剑麻化学脱胶技术初步研究

陈福通，孙小寅，余秀艳

（西安工程大学纺织与材料学院，西安710048）

剑麻又称西色尔麻，属龙舌兰科。叶片呈剑形，硬而狭长，叶片一般长为100-140cm，宽13-15cm，灰绿至蓝绿色。其叶内含有大量的可纺纤维，纤维的细胞结构呈长形，细胞腔大且长，壁厚，具有纤维长，色泽白，拉力强，耐磨擦，耐腐蚀，质地坚韧，富有弹性，不易打滑特点[1][2]。剑麻纤维作为一种重要的纺织原料，具有广阔的发展前景，但剑麻工艺纤维的木质素与半纤维素成分较多，断裂伸长率较小及杨氏模量较高导致纤维比较粗硬，难以纺制支数较高的剑麻纱，从而使剑麻产品应用受限。为了加强其在纺织领域的应用，本论文在分析化学成分的基础上，采用正交实验的方法对剑麻纤维进行了脱胶处理，并分析各要素对纤维性能的影响。

1 剑麻纤维的脱胶处理与工艺

1.1 麻纤维脱胶处理实验目的

采用正交实验方法对剑麻纤维进行脱胶处理，测试实验后各试样理化性能的主要指标，从而确定最佳工艺条件，为产品的生产提供依据。

1.2 实验内容与实验依据

本研究主要对剑麻的化学成分及处理后纤维残胶率、制成率、白度、细度、拉伸性能进行测试。由于没有系统的剑麻标准，本论文将依据苎麻的相关国家标准对其进行测试即实验条件、仪器药品、性能测试均以苎麻标准为依据[3]。

1.3 剑麻纤维处理工艺及实验设计

1.3.1 剑麻纤维脱胶处理工艺流程

原麻取样—预处理—水洗—碱液煮练—机械柔软—柔软给油—干燥处理

1.3.2 各工序工艺条件

1.3.2.1 原麻取样

从剑麻样品中称量十八个试样测纤维化学成分，每个指标测三次取平均值；从剑麻样品中称量九个试样根据正交实验对其进行脱胶处理并测试分析。所有试样均称量5克。

1.3.2.2 预处理

剑麻煮练前预处理经常用三种方法：生物酶处理、氯处理和氧处理。

生物酶处理：采用酸性纤维素酶（2万u/g）处理麻束，能迅速“开松”，并能“定向爆破”外围的韧皮和胶质。少量纤维素酶能使纤维素大分子链β-1，4苷键断裂产生较小的分子链，引起麻纤维表面剥皮效应，减少果胶、木质素、半纤维素和部分纤维素的含量[4][5]。本研究选择酸性纤维素酶为酶处理药品，其试验条件为溶液浓度2.5g/L，处理温度为55℃，时间为2小时，浴比为1：20。

氯处理：木质素易与氯发生反应生成氯化木质素，氯化木质素则处在纤维木质素表面，阻止了氯化作用继续进行，因此必须用NaOH溶液煮练使其溶解。预氯处理后纤维有光泽、较白、较松散，但是用次氯酸钠作预氯处理的时候有Cl2溢出，会对环境造成污染，一般不提倡此加工方法。本研究选择氯处理实验条件为溶液浓度NaClO1.5g/L，处理温度25℃，处理时间30分钟，浴比1：20。

氧处理：氧化剂首先氧化原麻表层胶质，随着处理进行溶液中杂质浓度上升，生成物一部分溶解于溶液中，另一部分停留在纤维表面。一段时间后纤维表层易被氧化的胶质基本被降解，溶液中氧化剂的浓度降低，再随着时间的推移，纤维对胶质中某些物质产生吸附作用，一些难溶物包裹在纤维表面降低了后续碱煮过程中的脱胶效果。氧化剂浓度、预处理温度、时间及浴比对氧处理效果有着显著的影响。氧处理实验条件为H2O22g/L、NaOH1g/L，处理温度90℃，处理时间45分钟，浴比1：20。

1.3.2.3 水洗

用自来水轻搓一遍，洗1～2遍。

1.3.2.4 碱液煮炼

碱煮不但能溶解前处理的一些生成物，还能进一步去除纤维中的半纤维素，对纤维的脱胶有重要作用。在碱液煮炼过程中，影响煮炼后纤维性质的因素经常有三个，即NaOH用量、助剂种类和煮炼时间。

1.3.2.5 机械柔软

将煮炼后的各个样品分别用双棍挤压机压两遍，实现剑麻的初步柔软。

1.3.2.6 柔软给油

采用的柔软剂试JY-AK和脱胶油剂，其浓度分别为1%和2%。溶液温度控制在50—55℃，闷放4小时。溶液和样品的浴比为1：20。

给油主要有以下效果：可使纤维柔软松散并能改善纤维的平滑性和集束性。

1.3.2.7 干燥处理

将柔软给油处理后的样品自然阴干。

1.3.3正交实验设计

在这个实验中，对预处理、碱液浓度、煮练助剂、煮练时间四个因素进行正交实验，选L9(34)正交表。

因素水平确定如表1：

表1 剑麻实验因素Tab.1 Influential factors for degumming experiment

2 试验结果分析

2.1 试验结果

2.1.1 剑麻纤维化学成分（%）

剑麻纤维化学成分如表2。

2.1.2 剑麻纤维处理后残胶率及制成率实验结果

处理后剑麻纤维残胶率及制成率实验结果如表3。

表2 剑麻纤维的化学成分Tab.2 Chemical components of sisal fiber

表3 剑麻纤维残胶率及制成率Tab.3 Residual gum rate and produced fiber rate of the degummed sisal fiber

