紫外-微波輔助堿處理新型黃麻脫膠工藝研究

張浩軍，胡 嵐，徐旭峰，嚴玉蓉

(1 華南理工大學材料學院，廣東 廣州 510641;2 重慶市纖維檢驗局,重慶 401121)

紫外-微波輔助堿處理新型黃麻脫膠工藝研究

張浩軍1，胡 嵐2，徐旭峰1，嚴玉蓉1

(1 華南理工大學材料學院，廣東 廣州 510641;2 重慶市纖維檢驗局,重慶 401121)

廢麻脫膠工藝研究是非石油基石油資源的綜合開發利用的一個重要的方法。采用紫外-微波輔助堿處理脫膠工藝對黃麻原麻進行脫膠處理，結果表明：通過優化脫膠工藝，使得黃麻纖維最佳殘膠率為4.9%時，所需紫外處理2 h，微波處理10 min，堿液質量濃度為10 g/L，相對于常規堿處理時間減少了45.8%，堿液用量減少37.5%。環境掃描電鏡分析結果顯示，紫外光導致黃麻原麻纖維表面結構發生微細破裂，更利于堿液進入纖維內部，促使木質素和半纖維素等的溶解和脫出。

紫外；微波；黃麻；脫膠

黃麻作為天然纖維素纖維的一種， 屬于人類比較早期開發和利用， 歷史悠久的麻類品種。由于其產量大， 價格低， 力學性能優良， 以及種植容易， 對土壤破壞性小， 使黃麻的應用備受關注[1]。近年來， 隨著人們對于3R(recycle, reuse, reduce)和可持續發展認識的進一步深入， 非石油基的天然纖維資源由于其可生物降解性和廢棄物的綜合利用優勢， 麻類纖維再一次成為了高性能功能復合材料、 汽車填料、 隔音材料、 裝飾、 復合材料以及裝飾材料的重要原材料[2]。

天然麻纖維的脫膠處理是麻纖維應用不可缺少的重要步驟， 高效環保脫膠工藝的開發一直是該領域的重要研究方向。微波以其特殊的“內加熱”方式在纖維脫膠領域越來越受青睞[3-5]， 它可以大大縮短常規化學處理時間和處理劑的用量， 但是其脫膠效果尚受到原麻表面結構致密木質素的影響[6]。紫外老化是材料老化中最為常見的一種方式[6]， 但是將紫外老化應用于黃麻脫膠工藝則鮮有報道。本文嘗試利用紫外-微波處理技術輔助傳統的堿煮脫膠工藝， 探求進一步縮短黃麻脫膠處理時間和堿處理化學試劑的用量， 達到環保高效黃麻脫膠處理的目的。

1 試驗

1.1原材料

天然黃麻產自廣東湛江吳江， 收割后未經任何處理。氫氧化鈉(分析純)由廣州化學試劑廠生產。處理助劑A 和去離子水由實驗室自制。

1.2黃麻處理工藝流程

黃麻脫膠處理工藝如圖1所示。

圖1 紫外-微波輔助堿處理黃麻脫膠工藝

紫外、 微波強化堿處理工序各工藝條件如表1所示。其中紫外處理采用實驗室自制紫外光輻照裝置HX UV—1， 紫外功率300 W， 波長365 nm。微波處理采用家用微波爐(WP700TL23-6， 格蘭仕公司)進行處理， 所有樣品采用百分之一電子天平(DJ-500J， 亞太電子天平)進行稱重。

表1 紫外-微波強化堿處理工序工藝條件

1.3測試及表征

1.3.1 黃麻殘膠率測定

依照GB 5889-86苧麻化學成分定量分析方法測定。

1.3.2 黃麻纖維表面形態分析

采用荷蘭FEI公司的Quanta 200環境掃描電子電鏡對紫外輻照前后和脫膠后黃麻麻片進行形貌表征，測試前對待測試樣品進行表面噴金處理。

2 結果與討論

2．1紫外處理時間對黃麻脫膠效果的影響

根據前期研究所得最佳微波輔助堿處理工藝[6]， 固定NaOH質量濃度為15 g/L， 微波功率700 W， 微波處理15 min， 系統研究紫外處理時間對黃麻纖維殘膠率的影響， 結果如圖2所示。

圖2 紫外處理對黃麻纖維殘膠率的影響

從圖2可以看出， 黃麻殘膠率隨紫外處理時間的增加變化并不明顯。究其原因， 紫外作用于黃麻， 是為了讓紫外線光子的轟擊能夠深入膠質基體內部， 從而產生更多的活性基團、 游離鍵和分子空洞， 損傷和破壞纖維表面的膠質基體結構， 使其不穩定性增強， 表面裂紋增加， 甚至會有部分膠質脫落， 對后續脫膠處理起到積極的作用[7]，如圖3所示。

圖3 UV-輻照的脫膠機理示意圖[8]

2．2堿液質量濃度對脫膠效果的影響

按照紫外、 微波強化堿處理黃麻脫膠工藝路線圖和表1的工藝條件， 采用紫外處理2 h， 微波功率700 W， 采用不同氫氧化鈉質量濃度對黃麻麻片進行處理， 黃麻纖維殘膠率變化情況見圖4。

圖4 氫氧化鈉質量濃度對黃麻纖維殘膠率的影響 (紫外處理2 h， 輻照距離20 cm， 輻照強度300 W， 輻照環境溫度80 ℃)

