微波加热黄蜀葵纤维碱煮脱胶工艺研究

包肖婧，刘津玮，张 彦，李德朴

(青岛大学，山东 青岛 266071)

黄蜀葵纤维属于韧皮类纤维,类似麻类纤维，因此可以按照麻类纤维的工艺进行制取韧皮纤维。其制取的重要工序是将黄蜀葵原麻中的胶质和木质素有效去除，以获得较理想的韧皮纤维。目前，韧皮类纤维主要的脱胶工艺是化学碱煮脱胶工艺，加热方式是水浴锅加热，加热时间一般较长，而且会影响黄蜀葵纤维的强力和品质。因此开发新型、高效的黄蜀葵脱胶工艺成为了一种趋势[1]，同时对促进麻类原料生产和保证麻类产业的持续健康发展具有重要意义。

微波是一种波长在0.1～100 cm的电磁波，它的频率在0.03～300 GHz范围之间。目前，微波技术已经在植物纤维的预处理中有所应用，主要集中于植物纤维发酵生产物质能源以及纸浆的生产领域[2]。在麻业生产与加工中，微波辐照法逐渐成为研究的热点，其中，青岛大学杨英贤[3]曾将微波技术应用于罗布麻脱胶的预处理环节，辅助超声波脱胶技术取得了较好效果。韩国军等人也将微波技术应用到大麻脱胶中，同样取得了良好效果，但将微波辐照法应用于黄蜀葵纤维的脱胶工艺中则鲜有报道。本研究尝试将微波辐照技术用于黄蜀葵纤维的制取中，寻找一种较为适合的黄蜀葵纤维快速脱胶工艺，以弥补化学脱胶工艺中的不足。

1 实验

1.1 原材料

黄蜀葵韧皮，取中部秸秆为原料。

1.2 试验仪器

APEX微波化学工作室，电子天平，Y801A八篮恒温烘箱，电子万能炉。

1.3 实验试剂

硫酸，氢氧化钠，双氧水，双氧水稳定剂，二氧化钡。

1.4 测试方法

依照GB 5889—1986苎麻化学成分定量分析方法测定化学成分及残胶率。

1.5 脱胶工艺流程

黄蜀葵韧皮→预酸处理→水洗→碱煮→水洗→烘干。

1.6 微波预酸处理工艺条件

硫酸浓度1 mL/L，温度50℃，处理时间 16 min，浴比 1∶20。

1.7 微波碱煮黄蜀葵纤维工艺条件

氢氧化钠浓度10～14 g/L,双氧水浓度10～14 g/L，温度80～100℃,碱煮时间10～60 min,浴比 1∶20。

2 结果与讨论

2.1 化学成分分析

黄蜀葵韧皮化学组分测定结果见表1，并与苎麻、亚麻、大麻和罗布麻[4-8]进行了对比。

由表1可知，黄蜀葵所含的纤维素少于其它麻类，半纤维素和水溶物含量均高于其它麻类，果胶和脂腊质含量与其它麻类相比差别不大，木质素含量高于其它麻类。由于木质素是芳香族高分子化合物，其结构单元为苯环上有3个碳原子侧键的芳香族物质，并且具有三维空间结构，因此化学性质非常稳定，很难溶解于碱液中，这影响了胶质的充分去除。常规的麻类脱胶方法都不能有效解决胶质含量高的困难，尤其是木质素的去除[5]。通常以损伤纤维素强力为代价，用浓碱或高温高压蒸煮的方法来降低木质素含量，但效果一般[6]，并且严重制约了黄蜀葵优质产品的开发。

表1 常见麻类化学成分组成分析

2.2 碱煮工艺

2.2.1NaOH浓度对脱胶效果的影响

按照1.5和1.6的工艺流程和工艺条件，微波功率设定为600 W,浴比为1∶20，处理时间45 min，采用不同用量的NaOH对黄蜀葵纤维处理后，测得黄蜀葵纤维的残胶率变化见图1。

图1 NaOH浓度对残胶率的影响

由图1可以看出：在实验所规定的范围内，随着NaOH浓度的升高，残胶率逐渐降低，说明加碱明显改善微波辐照的脱胶效果，当NaOH含量达到10 g/L时，残胶率达到最低0.57%，但是随着NaOH浓度增加，残胶率有上升趋势。随着NaOH浓度增大，纤维素的润胀度加大，纤维素大分子结构不均一，苷键对化学药品具有不同的稳定性，对化学键造成一定程度的破坏，纤维素强度下降[7]，说明碱浓度过高会影响纤维的脱胶，同时也降低了纤维的强度，浪费了原料，减少了黄蜀葵纤维的纺织用价值。因此，根据残胶率指标确定纤维脱胶的情况，确定NaOH浓度为10 g/L。

2.2.2时间对脱胶效果的影响

按照1.5和1.6的工艺流程和工艺条件，微波功率为600 W,浴比为1∶20，NaOH浓度为10 g/L ,采用不同的处理时间后，测得黄蜀葵纤维残胶率的变化结果如图2所示。

