棉秸秆提取天然纤维素纤维的工艺及其纤维形态结构

李 龙，赵领航

(1.西安工程大学 纺织与材料学院，陕西 西安 710048;2.陕西省纺织科学研究所，陕西 西安 710038)

棉秸秆作为种植棉花的副产品，其表面韧皮中含有优良的韧皮纤维素纤维，以及木质素、半纤维素等物质［1-2］。中国是世界上重要的棉花种植国，棉秆资源非常丰富。国家统计局发布的《2010年国民经济和社会发展统计公报》显示，2010年我国棉花种植面积 485 万 hm2，棉花总产量达 597 万 t［3］，这为我国棉秆皮纤维开发利用提供了重要的基础。目前，利用农作物废弃物棉秸秆提取天然纤维素纤维的关键技术是棉秆皮脱胶方法。裴华强等［4］采用化学脱胶的方法制取了棉秆皮纤维，并通过正交试验确定了最佳工艺参数。陈建勇等［5］采用闪爆和化学处理相结合的方法对棉秆皮纤维进行脱胶处理。冯新星等［6］采用高温高压与闪爆联合法提取的棉秆皮纤维洁白柔软，木质素得到充分去除。季延等［7］利用生化联合脱胶工艺提取了棉秆皮纤维，并通过试验探讨影响生物酶脱胶和化学脱胶的主要影响因素。李龙等［8］利用酸处理棉秆皮，然后利用NaOH-H2O2处理，提取棉秆皮纤维。赵领航等［9］分析了不同段棉秆皮的化学成分，认为在同一脱胶工艺条件下，所得到的棉秆皮纤维的性能存在明显差异。本文主要探讨各段棉秸秆脱胶的工艺参数及其纤维形态结构。

1 试验部分

1.1 棉秆分段

根据文献［9］，棉秸秆分为3段进行脱胶处理：第1段为根部(地表以下部分)棉秆，第2段为中部(地表以上25cm长度段)棉秸秆，第3段为梢部(地表以上大于25cm长度段)棉秸秆。

1.2 脱胶工艺方法

采用一煮法脱胶，工艺流程如下：棉秆分段→水洗→碱煮→滚压→水洗→皮秆分离→压纤→水洗→软化处理→加油剂→烘干→棉秆皮纤维。

棉秆分段后，用自来水冲洗，去除表面的泥土杂质。碱煮是提取棉秆皮纤维的主要工序。滚压是将碱处理过的棉杆用罗拉机械滚压5遍，使棉秆皮纤维与棉秆芯部脱离，并将得到的棉秆皮取出，用水清洗。压纤是用罗拉机械挤压棉秆皮纤维5遍，以进一步去除黏附在纤维上的残胶，之后对挤压的棉秆皮纤维用自来水冲洗，去除附着在棉秆皮纤维表面的胶质。软化处理是将棉秆皮纤维放入软化剂中，在温度为80℃的条件下浸泡40 min，软化剂由凡士林、吐温、司班、平平加O复配而成。加油剂是对软化处理的棉秆皮纤维喷洒和毛油水，油水比为1∶4，和毛油水喷洒量为纤维质量的1.2%。烘干是将软化剂处理过的棉秆皮纤维在烘箱中烘干，温度为80℃，时间为2 h。

1.3 纤维性能测试及外观观察

纤维线密度测试：按照 GB 5884—1986《苎麻纤维支数试验方法》，采用中段切断称量法。利用Y171A型纤维切断器切取10 mm长度的棉秆皮纤维，采用量程为10 mg的JN-A型扭力天平称量，并对纤维根数计数，求出棉秆皮纤维线密度。测试环境条件：温度为(20±3)℃，相对湿度为(65±3)%。

残胶率测试：按照GB 5888—1986《苎麻化学成分定量分析方法》测定提取的纤维素纤维的残胶率。测试在大气环境条件下进行。

可挠度测试：选取一定量主体部分纤维，将其手扯梳理后采用Y171D型纤维切断器切成等长(30 mm)纤维束。再用Y321型捻度仪对纤维束进行加捻，直至纤维束断裂，计数断裂时的捻回数，并在量程为10 mg的扭力天平上称量捻断的纤维束质量，测试在大气环境条件下进行。根据下式计算纤维的可挠度［10］：

式中：D为纤维可挠度，捻/(m·tex);n为断裂捻回数，捻;L为纤维夹持长度，mm;G为纤维质量，mg。

纤维拉伸性能测试：参照 GB 5886—1986《苎麻单纤维断裂强度试验方法》，取适量棉秆皮纤维，并用手扯法整理纤维，使其呈一端相对整齐，短纤维在上，长纤维在下的纤维束，去除纤维束中的粗节和杂质，从该纤维束主体长度部分随机取出200根纤维排列在黑绒板上。然后采用YG004型电子单纤维强力机测试纤维，夹持距离为10 mm，下夹头下降速度为10 mm/min，测试纤维的拉伸断裂强度与断裂伸长率。测试环境条件：温度为(20±3)℃，相对湿度为(65±3)%。

纤维形态结构观察：取适量棉秆皮纤维制样，将纤维剪切后固定在载物台上，在真空条件下进行喷金，然后采用JSM-6460LV型扫描电镜观察提取的棉秆皮纤维素纤维的外观形态结构。

2 试验结果与分析

通过相同的正交试验参数(见表1)，对棉秸秆分段后的3段秸秆分别进行一煮法脱胶，以提取棉秆皮纤维素纤维，测试结果见表2。目前多指标正交试验结果的分析方法主要有综合平衡法和综合评分法，但这2种方法都存在局限性，不能正确反映全面情况，其分析结论不准确。为了全面分析多指标正交试验结果，在本文中利用了模糊数学的相关方法［11-12］。

