微波加熱黃蜀葵纖維堿煮脫膠工藝研究

包肖婧，劉津瑋，張 彥，李德樸

(青島大學，山東 青島 266071)

黃蜀葵纖維屬于韌皮類纖維,類似麻類纖維，因此可以按照麻類纖維的工藝進行制取韌皮纖維。其制取的重要工序是將黃蜀葵原麻中的膠質和木質素有效去除，以獲得較理想的韌皮纖維。目前，韌皮類纖維主要的脫膠工藝是化學堿煮脫膠工藝，加熱方式是水浴鍋加熱，加熱時間一般較長，而且會影響黃蜀葵纖維的強力和品質。因此開發新型、高效的黃蜀葵脫膠工藝成為了一種趨勢[1]，同時對促進麻類原料生產和保證麻類產業的持續健康發展具有重要意義。

微波是一種波長在0.1～100 cm的電磁波，它的頻率在0.03～300 GHz范圍之間。目前，微波技術已經在植物纖維的預處理中有所應用，主要集中于植物纖維發酵生產物質能源以及紙漿的生產領域[2]。在麻業生產與加工中，微波輻照法逐漸成為研究的熱點，其中，青島大學楊英賢[3]曾將微波技術應用于羅布麻脫膠的預處理環節，輔助超聲波脫膠技術取得了較好效果。韓國軍等人也將微波技術應用到大麻脫膠中，同樣取得了良好效果，但將微波輻照法應用于黃蜀葵纖維的脫膠工藝中則鮮有報道。本研究嘗試將微波輻照技術用于黃蜀葵纖維的制取中，尋找一種較為適合的黃蜀葵纖維快速脫膠工藝，以彌補化學脫膠工藝中的不足。

1 實驗

1.1 原材料

黃蜀葵韌皮，取中部秸稈為原料。

1.2 試驗儀器

APEX微波化學工作室，電子天平，Y801A八籃恒溫烘箱，電子萬能爐。

1.3 實驗試劑

硫酸，氫氧化鈉，雙氧水，雙氧水穩定劑，二氧化鋇。

1.4 測試方法

依照GB 5889—1986苧麻化學成分定量分析方法測定化學成分及殘膠率。

1.5 脫膠工藝流程

黃蜀葵韌皮→預酸處理→水洗→堿煮→水洗→烘干。

1.6 微波預酸處理工藝條件

硫酸濃度1 mL/L，溫度50℃，處理時間 16 min，浴比 1∶20。

1.7 微波堿煮黃蜀葵纖維工藝條件

氫氧化鈉濃度10～14 g/L,雙氧水濃度10～14 g/L，溫度80～100℃,堿煮時間10～60 min,浴比 1∶20。

2 結果與討論

2.1 化學成分分析

黃蜀葵韌皮化學組分測定結果見表1，并與苧麻、亞麻、大麻和羅布麻[4-8]進行了對比。

由表1可知，黃蜀葵所含的纖維素少于其它麻類，半纖維素和水溶物含量均高于其它麻類，果膠和脂臘質含量與其它麻類相比差別不大，木質素含量高于其它麻類。由于木質素是芳香族高分子化合物，其結構單元為苯環上有3個碳原子側鍵的芳香族物質，并且具有三維空間結構，因此化學性質非常穩定，很難溶解于堿液中，這影響了膠質的充分去除。常規的麻類脫膠方法都不能有效解決膠質含量高的困難，尤其是木質素的去除[5]。通常以損傷纖維素強力為代價，用濃堿或高溫高壓蒸煮的方法來降低木質素含量，但效果一般[6]，并且嚴重制約了黃蜀葵優質產品的開發。

表1 常見麻類化學成分組成分析

2.2 堿煮工藝

2.2.1NaOH濃度對脫膠效果的影響

按照1.5和1.6的工藝流程和工藝條件，微波功率設定為600 W,浴比為1∶20，處理時間45 min，采用不同用量的NaOH對黃蜀葵纖維處理后，測得黃蜀葵纖維的殘膠率變化見圖1。

圖1 NaOH濃度對殘膠率的影響

由圖1可以看出：在實驗所規定的范圍內，隨著NaOH濃度的升高，殘膠率逐漸降低，說明加堿明顯改善微波輻照的脫膠效果，當NaOH含量達到10 g/L時，殘膠率達到最低0.57%，但是隨著NaOH濃度增加，殘膠率有上升趨勢。隨著NaOH濃度增大，纖維素的潤脹度加大，纖維素大分子結構不均一，苷鍵對化學藥品具有不同的穩定性，對化學鍵造成一定程度的破壞，纖維素強度下降[7]，說明堿濃度過高會影響纖維的脫膠，同時也降低了纖維的強度，浪費了原料，減少了黃蜀葵纖維的紡織用價值。因此，根據殘膠率指標確定纖維脫膠的情況，確定NaOH濃度為10 g/L。

2.2.2時間對脫膠效果的影響

按照1.5和1.6的工藝流程和工藝條件，微波功率為600 W,浴比為1∶20，NaOH濃度為10 g/L ,采用不同的處理時間后，測得黃蜀葵纖維殘膠率的變化結果如圖2所示。