图2 微波辐照时间对残胶率的影响

由图2可以看出，随着时间的延长，纤维的残胶率总体呈逐渐下降趋势，整个过程分为四个阶段。

(1)起始段。残胶率的变化曲线下降呈陡变状态，按照水相体系中纤维素纤维的界面动电化学扩散双电位理论可得出，纤维与水溶液接触时，表面获得电荷，并且电荷层结构为双层结构，一层是紧密地在纤维表面的吸附层，另一层是在第一层的外侧。在起始阶段，碱液中的化学电位显然高于原麻纤维体系。由于黄蜀葵纤维的表面带有负电位，Na+进入纤维表面及空隙，与胶质发生化学反应，形成复合盐和溶出胶束并扩散进入溶液。开始时，因为溶液的化学位势垒高于黄蜀葵纤维表面，产生大的亲和力使胶质溶出并迅速扩散，从而使残胶率的曲线下降较快。

(2)平衡期。残胶率的变化曲线在30～40 min段的变化呈缓慢状态。这是由于易溶于碱液的成分在起始阶段已经基本反应完全，剩下的成分半纤维素中的聚木糖和聚葡萄糖甘露糖成分抗碱性顽固，此外碱液需进入纤维结晶区结构才能发生进一步反应，因此该阶段残胶率变化缓慢，主要是碱液分子逐步渗透到纤维结晶区，为下一步反应做好准备。

(3)形成段。 残胶率在变化曲线40～50 min段下降呈快速状态。经过第一平衡阶段的渗透作用，随着时间延长反应体系的温度进一步升高，碱液分子开始作用于结晶区内的化学成分，发生与起始阶段类似的化学反应。随着碱煮时间延长，当溶液逐渐形成多糖高分子物溶液，其化学位逐渐与原麻纤维体系平衡时，在形成段的末期出现残胶率趋于稳定平衡状态。

(4)稳定段。残胶率在变化曲线50～60 min段下降呈缓慢状态。此时，黄蜀葵韧皮纤维表面开始形成被覆的多糖高分子物凝胶，阻止了Na+进入黄蜀葵纤维的内部。但由于煮练液的热力学运动，仍有少部分Na+在高势垒的势能作用下克服障碍进入到黄蜀葵纤维体系里，继续与负电位键结合发生化学反应，继续使残余胶质生成可溶性盐，并在煮练液界面动电化学作用下溶出[9]。

综上所述，控制黄蜀葵纤维碱煮时间十分关键，本实验条件下控制在30～50 min较为合适。

2.2.3微波辐照温度对脱胶效果的影响

按照1.5和1.6脱胶工艺流程和微波辐照黄蜀葵纤维的碱煮工艺条件，时间为45 min,NaOH浓度为10 g/L，浴比1∶20，采用不同微波辐照温度处理后，测得黄蜀葵纤维的残胶率变化结果如图3。

图3 微波辐照温度对残胶率影响

由图3可以看出，随着温度的升高，煮液中极性分子的运动加快，黄蜀葵纤维内的大分子运动也加快，从而加快了脱胶反应速率，同样时间内黄蜀葵纤维的残胶率随温度升高而逐渐降低，但考虑到温度太高会使纤维中的纤维素分解，从而影响纤维的强力，控制温度在适当范围内是必要的。当在95～100℃时残胶率达到一个平衡值0.30%左右，同时强力也适合纺织用，因此在实验所考查范围内，黄蜀葵纤维的微波处理温度定在95℃较为理想。

2.2.4黄蜀葵纤维基本形态

图4和图5分别为黄蜀葵韧皮和经脱胶后制得的黄蜀葵纤维。

由图4和图5可以看出，黄蜀葵韧皮由微波辐照法经上述工艺制得的黄蜀葵纤维，色泽良好，粗细均匀，可适用于纺织行业。

图4 黄蜀葵韧皮

图5 黄蜀葵纤维

3 结语

3.1微波辐照法黄蜀葵纤维脱胶工艺大大缩短了黄蜀葵的脱胶时间。由传统的化学碱煮脱胶所需的90～240 min缩短到了50 min左右。

3.2微波处理时间、碱液浓度、处理温度是影响微波强化处理黄蜀葵脱胶效果的3个重要因素。在本实验条件下，当微波处理时间在50 min左右、碱液浓度在10 g/L左右、处理温度在95℃左右时的脱胶效果较为理想。碱液浓度为10 g/L、处理时间为50 min、处理温度在95℃时获得最佳的残胶率为0.36%。

3.3经上述工艺制得的黄蜀葵纤维适用于纺织行业。

参考文献：

[1] 王淑芹.黄蜀葵的开发利用[J].中国土特产, 1995,(3):14.

[2] 熊和平.我国麻类产业现状与对策[J].中国麻业科学，2009，31(2)：113—117.

[3] 王玲芳，成功，覃将伟，等.微波技术在麻业生产加工中的应用[J].广西纺织科技，2009，38(5)：32—33.

[4] 杨英贤，姜宜宽，张书策.罗布麻微波-超声波脱胶工艺的研究[J].毛纺科技，2009，(9)：27—30.

[5] 王德骥.苎麻纤维化学与工艺学脱胶与改性[M].北京：科学出版社，2001.

[6] 张毅，郁崇文.云南亚麻化学脱胶工艺研究[J].纺织科技进展，2009，(3)：68—70.

[7] 温桂清，孙小寅，郝凤鸣.大麻生物酶-化学联合脱胶工艺研究[J].北京纺织，2001,22(6)：19.

[8] 杨英贤，宁福军.超声波在罗布麻脱胶预处理中的应用[J].纺织导报，2005，(5):25—26.

[9] 徐旭峰，陈鹏，陈创鑫，等.微波强化碱处理黄麻快速脱胶工艺研究[J].上海纺织科技，2010，38(12)：28.