竹筍殼過碳酸鈉脫膠工藝研究

楊銀芝，柯子奇，劉雨晴，方凱煬，曹新旺

竹筍殼過碳酸鈉脫膠工藝研究

楊銀芝a,b，柯子奇c，劉雨晴a，方凱煬a，曹新旺*a,b

（武漢紡織大學 a. 紡織科學與工程學院，b. 省部共建紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室，c. 管理學院，湖北 武漢 430200）

采用環保型氧化劑——過碳酸鈉對竹筍殼進行脫膠處理，以脫膠率為指標，對脫膠處理中過碳酸鈉、過氧化氫的用量以及煮練溫度和時間等因素進行優化探討，最后借助掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、紅外光譜儀等儀器對所得竹筍殼纖維的結構與性能進行了分析。優化后脫膠工藝為：煮練溫度為90 ℃、煮練時間為120 min、過碳酸鈉用量為24 g/L、過氧化氫用量為40 mL/L，此時脫膠率較高為69.17 %。本方法所制備的竹筍殼纖維被認為是一種具有廣闊應用前景的、符合可持續發展理念的紡織工業原料。

竹筍殼纖維；脫膠率；過碳酸鈉；堿氧浴一浴法

竹筍殼纖維作為一種從竹筍殼中提取的天然纖維素纖維，具有強度高、剛性好等優良性能[1]。目前竹筍殼大多被棄置在竹林中無人問津，在天然纖維逐漸缺乏的時代，是一種極大的資源浪費，目前關于竹筍殼纖維的研究主要集中在食用、廢水處理和藥用領域[2]，但其作為天然纖維在紡織領域的應用仍處于初級階段。為加快其在紡織工業方面的應用，首先需要通過脫膠工藝提取竹筍殼纖維[3]。目前已有的脫膠方法主要有物理脫膠法、化學脫膠法、生物脫膠法等[4,5]，其中，化學脫膠法處理更加快速、節省時間，但傳統的化學脫膠工藝在高溫下消耗大量的堿，對環境造成了嚴重的污染[6]。

本文采用環保型氧化劑過碳酸鈉提取竹筍殼纖維，用過碳酸鈉減少堿性試劑的使用，并加入一定的脫膠助劑增加原料與試劑的接觸面積加快反應速度，該方法具有綠色環保、操作簡單等優點，得到的竹筍殼纖維中大部分膠質被去除，纖維素含量大幅增加。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本研究中使用的竹筍殼原料采自湖北省武漢市武漢紡織大學竹園，為成熟自然脫落的竹筍殼。過碳酸鈉（分析純，阿拉丁化學試劑有限公司），98 %硫酸（分析純，國藥集團化工有限公司），NaOH（分析純，昆山金城試劑有限公司）、30 %H2O2（分析純，上海沃凱生物科技有限公司）、九水硅酸鈉（分析純，阿拉丁化學試劑有限公司）、三聚磷酸鈉（分析純，阿拉丁化學試劑有限公司）等化學藥品均為購買后直接使用，未進行特殊處理。

1.2 實驗流程

脫膠工藝為：預處理→浸酸→水洗→烘干→堿氧一浴→水洗→酸洗→水洗→烘干。具體如下：

預處理：用50℃的溫水清洗竹筍殼去除其表面的雜質及絨毛，然后將其放在75℃的烘箱中24 h至烘干，再將烘干的竹筍殼剪切成小塊（長約70 mm，寬約2 mm）。

浸酸：將上一步剪切后的竹筍殼樣品放置于濃度為2 mL/L的稀硫酸溶液中，于60 ℃的水浴鍋中處理1小時，浴比為1:40。

水洗：用去離子水洗滌竹筍殼去除表面酸液。

烘干：將其放入75℃的烘箱中烘干。

堿氧一?。河眠^碳酸鈉處理竹筍殼。

酸洗：室溫下用2 mL/L的稀硫酸、浴比為1:20對纖維進行酸洗，酸洗的主要目的是用酸中和上一步煮練工序中殘留在纖維上的堿液。

水洗：室溫下用去離子水沖洗纖維表面酸液，水洗至中性。

烘干：將纖維放入75℃的烘箱中烘干。

1.3 脫膠助劑的選擇

在過碳酸鈉脫膠過程中，為提高竹筍殼脫膠效率，在堿氧一浴過程中，固定氫氧化鈉用量為10 g/L，并需要加入一些輔助性的助劑，3％多聚磷酸鈉可以加速竹筍殼纖維的膨化，2%硅酸鈉起到保護纖維素的作用。

