菠萝叶纤维的脱胶工艺及其结构与性能研究

周姝敏

（武汉软件工程职业学院，湖北武汉 430205）

菠萝叶纤维由纤维素、果胶、有机物、木质粉等主要成分组成，其中纤维素占57%[1-2]。土地、降雨量、湿度、肥料不同，纤维成分耐无机酸、氧化剂等的稳定性也不同，脱胶工艺也会影响纤维的组织结构与功能[3-4]。目前纤维脱胶工艺包括发酵法脱胶工艺、化学脱胶工艺、机器脱胶工艺、超声波脱胶工艺、冷冻放射脱胶工艺等[5-6]。工业生产中最常用的是化学脱胶工艺与酶法脱胶工艺，同时安全环保将成为未来纺织纤维脱胶工艺的发展趋势[7]。

本实验主要研究了酶法脱胶工艺与化学脱胶工艺处理后菠萝叶纤维的结构变化，并且分析了纤维性能的变化。

1 实验

1.1 材料

菠萝叶纤维来源于广东省湛江地区，从我国热带农业科学研究院自行研制的CA-267 型菠萝麻刮麻机中获取，脱胶酶为市售商品，其他化学试剂均为分析纯。

1.2 脱胶工艺

1.2.1 化学脱胶工艺

在已有研究[8]的基础上对传统化学脱胶工艺进行改进，过程为：预酸（硫酸1.6 g/L，浴比1∶8，60 ℃，浸泡1 h）→煮练（氢氧化钠15 g/L，泡花碱3.0%，三聚磷酸钠3.0%，脂肪醇聚氧乙烯醚0.2%，浴比1∶20，100 ℃，5 h）→酸洗（硫酸15 g/L）→水洗→脱水→精炼（氢氧化钠150 g/L，50 min）→酸洗（硫酸15 g/L）→水洗→脱水→膏油（膏油程度2%，100 ℃，1 h）→脱水→抖麻→晾干。

1.2.2 酶法脱胶工艺

菠萝叶纤维预浸泡（60 ℃，1 h）→酶脱胶（10%酶适量，60 ℃，pH 为9.0，磷酸盐0.2 mol/L，晃动5 h）→敲击→洗涤→漂白（过氧化氢20%，泡花碱3.0%，100 ℃，20 min）→给油（给油量5%，100 ℃，1 h[9]）→晾干。

1.3 测试

1.3.1 纤维组织形状结构

将样本放置于纤维切割器中切割，将切割样品铺在样品台上，通过真空溅射镀金后，采用S-5000型扫描电子显微镜观察纤维表面与截面的微观形貌。

1.3.2 傅立叶红外光谱

选取2 mg 样本和250 mg 干燥的溴化钾，在玻璃瓶中混合搅匀，充分研磨后压片，将锭片取出，放置于固体标本检测台上，使用Spectrum GX-1 型红外光谱仪进行检测，检测范围5 000～500 cm-1。

1.3.3 热性能

把样本撕成碎片后放入标本池中，平衡后使用STA 450C/5/G 型热分析仪进行TG/DTG/DSC 图谱检测。检测条件：温度30～750 ℃，升温速率15 ℃/min，空气氛围，气流速度55 mL/min。

1.3.4 力学性能

按照GB/T 18147.56—2500 进行分裂度检测；按照GB/T 18147.4—2500进行纤细程度检测。

2 结果与讨论

2.1 形状组织结构

酶法脱胶（a）以及化学脱胶（b）菠萝叶纤维的表面组织见图1。

图1 酶法脱胶（a）以及化学脱胶（b）菠萝叶纤维的表面组织

由图1可知，使用酶法工艺与化学工艺进行脱胶后，菠萝叶纤维呈现束状平行排列，并且无弯曲，表面凹槽明显，高低不平。酶法工艺脱胶的菠萝叶纤维间隔度较小，表面被较厚的包裹层遮盖，杂质较多；化学工艺脱胶的菠萝叶纤维表层有小孔，和纤维空隙相连，表层有枝节，条纹显著，纤维间隔度较佳，杂质较少。

2.2 傅立叶红外光谱

由图2可知，酶法脱胶的菠萝叶纤维在3 322.99 cm-1处有较大的吸收峰，为O—H的伸缩振动吸收带，该吸收带比较宽，与化学脱胶的菠萝叶纤维差异较大，化学脱胶的菠萝叶纤维吸收带较小，这与化学脱胶的菠萝叶纤维表层有氢键存在相关。2 902.14 cm-1（C—H 伸缩振动）、2 162.50 cm-1（C—O 伸缩振动）、1 626.68 cm-1（吸附水）、1 430.03 cm-1（—CH2—伸缩振动）、1 318.94 cm-1（C—H 伸缩振动）、1 026.86 cm-1（环状醚键的C—O 伸缩振动）处的吸收峰与化学脱胶差异不明显。1 800～1 200 cm-1处的红外光谱有显著差别，酶法脱胶的菠萝叶纤维在1 026.86 cm-1处的吸收峰比化学脱胶的菠萝叶纤维高，这与酶法脱胶过程中的部分成分有关。

