苧麻纖維制備研究進(jìn)展

呂澤瑞黎征帆江惠林孫澤宇

（1.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢，430073；2.生物質(zhì)纖維與生態(tài)染整湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430073）

苧麻纖維具有抗菌、吸濕排汗等優(yōu)良性能，是重要的紡織原料。開(kāi)發(fā)好苧麻資源對(duì)于提高農(nóng)民收入和發(fā)展紡織原料都有重要意義。苧麻在紡紗之前，需要從苧麻植物中提取出苧麻纖維。脫膠是苧麻纖維提取的關(guān)鍵步驟，脫膠質(zhì)量的好壞直接影響苧麻纖維性能。本文總結(jié)近幾年的脫膠技術(shù)進(jìn)展，探討脫膠技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 苧麻纖維制備的歷史、現(xiàn)狀和問(wèn)題

苧麻脫膠歷史悠久，我國(guó)古代苧麻布的制作由種麻、浸麻、剝麻、漂洗、績(jī)麻、成線、絞團(tuán)、梳麻、上漿、紡織等12道工序組成［1］。其中浸麻工序又叫漚麻，就是將苧麻浸漬在水中進(jìn)行天然微生物脫膠，這種方法漚麻時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，容易受到天氣狀況的影響，已經(jīng)不能適應(yīng)高效率大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)要求。20世紀(jì)40年代，酆云鶴博士發(fā)明了“先酸后堿，兩煮一漂”的傳統(tǒng)化學(xué)脫膠法［2］，從而實(shí)現(xiàn)了苧麻脫膠的工業(yè)化生產(chǎn)，脫膠品質(zhì)均勻穩(wěn)定，該方法一直沿用至今。

傳統(tǒng)化學(xué)脫膠采用強(qiáng)酸強(qiáng)堿進(jìn)行脫膠，化學(xué)試劑使用多，能耗污染大，脫膠后還需要進(jìn)行拷麻、水洗、漂白、酸洗、給油等步驟，流程長(zhǎng)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，已經(jīng)不符合當(dāng)前節(jié)能減排和自動(dòng)化生產(chǎn)的趨勢(shì)。苧麻初加工中存在的脫膠污染大、生產(chǎn)流程長(zhǎng)的現(xiàn)狀已經(jīng)成為制約苧麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題［3］。

2 苧麻纖維制備技術(shù)研究進(jìn)展

近年來(lái)研究者對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)脫膠進(jìn)行工藝改良，進(jìn)一步研究了生物脫膠和生物化學(xué)聯(lián)合脫膠技術(shù)，開(kāi)發(fā)了物理化學(xué)聯(lián)合脫膠技術(shù)和新型脫膠后處理技術(shù)。

2.1 化學(xué)脫膠

研究人員致力于對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)脫膠工藝進(jìn)行改進(jìn)，以減少化學(xué)試劑用量和污染，其中氧化脫膠技術(shù)的開(kāi)發(fā)是代表性研究成果。

氧化脫膠主要原理是采用氧化劑降解膠質(zhì)，而且氧化劑有漂白效果，分解產(chǎn)物污染小。楊濤等初步探索了過(guò)氧化氫在苧麻脫膠中的應(yīng)用［4］，研究得到的最優(yōu)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)一步脫膠。相對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)脫膠，該工藝節(jié)約脫膠時(shí)間一半以上，脫膠后精干麻制成率和白度明顯提高，脫膠廢液COD值、pH值及色度降低，缺點(diǎn)是脫膠后纖維號(hào)數(shù)和斷裂強(qiáng)度比傳統(tǒng)化學(xué)脫膠法制備的纖維略差。這是因?yàn)檠趸撃z過(guò)程中，過(guò)氧化氫將纖維素氧化，導(dǎo)致纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率降低［5-6］。

