香蕉纖維的堿法脫膠工藝

劉 杰，田 雨，孫聆芳，祖 彬，韓 雪，何秋月，徐逸坤，高 潔

（齊齊哈爾大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

從香蕉莖稈上獲取的香蕉纖維與亞麻、黃麻等麻類纖維相似，單纖維長(zhǎng)度較短，且含有半纖維素、木質(zhì)素、果膠、灰分、蠟質(zhì)、色素等雜質(zhì)，尤其半纖維素和木質(zhì)素含量較高［1-3］。因而，香蕉纖維不能直接用于紡紗織造，必須經(jīng)過(guò)半脫膠方式保留部分膠質(zhì)，使單纖維相互粘連，形成具有一定長(zhǎng)度且可用于紡紗織造的工藝?yán)w維。由此可見(jiàn)，香蕉纖維的前處理對(duì)可紡性至關(guān)重要［4-6］。

本實(shí)驗(yàn)借鑒麻類纖維的前處理方法對(duì)香蕉纖維進(jìn)行化學(xué)脫膠，以堿劑為主，輔以其他助劑，不僅提升了脫膠效果，而且能夠加快脫膠進(jìn)程，脫膠后的香蕉纖維具有可紡性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

香蕉纖維（中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院海口實(shí)驗(yàn)站），碳酸鈉（Na2CO3）、亞硫酸鈉（Na2SO3）、多聚磷酸鈉［（NaPO3）n］（分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司），滲透劑JFC（上海九潔實(shí)業(yè)有限公司）。

1.2 儀器

FA1004 電子天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司），HH-S 型恒溫電子水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），YQ-Z-48A 白度顏色測(cè)定儀（杭州輕通博科自動(dòng)化技術(shù)有限公司），LLY-06ED 型電子單纖維強(qiáng)力儀（萊州市電子儀器有限公司）。

1.3 香蕉纖維的堿法煮練工藝

1.3.1 工藝配方

Na2CO3用量1～5 g/L，Na2SO3用量1～5 g/L，（NaPO3）n用量1～5 g/L，JFC 用量2 g/L，溫度60～100 ℃，時(shí)間30～150 min，浴比1∶30。

1.3.2 工藝流程

預(yù)酸處理→冷水洗→堿煮→熱水洗→冷水洗。

1.4 測(cè)試

1.4.1 白度

參照GB/T 17644—2008《紡織纖維白度色度試驗(yàn)方法》測(cè)定［7］。

1.4.2 斷裂強(qiáng)度

參照GB/T 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測(cè)定。

1.4.3 失重率

參照GB/T 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響香蕉纖維脫膠效果的因素

2.1.1 堿劑用量

堿劑選用碳酸鈉。由表1 可知，香蕉纖維的白度隨著堿劑用量的增加先下降后提高，斷裂強(qiáng)度則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因?yàn)橄憬独w維中的大部分雜質(zhì)可以被堿去除，但當(dāng)堿劑用量過(guò)大時(shí)，香蕉纖維會(huì)在高濃度堿液中發(fā)生水解，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度顯著下降。當(dāng)堿劑用量在1 g/L 時(shí)，失重率為15.36%，雜質(zhì)大部分被去除，脫膠效果較好；5 g/L 時(shí)，失重率達(dá)到15.65%，但斷裂強(qiáng)度卻下降到10.06 cN/dtex，表明纖維損傷比較嚴(yán)重。綜合考慮白度、失重率及斷裂強(qiáng)度，堿劑用量選擇1 g/L 左右。

表1 堿劑用量對(duì)香蕉纖維脫膠效果的影響

2.1.2 亞硫酸鈉用量

具有還原性的亞硫酸鈉有利于木質(zhì)素的去除，并且能夠保護(hù)纖維素，避免纖維被氧化而受損。由表2 可以看出，隨著亞硫酸鈉用量的增加，香蕉纖維的白度先提高后下降，而斷裂強(qiáng)度則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)閬喠蛩徕c可以與木質(zhì)素發(fā)生反應(yīng)從而生成易溶于堿的磺化木質(zhì)素，有利于木質(zhì)素的去除；亞硫酸鈉還具有還原性，可以防止香蕉纖維在高溫堿液中被空氣中的氧氣氧化而脆損。但是亞硫酸鈉用量過(guò)大時(shí)，其強(qiáng)堿弱酸鹽性質(zhì)也會(huì)對(duì)香蕉纖維造成損傷，導(dǎo)致纖維斷裂強(qiáng)度下降，不利于后續(xù)的紡紗加工。綜合考慮白度、失重率及斷裂強(qiáng)度，亞硫酸鈉的適宜用量為2 g/L。

