香蕉纖維物理機械性能和化學成分測試分析

周玉慶,李 龍

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安710048)

香蕉纖維物理機械性能和化學成分測試分析

周玉慶,李 龍

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安710048)

香蕉纖維是一種新型纖維素纖維,按照苧麻纖維及紗線測試標準,對香蕉纖維物理機械性能和化學成分含量進行測試。結果表明,香蕉纖維吸濕性好,長度較短,強度大,但是強度不勻率也較大,纖維素含量低于亞麻、黃麻,半纖維素和木質素含量較高。

香蕉纖維;化學成分;性能;脫膠

香蕉是一種在熱帶、亞熱帶生長的園藝作物,屬芭蕉科芭蕉屬單子葉草本物。我國是香蕉的主產國之一,2002年的香蕉種植面積和產量已經分別達到25.5萬km2和535萬t,均居世界第4位,占我國熱帶水果總量的35%。目前世界上的香蕉纖維尚未得到大規模開發利用,全球約有129個國家種植香蕉,香蕉莖皮每年廢棄量巨大。日本對香蕉纖維的研究開發走在了前列,已有公司成功實現香蕉纖維的產業化,印度等具有豐富香蕉資源的東南亞國家也進行了大量研究,我國對香蕉纖維的提取和產品開發正在研發中[1-3]。

香蕉纖維可分別從香蕉樹韌皮及香蕉葉中提取,從香蕉樹韌皮內提取的是香蕉莖纖維,屬韌皮類纖維;而從香蕉樹葉內提取的則是香蕉葉纖維,屬于葉纖維。香蕉纖維化學成分包括纖維素、半纖維素、木質素、果膠、脂蠟質和灰分。其中半纖維素和木質素含量較高,纖維素含量低。由于目前香蕉纖維的應用還不夠廣泛,所以對香蕉纖維化學成分和物理機械性能測試研究是很有必要的[4-6]。

1 實驗部分[7]

1.1 材料

海南香蕉纖維

1.2 測試

1.2.1 含水率和回潮率

用YG747型8籃恒溫烘箱測試香蕉纖維的回潮率。

1.2.2 化學成分

(1)脂臘質含量

將測過含水率的試樣,放入脂蠟提取器內,試樣高度低于溢流口約10～15 mm。燒瓶中加入75 ml苯乙醇(體積比2∶1)溶液,在恒溫下進行提取,控制回流速度為4次/h～6次/h。從提取液開始滴落起計時,提取3 h,取出試樣,在通風櫥內風干。然后放入已知重量的稱量瓶中,在105～110℃下烘至恒重(先后兩次重量差不超過后一次重量的0.02%,下同)。取出迅速放于干燥器中冷卻(30±5)min,分別精確稱取試樣與稱量瓶總重量并記錄。

式中:W1——試樣的脂蠟質含量(%);G0——試樣抽取脂蠟質前(或測含水率后)的干重(g);G1——試樣抽取脂蠟質后的干重(g)。

(2)水溶物含量

將提取脂蠟質后的試樣,放入加有150 ml蒸餾水的三角瓶中,裝好球型冷凝管,沸煮1 h,更換新蒸餾水,重新沸煮2 h,取出試樣,在分樣篩中洗凈。放入已知重量的稱量瓶中,烘至恒重取出,迅速放入干燥器中冷卻,稱重并記錄。

式中:W2——試樣的水溶物含量(%);G2——試樣提取水溶物后的干重(g)。

(3)果膠物質含量

將取出水溶物后的試樣,放入加有150 ml,濃度為5 g/L的草酸銨溶液的三角燒瓶中,裝好球型冷凝管沸煮3 h。取出在分樣篩中洗凈,放入已知重量的稱量瓶中,烘至恒重。再迅速放于干燥器中冷卻,稱重并記錄。

式中:W3——試樣的果膠物質含量(%);G3——試樣提取果膠物質后的干重(g)。

(4)半纖維素含量

將提取果膠物質后的試樣,放入加有150 ml,濃度為20 g/L氫氧化鈉溶液的三角燒瓶中,裝好球型冷凝管,沸煮3.5 h取出,于分樣篩中洗凈,放入已知重量的稱量瓶中,烘至恒重,取出迅速放入干燥器中冷卻,稱重并記錄。