研究者在氧化脫膠中添加穩(wěn)定劑和纖維素保護(hù)劑來(lái)改善精干麻纖維性能。氧化脫膠中有效 的 纖 維 素 保 護(hù) 劑 有 蒽 醌［7］和1，8-二 羥 基 蒽醌［8］，當(dāng)保護(hù)劑的用量為2%時(shí)，脫膠后苧麻精干麻纖維質(zhì)量最佳，脫膠廢水的COD值降低。劉鳳明等在氧化脫膠過(guò)程中加入F107穩(wěn)定劑取得良好的脫膠效果［9］。MENG Chaoran等用氫氧化鎂作為緩釋堿源來(lái)調(diào)整和緩沖脫膠溶液中的pH值［10］，以此脫膠得到精干麻纖維的斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂強(qiáng)度提高，廢水COD值下降。她還研究發(fā)現(xiàn)氧化脫膠過(guò)程中溶液中過(guò)量的金屬離子對(duì)纖維性能有不利影響［11］，通過(guò)采用Tempo氧化球狀細(xì)菌纖維素去除金屬離子，提高了苧麻纖維的斷裂強(qiáng)度。ZHOU J J等開(kāi)發(fā)了Fenton氧化脫膠技術(shù)［12-13］，實(shí)質(zhì)上是弱酸性條件下采用亞鐵離子催化過(guò)氧化氫，氧化苧麻進(jìn)行脫膠，研究表明Fenton氧化脫膠后精干麻纖維各項(xiàng)性能均優(yōu)于堿性氧化脫膠，線密度、斷裂強(qiáng)度和殘膠率稍差于傳統(tǒng)化學(xué)脫膠，脫膠廢液污染比傳統(tǒng)化學(xué)脫膠和堿性氧化脫膠小。

除了過(guò)氧化氫之外，其他氧化劑的氧化脫膠也有研究。劉國(guó)亮研究發(fā)現(xiàn)過(guò)碳酸鈉對(duì)于苧麻木質(zhì)素的去除有促進(jìn)作用［14］。MENG Chaoran等研究了Tempo選擇性氧化苧麻脫膠技術(shù)［15］，與堿性過(guò)氧化氫脫膠相比，Tempo選擇性氧化脫膠后纖維的力學(xué)性能較好，脫膠時(shí)間縮短55 min，廢水COD值降低28%。

氧化脫膠技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)化學(xué)脫膠工藝而言確實(shí)可以大大減少脫膠時(shí)間，提高纖維制成率，這說(shuō)明脫膠過(guò)程中可以使用環(huán)保氧化劑來(lái)代替部分氫氧化鈉達(dá)到脫膠效果，從而降低氫氧化鈉用量，減少污染。

LI Z L等將摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)引入苧麻脫膠［16］，即利用摩擦發(fā)電效應(yīng)，收集周?chē)h(huán)境的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，用來(lái)產(chǎn)生自驅(qū)動(dòng)的電場(chǎng)，促進(jìn)苧麻纖維脫膠和脫膠廢水的電化學(xué)降解。在電壓為10 V、電流為3.5 mA的條件下，自驅(qū)動(dòng)清潔系統(tǒng)可以在120 min內(nèi)降解廢水中90%以上的污染物。由于具備脫膠效率高、污水處理效率高、處理成本低、工藝簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為苧麻脫膠和廢水處理提供了高效環(huán)保的新選擇。

2.2 生物脫膠

生物脫膠是將苧麻浸漬于菌液中進(jìn)行脫膠，或者用能降解膠質(zhì)的酶制劑處理苧麻［17］。生物脫膠環(huán)境友好，可以降低化學(xué)試劑用量和減少污染［18］。生物脫膠包括酶脫膠法和微生物脫膠法兩種。

2.2.1 酶脫膠

酶脫膠就是使用酶液浸漬苧麻來(lái)脫膠。苧麻脫膠目前需果膠酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶等多種酶協(xié)同作用［19］。蘇靜研究發(fā)現(xiàn)，采用果膠酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶3種酶聯(lián)合脫膠去除的膠質(zhì)高于3種酶分別單獨(dú)處理脫去的膠質(zhì)總和［20］。酶處理過(guò)程中加入Ca2+可以提高脫膠效果［21］，成莉鳳等將苧麻浸漬在果膠復(fù)合酶液里45℃下采用鈣離子催化脫膠4 h，酶脫膠后苧麻纖維殘膠率為2.52%［22］。ZHOU C等從堿性地衣芽孢桿菌菌株中提取出堿性果膠酶基因［23］，然后將該基因在大腸桿菌中表達(dá)生產(chǎn)果膠酶，苧麻經(jīng)果膠酶脫膠后重量損失了21.5%。酶脫膠優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保無(wú)污染，工藝簡(jiǎn)單，可以直接使用現(xiàn)有設(shè)備，但是酶制劑成本偏高，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還需要繼續(xù)研究降低酶脫膠的成本和縮短脫膠時(shí)間。

