玉米秸皮纤维提取工艺的研究

常 江，黄继伟，丁广建，高雪纯，牛 婷，王 璐

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028)

玉米秸皮纤维提取工艺的研究

常 江，黄继伟，丁广建，高雪纯，牛 婷，王 璐

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028)

为了解决玉米秸皮纤维在造纸过程中出现的纤维分丝帚化不充分，颜色发黄等问题，改善玉米秸皮纸的质量，采用单因素试验方法对玉米秸皮纤维的提取流程进行了试验分析，试验结果表明在碱法处理过程中，碱煮时间、料液比和氢氧化钠的质量分数都对玉米秸皮纤维的提取以及纤维质量产生影响.试验室纤维提取的较优参数是：碱煮时间60 min、料液比1∶30、氢氧化钠质量分数为12%.本方法能够明显改善纤维提取质量，纤维分丝帚化效果较好.

玉米秸皮；碱处理；纤维提取

玉米作为我国主要种植的农作物，产量巨大，玉米秸秆的产量也非常的可观.我国每年产生的玉米秸秆量大，但是利用率低，其中的绝大部分玉米秸秆被焚烧处理掉，严重的影响了环境质量[1].玉米秸秆由秸皮、穰芯和玉米叶三个部分以一定的比例组成，叶与穰芯质量超过了玉米秸秆总质量的60%.三个部分所含各成分的质量也都不相同，秸皮和穰芯相比，穰芯中所含的木素相对较多，然而大量的木素可能导致纤维的强力降低，并且颜色变黄，最终会影响到纸张的力学性能与白度值.穰芯中含有淀粉、糖类、蛋白质和脂肪等.秸皮中所含木素量少，且纤维素含量比重较高，与木材纤维素含量相差不大，可作为很好的造纸原料[2].

因此，通过一定的工艺方法将玉米秸皮中的纤维提取出来，经过处理转变成可以进一步使用的纤维原料，既可以有效提高纤维类材料质量，又可以充分利用玉米废弃物，减少秸秆焚烧污染[3-6].

1 玉米秸皮纤维提取试验流程

1.1 试验材料

本研究所用材料来源于黑龙江阿城，为正常生长玉米秸秆，收获后先在室外通风处竖立堆积，经过两个月左右的自然风干后，收集作为试验材料.秸秆试样形态完好，颜色正常，无明显破损和霉变，株高为 2 200～2 500 mm，直径为 20～37 mm，平均含水量为10%左右.

1.2 试验流程

根据玉米秸秆纤维特征，选择碱法预处理和次氯酸钠漂白处理方法对玉米秸皮进行提取.其工艺流程如下：玉米秸秆→玉米秸皮→剪碎、切段→浸泡→氢氧化钠溶液蒸煮→洗涤→打浆→过滤→纸张[7].

2 试验结果分析与讨论

2.1 碱处理时间纤维分解的影响

按碱煮时间的不同分为30、40、50、60、70 min做5组试验.氢氧化钠质量分数为12%，料液比为1∶25.

在200倍显微镜下分别观察不同时间处理后原纤维的纤维状态.多点观察分别取出每个样品最具代表的状态图，见图1.

图1 碱煮时间对纤维细化的影响

由图1可知，随着碱煮时间的延长，玉米秸皮中木素溶出的越多，纤维的分解越充分，碱煮30 min纤维基本连在一起，分解效果不明显；30～60 min之间，能在显微镜下明显的观察到纤维分叉的越来越多；60 min和70 min通过显微镜下观察变化不大，分解基本达到最佳状态.

通过对不同碱处理时间后纤维平均直径进行测量分析，如图2所示.

图2 碱煮时间-纤维直径曲线

由图2可知，碱煮时间对纤维直径的影响较大，随着碱煮时间的增加，木素结构单元间的键断裂的越严重，纤维直径越小，玉米秸皮分解的越完全.碱煮时间在30～40 min之间时，纤维直径变化较快，40～60 min之间秸皮纤维直径减小变缓，但一直以可测的速度在减小；60～70 min之间纤维直径基本没有变化.

综合比较不同碱煮时间纤维的状态和纤维直径变化，可以发现在一定范围内，碱煮时间越长，玉米秸皮中木素溶出的越多，玉米秸皮分解的越充分.当碱煮时间达到60 min时，再增加时间纤维基本无变化，因此，最佳碱煮时间为60 min.

2.2 碱煮料液比对纤维分解的影响

按碱煮料液比的不同分为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50做5组试验.氢氧化钠质量分数12%，碱煮时间为55 min.

在200倍显微镜下分别观察碱煮料液比为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50原纤维状态.多点观察分别取出每个样品最具代表的状态图，结果见图3.

图3 碱煮料液比对纤维细化的影响

由图3可见，碱煮过程中氢氧化钠溶液和玉米秸皮的料液比对玉米秸皮些微分解影响较为明显.随着料液比的增加玉米秸皮纤维中木素容初的越多，纤维分解的越充分，当料液比为1∶10时，纤维看不见分叉，在料液比为1∶20～1∶40之间明显的看到纤维细丝变多，此过程分解明显；当料液比为1∶50时与1∶40无明显区别.

通过对不同碱处理时间后纤维平均直径进行测量分析，如图4所示.

图4 碱煮料液比-纤维直径曲线

从图4可知，碱煮料液比对纤维直径有影响，随着碱煮料液比的增大，木素结构单元间的键断裂的越严重，纤维直径越小，玉米秸皮分解越好.碱煮料液比在1∶10～1∶30之间时，纤维直径变化较快，在1∶30～1∶40之间秸皮纤维直径变化最大差值为0.001基本可以忽略，之后在60～70 min之间纤维直径保持持平状态.

