濕法紡絲用玉米秸稈皮纖維漿粕的制備與研究

張小葉，何 斌，武世鋒，汪澤幸，華澤芳

(湖南工程學院 紡織服裝學院，湖南 湘潭411104)

中國作為秸稈大國之一，擁有十分豐厚的農作物秸稈資源，但很多秸稈資源并沒有得到充分的利用，被隨意焚燒的現象會時常發生，對空氣也造成了污染，與這些年來十分重視的環保意識相悖[1]。由于黏膠纖維工業發展速度迅猛，木漿粕和棉漿粕的供給已經遠不能滿足黏膠纖維發展用料的需要。玉米秸稈漿粕的出現，給木漿粕和棉漿粕產量減輕了壓力，使我國漿粕短缺局面得到了一定改善，也豐富了纖維素纖維和化學纖維的種類。

1 漿粕的發展現狀

我國的化纖漿粕主要從棉花、木材、甘蔗、芒草、蘆葦等天然纖維中制取，化纖漿粕的用處很多，主要用于生產黏膠短絲、黏膠長絲、玻璃紙、過濾紙等。

我國的漿粕生產設備比較落后，生產過程粗糙，生產能力較低，生產環節過多，并且對環境造成一定的污染，環保壓力很大。國外的漿粕生產技術由傳統的設備、工藝過渡為向連續式生產(連續蒸煮、連續漂白、連續打漿等)，以及連續氧堿法蒸漂等新工藝，生產技術開始向高得漿率、高白度、高強度、低污染、低消耗、低塵埃的方向發展[2]。

2 傳統漿粕制備方法

漿粕的制備方法主要有化學法、機械法和半化學法等。

2.1 化學法

化學法是指運用化學試劑把植物纖維原料中的木質素、半纖維素、油脂和樹脂等物質都破壞掉，而使纖維原材料里盡量多留下纖維素和少量的半纖維素的方法。一般工業生產中主要是使用硫酸鹽法和亞硫酸鹽法這2種化學制漿法。

2.2 機械法

機械法主要通過機械作用，把纖維原料變成漿粕。這種制漿方法的優點是生產成本非常低，不需要使用化學試劑，并且制漿率很高;缺點是生產過程中內部纖維受到較多的摩擦撕裂，制備出的漿粕物理強度比其他的低一點，漿粕不易漂白，容易變黃和變脆。

2.3 半化學法制漿

把化學制漿法和機械制漿法結合起來的一種制漿方法稱為半化學法制漿。一般把原材料經過化學藥品處理之后，再經過機械作用來制取漿粕。這種制漿方法不僅節約原料，而且得漿率較高。

3 玉米秸稈皮纖維漿粕制備

3.1 試驗材料

玉米秸稈外皮(本校紡織實驗室提供)、氫氧化鈉(天津市永大化學試劑有限公司)、九水合硫化鈉(西隴化工股份有限公司)、次氯酸鈉溶液(天津市富宇精細化工有限公司)、過氧化氫溶液(西隴科學股份有限公司)、蒸餾水(紡織實驗室)等。

3.2 試驗設備

恒溫水浴鍋、電熱套、通風式快速八籃恒溫烘箱、電子天平、多規格的燒杯、剪刀、鑷子、過濾袋、溫度計等。

3.3 工藝流程

3.3.1 原材料處理

把玉米秸稈的外皮剪成長度大約為5 c m，見圖1(a)。

3.3.2 原材料的預水解

準確稱取原材料10 g，放入規格500 ml的燒杯中。往燒杯中加入蒸餾水，固液比為1∶20，把燒杯放到電熱套上加熱。前20 min溫度調到100℃，之后溫度調到80℃保持100 min，見圖1(b)。

3.3.3 堿煮過程

按試驗方案的要求配制一定濃度的Na OH溶液和濃度為5%的Na2S溶液，固液比為1∶20，然后倒入已經水解完的原材料中。之后把燒杯放入水浴鍋內加熱，按照試驗方案規定的時間和溫度蒸煮，見圖1(c)。

3.3.4 洗滌

把堿煮之后的原材料倒入過濾袋中，再用蒸餾水沖洗原材料。沖洗的過程中，盡量多擠壓過濾袋，反復沖洗幾次。

3.3.5 收集原材料

把沖洗完的原材料從過濾袋中全部拿出來，放入燒杯中收集起來。

3.3.6 原材料的漂白

(1)把配制好的濃度為4%的次氯酸鈉溶液倒入裝有原材料的燒杯中，用玻璃棒攪拌幾分鐘后，放置45 min。再把原材料倒入已經沖洗干凈的過濾袋中，反復沖洗幾次后，放入干凈的燒杯中。

