菠蘿葉纖維的脫膠工藝及其結構與性能研究

周姝敏

（武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北武漢 430205）

菠蘿葉纖維由纖維素、果膠、有機物、木質(zhì)粉等主要成分組成，其中纖維素占57%[1-2]。土地、降雨量、濕度、肥料不同，纖維成分耐無機酸、氧化劑等的穩(wěn)定性也不同，脫膠工藝也會影響纖維的組織結構與功能[3-4]。目前纖維脫膠工藝包括發(fā)酵法脫膠工藝、化學脫膠工藝、機器脫膠工藝、超聲波脫膠工藝、冷凍放射脫膠工藝等[5-6]。工業(yè)生產(chǎn)中最常用的是化學脫膠工藝與酶法脫膠工藝，同時安全環(huán)保將成為未來紡織纖維脫膠工藝的發(fā)展趨勢[7]。

本實驗主要研究了酶法脫膠工藝與化學脫膠工藝處理后菠蘿葉纖維的結構變化，并且分析了纖維性能的變化。

1 實驗

1.1 材料

菠蘿葉纖維來源于廣東省湛江地區(qū)，從我國熱帶農(nóng)業(yè)科學研究院自行研制的CA-267 型菠蘿麻刮麻機中獲取，脫膠酶為市售商品，其他化學試劑均為分析純。

1.2 脫膠工藝

1.2.1 化學脫膠工藝

在已有研究[8]的基礎上對傳統(tǒng)化學脫膠工藝進行改進，過程為：預酸（硫酸1.6 g/L，浴比1∶8，60 ℃，浸泡1 h）→煮練（氫氧化鈉15 g/L，泡花堿3.0%，三聚磷酸鈉3.0%，脂肪醇聚氧乙烯醚0.2%，浴比1∶20，100 ℃，5 h）→酸洗（硫酸15 g/L）→水洗→脫水→精煉（氫氧化鈉150 g/L，50 min）→酸洗（硫酸15 g/L）→水洗→脫水→膏油（膏油程度2%，100 ℃，1 h）→脫水→抖麻→晾干。

1.2.2 酶法脫膠工藝

菠蘿葉纖維預浸泡（60 ℃，1 h）→酶脫膠（10%酶適量，60 ℃，pH 為9.0，磷酸鹽0.2 mol/L，晃動5 h）→敲擊→洗滌→漂白（過氧化氫20%，泡花堿3.0%，100 ℃，20 min）→給油（給油量5%，100 ℃，1 h[9]）→晾干。

1.3 測試

1.3.1 纖維組織形狀結構

將樣本放置于纖維切割器中切割，將切割樣品鋪在樣品臺上，通過真空濺射鍍金后，采用S-5000型掃描電子顯微鏡觀察纖維表面與截面的微觀形貌。

1.3.2 傅立葉紅外光譜

選取2 mg 樣本和250 mg 干燥的溴化鉀，在玻璃瓶中混合攪勻，充分研磨后壓片，將錠片取出，放置于固體標本檢測臺上，使用Spectrum GX-1 型紅外光譜儀進行檢測，檢測范圍5 000～500 cm-1。

1.3.3 熱性能

把樣本撕成碎片后放入標本池中，平衡后使用STA 450C/5/G 型熱分析儀進行TG/DTG/DSC 圖譜檢測。檢測條件：溫度30～750 ℃，升溫速率15 ℃/min，空氣氛圍，氣流速度55 mL/min。

1.3.4 力學性能

按照GB/T 18147.56—2500 進行分裂度檢測；按照GB/T 18147.4—2500進行纖細程度檢測。

2 結果與討論

2.1 形狀組織結構

酶法脫膠（a）以及化學脫膠（b）菠蘿葉纖維的表面組織見圖1。

圖1 酶法脫膠（a）以及化學脫膠（b）菠蘿葉纖維的表面組織

由圖1可知，使用酶法工藝與化學工藝進行脫膠后，菠蘿葉纖維呈現(xiàn)束狀平行排列，并且無彎曲，表面凹槽明顯，高低不平。酶法工藝脫膠的菠蘿葉纖維間隔度較小，表面被較厚的包裹層遮蓋，雜質(zhì)較多；化學工藝脫膠的菠蘿葉纖維表層有小孔，和纖維空隙相連，表層有枝節(jié)，條紋顯著，纖維間隔度較佳，雜質(zhì)較少。

2.2 傅立葉紅外光譜

由圖2可知，酶法脫膠的菠蘿葉纖維在3 322.99 cm-1處有較大的吸收峰，為O—H的伸縮振動吸收帶，該吸收帶比較寬，與化學脫膠的菠蘿葉纖維差異較大，化學脫膠的菠蘿葉纖維吸收帶較小，這與化學脫膠的菠蘿葉纖維表層有氫鍵存在相關。2 902.14 cm-1（C—H 伸縮振動）、2 162.50 cm-1（C—O 伸縮振動）、1 626.68 cm-1（吸附水）、1 430.03 cm-1（—CH2—伸縮振動）、1 318.94 cm-1（C—H 伸縮振動）、1 026.86 cm-1（環(huán)狀醚鍵的C—O 伸縮振動）處的吸收峰與化學脫膠差異不明顯。1 800～1 200 cm-1處的紅外光譜有顯著差別，酶法脫膠的菠蘿葉纖維在1 026.86 cm-1處的吸收峰比化學脫膠的菠蘿葉纖維高，這與酶法脫膠過程中的部分成分有關。