综合比较不同碱煮料液比纤维的状态和纤维直径的变化，可以发现在一定范围内，碱煮料液比越大，玉米秸皮中木素溶出的越多，纤维直径越来越小，秸皮纤维分解的越好.当碱煮料液比达到1∶30后，再增加料液比纤维直径基本无变化，因此，根据实际情况可以确定最佳碱料液比为1∶30.

2.3 碱煮氢氧化钠质量分数对纤维分解的影响

按碱煮时不同的氢氧化钠质量分数6%、8%、10%、12%、14%做5组试验.碱煮时间55 min，料液比1∶25.

在200倍显微镜下分别观察碱煮氢氧化钠质量分数为6%、8%、10%、12%、14%原纤维状态.多点观察分别取出每个样品最具代表的状态图，结果见图5.

根据图片可观察到氢氧化钠的用量对玉米秸皮纤维分解效果较大，随着氢氧化钠质量分数的增加，玉米秸皮纤维中木素溶出的越多，当氢氧化钠的质量分数为6%～8%之间时，纤维还成团簇在一起，分解不明显；之后随着氢氧化钠质量分数的增加，玉米秸皮纤维分叉越多；当质量分数在12%～14%之间时，显微镜下观察不出特别的变化.

通过对不同碱处理时间后纤维平均直径进行测量分析，如图6所示.

图5 碱煮氢氧化钠质量分数对纤维细化的影响

图6 碱煮氢氧化钠质量分数-纤维直径曲线

由图6可知，碱煮过程中氢氧化钠的质量分数对纤维直径有显著影响，随着氢氧化钠质量分数的增大，木素结构单元间的键断裂的越严重，纤维直径越小，玉米秸皮分解的越细化.碱煮时氢氧化钠质量分数在6%～8%之间时，纤维直径变化较快；在8%～12%之间秸皮纤维直径变化更加明显；氢氧化钠质量分数从12%增加到14%，纤维直径差值为0.003基本可以忽略.

综合比较在不同氢氧化钠质量分数溶液中纤维的状态和纤维直径的变化，可以发现在一定范围内，氢氧化钠质量分数越大，玉米秸皮中木素溶出的越多，纤维直径越来越小，秸皮纤维细化的越好.当碱煮氢氧化钠质量分数达到12%后，再增加料液比纤维直径基本无变化，因此，根据实际情况可以确定最佳碱煮氢氧化钠质量分数为12%.

3 结 论

1)玉米秸皮碱煮过程，碱煮时间、料液比和氢氧化钠的质量分数都对玉米秸皮产生影响.在一定范围内，碱煮时间越长、料液比越大、氢氧化钠质量分数越高玉米秸皮分解的越好.

2)考虑到实际情况，为了节约资源、降低对环境的污染以及节约成本的前提，我们得出试验室的纤维提取的较优参数是∶碱煮时间60min、料液比1∶30、氢氧化钠质量分数为12%.

[1] 唐国涛, 邢沙沙, 黄榕彬, 等. 我国造纸用农业秸秆资源现状[J]. 中国造纸, 2014, 33(3): 56-60.

[2] 崔 明, 赵立欣, 田宜水, 等. 中国主要农作物秸秆资源能源化利用分析评价[J]. 农业工程学报, 2008(12): 291-296.

[3] 程合丽, 詹怀宇, 李兵云, 等. 玉米秆纤维形态和制浆漂白特性研究[J]. 造纸科学与技术, 2008, 27(6): 76-79.

[4] 张 敏, 芳 芳, 李成涛, 等. 不同处理方法及改性剂对秸秆纤维/PBS复合材料性能的影响[J]. 复合材料学报, 2011, 28 (1): 57-60.

[5] 韩晓谊, 陈 倩, 梁列峰. 富含纤维素类植物的纤维提取[J]. 研究开发, 2011(13): 13-15.

[6] 程士润, 黄 晨, 张 璐. 碱煮法提取稻秸秆纤维的工艺及性能探讨[J]. 产业用纺织品, 2010(7) : 16-19.

[7] 谭 微, 常 江, 边智琦, 等. 玉米秸秆造纸工艺的分析研究[J]. 哈尔滨商业大学学报:自然科学版, 2015, 31(4): 457-464.

Study on extraction of corn straw fibre

CHANG Jiang, HUANG Ji-wei, DING Guang-jian, GAO Xue-chun, NIU Ting, WANG Lu

(School of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

In order to solve the emergence of the insufficient fiber wire brush, the yellow color and other issues in making paper of corn stalk bark fiber, and improve the quality of corn stalk bark paper, this paper studied the extraction process of corn stalk bark fiber,by using the single factor test method in this paper. The test results showed that alkali concentration boiling time and ratio of material to liquid and sodium hydroxide mass fraction influenced the extraction of corn straw fiber and the quality of fiber in the alkali treatment process. The best parameters of fiber extraction in laboratory were as follows. The alkali boiling time was 60 min, material liquid ratio was 1∶30, and sodium hydroxide mass fraction was 12%. This method can significantly improve the extraction quality of fiber, and the fiber wire brush effect is improved obviously.

corn stalk bark; alkali treatment; fiber extraction

2016-06-15.

哈尔滨商业大学大学生创新创业训练项目(201510240042)

常 江(1982-)，男，博士，讲师，研究方向：生物质包装印刷材料.

TS72

A

1672-0946(2017)01-0069-04