自动苎麻化学脱胶试验仪的研制

冷鹃，肖爱平，廖丽萍，杨喜爱，刘亮亮，黎宇

(中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205)



自动苎麻化学脱胶试验仪的研制

冷鹃，肖爱平，廖丽萍，杨喜爱，刘亮亮，黎宇

(中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205)

摘要：苎麻化学脱胶包括酸浸、碱解、水洗或给油、分离等工序，传统化学脱胶方法脱胶时间长、劳动强度大。为提高实验室苎麻样品化学脱胶效率、减轻劳动强度、节约脱胶成本，开展了全自动苎麻化学脱胶试验仪的研制工作。该仪器由酸浸、碱煮、再酸浸、再碱煮、给油五道工序完成苎麻化学脱胶过程，每道工序均包含进水、加热、排液、冲洗、排水五个动作，将苎麻化学脱胶每道工序的五个动作采用微机控制，每个动作根据设计时间和温度循环执行，依次完成，并通过触摸屏输入、数据显示和界面指引的方式，自动完成苎麻的化学脱胶过程。试验结果表明，该仪器操作简单、脱胶效果好，脱胶后的苎麻精干麻理化指标符合《苎麻精干麻》(GB/T 20793-2015) 质量要求，实现了实验室苎麻样品化学脱胶自动化。

关键词：苎麻；化学脱胶；自动化；试验仪

苎麻化学脱胶制成率、细度、强度等内在品质检测与质量评价，需对苎麻样品进行化学脱胶处理，即通过酸浸、碱解、水洗或给油、分离等一系列物理、化学处理过程，去除水溶物、果胶、半纤维素等非纤维素成分[1-3]，获得苎麻精干麻试样才能进行检测评价。苎麻精干麻试样直接烘干称量得到苎麻化学脱胶制成率，并依据相关标准检测苎麻纤维细度、强度，结合感官品质、杂质、长度检验对苎麻整体品质评价。

目前实验室一般对苎麻样品化学脱胶制备精干麻试样的方法基本上采取烧杯或耐酸耐碱的不锈钢锅等加热容器，通过普通电炉加热、木槌拷打冲洗而制备，这种制备方法为纯人工操作、存在操作不便、过程繁琐、控温效果不佳、安全系数差、成本偏高、脱胶不彻底、制备的试样不均匀，最终导致理化性能指标检测结果出现偏差，影响苎麻品质评价。

为了解决现有技术方法的不足，研制一种适应实验室用苎麻样品化学脱胶的新型高效自动化仪器十分必要。

1仪器结构

自动化设备的主体为箱体，在箱体的一侧设置有试液槽，在其两侧对称设有超声波振子，试液槽的上部外侧固定设置有5个试剂仓，各试剂仓的底部一侧均设置有开口，并与试液槽连通；各试剂仓的底部另一侧分别与进水支管连通，进水支管分别与进水主管连接在一起，各进水支管上分别设置有电磁阀；在试液槽底部设置有排水口，排水口与排水泵连接，排水泵的排水口与排水管连接，设置在箱体顶部一侧的控制板分别与电磁阀、排水泵电连接。(见图1、图2)。

1：箱体；2：试液槽；3：试剂仓；4：控制板；5：排水泵；6：电磁阀；

图2　自动化学脱胶仪实物样机

2化学脱胶方法

苎麻化学脱胶[4-5]包括酸浸(用1 g/L～2 g/L的H2SO4溶液在50℃～60℃下浸泡1 h，再用清水冲洗干净)、碱煮(用7 g/L 的NaOH、4.5 g/L 的Na2SiO4的混合溶液在恒温100℃下，碱煮1.5 h，然后用清水洗净)、再酸浸(用1 g/L～2 g/L H2SO4溶液在常温下浸泡5 min，再用清水冲洗干净)、再碱煮(用10 g/L的NaOH、2 g/L 的三聚磷酸钠混合溶液，在100℃下继续碱煮3 h，再用清水漂洗干净)、给油(用2%(v/v)的乳化油液，在90℃～100℃下，浸泡3 h～4 h，捞出凉干或烘干，获得精干麻)等五道工序，工序的麻液比值为0.1 g/mL。