(2)把裝有經過初次漂白原材料的燒杯放入恒溫水浴鍋內，溫度保持在70℃左右。往燒杯里加入配制好的Na OH溶液，濃度為5%，蒸煮60 min。最后把原材料倒入已經沖洗干凈的過濾袋中，反復沖洗幾次后，放入干凈的燒杯中。

(3)把配制好的濃度為5%的H2O2溶液倒入燒杯中，用玻璃棒攪拌幾分鐘后，放置60 min。再把原材料倒入已經沖洗干凈的過濾袋中，反復沖洗幾次后，放入干凈的燒杯中，見圖1(d)。

3.3.7 烘干

把漂白之后的原材料放入烘箱里烘干。烘箱溫度調為100℃，當溫度上升到100℃之后，再把原材料放進去烘干0.5 h。

3.4 單因素試驗

3.4.1 堿煮溫度

濃度為20%的Na OH溶液150 ml、濃度為5%的Na2S溶液50 ml、蒸煮時間為90 min，蒸煮溫度分別為60、80、100、120℃，見圖2，然后對各組進行測試。

圖2 堿煮溫度的變化

圖3 堿煮時間的變化

由圖2可以知道，隨著堿煮溫度的升高，得漿率也在緩慢上升，當蒸煮溫度達到80℃時，得漿率開始快速增加;當蒸煮溫度為100℃時，得漿率達到最大值;當蒸煮溫度超過100℃之后，得漿率開始下降。因此，可以確定蒸煮溫度的三水平為：90、100、110℃。

3.4.2 蒸煮時間

濃度為20%的Na OH溶液150 ml、濃度為5%的Na2S溶液50 ml、蒸煮溫度為100℃，蒸煮時間分別為30、90、150、210 min，見圖3，然后對各組進行測試。

由圖3可以知道，隨著堿煮時間的增長，得漿率迅速上升，當蒸煮時間為90 min時，得漿率達到最大值，當蒸煮時間超過90 min時，得漿率開始緩慢下降;到150 min時，得漿率開始迅速下降。因此，可以確定蒸煮時間的三水平為60、90、120 min。

3.4.3 用堿量

濃度為5%的Na2S溶液50 ml、蒸煮時間為1.5 h、蒸煮溫度為100℃，用堿量分別為10%、15%、20%、25%，見圖4，然后對各組進行測試。

由圖4可以知道，隨著Na OH用量的增多，得漿率開始上升，當Na OH用量為20%時，得漿率達到最大值;當用堿量超過20%后，得漿率開始下降。因此，可以確定用堿量的三水平為：17%、20%、23%。

圖4 用堿量的變化

3.4.4 堿煮工藝參數的正交試驗

在進行堿煮試驗制備漿粕時，堿煮的溫度、時間和堿煮時氫氧化鈉的用量是影響成品漿粕的主要因素。因此，設計了3因素3水平的正交實驗，通過試驗來對這3個重要因素進行優化，選出最佳的工藝參數(見表1)。

通過試驗，測得得漿率，由表2可以知道，第7組試驗組的得漿率最高，為39.9%;第8組試驗組的得漿率最低，為30.2%。由極差來分析R值可以看出，這3個因素對成漿質量的影響大小依次為用堿量>堿煮溫度>堿煮時間。比較各組K值的大小，得出各因素最佳工藝參數：堿煮溫度為K2，堿煮時間為K1，用堿量為K3，即堿煮溫度為100℃，蒸煮時間為60 min，Na OH用量為23%。

表1 正交試驗因素水平設計

表2 正交試驗結果

4 玉米秸稈皮纖維漿粕成品性能測試

4.1 甲纖含量的測量

在工業生產中，纖維素一般分為α-纖維素、β-纖維素、γ-纖維素這3種。β-纖維素與γ-纖維素被統稱為半纖維素。木質素和半纖維素的含量對漿粕成品的好壞有一些影響，所以需要檢測玉米秸稈皮纖維漿粕中甲種纖維的含量[3]。

4.1.1 測試方法

(1)稱取0.5 g試樣，放入燒杯中，往燒杯里倒入15 ml已經配制好的濃度為17.5%的Na OH溶液，放置1～2 min，再使用玻璃棒進行攪拌。往燒杯中倒入15 ml濃度為17.5%的Na OH溶液，使用玻璃棒攪拌后放置40 min;之后往燒杯里加入30 ml蒸餾水，再倒入放在真空吸濾瓶上的砂芯漏斗中，使用真空泵抽干。

