃度對纖維的各項性能也有較大的影響，濃度過大，纖維脫膠較好，但對纖維損傷嚴重；濃度過小，脫膠不干凈，梳理困難，難以成紗。所以，煮練過程對堿溫度、濃度要嚴格控制。在煮練液中同時加入多聚磷酸鈉、水玻璃等助劑，三聚磷酸鈉是一種煮練助劑，可增強煮練時的去污效果；硅酸鈉具有較強的吸附性能，可以吸附雜質，避免分解后的雜質二次污染纖維；同時也有較強的絡合能力，能軟化硬水，可與煮練液中的多價金屬離子(鈣、鎂、鐵等)生成較穩定的絡合物，從而加速煮練過程，并能穩定和提高脫膠質量，脫膠后的纖維具有強度高、短纖少、分離好、制成率高等優點[2]。

3.6 水洗及烘干

堿煮后的桑皮纖維，需用蒸餾水洗至中性或弱堿性，濾除多余水分，自然晾干2～3天，然后用烘箱烘干。在烘干過程中，每隔20 min翻動一次。烘干時，溫度不宜過高，時間不宜過長，以免損傷纖維。

4 工藝比較

大量試驗數據表明化學脫膠法(二煮法)存在脫膠過度的弊端，破壞了桑皮纖維的結構，短絨較多，使纖維表面粗糙，可紡性差、制成率低，且工藝流程長、操作相對復雜，同時對環境也會造成嚴重污染，不符合現代紡織工業清潔化、低碳生產的理念，因此也限制了其產業化[2]。

本文所述的超聲波-生物酶-化學聯合脫膠工藝能很好地解決現有脫膠工藝的不足，工藝流程短，處理時間短，作用條件溫和，所用試劑如生物酶綠色環保，減少對環境的污染。所得桑皮纖維的性能指標也有所改善(見表1)。可見，此脫膠方法達到節能、環保、高效的目的。

表1 不同方法所得桑皮纖維的性能對比

5 結語

桑皮纖維的開發，屬于新型天然紡織材料研發領域的一次新的突破。采用高效、低污染的方法對桑皮進行開發利用符合當今“低碳、環保、節能”的大形勢，必將會有巨大的開發前景。

[1]龐宗文.桑皮微生物脫膠機理的初步研究[J].絲綢，2008(8)：34-36.

[2]叢銳利，董衛國.桑皮纖維的化學提取方法及性能測試[J].山東紡織科技，2007(4):23-25.

[3]董震，丁志榮.桑皮纖維的脫膠工藝研究[J].上海紡織科技，2008(11)：20-22.

[4]張之亮．桑皮纖維脫膠工藝和結構性能研究[D].上海：東華大學,2005:45-75．

[5]荊學謙，楊佩鵬，武海良.桑皮纖維脫膠工藝初探[J].中國麻業，2006,28(4)：182-186.

[6]楊英賢.超聲波在羅布麻脫膠預處理中的應用[J].紡織導報，2005(5)：74-76.