2.1.3 剑麻纤维白度及细度实验结果

处理后剑麻纤维白度、细度实验结果如表4。

表4 剑麻纤维白度和细度结果Tab.4 Fiber whiteness and fineness of the degummed sisal fiber

2.1.4 剑麻纤维拉伸实验结果

处理后剑麻纤维拉伸性能如表5。

表5 剑麻纤维拉伸性能Tab.5 Results of tensile properties of the degummed sisal fiber

2.2 试验结果分析

2.2.1 对处理后纤维的制成率、残胶率的正交分析

对柔软处理纤维的制成率、残胶率的正交分析如表6所示，通过对表中RJ的数值分析可得，四因素对纤维的残胶率影响大小的顺序为：助剂种类>NaOH用量>煮练时间>预处理；最优方案为：C3B1D2A3。通过对表中CJ的数值分析可得，四因素对纤维的制成率影响大小的顺序为：煮炼时间>助剂种类>预处理>NaOH用量；最优方案为：D1C2A1B2。

2.2.2 对柔软处理纤维的白度、细度的正交分析

对柔软处理纤维的白度，细度的正交分析如表7所示，通过对表中RJ的数值分析可得，四因素对纤维的白度影响大小的顺序为：NaOH用量>预处理>煮炼时间>助剂种类；最优方案为：B3A3D2C2。通过对表中CJ的数值分析可得，四因素对纤维的细度影响大小的顺序为：NaOH用量>预处理>煮炼时间>助剂种类；最优方案为：B3A3D3C3。

表6 纤维制成率、残胶率正交分析表Tab.6 Results of orthogonal experiment about the produced fiber rate and the residual gum ratio

表7 纤维白度、细度正交分析表Tab.7 Results of orthogonal experiment about fiber whiteness and fineness

2.2.3 对柔软处理纤维的断裂强力，断裂伸长率的正交分析

表8 纤维断裂强力、伸长率正交分析Tab.8 Orthogonal table of fiber breaking tenacity and elongation

对柔软处理纤维的断裂强力，断裂伸长率的正交分析如表8所示，通过对表中RJ的数值分析可得，四因素对纤维的强力影响大小的顺序为：预处理>NaOH用量>煮炼时间>助剂种类；最优方案为：A1B1D1C2。通过对表中CJ的数值分析可得，四因素对纤维的伸长率影响大小的顺序为：预处理>助剂种类>NaOH用量>煮炼时间；最优方案为：A3C3B1D3。

3 结论

3.1 在剑麻的脱胶处理过程中，预处理、NaOH用量、助剂种类、煮练时间四因素对纤维得各种性能的指标的影响大小顺序及最优方案如下：

①对纤维残胶率的影响：助剂种类>NaOH用量>煮炼时间>预处理。最优方案为：C3B1D2A3

②对纤维制成率的影响：煮炼时间>助剂种类>预处理>NaOH用量。最优方案为：D1C2 A1B2

③对纤维白度的影响：NaOH用量>预处理>煮炼时间>助剂种类。最优方案为：B3A3 D3C3

④对纤维细度的影响：NaOH用量>预处理>煮炼时间>助剂种类。最优方案为：B3A3 D2C2

⑤对纤维强力的影响：预处理>NaOH用量>煮炼时间>助剂种类，最优方案为：A1B1D1C2

⑥对纤维伸长率的影响：预处理>助剂种类>NaOH用量>煮炼时间，最优方案为：A3C3B1D3

3.2 不同的剑麻脱胶处理方式对剑麻纤维性能有不同影响，在进行实际生产时应根据不同的产品要求选择合适的处理工艺，同时还必须兼顾成本、环保、生产可持续性等条件。

[1]唐爱民,梁文芷.纤维素预处理技术的发展[J].林产化学与工业,1999,19(4):81-84.

[2]朱长风,廖双泉.热带植物纤维的特性及其预处理[J].热带农业科学,2007(1):73-79.

[3]纺织工业部标准化研究所.GB5882-86苎麻化学成分定量分析方法[S].北京：中国标准出版社,1986.

[4]张波,陆绍荣,王敏,刘婷.剑麻纤维／聚丙烯复合材料物理力学性能的研究[J].中国人造板,2009(1):13-17.

[5]P.J.A.Sobral，E.S.Monterrey-Q，A.M.Q.B.Habitante.Glass Transition Study of Nile Tilapia Myofibrillar Protein Films Plasticized by Glycerin and Water[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2002，67(2):499-504.