表1 脱胶正交试验设计Tab.1 Orthogonal experiment design of degumming

首先，建立评价指标集 U对评价集V的隶属函数。通过隶属函数求得的隶属值反映本指标在综合评价中的重要程度。隶属函数是单调函数，隶属度fmn在 0 ～1 之间(m=1，2;n=1，2，… ，9)。对于提取的纤维，纤维线密度、纤维残胶率的值越小越好，纤维的拉伸强度、纤维可挠度值越大越好。因此，纤维各指标的隶属函数表示如下。

表2 脱胶试验结果Tab.2 Results of degumming

纤维线密度隶属函数

纤维拉伸强度隶属函数

纤维残胶率隶属函数

纤维可挠度隶属函数

由隶属度值构成模糊关系矩阵

权重分配集A是指标集U的模糊子集，它反映各指标的重要性。本文中模糊子集A确定为A={0.25/Y1，0.25/Y2，0.25/Y3，0.25/Y4}，简记为A={0.25，0.25，0.25，0.25}。

在评价集上引入模糊子集B，其中B=A◦F

设试验中工艺参数构成的因素为Ci，其论域为Xi，则有 Xi={Cij}，其中 i=1，2，3，4(工艺参数的因素)，j=1，2，3(各因素的水平数)。为了对各水平进行比较，对因素Ci各水平j上Cij的模糊综合评价值的和进行归一化处理，以得到(Σ bij)'(0≤(Σ bij)'≤1)，其反映该水平因素影响模糊综合评价值的程度。(Σ bij)'表示 Ci在 j水平 Cij∈ Xi处的隶属度，它可以表示为Xi上的模糊子集：

C1、C2、C3、C4依次为 NaOH 浓度、温度、时间、双氧水浓度。

考虑到交互作用，由最大隶属度原则，4个因素最佳组合为Ci中隶属度最大的水平配置：

根据以上分析方法，得到第1段棉秸秆提取纤维素纤维的模糊关系矩阵R1，由模糊综合评价值计算公式及权重可得模糊评价值B1。

由各指标综合评价值和隶属度值计算方法可得到各指标隶属度值，结果见表3。

表3 各指标隶属度值及综合评价值Tab.3 Membership values and comprehensive evaluation values

第1段棉秆脱胶主要工艺参数构成的模糊子集Ci为

根据最大隶属度原则，得到各因素的影响程度：C1=0.407 9，C2=0.419 7，C3=0.404 3，C4=0.465 5，故各因素对模糊评价值的影响依次为C4＞C2＞ C1＞ C3，即双氧水浓度＞温度＞ NaOH浓度＞时间，则第1段棉秆脱胶时一煮法优化条件为：NaOH 浓度0.875 mol/L，温度100℃，时间2.5 h，双氧水浓度0.106 mol/L。

同理，对棉秆皮第2段、第3段脱胶提取的纤维性能指标(见表2)进行分析，得到其提取纤维素的优化条件。第2段棉秆脱胶优化工艺为：NaOH浓度0.75 mol/L，温度100℃，时间2.0 h，双氧水浓度0.106 mol/L。第3段棉秆脱胶优化工艺为：NaOH浓度0.75 mol/L，温度90℃，时间2.5 h，双氧水浓度0.084 8 mol/L。

各段棉秸秆在最佳工艺处理所提取的棉秆皮天然纤维素纤维的性能见表4。由表可知，第3段棉秸秆提取的纤维素纤维细度细、可挠度大，这可能与提取纤维中的残胶率低有关系。根据文献［9］，第3段棉秸秆皮中所含的果胶、半纤维素、木质素相对较少，第1段棉秸秆皮中所含的果胶、半纤维素、木质素较多，因此第3段棉秸秆脱胶提取纤维相对容易。

表4 各段棉秸秆提取的纤维性能Tab.4 Properties of cellulose fibers

不同段棉秸秆在工艺参数下，提取的天然纤维素纤维的形态结构见图1。不同段棉秸秆提取的纤维素纤维属工艺纤维，不同段提取的棉秆皮纤维形态基本相同，纤维表面具有类似沟槽的形态，其中第3段棉秸秆提取的纤维表面相对比较光洁。

图1 不同段棉秸秆提取的纤维外观形态(×1 000)Fig.1 Morphology of cellulose fibers(×1 000).(a)1st cotton-stalk section;(b)2nd cotton-stalk section;(c)3rd cotton-stalk section

3 结论

通过正交试验、模糊数学多指标正交试验评价方法，得到不同段棉秸秆脱胶提取纤维素纤维的工艺参数不同。相比较第1段与第3段棉秸秆脱胶提取纤维的优化工艺可以看到，第1段棉秸秆脱胶优化工艺参数中，所用NaOH与双氧水的浓度以及脱胶温度均高于相应的第3段棉秸秆脱胶优化工艺参数，但是第1段棉秸秆脱胶优化工艺参数条件下所提取的纤维残胶率大、纤维可挠度小，因此，为了合理地开发棉秆皮天然纤维素纤维资源，应当采用分段脱胶提取棉秆皮纤维素纤维;其次要进一步研究第1段棉秸秆(地表以下部分)脱胶工艺，以使其提取的纤维素纤维残胶率降低、可挠度提高。棉秸秆各段脱胶提取的纤维素纤维均属工艺纤维，不同段棉秸秆提取的纤维素纤维的外观结构形态基本相同，纤维表面具有类似沟槽的形态。

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