2.2.2微生物脫膠

微生物脫膠是將微生物施加在苧麻上，微生物以苧麻的膠質(zhì)為營(yíng)養(yǎng)源繁殖，分泌酶將膠質(zhì)分解成低分子物質(zhì)而溶于水中。獲得優(yōu)良的脫膠菌株是微生物脫膠技術(shù)的重要步驟［24］。FAN P等使用芽孢桿菌HG-28進(jìn)行工業(yè)規(guī)模微生物脫膠［25-26］，脫膠后苧麻纖維均達(dá)到苧麻精干麻一等品的要求。LIU Zhengchu等用歐文氏桿菌變異菌株CXJZU-120進(jìn)行工業(yè)規(guī)模脫膠［27］，發(fā)現(xiàn)脫膠6 h以后膠質(zhì)去除超過(guò)90%，污染降低80%。

通過(guò)菌株配伍研發(fā)出脫膠能力徹底且脫膠效率高的復(fù)合菌劑是近年來(lái)微生物脫膠的一個(gè)研究趨勢(shì)。張非研究表明，復(fù)合菌脫膠有利于提高脫膠效果［28］。杜兆芳等采用芽孢桿菌B2和曲霉M2菌株對(duì)苧麻進(jìn)行混合菌脫膠后，苧麻質(zhì)量損失率可達(dá)31.9%，纖維線密度和斷裂強(qiáng)度的指標(biāo)均符合苧麻二級(jí)精干麻標(biāo)準(zhǔn)［29］。王茜的研究表明，復(fù)合菌脫膠過(guò)程中有些菌也有可能阻礙整個(gè)菌群脫膠效果［30］。

目前微生物脫膠研究取得很大進(jìn)展，但脫膠時(shí)間仍然長(zhǎng)于化學(xué)脫膠，培養(yǎng)菌種復(fù)雜，需要專用發(fā)酵設(shè)備，環(huán)境條件要求高，這些制約了菌脫膠的工業(yè)化發(fā)展。

2.3 生物化學(xué)聯(lián)合脫膠

生物化學(xué)聯(lián)合脫膠法先用生物制劑（細(xì)菌或酶）處理苧麻，然后用較低的堿濃度去除殘余膠質(zhì)［31］。生物化學(xué)聯(lián)合脫膠法又可分為酶化學(xué)聯(lián)合脫膠和微生物化學(xué)聯(lián)合脫膠。

酶化學(xué)聯(lián)合脫膠采用酶處理苧麻纖維，再用化學(xué)試劑進(jìn)一步處理，以達(dá)到完全脫膠的目的，從而提高苧麻纖維性能和減少污染。ZHOU C等采用果膠酶-化學(xué)聯(lián)合處理后纖維質(zhì)量損失率為29.3%，相比只用酶處理質(zhì)量損失率明顯增加。余秀艷等的研究表明，復(fù)合酶SCOURZYME3O1-氫氧化鈉聯(lián)合脫膠處理制備的精干麻纖維要比傳統(tǒng)化學(xué)脫膠后的纖維柔軟［32］。李恩德直接將帶殼苧麻不經(jīng)過(guò)刮青直接采用生物酶脫膠制備苧麻精干麻，該技術(shù)解決了刮青需要手工操作、勞動(dòng)生產(chǎn)率低的問(wèn)題，為苧麻初加工的優(yōu)化提出新的思路［33］。

微生物化學(xué)聯(lián)合脫膠則用微生物分泌脫膠酶降解膠質(zhì)，后續(xù)工藝使用較低濃度堿煮便可將殘膠除去。胡延素采用混合菌進(jìn)行微生物化學(xué)聯(lián)合脫膠，纖維殘膠率僅有2.04%，脫膠后的纖維性能比化學(xué)脫膠和酶脫膠的性能好，氫氧化鈉用量為原麻的6%［34］。王成國(guó)等將苧麻鮮麻采用細(xì)菌和化學(xué)聯(lián)合脫膠后制備得到的精干麻性能和傳統(tǒng)化學(xué)脫膠性能一樣［35］，而氫氧化鈉用量減少到原來(lái)的一半，廢水的COD值和色度均明顯降低。

苧麻生物化學(xué)聯(lián)合脫膠綜合生物脫膠和化學(xué)脫膠的優(yōu)點(diǎn)，減少用堿量綠色環(huán)保，脫膠質(zhì)量更好，但仍然需要進(jìn)一步降低化學(xué)試劑用量和節(jié)約時(shí)間。

