幾種常見韌皮纖維脫膠工藝研究現狀

楊 旭

（江西服裝學院，江西 南昌 330201）

我國擁有較為廣闊的韌皮作物種植面積，據統計2014年僅棉花的實際種植面積就高達到422萬hm2，韌皮纖維資源來源豐富。目前我國對韌皮纖維的利用還較低，利用的種類也大多集中在幾種麻類作物上，且主要是對韌皮纖維的初級加工，韌皮纖維的很多種類還沒有完全進入服飾纖維的行列，而其他大多韌皮纖維的利用主要是作為焚燒材料，比如棉稈，給環境造成污染的同時也造成了巨大的資源浪費。如何提高韌皮纖維的利用率已經成為當今世界的一個熱點話題。韌皮纖維利用的難度主要在于脫膠，本文通過闡述韌皮纖維的生物脫膠、化學脫膠、蒸汽閃爆法脫膠等工藝的研究現狀并通過對各種工藝制得的韌皮纖維性能的表征對比介紹，為實際生產中高效、清潔的對韌皮纖維進行脫膠及新型韌皮纖維的開發利用提供一定的參考依據。

1 韌皮纖維成分

韌皮作物的皮層包括表皮層與韌皮部，表皮層主要由一層破壁細胞組成，外附有少量的蠟質和角質層，其中纖維素含量較低，利用價值較小，而韌皮部的韌皮纖維纖維素含量豐富，是韌皮纖維開發利用的主要來源。表1列舉了幾種常見韌皮纖維的成分含量［1］，從表1可以明顯看出，韌皮纖維中纖維素含量均較高，即使含量較低的棉稈韌皮纖維中纖維素含量也達到了23.65%，具有很高的開發利用價值，達到了服用纖維開發利用的行列范疇。

2 脫膠工藝

2.1 生物脫膠

生物脫膠工藝范疇包括微生物浸漬和生物酶作用法。生物浸漬進行脫膠由來已久，古時就有通過將麻類作物放置在河水中，在自然狀態下經過生物浸漬處理對麻類作物進行脫膠。該方法的主要作用機理是通過在生物浸漬過程中，微生物通過產生生物酶對麻類作物的膠質及半纖維素進行降解，因此生物浸漬的機理就是利用生物酶的降解作用，因此該法對酶處理的環境要求較高。東華大學的鄭來久、劉劍宇［2］通過以下工藝：漚麻廢水或土壤→稀釋法分離培養→初篩→出發菌→脫膠試驗→分析檢測→目的菌，分離出了活性較高、脫膠能力較強、適合規模化生產的脫膠菌DQ1，并從物質代謝與能量代謝的角度分析研究DQ1脫膠菌脫膠的最佳條件為溫度35～37℃，pH值4～10，浴比1：20。

脫膠菌對韌皮纖維的膠質及半纖維等成分的作用主要是通過菌類產生的酶進行降解。酶在作用韌皮作物的同時會對菌類生活環境產生反作用，進而影響脫膠效率。廣西大學的龐宗文等［3］通過分析測試脫膠菌數量、脫膠液成分變化及脫膠酶的活性，研究微生物對桑皮韌皮的脫膠能力。研究表明微生物的脫膠前期，脫膠菌的數量增加較快，隨著時間增加脫膠菌的數量增加速率降低，后期有下降趨勢。而各種脫膠酶（包括木聚糖酶、果膠酶等，除纖維素酶）的活性在60h之前呈現上升趨勢，60h后呈現下降趨勢，而纖維素酶在整個實驗過程中均呈現上升趨勢，并保持較高的活性。研究成果表明韌皮纖維的微生物脫膠過程中主要發生在脫膠前期。

蘭州理工大學蔣少軍等［4］利用纖維素果膠酶對大麻韌皮進行脫膠實驗，通過正交實驗優化實驗方案，分析果膠酶脫膠后韌皮纖維各組分含量的變化，提出了纖維素果膠酶對大麻韌皮最優的脫膠工藝為溫度50℃、pH值4.5、纖維素果膠酶濃度5g／L、酶處理時間2 h。中原工學院的朱正鋒、李飛等人［5］利用301L復合生物酶對棉稈韌皮進行脫膠實驗，提出了復合酶對棉稈韌皮最優的脫膠工藝為溫度50℃，pH值4.0，酶濃度5g／L，處理時間為96h，并通過酶脫膠處理→稀堿處理→弱酸處理的工藝流程，制得細度3.35～3.65 tex、長度為84.5mm的工藝纖維，使得棉稈韌皮纖維酶脫膠的產業化更往前一步，但也看到所制得的工藝纖維依然很粗，有待于進一步處理，這也說明復合酶的種類及活性高低對脫膠效果的高低有很大影響。

