棉秸稈提取天然纖維素纖維的工藝及其纖維形態結構

李 龍，趙領航

(1.西安工程大學 紡織與材料學院，陜西 西安 710048;2.陜西省紡織科學研究所，陜西 西安 710038)

棉秸稈作為種植棉花的副產品，其表面韌皮中含有優良的韌皮纖維素纖維，以及木質素、半纖維素等物質［1-2］。中國是世界上重要的棉花種植國，棉稈資源非常豐富。國家統計局發布的《2010年國民經濟和社會發展統計公報》顯示，2010年我國棉花種植面積 485 萬 hm2，棉花總產量達 597 萬 t［3］，這為我國棉稈皮纖維開發利用提供了重要的基礎。目前，利用農作物廢棄物棉秸稈提取天然纖維素纖維的關鍵技術是棉稈皮脫膠方法。裴華強等［4］采用化學脫膠的方法制取了棉稈皮纖維，并通過正交試驗確定了最佳工藝參數。陳建勇等［5］采用閃爆和化學處理相結合的方法對棉稈皮纖維進行脫膠處理。馮新星等［6］采用高溫高壓與閃爆聯合法提取的棉稈皮纖維潔白柔軟，木質素得到充分去除。季延等［7］利用生化聯合脫膠工藝提取了棉稈皮纖維，并通過試驗探討影響生物酶脫膠和化學脫膠的主要影響因素。李龍等［8］利用酸處理棉稈皮，然后利用NaOH-H2O2處理，提取棉稈皮纖維。趙領航等［9］分析了不同段棉稈皮的化學成分，認為在同一脫膠工藝條件下，所得到的棉稈皮纖維的性能存在明顯差異。本文主要探討各段棉秸稈脫膠的工藝參數及其纖維形態結構。

1 試驗部分

1.1 棉稈分段

根據文獻［9］，棉秸稈分為3段進行脫膠處理：第1段為根部(地表以下部分)棉稈，第2段為中部(地表以上25cm長度段)棉秸稈，第3段為梢部(地表以上大于25cm長度段)棉秸稈。

1.2 脫膠工藝方法

采用一煮法脫膠，工藝流程如下：棉稈分段→水洗→堿煮→滾壓→水洗→皮稈分離→壓纖→水洗→軟化處理→加油劑→烘干→棉稈皮纖維。

棉稈分段后，用自來水沖洗，去除表面的泥土雜質。堿煮是提取棉稈皮纖維的主要工序。滾壓是將堿處理過的棉桿用羅拉機械滾壓5遍，使棉稈皮纖維與棉稈芯部脫離，并將得到的棉稈皮取出，用水清洗。壓纖是用羅拉機械擠壓棉稈皮纖維5遍，以進一步去除黏附在纖維上的殘膠，之后對擠壓的棉稈皮纖維用自來水沖洗，去除附著在棉稈皮纖維表面的膠質。軟化處理是將棉稈皮纖維放入軟化劑中，在溫度為80℃的條件下浸泡40 min，軟化劑由凡士林、吐溫、司班、平平加O復配而成。加油劑是對軟化處理的棉稈皮纖維噴灑和毛油水，油水比為1∶4，和毛油水噴灑量為纖維質量的1.2%。烘干是將軟化劑處理過的棉稈皮纖維在烘箱中烘干，溫度為80℃，時間為2 h。

1.3 纖維性能測試及外觀觀察

纖維線密度測試：按照 GB 5884—1986《苧麻纖維支數試驗方法》，采用中段切斷稱量法。利用Y171A型纖維切斷器切取10 mm長度的棉稈皮纖維，采用量程為10 mg的JN-A型扭力天平稱量，并對纖維根數計數，求出棉稈皮纖維線密度。測試環境條件：溫度為(20±3)℃，相對濕度為(65±3)%。

殘膠率測試：按照GB 5888—1986《苧麻化學成分定量分析方法》測定提取的纖維素纖維的殘膠率。測試在大氣環境條件下進行。

可撓度測試：選取一定量主體部分纖維，將其手扯梳理后采用Y171D型纖維切斷器切成等長(30 mm)纖維束。再用Y321型捻度儀對纖維束進行加捻，直至纖維束斷裂，計數斷裂時的捻回數，并在量程為10 mg的扭力天平上稱量捻斷的纖維束質量，測試在大氣環境條件下進行。根據下式計算纖維的可撓度［10］：

式中：D為纖維可撓度，捻/(m·tex);n為斷裂捻回數，捻;L為纖維夾持長度，mm;G為纖維質量，mg。

纖維拉伸性能測試：參照 GB 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強度試驗方法》，取適量棉稈皮纖維，并用手扯法整理纖維，使其呈一端相對整齊，短纖維在上，長纖維在下的纖維束，去除纖維束中的粗節和雜質，從該纖維束主體長度部分隨機取出200根纖維排列在黑絨板上。然后采用YG004型電子單纖維強力機測試纖維，夾持距離為10 mm，下夾頭下降速度為10 mm/min，測試纖維的拉伸斷裂強度與斷裂伸長率。測試環境條件：溫度為(20±3)℃，相對濕度為(65±3)%。