3工作原理

本仪器依据苎麻化学脱胶程序设计，其酸浸、碱煮、再酸浸、再碱煮、给油，每道工序均包含进水、加热、排液、冲洗、排水五个动作，并开启伴随超声震荡自动完成。

进水：设置了五道水源，分别对应五个试剂仓，执行时，水源开启将本道水源对应的试剂仓投放的试剂或试液冲洗入试液槽内。

加热：达到设定水位后，开启加热，达到设定温度，仪器开始计时，执行设定的时间。

排液：时间达到后，停止加热，仪器自动排空试液槽内的液体。

冲洗：水源注入到设定水位，仪器自动开启排水功能，持续冲洗至设定时间。

排水：达到冲洗时间后，仪器将试液槽内的水排空，等待进入下一个环节。

4样机设计

4.1软件设计

开机初始界面[6-7](见图3)：按“中文”或者”ENGLISH”后，“进入系统”键将进入设定界面；英文初始界面(见图4)：选择”ENGLISH”后，按“ENTER”键将进入设定界面；设定选择界面(见图5)：设定界面有五项操作按钮，“系统时钟”、“外设自检”、“温度校正”、“参数设定”等，以及“进入工作状态” 按键；各外设自检界面(见图6)：用于检验各功能元件是否正常工作水位开关，其中K1代表高水位，本水位开关是为了避免加水失控，K2代表实验过程中执行的水位，K3为低水位，检测排水是否排空之用。进水开关：1、2、3、4、5分别对应五道工序的加溶剂的工位，自检时，按下对应的按钮，将开启对应的水源，将水直接进入试液槽，松开按钮即停止进水。排水：按下时，排水泵开始工作，将试液槽内的水上扬排出，松开按键即停止排水。加热：按下时，电热管通电加热，松开即停，切忌长时间按住，避免干烧损坏电热管。报警：按下时，警报响起，用于验证警报是否正常，松开即停。震荡：按下时，试液槽内料篮开始往复动作，松开即停。返回：按返回键，将退出自检界面；温度传感器校正(见图7)：用于对传感器进行修正，达到实际温度与计量温度一致。当试液槽内的计量温度与显示温度有偏差时，可以在本界面对显示温度进行±10.0℃范围之内修正。该修正值被存储在仪器中，在以后的试验中执行；各工序设定(见图8)：本界面完成对每道工序的温度、时间、清洗时间以及是否需要震荡的要求，震荡动作在加热时启动；工作状态(见图9)：本界面在工作过程中，显示相关状态，以及参与控制。工序复位：如果在执行过程中，需要在停止后重新执行这个工序，按住工序复位按键三秒以上，从本道工序的起始动作开始重新执行，如果试液槽内有水时，工序复位将从“加热”开始。“停止”、“启动”用于人工暂停动作，参与实验过程后，按“启动”继续后续动作。捶打 ON ：本功能为“碱煮”工序在清洗后启用，在清洗结束后，弹出提示框，是否进行捶打，由操作者将植物纤维在外部空间操作完成捶打后，再将料筐放入试液槽后，按“捶打OFF”，则仪器继续后续工作。返回：退出工作状态界面，返回到“设定选择界面”。

图3　开机初始界面　　　　　　　　　图4　英文初始界面

图5　设定选择界面　　　　　图6　各外设自检界面

Fig.5Set selection interfaceFig.6The peripheral interface self-test

图7温度传感器校正图8各工序设定

Fig.7Temperature sensor calibrationFig.8The process set

图9　工作状态

4.2硬件设计

仪器的外部设置硬件完成各项功能要求，包括水位调节开关、物料筐、水位调节开关[8-14](见图10)：在仪器右侧箱体上有水位调节开关，水位调节开关有最低水位、实验水位和最高水位，由三个传感器完成实施监控。在实验前，操作者需要根据实验样品的多少，确定加入水溶液的多少，本仪器最低水位15 L，操作者通过升降可调手柄在刻度尺上面的位置，完成试液槽内注入水溶液的容量控制。

料筐(见图11)：不锈钢料筐，便于取放到震荡架上，以便于试验过程中，样品与溶液充分接触。料筐采用了304不锈钢框架和耐腐蚀不锈钢网。

震荡速度调节器(见图12)：由于化学脱胶实验过程较长、震荡工作量大，为避免频繁调节速度，本仪器设计了震荡速度调节器。调速器位于仪器后面，打开仪器后盖可清楚看到，该调整器保证了仪器在脱胶过程中平稳运行。