表1 韌皮纖維的成分含量單位：%

大連工業大學張曉岑，魏春艷等［6］利用半纖維素酶與果膠酶復配的方法在溫度54℃，酶濃度1.98%，脫膠時間15h的條件下，制得了主體長度為70～130 mm，細度3.46tex，斷裂強度為50.8cN／tex的棉稈韌皮纖維，該項工藝所制得的棉稈韌皮纖維已經達到了紡織纖維加工的要求，使得除麻類之外的韌皮纖維的研究更進一步，也為新韌皮纖維的脫膠工藝開辟了一條新的實驗道路。

2.2 化學脫膠

目前，化學脫膠是最直接最有效的對韌皮纖維的脫膠方法，主要是利用強酸強堿對韌皮纖維進行處理，在強酸強堿作用下使得韌皮纖維的果膠、木質素等進行分解。該脫膠方法雖然具有較好的脫膠效果，但會在脫膠過程中產生大量的廢水，造成環境污染。中原工學院朱正鋒、董新蕾等［7］采用棉稈皮→預處理→水洗→一煮→水洗→堿氧浴→打纖→水洗→酸洗→水洗→烘干脫膠工藝，利用正交實驗提出了在H2O2濃度9.5g／L，NaOH 濃度13.5g／L，煮煉時間110min條件下制得細度1.86tex、斷裂強度22.39cN／tex的棉稈韌皮纖維，并將棉稈韌皮纖維中的木質素含量降到7.47%，使得在較低化學試劑使用量的條件下，盡可能提高脫膠效果，不僅降低了成本，也保護了環境。

盛冠忠、李龍等［8］通過采用化學脫膠的方法制得工藝纖維細度為2.7～3.44tex，長度為5～35cm，斷裂強力達到了24.91cN／tex，斷裂伸長率為7.53%，僅次于麻類纖維，同時還通過掃描電鏡觀察所制得的棉稈韌皮纖維表面，發現纖維表面有明顯的溝槽，也驗證了棉稈韌皮纖維具有較好的表面摩擦性能及吸濕、導汗性能。他們還利用X衍射儀，利用peakfit軟件對棉稈韌皮纖維X衍射所測數據繪制成的曲線進行分峰，計算得棉稈韌皮纖維結晶度高達51.16%，僅次于棉的59.58%，同時101、101-、002結晶面的晶粒尺寸分別為3.059nm、3.365nm、3.296nm，可知棉稈韌皮纖維的晶粒尺寸較小，染色較為容易，且色譜齊全，屬于較為理想的服飾纖維。

大連輕工業學院牛書野、姜鳳琴等人［9］，通過工藝流程：漢麻原莖→扎把→堿液煮（90℃）→水洗→晾曬→皮稈分離→打成麻／二粗。高壓堿煮，配合脫膠助劑的使用測試對漢麻的脫膠效果。研究表明，在脫膠助劑為5.25g／L、NaOH 為14.05g／L工藝條件下制得的漢麻纖維纖維素含量較高，木質素與果膠殘留量較低，制得的纖維整齊度較好，達到了紡紗的要求。

2.3 蒸汽閃爆法脫膠

蒸汽閃爆法脫膠是利用水蒸汽在高溫高壓條件下所產生的巨大能量，對韌皮纖維進行處理。通過所產生的能量對木質素與果膠間分子作用力的破壞，達到脫膠的目的。目前蒸汽閃爆法在功能性材料、制漿等較多領域得到了應用。