圖2 微波輻照時間對殘膠率的影響

由圖2可以看出，隨著時間的延長，纖維的殘膠率總體呈逐漸下降趨勢，整個過程分為四個階段。

(1)起始段。殘膠率的變化曲線下降呈陡變狀態，按照水相體系中纖維素纖維的界面動電化學擴散雙電位理論可得出，纖維與水溶液接觸時，表面獲得電荷，并且電荷層結構為雙層結構，一層是緊密地在纖維表面的吸附層，另一層是在第一層的外側。在起始階段，堿液中的化學電位顯然高于原麻纖維體系。由于黃蜀葵纖維的表面帶有負電位，Na+進入纖維表面及空隙，與膠質發生化學反應，形成復合鹽和溶出膠束并擴散進入溶液。開始時，因為溶液的化學位勢壘高于黃蜀葵纖維表面，產生大的親和力使膠質溶出并迅速擴散，從而使殘膠率的曲線下降較快。

(2)平衡期。殘膠率的變化曲線在30～40 min段的變化呈緩慢狀態。這是由于易溶于堿液的成分在起始階段已經基本反應完全，剩下的成分半纖維素中的聚木糖和聚葡萄糖甘露糖成分抗堿性頑固，此外堿液需進入纖維結晶區結構才能發生進一步反應，因此該階段殘膠率變化緩慢，主要是堿液分子逐步滲透到纖維結晶區，為下一步反應做好準備。

(3)形成段。 殘膠率在變化曲線40～50 min段下降呈快速狀態。經過第一平衡階段的滲透作用，隨著時間延長反應體系的溫度進一步升高，堿液分子開始作用于結晶區內的化學成分，發生與起始階段類似的化學反應。隨著堿煮時間延長，當溶液逐漸形成多糖高分子物溶液，其化學位逐漸與原麻纖維體系平衡時，在形成段的末期出現殘膠率趨于穩定平衡狀態。

(4)穩定段。殘膠率在變化曲線50～60 min段下降呈緩慢狀態。此時，黃蜀葵韌皮纖維表面開始形成被覆的多糖高分子物凝膠，阻止了Na+進入黃蜀葵纖維的內部。但由于煮練液的熱力學運動，仍有少部分Na+在高勢壘的勢能作用下克服障礙進入到黃蜀葵纖維體系里，繼續與負電位鍵結合發生化學反應，繼續使殘余膠質生成可溶性鹽，并在煮練液界面動電化學作用下溶出[9]。

綜上所述，控制黃蜀葵纖維堿煮時間十分關鍵，本實驗條件下控制在30～50 min較為合適。

2.2.3微波輻照溫度對脫膠效果的影響

按照1.5和1.6脫膠工藝流程和微波輻照黃蜀葵纖維的堿煮工藝條件，時間為45 min,NaOH濃度為10 g/L，浴比1∶20，采用不同微波輻照溫度處理后，測得黃蜀葵纖維的殘膠率變化結果如圖3。

圖3 微波輻照溫度對殘膠率影響

由圖3可以看出，隨著溫度的升高，煮液中極性分子的運動加快，黃蜀葵纖維內的大分子運動也加快，從而加快了脫膠反應速率，同樣時間內黃蜀葵纖維的殘膠率隨溫度升高而逐漸降低，但考慮到溫度太高會使纖維中的纖維素分解，從而影響纖維的強力，控制溫度在適當范圍內是必要的。當在95～100℃時殘膠率達到一個平衡值0.30%左右，同時強力也適合紡織用，因此在實驗所考查范圍內，黃蜀葵纖維的微波處理溫度定在95℃較為理想。

2.2.4黃蜀葵纖維基本形態

圖4和圖5分別為黃蜀葵韌皮和經脫膠后制得的黃蜀葵纖維。

由圖4和圖5可以看出，黃蜀葵韌皮由微波輻照法經上述工藝制得的黃蜀葵纖維，色澤良好，粗細均勻，可適用于紡織行業。

圖4 黃蜀葵韌皮

圖5 黃蜀葵纖維

3 結語

3.1微波輻照法黃蜀葵纖維脫膠工藝大大縮短了黃蜀葵的脫膠時間。由傳統的化學堿煮脫膠所需的90～240 min縮短到了50 min左右。

3.2微波處理時間、堿液濃度、處理溫度是影響微波強化處理黃蜀葵脫膠效果的3個重要因素。在本實驗條件下，當微波處理時間在50 min左右、堿液濃度在10 g/L左右、處理溫度在95℃左右時的脫膠效果較為理想。堿液濃度為10 g/L、處理時間為50 min、處理溫度在95℃時獲得最佳的殘膠率為0.36%。

3.3經上述工藝制得的黃蜀葵纖維適用于紡織行業。

參考文獻：

[1] 王淑芹.黃蜀葵的開發利用[J].中國土特產, 1995,(3):14.

[2] 熊和平.我國麻類產業現狀與對策[J].中國麻業科學，2009，31(2)：113—117.

[3] 王玲芳，成功，覃將偉，等.微波技術在麻業生產加工中的應用[J].廣西紡織科技，2009，38(5)：32—33.

[4] 楊英賢，姜宜寬，張書策.羅布麻微波-超聲波脫膠工藝的研究[J].毛紡科技，2009，(9)：27—30.

[5] 王德驥.苧麻纖維化學與工藝學脫膠與改性[M].北京：科學出版社，2001.

[6] 張毅，郁崇文.云南亞麻化學脫膠工藝研究[J].紡織科技進展，2009，(3)：68—70.

[7] 溫桂清，孫小寅，郝鳳鳴.大麻生物酶-化學聯合脫膠工藝研究[J].北京紡織，2001,22(6)：19.

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[9] 徐旭峰，陳鵬，陳創鑫，等.微波強化堿處理黃麻快速脫膠工藝研究[J].上海紡織科技，2010，38(12)：28.