排水管(见图13)：设计有动力上扬排水，排水管管口要高于试液槽内液面放置，需要排水时仪器将自动增压将试液槽内水上扬排出，不需要人工取放水管。为避免排水管内在排水过程中成虹吸，管口不要封闭接入下水管道，要留出空隙。

图10水位调节开关图11料筐

Fig.10Level control switchFig.11Basket

图12震荡速度调节图13排水管

Fig.12Shock speed adjustmentFig.13Drainage pipe

5试验与结论

5.1试验

分别称取1 kg左右的苎麻原麻2份，对经用自动苎麻化学脱胶试验仪和不锈钢锅进行化学脱胶得到的苎麻精干麻纤维，从制成率、残胶率、白度、硬条、单纤维断裂强力等参数方面进行了测定比较试验(结果见表1)。

表1两种精干麻残胶率、白度、硬条及单纤维断裂强力检测结果

Tab.1Comparison of yield of ramie fiber，residual gum percentage, white degree, hard strip and breaking strength

脱胶方式制成率/%残胶率/%白度/%硬条/mg/g强力/CN脱胶试验仪66.252.7657.81.8545.32不锈钢锅65.312.8856.42.0146.20

5.2结论

该自动仪结构合理、操作简单、成本费用低、安全可靠，通过其制备得到的精干麻试样均匀一致，可极大的提高苎麻纤维品质评价准确度。

(1)采用微机控制，触摸屏输入和显示数据，由界面指引，完成时间、温度设定，可以控制排水和时间清零，可以修正时间日期、调整显示屏幕亮度、停止控制。简单操作，一目了然。

(2)防干烧功能，配备无触点感应开关，缺水情况下，加热功能不启动，有效保护仪器不被烧毁；电机热保护功能，对于长期连续工作达到设定温度，进入保护状态，电机停止工作，知道温度下降后方可恢复工作，有效避免不必要的故障损失；到时报警提醒功能，达到设定时间，显示提醒，并蜂鸣器报警。

(3)双试液槽分别控制，单独计时和控温，互不干扰，使操作者可以同时进行不同标准的试验。传动轴为直通式，固定端均采用不锈钢防水轴承，不会出现溢水现象，采用双层带轮传动，使装卸试验杯时点动动作柔和，实验过程运行时噪音小。

(4)用自动苎麻化学脱胶仪脱胶与不锈钢锅脱胶相比，脱胶程序由原来纯手工操作升级为全过程自动化，且操作简便快捷，升温速度快，控温效果好。从5.1试验结果表明，前者与后者相比，得到的精干麻脱胶更均匀，制成率更高，残胶率低，白度高，硬条少，能满足苎麻制成率、细度、强度等品质指标检测与质量评价。

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Development of Automatic Ramie Chemical Degumming Tester

LENG Juan,XIAO Aiping, LIAO Liping, YANG Xiai, LIU Liangliang，LI Yu

(Institute of Bast Fiber Crops,Chinese Academy of Agriculture Sciences ,Changsha 410205，China)

Abstract:In order to improve the efficiency of chemical degumming for laboratory ramie samples, reduce labor intensity and save cost, the test of automatic ramie degumming apparatus was carries out. Chemical degumming method of ramie was divided into five steps, acid leaching, alkali cooking, acid leaching, alkali cooking and oilling. Each process was divided into five operations, feedwater, heating, drainage, irrigation and drainage. Automatic test instrument for ramie degumming was controlled by microcomputer and designed for loop execution with different time and temperature. The input and display of data were completed through the touch screen by interface guidelining. The results showed that the instrument had the advantages of simple operation, good effect of chemical degumming, and the ramie after chemical degumming can meet the requirements of laboratory quality testing. The automatic chemical degumming of ramie sample in lab was realized.

Keywords:ramie; chemical degumming; automation; test instrument

中图分类号：S563.1

文献标识码：A

作者简介：冷鹃(1968-)，男，高级实验师，主要从事纤维及制品检测技术研究、标准制修订与风险评估。E-mail:leng4695@sina.com。

基金项目：农业部植物纤维产品风险评估实验室

收稿日期：2015-10-18

文章编号：1671-3532(2016)02-0079-06