(2)把25 ml濃度為9.5%的Na OH倒入漏斗中，倒入的過程中關掉真空泵，倒完之后用玻璃棒攪拌一下;把剩下的濃度為9.5%的Na OH溶液倒入漏斗中，邊抽邊用玻璃棒攪拌，最后用蒸餾水沖洗，直到纖維溶液p H值不大于7時結束洗滌(可以用酚酞檢測)。

(3)把過濾后的砂芯漏斗放入恒溫烘箱內烘干，再放到電子天平上稱重。

4.1.2 甲種纖維含量的計算

式中：G0—— 試樣重量(g);

G1——恒重的砂芯漏斗重量(g);

G2——過濾后恒重的砂芯漏斗和試樣重量(g)。

在堿煮溫度為100℃，堿煮時間為60 min和用堿量為23%的最佳工藝參數下，漿粕里的甲種纖維的含量為92.1%。

4.2 灰分的測定

灰分是鍛燒后的殘留物也可以是烘干后的剩余物。灰分是植物纖維原料中的鉀、鈣等無機鹽類，漿粕中的無機含量會對纖維的可紡性產生一定的影響，所以，需要檢測所得漿粕的灰分含量。

4.2.1 測試方法

(1)在電子天平上稱取1.8 g的試樣，放入磁坩堝里，把坩堝蓋半蓋在上面，然后放在電磁爐上加熱，使試樣慢慢炭化。

(2)等試樣無黑色的煙產生時，把磁坩堝轉移到馬弗爐中，加熱溫度調為650℃，保溫時間為2 h，見圖5。

(3)到規定時間后，用坩堝鉗將試樣拿出坩堝，放在旁邊冷卻10 min，再去稱重。

圖5 漿粕的炭化與灰化

4.2.2 灰分的計算及分析

式中：G0—— 試樣的重量(g);

G1——恒重的空坩堝重量(g);

G2——冷卻之后的磁坩堝和試樣的重量(g)。

在堿煮溫度100℃、堿煮時間60 min和用堿量為23%的最佳工藝參數下，漿粕的灰分為1.68%。

4.3 白度的測量

白度(whiteness)是表示物質表面白色的程度，表示方法一般以白色含有量的百分率表示。用成品漿粕所紡出的纖維，它的漂白性好壞與成品漿粕的白度有很大的關系。所以，需要檢測所得漿粕的白度。

將機器打開預熱，把1#，2#濾光插件均插入二檔，R457和UV的燈會亮起，之后把黑筒放到試樣座上，進行調零;把黑筒取下放上工作板，按下白標準再輸入工作板的標準值;取下工作板，放上漿粕試樣，按下測量鍵。

在堿煮溫度為100℃、堿煮時間為60 min和用堿量為23%的最佳工藝參數下，漿粕的白度為101.37。

5 結論

以玉米秸稈的外皮作為原料，通過對硫酸鹽法制備漿粕的工藝過程進行一定的改進和優化，最終得出了一個最優的工藝過程。通過檢測成品漿粕的甲種纖維的含量、白度、灰分這3個性能指標來評價漿粕質量的好壞，得到結論：

(1)通過單因素試驗對玉米秸稈皮進行蒸煮，隨著堿煮溫度的升高，得漿率也在緩慢上升。當蒸煮溫度為100℃時，得漿率達到最大值;隨著堿煮時間的增長，得漿率迅速上升;當蒸煮時間為90 min時，得漿率達到最大值;隨著Na OH用量的增多，得漿率開始上升;當Na OH用量為20%時，得漿率達到最大值。

(2)通過正交試驗確定了硫酸鹽法制備漿粕在蒸煮這一部分的最佳工藝條件，即蒸煮時間60 min、蒸煮溫度100℃、Na OH的用量為23%。

(3)在最佳工藝條件下制備的漿粕，它的甲種纖維的含量為92.1%，白度為101.37，灰分為1.68%。

在黏膠纖維的行業中，生產黏膠長絲、短絲、多用膜和多功能纖維(遠紅外纖維、納米纖維、中空纖維)等都可以用玉米秸稈的外皮漿粕來生產，還可用于生產綠色纖維。隨著國家倡導“高效、節能和環保”的工業發展模式，制備再生纖維素纖維所用的漿粕生產過程也正向著降耗節能、環境保護、提高資源利用率的方向發展。