1.4 竹筍殼脫膠率

竹筍殼的脫膠率按照公式（1）進行計算。

其中：W1為脫膠前竹筍殼的重量，g；W2—脫膠后樣品的重量，g。

1.5 脫膠處理前后纖維組成成分分析

參照GB5888--89《苧麻化學成分定量分析方法》分析。

1.6 紅外光譜測試分析

采用溴化鉀壓片法，用VERTEX 70型傅里葉變換紅外顯微光譜儀測定纖維含有基團的種類，波數測試范圍400-4000 cm-1，對處理前后竹筍殼纖維化學結構進行分析。

1.7 掃描電子顯微鏡

在20 ℃條件下，用UPS2000-A-1-KTTL掃描電鏡（華為技術有限公司）對處理前后竹筍殼樣品微觀結構進行分析。

1.8 X射線衍射

采用日本Rigaku公司D/max-2550PC型X射線衍射儀測定處理前后竹筍殼的結晶度，實驗條件為：Cu靶Ka輻射X射線波長0.154 nm，管電壓40 kV, 管電流30 mA進行掃描，衍射方向θ-2θ聯動掃描方式, 掃描角度5-40°, 掃描速度5°/min。

2 結果和討論

通過多次實驗發現脫膠工藝流程中，過碳酸鈉濃度、堿煮時間、溫度及過氧化氫濃度是影響脫膠效率的主要因素。

2.1 過碳酸鈉用量對竹筍殼脫膠率的影響

圖1 過碳酸鈉對竹筍殼脫膠率的影響

圖2 過氧化氫對竹筍殼脫膠率的影響

過碳酸鈉濃度對竹筍殼脫膠率的影響如圖1所示。設定過碳酸鈉處理時間為2 h，過氧化氫濃度為30 mL/L，浴比為1:40，溫度為90 ℃，竹筍殼纖維脫膠率隨過碳酸鈉用量的增加逐漸增加，但濃度在22 g/L以后變化較平緩，因此，適宜的過碳酸鈉濃度為22-24 g/L。

2.2 過氧化氫用量對竹筍殼脫膠率的影響

過氧化氫濃度對竹筍殼脫膠率的影響如圖2所示。設定過碳酸鈉處理時間為2 h，過碳酸鈉濃度為20 g/L，浴比為1:40，溫度為90 ℃，由圖2可知，隨著過氧化氫用量的增加竹筍殼脫膠率先增加后減少，可能由于過氧化氫分解，導致脫膠率降低。因此，過氧化氫適宜用量為30-40 mL/L。

2.3 堿煮時間對竹筍殼脫膠率的影響

處理時間對竹筍殼脫膠率的影響如圖3所示。設定過碳酸鈉濃度為20 g/L，過氧化氫濃度為30 mL/L，浴比l:40，溫度為90 ℃，隨著時間的增加竹筍殼纖維脫膠率逐漸增加，但反應時間過長不僅消耗能源，而且對纖維的品質有一定的損傷[7]。因此選擇2-3 h作為正交實驗的3個水平。

圖3 堿煮時間對竹筍殼脫膠率的影響

圖4 堿煮溫度對竹筍殼脫膠率的影響

2.4 煮練溫度對竹筍殼脫膠率的影響

堿煮溫度對竹筍殼脫膠率的影響如圖4所示。設定過碳酸鈉濃度為20 g/L，過氧化氫濃度為30 mL/L，浴比l:40，時間為2 h，由圖4可知，隨著堿煮溫度的升高，脫膠率增加較緩，溫度過高會導致過氧化氫分解，短時間內產生大量氣泡，導致其使纖維向上移動，竹筍殼因與溶液接觸不均勻使脫膠率降低，所以選擇適宜溫度范圍為90-100 ℃。

通過單因素實驗確定出各因素的水平范圍，然后采用4因素3水平正交實驗最終確定脫膠的最佳工藝，表1為竹筍殼的脫膠實驗的正交因素水平，表2為竹筍殼脫膠的正交試驗結果。

表1 竹筍殼脫膠實驗中正交因素的水平

由表2可見，影響脫膠率考查指標的因素主次順序為D>B>C>A，正交試驗的最優方案為：A3B3C1D1，即過碳酸鈉濃度為24 g/L、過氧化氫濃度為40 mL/L、處理溫度為90 ℃、處理時間為120 min。按照最優工藝處理方案時，得到竹筍殼纖維的脫膠率為69.17 %。