式中:W4——試樣的半纖維素含量(%);G4——試樣提取半纖維素后的干重(g)。

(5)木質素含量

從試樣中,隨機選4～6點,取重約5 g的樣品,提取脂蠟質后風干剪碎(長度不超過1.5 mm),稱取每個重約1 g的試樣,共3個,分別放于已知重量的有塞三角燒瓶中,烘至恒重取出迅速放于干燥器中冷卻、稱重、記錄。而后緩緩加入30 ml濃度為72%的硫酸溶液,放置24 h,然后移至三角燒瓶中,用蒸餾水稀釋至300 ml,裝好球型冷凝管沸煮1 h,稍冷后用已知重量的玻璃砂芯濾器反復抽濾、洗滌,直至濾液中不含硫酸根離子時為止(用10%氯化鈉溶液檢驗)。取下玻璃砂芯濾器烘至恒重,迅速放于干燥器中冷卻,稱重并記錄。

式中:W5——試樣的木質素含量(%);G″——試樣的木質素與玻璃砂芯濾器總干重(g);G'——玻璃砂芯濾器干重(g);G0″——試樣與有塞三角燒瓶總干重(g);G0'——有塞三角燒瓶干重(g)。

(6)纖維素含量

根據以上各成分含量的測定值,計算香蕉纖維纖維素含量:

W6(%)=100-(W1+W2+W3+W4+W5)(6)式中:W6——香蕉纖維纖維素含量(%)。

1.3 生物酶脫膠[8-9]

復配生物酶脫膠工藝流程:

香蕉纖維→復配生物酶處理→失活→水洗→堿煮→水洗→打纖→漂白→水洗→烘干。

(1)復配生物酶處理工藝參數

復配比 果膠酶和半纖維素酶1∶12.5,溫度60℃,時間1 h,復配生物酶用量10%。

(2)失活 將經過酶處理后的試樣在90℃左右的熱水中處理10 min,使酶失去活性,避免酶長時間對纖維起作用,損傷纖維。

(3)水洗 經復配生物酶處理后,纖維中殘留的藥品,對后道工序處理以及纖維本身都很不利,應盡量沖洗干凈。水洗工序除打纖外均采取先熱水洗再冷水洗的水洗工藝,采用熱水洗的目的主要是防止已脫出的果膠等物質再次凝聚附著在纖維上。

試驗選用65℃左右的熱水先洗一遍,然后再用冷水將其沖洗至中性。

(4)堿煮 為了使試劑均勻地作用于試樣,縮短處理時間,在選用濃度為12.5 g/L的NaOH的同時,還選用2.5%(owf)的Na2SiO3及2.5%(owf)的Na5P3O10作為煮練助劑,此時控制煮練溫度為100℃,煮練時間為2 h,浴比為1∶15。

(5)打纖 纖維經煮練處理后,大部分膠質已被溶解,但仍有一部分膠質粘附在纖維上,不能分離為單纖維。煮練處理時,纖維長時間浸泡在煮液中,導致纖維的色澤較深,打纖主要是利用打纖棒的機械打擊作用,去除粘附在纖維表面的粘糊狀膠質。打纖圈數選擇6圈。打纖時,正面打3圈,反面打3圈,盡量保證試樣兩面受打纖棒的打擊作用均勻。

(6)漂白 漂白是對纖維進行氧化處理,因而對纖維的損傷較大,生產中要嚴格控制漂白工藝條件。參考對苧麻纖維進行H2O2與NaCl O漂白后機械性能的變化結果,采用H2O2漂白對纖維造成的損傷程度要略低于NaCl O,故采用H2O2漂白。但在實際生產中,考慮到時間與成本問題,多采用NaClO進行漂白,可在漂酸洗聯合機上連續進行,以縮短工藝流程,節省處理時間。

氧漂工藝:選用H2O2用量為2.5 g/L,NaOH用量為1 g/L,Na2SiO3用量為2 g/L,溫度95℃,時間45 min,浴比1∶15。

NaCl O工藝:有效氯2 g/L,溫度30℃,p H值9～10,浴比1∶50,時間10 min。

(7)烘干 烘干纖維時烘箱溫度應設置的低一些。在有水分存在的情況下,過高的溫度會使纖維素發生水解。此外,采用高溫進行烘干時,對纖維造成損傷也會較大。實際生產中,當產量能夠滿足需求時,宜采用低溫進行烘干,這樣有益于保證纖維質量。

將漂白后的香蕉纖維沖洗干凈,放在瓷盤上,記好標記后放入80℃的烘箱中,烘30 min后取出自然晾干。

1.4 香蕉纖維長度[10]

