竹笋壳纤维酸预处理脱胶工艺优化

杨银芝，方凯炀，刘雨晴，刘 拯，2，曹新旺，2

(1.武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430200；2.湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室，湖北 武汉 430200)

竹笋壳是竹材生长过程中的废弃物，是一种可降解的天然纤维，竹笋壳大多被就地掩埋或直接作为农业废弃物焚烧，没有被很好地利用，造成了相当大的资源损失和环境问题[1-2]。以竹笋壳为原料提取其中的纤维素可以缓解原料需求紧张的问题，目前已有的脱胶方法主要有物理脱胶[3]、化学脱胶、生物脱胶等[4-9]，相对于其他方法而言，化学脱胶法处理更加快速、节省时间。Zhou等[10]利用芬顿试剂和过氧化氢对亚麻纤维进行脱胶处理，使得脱胶后纤维的品质有了很大的提高，但断裂强力减弱。周晓洁等[11]采用预浸酸、碱煮等工艺对竹笋壳材料进行脱胶，得出了最佳脱胶方法，但脱胶工艺繁琐。Cui等[12]使用蒸汽爆破分散纤维，这种方法能有效地去除大部分的非纤维素成分，但对设备要求较高。

研究采用酸预处理结合碱氧-浴法脱胶工艺获取竹笋壳纤维，并加入一定的脱胶助剂增加原料与试剂的接触面积加快反应速度，结合红外光谱仪对提取的竹笋壳纤维的性能进行了研究。

1 实验

1.1 材料与仪器

研究中使用的原料为武汉纺织大学纤维园区成熟自然脱落的竹笋壳、98%硫酸、NaOH、30%H2O2、硅酸钠、亚硫酸钠、三聚磷酸钠等化学物质均为实验室级(阿拉丁化学注册公司，上海，中国)，HH-ZK6恒温水浴锅(巩义市予华仪器有限责任公司)。

1.2 竹笋壳脱胶工艺流程

竹笋壳预处理→酸预处理→水洗→碱煮→水洗→酸洗→烘干→竹笋壳纤维。

竹笋壳预处理：将竹笋壳切成小块(纵向30 mm，横截面2 mm×2 mm)，然后用50 ℃的温水清洗去除表面的杂质及绒毛，再将其放在70 ℃的烘箱中至烘干。

酸预处理：预处理过的竹笋壳用2 mL·L-1浴比为1∶40的浓硫酸在温度为60 ℃的水浴锅中加热1 h。

水洗：常温下用清水将竹笋壳洗涤至中性，并将其放入烘箱中70 ℃烘干备用。

碱煮脱胶：在高温碱性条件下去除竹笋壳中的半纤维素、木质素、果胶等非纤维素成分。并添加适量的硅酸钠、亚硫酸钠等助剂以加速纤维的膨化，增加其与碱液接触面积提高脱胶效率。

酸洗：配制2 mL·L-1的硫酸溶液，将脱胶后的竹笋壳在其中浸泡3～5 min，中和残留的碱液，并且还能够提高纤维白度。

水洗：常温用清水洗涤至中性。

烘干：在70 ℃烘箱中进行烘干备用。

1.3 竹笋壳纤维残胶率

残胶率分析参考GB 5889—1986《苎麻化学成分定量分析法》进行测试。

1.4 红外测试分析

采用溴化钾压片法，用 VERTEX 70型傅里叶变换红外显微光谱仪测定纤维含有基团的种类，波数测试范围400～4 000 cm-1，推测纤维中含有特征基团的情况对处理前后竹笋壳纤维微观结构进行分析。

2 结果和讨论

通过大量单因子实验发现碱氧浴处理中氢氧化钠浓度、碱煮时间、温度及过氧化氢浓度是主要影响因素。在实验过程中添加适量助剂硅酸钠、亚硫酸钠等可以使纤维膨化，增加纤维与溶液的接触面积，提高反应速度。

2.1 氢氧化钠用量对残胶率的影响

氢氧化钠浓度对残胶率的影响如图1。根据孙颖等[13]的脱胶工艺，设定氢氧化钠处理时间为2.5 h，过氧化氢浓度为20 mL·L-1，浴比为1∶40，温度为90 ℃，竹笋壳纤维残胶率随氢氧化钠用量的增加而减少，表明随着氢氧化钠用量的增加竹笋壳胶质去除率也越高，但在氢氧化钠浓度为22 g·L-1后残胶率减少得较缓慢，因此氢氧化钠适宜用量范围为20～24 g·L-1。