纖維形態結構觀察：取適量棉稈皮纖維制樣，將纖維剪切后固定在載物臺上，在真空條件下進行噴金，然后采用JSM-6460LV型掃描電鏡觀察提取的棉稈皮纖維素纖維的外觀形態結構。

2 試驗結果與分析

通過相同的正交試驗參數(見表1)，對棉秸稈分段后的3段秸稈分別進行一煮法脫膠，以提取棉稈皮纖維素纖維，測試結果見表2。目前多指標正交試驗結果的分析方法主要有綜合平衡法和綜合評分法，但這2種方法都存在局限性，不能正確反映全面情況，其分析結論不準確。為了全面分析多指標正交試驗結果，在本文中利用了模糊數學的相關方法［11-12］。

表1 脫膠正交試驗設計Tab.1 Orthogonal experiment design of degumming

首先，建立評價指標集 U對評價集V的隸屬函數。通過隸屬函數求得的隸屬值反映本指標在綜合評價中的重要程度。隸屬函數是單調函數，隸屬度fmn在 0 ～1 之間(m=1，2;n=1，2，… ，9)。對于提取的纖維，纖維線密度、纖維殘膠率的值越小越好，纖維的拉伸強度、纖維可撓度值越大越好。因此，纖維各指標的隸屬函數表示如下。

表2 脫膠試驗結果Tab.2 Results of degumming

纖維線密度隸屬函數

纖維拉伸強度隸屬函數

纖維殘膠率隸屬函數

纖維可撓度隸屬函數

由隸屬度值構成模糊關系矩陣

權重分配集A是指標集U的模糊子集，它反映各指標的重要性。本文中模糊子集A確定為A={0.25/Y1，0.25/Y2，0.25/Y3，0.25/Y4}，簡記為A={0.25，0.25，0.25，0.25}。

在評價集上引入模糊子集B，其中B=A?F

設試驗中工藝參數構成的因素為Ci，其論域為Xi，則有 Xi={Cij}，其中 i=1，2，3，4(工藝參數的因素)，j=1，2，3(各因素的水平數)。為了對各水平進行比較，對因素Ci各水平j上Cij的模糊綜合評價值的和進行歸一化處理，以得到(Σ bij)'(0≤(Σ bij)'≤1)，其反映該水平因素影響模糊綜合評價值的程度。(Σ bij)'表示 Ci在 j水平 Cij∈ Xi處的隸屬度，它可以表示為Xi上的模糊子集：

C1、C2、C3、C4依次為 NaOH 濃度、溫度、時間、雙氧水濃度。

考慮到交互作用，由最大隸屬度原則，4個因素最佳組合為Ci中隸屬度最大的水平配置：

根據以上分析方法，得到第1段棉秸稈提取纖維素纖維的模糊關系矩陣R1，由模糊綜合評價值計算公式及權重可得模糊評價值B1。

由各指標綜合評價值和隸屬度值計算方法可得到各指標隸屬度值，結果見表3。

表3 各指標隸屬度值及綜合評價值Tab.3 Membership values and comprehensive evaluation values

第1段棉稈脫膠主要工藝參數構成的模糊子集Ci為

根據最大隸屬度原則，得到各因素的影響程度：C1=0.407 9，C2=0.419 7，C3=0.404 3，C4=0.465 5，故各因素對模糊評價值的影響依次為C4＞C2＞ C1＞ C3，即雙氧水濃度＞溫度＞ NaOH濃度＞時間，則第1段棉稈脫膠時一煮法優化條件為：NaOH 濃度0.875 mol/L，溫度100℃，時間2.5 h，雙氧水濃度0.106 mol/L。

同理，對棉稈皮第2段、第3段脫膠提取的纖維性能指標(見表2)進行分析，得到其提取纖維素的優化條件。第2段棉稈脫膠優化工藝為：NaOH濃度0.75 mol/L，溫度100℃，時間2.0 h，雙氧水濃度0.106 mol/L。第3段棉稈脫膠優化工藝為：NaOH濃度0.75 mol/L，溫度90℃，時間2.5 h，雙氧水濃度0.084 8 mol/L。

各段棉秸稈在最佳工藝處理所提取的棉稈皮天然纖維素纖維的性能見表4。由表可知，第3段棉秸稈提取的纖維素纖維細度細、可撓度大，這可能與提取纖維中的殘膠率低有關系。根據文獻［9］，第3段棉秸稈皮中所含的果膠、半纖維素、木質素相對較少，第1段棉秸稈皮中所含的果膠、半纖維素、木質素較多，因此第3段棉秸稈脫膠提取纖維相對容易。

表4 各段棉秸稈提取的纖維性能Tab.4 Properties of cellulose fibers

不同段棉秸稈在工藝參數下，提取的天然纖維素纖維的形態結構見圖1。不同段棉秸稈提取的纖維素纖維屬工藝纖維，不同段提取的棉稈皮纖維形態基本相同，纖維表面具有類似溝槽的形態，其中第3段棉秸稈提取的纖維表面相對比較光潔。