按照標準GB 5887-86對纖維長度測試。香蕉纖維為短纖維,故采用短纖維長度測試方法進行測定。

(1)實驗器具

稀梳,一號夾子,限制器絨板,壓錘,大黑絨板30 cm×50 cm,小黑絨板15 cm×25 cm,鋼皮尺,不銹鋼鑷子。

(2)試驗方法

揀樣 在取好的試樣中,拿出50 mg左右用鑷子揀凈其中的雜質。

梳理 雙手輕輕整理試樣,并反復抽取纖維,使其一端整齊。

整理 用一號夾子將最長一根纖維夾到有限制器的黑絨板上,如此依次繼續抽取,直到纖維抽完為止,然后用左手拿壓錘壓在纖維上,右手拿住一號夾子,將黑絨板上的較為整齊平直的纖維取下來,按上述方法重復一次。

排圖 將整理好的試樣按纖維長短順序抽取排列在大黑絨板上,使纖維一端整齊平直,從長到短均勻的排列在大黑絨板的底線上,底線長度為20～25 cm。

分組 按纖維長度分組,組距為1 cm將壓錘壓在纖維上,按組從長到短用鑷子一一取出,捻成小絞,放在小黑絨板上。1.5 cm及以下作為短絨計算。

稱重 將抽出的每組纖維分別在精密扭力天平上稱重,按纖維的長度順序記錄每組重量。

The typical relationship between in and out of a single sensor can be expressed with the transfer function below,

(3)計算方法

纖維平均長度按下式計算:

式中 ˉX為纖維平均長度(cm);gi為每組纖維重量(mg);li為每組纖維平均長度(cm)。

1.5 香蕉纖維細度

實驗采用中斷稱重法測量香蕉纖維的細度。

將香蕉纖維排成一端整齊平行伸直的纖維束,然后用纖維切斷器在纖維中斷切取10 mm長的纖維束,再在精密天平上稱重,計數這一束中斷纖維的根數,根據纖維切斷長度、根數和重量,計算纖維的細度。

1.6 香蕉纖維強伸性

1.7 香蕉纖維白度

使用WSB-3A型智能式數字白度計測試香蕉纖維的白度。

2 結果和分析[11-12]

2.1 纖維物理機械性能

(1)長度與細度

測得香蕉纖維平均長度為1.28 cm,屬于短纖維。

經過中段切斷稱重法測試,該批香蕉纖維的平均線密度為4.76 dtex,由于測試次數較少,沒有計算纖維細度的不勻率。

(2)吸濕性與強伸性

測試結果,纖維的回潮率在常溫下為7.81%,含水率為5.3%,與苧麻纖維接近,因此香蕉纖維吸濕性較好,其制品具有較好的吸濕透氣性能。

纖維的強伸性能測試結果見表1。從表1數據可以看出,香蕉束纖維的強力與相關文獻所測得數據接近,強力較好,但是強度不勻率較大,這將會影響香蕉纖維在紡織中的應用。其濕態下的強度比干態強度高50%左右,明顯好于其他的麻類纖維。

表1 纖維的強伸性能

(3)脫膠后香蕉纖維白度

使用白度測試儀測得香蕉纖維脫膠后的白度為46。

2.2 纖維化學成分測試結果

表2 香蕉纖維脫膠前后化學成分含量對比

從表2中可以看出香蕉纖維中纖維素和木質素含量較高。

3 結論

通過對香蕉纖維物理機械性能和化學成分的測試與分析,進一步了解了其性能特點。(1)香蕉纖維回潮

率較大,吸濕性較好。(2)香蕉纖維拉伸性能良好,性質與麻類纖維接近,適合做夏季面料。(3)香蕉纖維中纖維素和木質素含量較高,經過脫膠后能去除一部分膠質,但是木質素含量還是較高。(4)香蕉纖維的單纖維長度太短,不能直接用于紡紗,必須采用半漚麻等的方式保留一部分膠質,將單纖維粘連成具有一定長度的束纖維(即工藝纖維)來紡紗,只適用于紡中低檔紗。由于測試條件有限,還有一些指標沒有測試,如纖維的染色性、光學性能及熱學性能等,這些有待于今后進一步研究。

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The Physical&Mechanical Properties and Chemical Composition Test&Analysis of Banana Fiber

ZHOU Yu-qing,LI Long
(School of Textile and Materials,Xi'an Polytechnic University,Xi'an 710048,China)

Banana fiber was a new type of cellulose fiber.In accordance with ramie fiber and yarn testing standards,the mechanical properties and chemical composition of banana fiber were tested.The results showed that banana fiber moisture absorption was well, the length was short,the strength was well,but the strength irregularity was also larger.The cellulose content was less than jute and linen,and hemicellulose and lignin content were high.

banana fiber;chemical composition;performance;degumming

TS101.92

:A

:1673-0356(2015)03-0056-04

2015-03-16

周玉慶(1991-),女,在讀碩士研究生,主要研究方向:紡織工程, E-mail:996364783@qq.com。