2.5 竹筍殼纖維的組成成分分析

表3列舉了脫膠處理前后竹筍殼與其他纖維組成成分的對比數據。由表3可知竹筍殼原樣中纖維素含量較低，其中半纖維素和木質素占了相當大的比例。竹筍殼樣品的纖維素含量與椰子殼（44 %）相當，它們高于稻草（32.0 %）和稻殼（28.6 %），但遠低于其他纖維如棉花（90 %）、苧麻（75 %）和亞麻（65 %）[8]。在竹筍殼原料脫膠處理中需要去除半纖維素和木質素這兩種成分，而本實驗中所用的過碳酸鈉脫膠工藝可以很好地將半纖維素和木質素等非纖維素成分分解掉，脫膠后竹筍殼纖維素含量（73.19 %）得到明顯的提升，說明它們作為一種生物聚合物資源，具有很高的利用潛力。

表2 竹筍殼脫膠的正交設計實驗數據

表3 脫膠處理前后竹筍殼與其他纖維組成成分的對比數據

2.6 紅外光譜分析

圖5為處理前后竹筍殼纖維的紅外光譜圖，可以發現處理前后竹筍殼纖維的波形并未發生改變，表明竹筍殼原料與竹筍殼纖維化學成分相似，竹筍殼纖維在2905 cm-1和1740 cm-1處分別為C—H和C=O伸縮振動峰，這是半纖維素的特征峰，在1501 cm-1處為木質素中芳香環骨架振動峰，以上峰值都在紅外光譜圖中減弱或消失，表明竹筍殼脫膠后的樣品中的非纖維素成分減少，在1033 cm-1處為C-O-C伸縮振動峰，峰值較脫膠前強度明顯增加，表明纖維素含量提高[9]，這與纖維組成成分分析的結果是一致的。

圖5 （a）脫膠后和（b）脫膠前竹筍殼紅外光譜圖

2.7 微觀結構分析

圖6為處理前后竹筍殼纖維的掃描電鏡圖，由圖6（a）知脫膠前竹筍殼纖維由很多膠質連在一起，表面粗糙呈現凹凸不平狀，由圖6（b）知脫膠后纖維呈直徑約5微米左右的單纖維狀態，表面膠質基本被去除，表面光潔。

圖6 脫膠前（a）和脫膠后（b）竹筍殼電鏡圖

2.8 結晶度分析

圖7為處理前后竹筍殼X射線衍射曲線圖，由圖7可以看出，處理前后兩種纖維波形接近，為典型的纖維素Ⅰ結構，表明脫膠處理并未改變纖維素的晶型結構。采用X射線衍射儀分析軟件MDI Jade 6.0計算知處理前竹筍殼纖維的結晶度為45.02 %，處理后竹筍殼纖維的結晶度為60.18 %，結晶度的提高是由于半纖維素和木質素等無定形區的成分被去除后，纖維內結晶部分總比例提高[10]。

圖7 （a）脫膠后（b）脫膠前竹筍殼X衍射曲線圖

3 結論

采用環保清潔型氧化劑過碳酸鈉提取竹筍殼纖維，得出了優化脫膠工藝。通過實驗研究得出：竹筍殼通過過碳酸鈉脫膠處理去除了半纖維素、木質素等大部分非纖維素成分，提取的竹筍殼纖維纖維素含量高，結晶度為60.18%，可廣泛應用于紡織、復合材料、醫療保健等方面，這一方法也可應用于今后研究其他纖維素纖維材料。

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Study on the Sodium Percarbonate Degumming of Bamboo Shoot Shell

YANG Yin-zhia,b, KE Zi-qic, LIU Yu-qinga，FANG Kai-yanga, CAO Xin-wanga,b

(a. College of Textiles Science and Engineering, b. State Key Laboratory of New Textile Materials and Advanced Processing Technologies, c. School of Management, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

Bamboo shoot shell was degummed with environmental friendly oxidant sodium percarbonate. Taking the degumming rate as the index, the factors such as the concentrations of sodium percarbonate and hydrogen peroxide, soaking temperature and time in degumming treatment were optimized, and the structure and properties of the extracted bamboo shoot shell fiber were analyzed by scanning electronic microscope, XRD, infrared spectrometer. The results showed that when the scouring temperature was 90 ℃, the scouring time was 120 min, the dosage of sodium percarbonate was 24 g/L and the dosage of hydrogen peroxide was 40 ml/L, the degumming rate was 69.17 %. The prepared bamboo shoot shell fibers would be considered as a kind of widely applicable and sustainable raw material for textile industry.

bamboo shoot shell fiber; degumming rate; sodium percarbonate; alkali oxygen one bath method

曹新旺（1984-），男，副教授，博士，研究方向：天然纖維的提取及其性能.

國家自然科學基金青年基金項目（51503162）；湖北省自然科學基金面上項目（2016CFB459）；國家大學生創新訓練計劃項目（201910495014）；湖北省技術創新專項（2019AAA005）；湖北省大學生創新訓練計劃項目（S201910495063）.

TS102.229

A

2095－414X(2021)06－0009－05