2.4 物理化學(xué)聯(lián)合脫膠

物理化學(xué)聯(lián)合脫膠是采用物理方法與化學(xué)方法聯(lián)合作用進(jìn)行脫膠。目前研究的物理脫膠方法有軟麻開(kāi)纖和蒸汽閃爆。張勇等研究表明，物理脫膠后苧麻膠質(zhì)去除了75%～86%，再通過(guò)溫和化學(xué)精練后，精干麻纖維殘膠率低于2%，斷裂強(qiáng)度大于4.8 cN/dtex［36］。該技術(shù)比傳統(tǒng)化學(xué)脫膠減少化學(xué)試劑用量43%、用水46%、用煤52%、用工35%以上。JIANG Wei等將苧麻用蒸汽閃爆處理后用過(guò)碳酸鈉進(jìn)行脫膠［37］，脫膠后苧麻精干麻斷裂強(qiáng)度為5.4 cN/dtex，細(xì)度細(xì)于6.25 dtex（1 600公支）。該工藝化學(xué)試劑用量只有傳統(tǒng)化學(xué)脫膠的50%，廢水COD值只有傳統(tǒng)脫膠的35%。物理化學(xué)聯(lián)合脫膠相對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)脫膠而言，化學(xué)試劑和污染減少，但是需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行大幅改造，并需要探索其工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用效果。

2.5 脫膠后處理

苧麻脫膠后處理的優(yōu)化比較有代表性的是帶狀精干麻制備技術(shù)的研究。帶狀精干麻生產(chǎn)技術(shù)采用一條連續(xù)后處理生產(chǎn)線，將苧麻纖維束保持原有的纖維排列狀態(tài)情況下進(jìn)行拷麻、牽伸、水洗和給油，制備出來(lái)的精干麻平行順直，可以直接經(jīng)過(guò)并條后進(jìn)入后紡加工［38］。蘇工兵等設(shè)計(jì)了ZMFQSL-1型苧麻開(kāi)纖水理連續(xù)化設(shè)備［39］，該設(shè)備生產(chǎn)效率大于120 kg/h，生產(chǎn)的苧麻纖維殘膠率低于2.0%，并絲率低于0.2%，束纖維斷裂強(qiáng)度4.3 cN/dtex。苧麻生物脫膠和水理連續(xù)化生產(chǎn)工藝已有實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排和省工環(huán)保的目標(biāo)，并通過(guò)了常德市科技局的科技成果鑒定［40］。帶狀精干麻制備技術(shù)大大縮短了紡紗工序，節(jié)約用工用水。

3 分析與展望

傳統(tǒng)化學(xué)脫膠對(duì)自然環(huán)境有較大破壞，隨著我國(guó)對(duì)紡織企業(yè)污染排放法規(guī)的逐漸完善，研發(fā)新型環(huán)保且高質(zhì)量的脫膠方法是必然的趨勢(shì)。總結(jié)近年來(lái)的脫膠技術(shù)研究進(jìn)展，首先，氧化脫膠技術(shù)、物理脫膠技術(shù)特別是工業(yè)規(guī)模的純生物脫膠技術(shù)的最新研究成果，為苧麻工業(yè)化生產(chǎn)最終實(shí)現(xiàn)低污染乃至無(wú)污染的脫膠帶來(lái)了曙光，今后可以進(jìn)一步綜合各種脫膠技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，選用高效脫膠菌或者菌群，輔以物理脫膠或者氧化脫膠，進(jìn)一步穩(wěn)定工業(yè)規(guī)模的脫膠效果，節(jié)約脫膠時(shí)間。其次，帶狀精干麻技術(shù)和帶殼苧麻脫膠技術(shù)的提出為脫膠技術(shù)的研究提供新的思路，目前脫膠技術(shù)研究大部分都是在關(guān)注原麻脫膠，而實(shí)際上脫膠前道工序（剝皮、刮青）和脫膠后處理均存在勞動(dòng)生產(chǎn)率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，而新技術(shù)的提出為苧麻初加工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)了希望。未來(lái)可以將剝皮、刮青、脫膠以及脫膠后處理工序統(tǒng)籌考慮，最終實(shí)現(xiàn)苧麻初加工的清潔、自動(dòng)化和連續(xù)化生產(chǎn)。