图2 酶法脱胶菠萝叶纤维的红外光谱

2.3 TG、DTG

脱胶后的菠萝叶纤维在空气与氮气氛围中的解析过程大致相同，都分为3个阶段：（1）纤维的失水过程，主要为样品中吸附水的升华；（2）热分解过程，纤维素组织结构发生变化直至分裂，期间产生某些可挥发有机物或不稳定有机物；（3）热分解直至炭化。由表1可知，在空气与氮气氛围中，化学脱胶的菠萝叶纤维水分升华温度均低于酶法脱胶，这主要与酶法脱胶的菠萝叶纤维表层的半纤维素等消失有关。相关报道指出，纤维凝结度越大，吸收的水分子就越少，水分子将在更低的温度中升华。化学脱胶的菠萝叶纤维在空气与氮气氛围中的热损耗温度与酶法脱胶大致相同。化学脱胶的菠萝叶纤维在空气中的热解析温度高于酶法脱胶，这极有可能是因为酶法脱胶过程中出现该温度范围内不容易解析的杂质。除水分质量损耗外，化学脱胶的菠萝叶纤维质量损耗与酶法脱胶大致相同。TG、DTG 研究结果表明，脱胶工艺对菠萝叶纤维的热稳定性产生了影响，但影响并不明显。

表1 菠萝叶纤维的TG、DTG研究结果

2.4 DSC

由表2可以看出，酶法脱胶的菠萝叶纤维DSC曲线在空气中出现两个放热峰，第一个放热峰开始温度（326.7 ℃）和化学脱胶的菠萝叶纤维（324.6 ℃）并无显著差别，此时纤维的组织结构开始改变，直至达到最高温度346.6 ℃，这一阶段纤维的热分解产生在无定形区。404.6 ℃时产生高而窄的第二个放热峰，直至达到最高温度415.2 ℃，这可能是因为纤维组织内部无定形区缩小，有序度增加并进入结晶区，分子于晶体表层与晶体组织内部重新排序，伴随着温度升高有序度不断提高，纤维分解产生某些低分子质量容易燃烧的有机物，进而放热量升高。化学脱胶的菠萝叶纤维在324.6 ℃开始产生第一个放热峰，直至达到最高温度338.9 ℃，431.2 ℃时产生第二个放热峰，直至达到最高温度439.1 ℃。化学脱胶的菠萝叶纤维放热量（1 299.0、1 194.0 J/g）均高于酶法脱胶纤维（629.1、1 139.0 J/g）。

在氮气氛围中，酶法脱胶的菠萝叶纤维在43.4～118.2 ℃的吸热峰为水分子升华产生，因为水分含量升高，所以产生一个吸热峰，吸热量为69.7 J/g；化学脱胶的菠萝叶纤维无显著的吸热峰，这与TG、DTG研究结果一致。除此之外，酶法脱胶的菠萝叶纤维在333.1～377.5 ℃产生第二个吸热峰，355.4 ℃为最高温度，吸热量为340.6 J/g；化学脱胶的菠萝叶纤维在344.6～371.2 ℃有吸热峰，358.8 ℃为最高温度，吸热量为236.4 J/g。化学脱胶的菠萝叶纤维热解析起始温度高于酶法脱胶，这可能是因为化学脱胶过程中有热稳定性较好的物质产生。纤维在这一阶段发生分解，需要吸收热量，吸热量越大，稳定性越好。

表2 菠萝叶纤维的DSC研究结果

2.5 力学性能

由表3可知，酶法脱胶的菠萝叶纤维线密度大于化学脱胶的菠萝叶纤维，这是由于在进行酶法脱胶的过程中，部分果胶分解，半纤维素等胶体剔除程度较低，因而具备较低的分裂度，酶作用于纤维较为温和，进而断裂强度损耗较低；而化学脱胶通过较强的酸碱作用，分裂度较佳，线密度较低，但会损伤纤维，降低断裂强度。菠萝叶纤维通过酶法脱胶后需要进一步处理才能符合纺细特纱的要求。

表3 菠萝叶纤维的力学性能

3 结论

（1）酶法脱胶的菠萝叶纤维呈现束状平行排列，并且无弯曲，有凹槽，表层高低不平，和化学脱胶的菠萝叶纤维相比表层粗糙，间隔度较小，杂质较多。

（2）酶法脱胶的菠萝叶纤维除具备纤维素的特点外，半纤维素的特征峰依旧存在，纤维纯度较低。

（3）酶法脱胶的菠萝叶纤维热分解机制与化学脱胶的菠萝叶纤维大致相同，在空气氛围中，第3 阶段热分解开始时，温度比化学脱胶低；两种脱胶工艺在氮气氛围中的热分解温度大致相同。酶法脱胶的菠萝叶纤维在空气氛围中的热分解放热量比化学脱胶菠萝叶纤维高。酶法脱胶的菠萝叶纤维热稳定性比化学脱胶的菠萝叶纤维好。

（4）酶法脱胶的菠萝叶纤维分裂度比较大，线密度比较高，需要进一步处理来提升纺纱性能。