图1 氢氧化钠浓度对竹笋壳残胶率的影响Fig.1 Effect of sodium hydroxide concentration on residual gum rate of bamboo sheaths

2.2 过氧化氢用量对残胶率的影响

过氧化氢用量对残胶率的影响如图2。设定过氧化氢处理时间为2.5 h，氢氧化钠浓度为20 g·L-1，浴比为1∶40，温度为90 ℃，由图2知随着过氧化氢用量的增加竹笋壳残胶率先减少后增加，过氧化氢适宜用量为25～35 mL·L-1。

图2 过氧化氢浓度对竹笋壳残胶率的影响Fig.2 Effect of hydrogen peroxide concentration on residual gum rate of bamboo sheaths

2.3 碱煮时间对残胶率的影响

竹笋壳纤维的残胶率随时间变化如图3所示。定氢氧化钠浓度为20 g·L-1，过氧化氢浓度为20 mL·L-1，浴比1∶40，温度为90 ℃，随着时间的增加竹笋壳纤维残胶率先减少后增加，时间过长不仅能耗高，而且对纤维的品质有一定的损伤，因此选择时间段为2～3 h。

图3 碱煮时间对竹笋壳残胶率的影响Fig.3 Effect of alkali treatment time on residual gum rate of bamboo sheaths

2.4 碱煮温度对残胶率的影响

竹笋壳纤维的残胶率随温度变化如图4所示。定氢氧化钠为20 g·L-1，过氧化氢20 mL·L-1，浴比1∶40，时间为2.5 h，由图5可知残胶率随着温度升高而降低，选择温度范围是90～100 ℃。

图4 碱煮温度对竹笋壳残胶率的影响Fig.4 Effect of alkali treatment temperature on residual gum rate of bamboo sheaths

图5 竹笋壳纤维的红外图谱(a)脱胶前 (b)脱胶后Fig.5 Infrared spectrum of bamboo sheath fiber(a) before degumming (b) after degumming

2.5 残胶工艺正交试验

通过大量单因子实验确定脱胶工艺流程中氢氧化钠浓度、碱煮时间、温度及过氧化氢浓度范围如表1所示。

表1 氢氧化钠浓度对竹笋壳残胶率的影响

由表2可知，影响残胶率考查指标的因素主次顺序为C>A>B>D，即脱胶温度对竹笋壳纤维的提取影响因素最大。正交试验的最优方案为：A3B2C3D3，即碱浓度24 g·L-1、过氧化氢浓度35 mL·L-1、温度95 ℃、处理时间3 h，按照最优工艺处理竹笋壳纤维其残胶率为15.10%。

表2 竹笋壳纤维残胶正交试验设计表及测试数据

2.6 红外分析

脱胶前后竹笋壳纤维的红外光谱图如图6所示，由图6知，脱胶前后竹笋壳纤维的红外峰值基本相同，但脱胶后竹笋纤维较原竹笋壳纤维在1 732 cm-1、1 250 cm-12处的吸收峰消失了，而1 732 cm-1处的吸收峰是因为含有C=O基团，这是半纤维素的特征吸收峰，1 250 cm-1处的吸收峰是C-O伸缩振动，这是木质素的特征吸收峰，可以看出经酸碱处理后半纤维素和木质素已经被基本去除了[14-16]。处理后的竹笋壳纤维在3 323 cm-1处的吸收峰加强这是-OH的伸缩振动，由于氢氧化钠能够作用于羟基导致部分氢键断裂从而释放更多-OH出来[17-20]。

3 结论

采用酸预处理结合碱氧脱胶方法对竹笋壳纤维进行脱胶，通过单因素试验和正交试验得到优化的工艺参数为：碱煮温度为95 ℃，碱液质量浓度为24 g·L-1，过氧化氢质量浓度35 mL·L-1，碱煮时间为3 h。对竹笋壳纤维脱胶的影响因素顺序为：脱胶温度>碱液浓度>过氧化氢浓度>碱煮时间。红外光谱表征结果表明经过碱氧-浴脱胶处理后竹笋壳纤维中的半纤维素、木质素及果胶等非纤维素成分得到了有效地去除。该方法也可应用于其它材料。研究所得竹笋壳纤维作为新型环保纤维，是一种潜在的天然纤维资源，可广泛应用于纺织、复合材料、医疗保健等方面，如果开发利用，将有广阔的市场。