從圖4可以看出， 隨著堿液質量濃度的增加， 黃麻纖維的殘膠率開始下降， 當氫氧化鈉質量濃度為10 g/L時， 黃麻纖維殘膠率與無紫外處理時的相仿， 均在4%～6%的區間范圍。這時可初步證明紫外處理對黃麻纖維脫膠工藝產生了作用， 堿液質量濃度從15 g/L下降至10 g/L， 脫膠效果基本保持一致。

2．3微波處理時間對脫膠效果的影響

改變微波處理時間對黃麻麻片進行處理， 黃麻纖維殘膠率變化情況如圖5所示。

從圖5可以看出， 微波處理時間從15 min減少至10 min， 殘膠率保持在4%～6%之間， 證明了紫外處理對黃麻纖維脫膠有效， 能一定程度上減少微波處理時間5 min。隨著微波處理時間的繼續縮短， 脫膠難度越來越大， 微波處理時間為8 min時， 殘膠率已上升至7.81%，至6 min， 已無法去除黃麻片表面膠質。

2．4紫外-微波輔助堿處理后黃麻纖維微觀形態分析

用SEM環境掃描電子電鏡對紫外處理前后

的黃麻麻片進行形貌表征， 結果如圖6所示。

圖5 微波處理時間對黃麻纖維殘膠率的影響 (輻照距離20 cm， NaOH質量濃度15 g/L， 輻照強度300 W， 輻照環境溫度80 ℃)

圖6 紫外處理前后及脫膠后黃麻麻片表面結構

由圖6可見， 由于紫外的輻照， 導致黃麻纖維表面結構發生破裂， 膠質的分散程度趨于明顯化， 膠質的分散有利于其在堿處理時更好的溶于溶液中。同時， 這種粗化的結構有利于堿液更容易進入纖維的內部， 實現在較低的堿液濃度下達到相同的脫膠效果。從圖6(c)可以看出， 脫膠后的黃麻纖維并沒有多余的膠質附著在上面， 說明在脫膠工藝過程中被破壞了的膠質經過有效的處理， 可以避免其重新吸附在纖維上。

3 結語

(1)紫外-微波輔助堿處理黃麻脫膠最佳工藝條件為： 紫外處理2 h， 微波處理10 min， 堿質量濃度10 g/L， 可獲得最佳殘膠率4.9%。相對于常規堿處理時間減少了45.8%， 堿液用量減少37.5%。

(2)SEM結果顯示， 由于紫外的輻照， 導致纖維表面結構發生破裂， 膠質的分散程度趨于明顯化， 有利于在堿處理時膠質迅速溶于溶液中， 從而獲得更加好的脫膠效果。脫膠后的黃麻纖維表面光滑， 不帶有明顯的殘留膠質， 說明紫外、 微波輔助黃麻脫膠效果明顯。

[1] 劉東升.精細化黃麻纖維的紡紗技術研究[D]. 上海: 東華大學, 2008.

[2] Yu J. Y. XIA Z. P. Study on the Tensile Properties of Jute/Cotton Blended Yarns Using Weibull Distribution[J]. 86th Textile Institute World Conference, 2008(3): 1819-1824.

[3] Farid Chemat Jacqueline Smadja MARIE E.LUCCHESI.Solvent-free microwave extraction of essential oil from aromatic herbs: comparison with conventional hydro- distillation[J]. Chromatogra, 2004(1043): 323-327.

[4] 陶進轉. 微波輔助加熱及高溫高壓脫膠對劍麻纖維結構的影響[J]. 中國麻業科學, 2012(1): 19-21.

[5] 鄒小兵, 陶進轉, 喻彥林, 等. 微波水蒸氣法提取八角茴香揮發油[J].食品研究與開發,2010, 31(10): 238-240.

[6] 解昊. 聚丙烯無紡布的光老化與降解[D]. 廣州: 華南理工大學,2013.

[7] 張城云. 漢麻纖維UV—冷凍—驟熱—微波堿煮脫膠工藝研究[D]. 太原: 太原理工大學, 2012.

STUDYONDEGUMMINGPROCESSOFJUTEBYUV-MICROWAVEACCELERATEDALKALIZATION

ZHANG Hao-jun1，HU Lan2，XU Xu-feng1，YAN Yu-rong1

(1College of Material Science and Engineering South China University of Technology, Guangzhou 510641,China2 Chongqing Bureau of Fiber Inspection,Chongqing 401121,China)

Degumming processing is one of the most important steps in multi-application of non-petrol based sources like natural fibers . In this study, Ultraviolet light and microwave were used before traditional alkalization treatment, and an accelerated degumming process was used studied. Results showed that under the optimal conditions of UV exposure for 2h, microwave heating for 10min, and the NaOH concentration of 15g/L, the residual gum content of juts can reach to 4.9%. Compared to traditional alkali treatment, this method can reduce the treatment time by 45.8% and dosage of alkali by 37.5% . Based on SEM results, we found tht UV exposure step before alkali treatment on jute led to the surface fracture of jute original fiber , which favorited the alkali enter into the inner part of jut fibers and improve the chemical degradation of lignin and hemicellulose.

ultraviolet; microwave; jute; degumming process

2013-05-03

張浩軍(1986-),男，廣州人，碩士研究生，研究方向：高分子材料合成與制備。

科研與實踐

1672-500X(2013)02-0001-04

TQ 123.1

A

10.3969/j.issn.1672-500x.2013.02.001