蒸汽閃爆法脫膠不會對環境生產任何污染物，屬于清潔的脫膠工藝，隨著高壓設備的不斷改進，越來越先進的高壓設備被應用到韌皮纖維的脫膠研究中。江南理工大學孫芳芳等［10］通過在不同蒸汽壓力下測試所制得的棉稈韌皮纖維分子結構、力學性能、吸濕、熱性能等特性，選擇最適宜棉稈韌皮纖維脫膠所需要的蒸汽壓力。研究表明，蒸汽閃爆法脫膠并沒有改變棉稈韌皮纖維纖維素Ⅰ的晶型結構，棉稈韌皮纖維中的纖維素含量隨著蒸汽壓力的增大呈現上升趨勢，當蒸汽壓力超過2.5MPa時，纖維素的含量趨于穩定。經過優化各道脫膠工藝得出，在蒸汽壓力2.5MPa，處理時間2min時所制得的棉稈韌皮纖維的纖維素含量較高，達到了72%，結晶指數68，同時纖維的細度45dtex、長度48mm，拉伸斷裂強度2.4cN／dtex，具有較高的服用性能指標。

孫芳芳等利用蒸汽閃爆法與堿處理相結合的方法，得出聯合處理的最優脫膠工藝。在蒸汽壓力2.0 MPa，NaOH濃度6g／L、處理時間為2min的條件下，制得棉稈韌皮纖維的細度29dtex，長度53mm，斷裂強度2.6cN／dtex，進一步改善了棉稈韌皮纖維的性能。

青島大學袁本振等［11］利用Borda數學模糊決策方法對蒸汽閃爆粗蓮纖維的脫膠預處理條件、蒸汽壓力、處理次數進行測試，并利用制得的纖維的力學性能、分子結構、微觀形貌圖片，驗證所得的最優脫膠工藝。結論為用5%的NaOH溶液預處理24h后，溫度為90℃，處理時間160 s，蒸汽壓力1.5MPa。通過實驗得出，當蒸汽處理次數超過3次時，纖維的力學性能下降，因此對粗蓮纖維制取的蒸汽次數以3次最優，為開發新型的韌皮纖維提供了很好的實驗依據及經驗積累。

3 結語

韌皮纖維主要由纖維素、半纖維素、木質素、果膠、水溶物等成分組成，本文列舉的幾種韌皮纖維中的纖維素含量較高，均有較高的開發利用價值。通過對常見的幾種韌皮纖維的成分含量及脫膠工藝的最優化選擇，并通過對制得的韌皮纖維性能的表征對比分析，為實際生產中如何最大可能的提高脫膠效率，減少環境污染，提高韌皮纖維的脫膠率、減少資源浪費提供一定的參考依據。

［1］ 盛冠忠，張奇鵬.韌皮纖維的開發利用現狀［J］.棉紡織技術，2014，42（12）：78-81.

［2］ 鄭來久，劉劍宇.黃紅麻微生物脫膠影響因素及機理研究［J］.東華大學學報，2004，30（3）：66-69.

［3］ 龐宗文，梁靜娟，丁紹敏，等.苧麻微生物脫膠技術工藝的研究［J］.廣西紡織科技，2006，35（1）：2-4.

［4］ 蔣少軍，李志忠，張新璞.大麻纖維生物酶脫膠工藝分析［J］.紡織科技進展，2007，36（2）：73-74.

［5］ 朱正鋒，李 飛，楊德麗，等.果膠酶用于棉稈韌皮工藝纖維生物脫膠研究［J］.中原工學院學報，2009，20（6）：58-61.

［6］ 張曉岑，魏春艷，王璐璐.棉稈皮的復配生物酶脫膠工藝初探［J］.上海紡織科技，2011，39（12）：16-18.

［7］ 朱正鋒，董新蕾.均勻設計在棉稈皮纖維化學脫膠中的應用［J］.中原工學院學報，2008，19（3）：41-43.

［8］ 李 龍，盛冠忠.X射線衍射法分析棉稈皮纖維結晶結構［J］.纖維素科學與技術，2009，17（4）：37-40.

［9］ 牛書野，姜鳳琴，季英超.堿量和脫膠助劑與漢麻原莖脫膠質量關系的研究［J］.毛紡科技，2007，（7）：52-54.

［10］Hou Xiuliang，Sun Fangfang，Zhang Li，etal.Chemicalfree extraction of cotton stalk bark fibers by steam flash explosion［J］.Bioresources，2014，9（4）：6 950-6 967.

［11］Bexizhen Yuan，Guangting Han，Ying Pan，etal.The effect of steam explosion treatment on the separation of lotus fiber［J］.Advanced Materials Research，2013，750-752.