圖1 不同段棉秸稈提取的纖維外觀形態(×1 000)Fig.1 Morphology of cellulose fibers(×1 000).(a)1st cotton-stalk section;(b)2nd cotton-stalk section;(c)3rd cotton-stalk section

3 結論

通過正交試驗、模糊數學多指標正交試驗評價方法，得到不同段棉秸稈脫膠提取纖維素纖維的工藝參數不同。相比較第1段與第3段棉秸稈脫膠提取纖維的優化工藝可以看到，第1段棉秸稈脫膠優化工藝參數中，所用NaOH與雙氧水的濃度以及脫膠溫度均高于相應的第3段棉秸稈脫膠優化工藝參數，但是第1段棉秸稈脫膠優化工藝參數條件下所提取的纖維殘膠率大、纖維可撓度小，因此，為了合理地開發棉稈皮天然纖維素纖維資源，應當采用分段脫膠提取棉稈皮纖維素纖維;其次要進一步研究第1段棉秸稈(地表以下部分)脫膠工藝，以使其提取的纖維素纖維殘膠率降低、可撓度提高。棉秸稈各段脫膠提取的纖維素纖維均屬工藝纖維，不同段棉秸稈提取的纖維素纖維的外觀結構形態基本相同，纖維表面具有類似溝槽的形態。

［1］李龍，盛冠忠，吳磊.棉稈皮資源利用開發研究［J］.中國麻業科學，2008，33(4)：204-206.LI Long，SHENG Guanzhong，WU Lei.Development and utilization of cotton bast fibers resource［J］.Plant Fiber Sciences in China，2008，33(4)：204-206.

［2］楊長德.棉稈：紙板工業的優質原料［J］.四川造紙，1993(3)：141-147.YANG Changde.Cotton-stalk：good materials for paper making industry［J］.Sichuan Paper-Making，1993(3)：141-147.

［3］中華人民共和國國家統計局.2010年國民經濟和社會發展統計公報［EB/OL］.2011-02-28.http：//www.gov.cn/gzdt/2011-02/28/content_1812697.htm.National Bureau of Statistics of China.Statistic bulletin of national economic and social development［EB/OL］.2011-02-28.http：//www.gov.cn/gzdt/2011-02/28/content_1812697.htm.

［4］裴華強，翟耀華.棉稈皮纖維化學脫膠工藝初探［J］.山東紡織科技，2008(4)：64-65.PEI Huaqiang，ZHAI Yaohua.Preliminary study on chemical degumming of cotton stalk bast fiber［J］.Shandong Textile Science ＆ Technology，2008(4)：64-65.

［5］陳建勇，馮新星，郭玉海，等.一種棉桿皮纖維快速脫膠方法：中國，200710066830.4［P］.2007-08-01.CHEN Jianyong，FENG Xinxing，GUO Yuhai，et al.Quick degumming method for cotton stalk bast fibers：China，200710066830.4［P］.2007-08-01.

［6］馮新星，張玉高，諶文惠，等.一種高溫低堿棉桿皮纖維快速脫膠方法：中國，200910096747.8［P］.2009-08-19.FENG Xinxing，ZHANG Yugao，ZHAN Wenhui，et al.Quick degumming method for cotton stalk bast fibers under high temperature and low alkali content：China：200910096747.8［P］.2009-08-19.

［7］季延，李龍.棉稈皮生化脫膠工藝研究［J］.西安工程大學學報，2009，23(6)：16-18.JI Yan，LI Long.Study on biological-chemical degumming of cotton bast fibers［J］.Journal of Xi'an Polytechnic University，2009，23(6)：16-18.

［8］LI Long，SHENG Guanzhong，ZHANG Shengjing，et al.Prepartion and properties of cotton stalk bark fiber［J］.JournalofMaterials Science and Engineering with Advanced Technology，2011(1)：57-68.

［9］趙領航，李龍，孫超.脫膠工藝對不同段棉稈皮纖維性能的影響［J］.西安工程大學學報，2012(2)：158-160.ZHAO Linghang，LI Long，SUN Chao.The effect of degumming process on cotton stalk bast fiber［J］.Journal of Xi'an Polytechnic University，2012(2)：158-160.

［10］徐蓓蕾.黃麻纖維精細化改性和可紡性能研究［D］.上海：東華大學，2007：38 XU Beilei.Refined modification ofjute fiberand spinning property［D］.Shanghai：Donghua University，2007：38.

［11］金良超.正交設計與多指標分析［M］.北京：中國鐵道出版社，1988：132-145.JIN Liangchao.The Orthogonal Design and Many Index Analysis［M］.Beijing： China Railway Publishing House，1988：132-145.

［12］盛冠忠，李龍，蔣芳.模糊正交法用于棉稈皮纖維提取工藝參數優化［J］.纖維素科學與技術，2009(1)：12-16.SHEN Guanzhong，LI Long，JIANG Fang.Study on the optimization ofcotton-straw base fiber manufacture parameters by fuzz orthogonality［J］.Journal of Cellulose Science and Technology，2009(1)：12-16.