圖2 酶法脫膠菠蘿葉纖維的紅外光譜

2.3 TG、DTG

脫膠后的菠蘿葉纖維在空氣與氮氣氛圍中的解析過程大致相同，都分為3個階段：（1）纖維的失水過程，主要為樣品中吸附水的升華；（2）熱分解過程，纖維素組織結構發(fā)生變化直至分裂，期間產(chǎn)生某些可揮發(fā)有機物或不穩(wěn)定有機物；（3）熱分解直至炭化。由表1可知，在空氣與氮氣氛圍中，化學脫膠的菠蘿葉纖維水分升華溫度均低于酶法脫膠，這主要與酶法脫膠的菠蘿葉纖維表層的半纖維素等消失有關。相關報道指出，纖維凝結度越大，吸收的水分子就越少，水分子將在更低的溫度中升華?；瘜W脫膠的菠蘿葉纖維在空氣與氮氣氛圍中的熱損耗溫度與酶法脫膠大致相同?；瘜W脫膠的菠蘿葉纖維在空氣中的熱解析溫度高于酶法脫膠，這極有可能是因為酶法脫膠過程中出現(xiàn)該溫度范圍內(nèi)不容易解析的雜質(zhì)。除水分質(zhì)量損耗外，化學脫膠的菠蘿葉纖維質(zhì)量損耗與酶法脫膠大致相同。TG、DTG 研究結果表明，脫膠工藝對菠蘿葉纖維的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，但影響并不明顯。

表1 菠蘿葉纖維的TG、DTG研究結果

2.4 DSC

由表2可以看出，酶法脫膠的菠蘿葉纖維DSC曲線在空氣中出現(xiàn)兩個放熱峰，第一個放熱峰開始溫度（326.7 ℃）和化學脫膠的菠蘿葉纖維（324.6 ℃）并無顯著差別，此時纖維的組織結構開始改變，直至達到最高溫度346.6 ℃，這一階段纖維的熱分解產(chǎn)生在無定形區(qū)。404.6 ℃時產(chǎn)生高而窄的第二個放熱峰，直至達到最高溫度415.2 ℃，這可能是因為纖維組織內(nèi)部無定形區(qū)縮小，有序度增加并進入結晶區(qū)，分子于晶體表層與晶體組織內(nèi)部重新排序，伴隨著溫度升高有序度不斷提高，纖維分解產(chǎn)生某些低分子質(zhì)量容易燃燒的有機物，進而放熱量升高?；瘜W脫膠的菠蘿葉纖維在324.6 ℃開始產(chǎn)生第一個放熱峰，直至達到最高溫度338.9 ℃，431.2 ℃時產(chǎn)生第二個放熱峰，直至達到最高溫度439.1 ℃?；瘜W脫膠的菠蘿葉纖維放熱量（1 299.0、1 194.0 J/g）均高于酶法脫膠纖維（629.1、1 139.0 J/g）。

在氮氣氛圍中，酶法脫膠的菠蘿葉纖維在43.4～118.2 ℃的吸熱峰為水分子升華產(chǎn)生，因為水分含量升高，所以產(chǎn)生一個吸熱峰，吸熱量為69.7 J/g；化學脫膠的菠蘿葉纖維無顯著的吸熱峰，這與TG、DTG研究結果一致。除此之外，酶法脫膠的菠蘿葉纖維在333.1～377.5 ℃產(chǎn)生第二個吸熱峰，355.4 ℃為最高溫度，吸熱量為340.6 J/g；化學脫膠的菠蘿葉纖維在344.6～371.2 ℃有吸熱峰，358.8 ℃為最高溫度，吸熱量為236.4 J/g?；瘜W脫膠的菠蘿葉纖維熱解析起始溫度高于酶法脫膠，這可能是因為化學脫膠過程中有熱穩(wěn)定性較好的物質(zhì)產(chǎn)生。纖維在這一階段發(fā)生分解，需要吸收熱量，吸熱量越大，穩(wěn)定性越好。

表2 菠蘿葉纖維的DSC研究結果

2.5 力學性能

由表3可知，酶法脫膠的菠蘿葉纖維線密度大于化學脫膠的菠蘿葉纖維，這是由于在進行酶法脫膠的過程中，部分果膠分解，半纖維素等膠體剔除程度較低，因而具備較低的分裂度，酶作用于纖維較為溫和，進而斷裂強度損耗較低；而化學脫膠通過較強的酸堿作用，分裂度較佳，線密度較低，但會損傷纖維，降低斷裂強度。菠蘿葉纖維通過酶法脫膠后需要進一步處理才能符合紡細特紗的要求。

表3 菠蘿葉纖維的力學性能

3 結論

（1）酶法脫膠的菠蘿葉纖維呈現(xiàn)束狀平行排列，并且無彎曲，有凹槽，表層高低不平，和化學脫膠的菠蘿葉纖維相比表層粗糙，間隔度較小，雜質(zhì)較多。

（2）酶法脫膠的菠蘿葉纖維除具備纖維素的特點外，半纖維素的特征峰依舊存在，纖維純度較低。

（3）酶法脫膠的菠蘿葉纖維熱分解機制與化學脫膠的菠蘿葉纖維大致相同，在空氣氛圍中，第3 階段熱分解開始時，溫度比化學脫膠低；兩種脫膠工藝在氮氣氛圍中的熱分解溫度大致相同。酶法脫膠的菠蘿葉纖維在空氣氛圍中的熱分解放熱量比化學脫膠菠蘿葉纖維高。酶法脫膠的菠蘿葉纖維熱穩(wěn)定性比化學脫膠的菠蘿葉纖維好。

（4）酶法脫膠的菠蘿葉纖維分裂度比較大，線密度比較高，需要進一步處理來提升紡紗性能。