表2 亞硫酸鈉用量對(duì)香蕉纖維脫膠效果的影響

2.1.3 多聚磷酸鈉用量

多聚磷酸鈉具有吸附脫膠堿液中金屬離子雜質(zhì)的作用，可防止產(chǎn)生銹漬或雜質(zhì)沉淀，有助于提高白度和吸水性。由表3 可以看出，香蕉纖維的白度隨著多聚磷酸鈉用量的增加先升高后下降，但是斷裂強(qiáng)度卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。原因是多聚磷酸鈉能夠有效吸附工作液中的金屬雜質(zhì)，防止生成鐵漬或雜質(zhì)沉淀，有助于提高白度和吸水性；但是當(dāng)多聚磷酸鈉用量過(guò)多時(shí)纖維受到損傷，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度降低。綜合考慮白度、失重率及斷裂強(qiáng)度，多聚磷酸鈉的適宜用量為2 g/L 左右。

表3 多聚磷酸鈉用量對(duì)香蕉纖維脫膠效果的影響

2.1.4 脫膠時(shí)間

從表4 中可以看出，脫膠時(shí)間從30 min 延長(zhǎng)到60 min，白度顯著提高，斷裂強(qiáng)度有所下降；脫膠時(shí)間從60 min 延長(zhǎng)到150 min，白度變化不大但斷裂強(qiáng)度下降明顯。原因是脫膠時(shí)間過(guò)短，工作液與纖維中的雜質(zhì)反應(yīng)不充分，雜質(zhì)不能被完全去除；脫膠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，纖維中的雜質(zhì)已經(jīng)基本去除，但纖維受到損傷，斷裂強(qiáng)度降低。綜合考慮纖維的各項(xiàng)性能，脫膠時(shí)間選擇60～90 min。

表4 脫膠時(shí)間對(duì)香蕉纖維脫膠效果的影響

2.1.5 脫膠溫度

由表5 可知，香蕉纖維的白度隨著脫膠溫度的升高而提高，80 ℃后趨于平穩(wěn)（略有下降）；斷裂強(qiáng)度則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。原因在于高溫有利于工作液向纖維內(nèi)部滲透，可以更好地去除雜質(zhì)；但溫度過(guò)高又會(huì)引起香蕉纖維受損，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度顯著下降，影響香蕉纖維的可紡性。綜合考慮纖維的各項(xiàng)性能，脫膠的適宜溫度為80 ℃左右。

表5 脫膠溫度對(duì)香蕉纖維脫膠效果的影響

2.2 香蕉纖維脫膠工藝正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

以白度和斷裂強(qiáng)度為指標(biāo)，設(shè)計(jì)L16（45）正交實(shí)驗(yàn)對(duì)香蕉纖維的堿法脫膠工藝進(jìn)行優(yōu)化。由表6 可以看出，影響香蕉纖維斷裂強(qiáng)度的因素從大到小為A、B、D、C、E，優(yōu)化工藝方案為A2B4C1D2E3；影響香蕉纖維白度的因素從大到小為D、E、B、C、A，優(yōu)化工藝方案為A3B1C3D1E4。由斷裂強(qiáng)度和白度兩項(xiàng)指標(biāo)得出的優(yōu)化工藝方案有差異，結(jié)合后續(xù)紡紗對(duì)纖維白度及斷裂強(qiáng)度的要求，確定優(yōu)化的香蕉纖維脫膠工藝為A2B3C3D2E3，即堿劑1.5 g/L，多聚磷酸鈉2.5 g/L，亞硫酸鈉2.0 g/L，時(shí)間70 min，溫度85 ℃。

表6 L16（45）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析

針對(duì)香蕉纖維脫膠的優(yōu)化工藝進(jìn)行多組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，脫膠后香蕉纖維的白度為25.79%，斷裂強(qiáng)度為21.03 cN/dtex，失重率為15.62%，滿足可紡性要求。

3 結(jié)論

（1）香蕉纖維的堿法脫膠優(yōu)化工藝：堿劑1.5 g/L，多聚磷酸鈉2.5 g/L，亞硫酸鈉2.0 g/L，JFC 2.0 g/L，脫膠時(shí)間70 min，脫膠溫度85 ℃。

（2）脫膠后的香蕉纖維具有可紡性。今后將進(jìn)一步研究香蕉纖維的生物酶法脫膠工藝，以更好地滿足紡織行業(yè)清潔生產(chǎn)的要求。