香蕉纤维的碱法脱胶工艺

刘 杰，田 雨，孙聆芳，祖 彬，韩 雪，何秋月，徐逸坤，高 洁

（齐齐哈尔大学轻工与纺织学院，黑龙江齐齐哈尔 161006）

从香蕉茎秆上获取的香蕉纤维与亚麻、黄麻等麻类纤维相似，单纤维长度较短，且含有半纤维素、木质素、果胶、灰分、蜡质、色素等杂质，尤其半纤维素和木质素含量较高［1-3］。因而，香蕉纤维不能直接用于纺纱织造，必须经过半脱胶方式保留部分胶质，使单纤维相互粘连，形成具有一定长度且可用于纺纱织造的工艺纤维。由此可见，香蕉纤维的前处理对可纺性至关重要［4-6］。

本实验借鉴麻类纤维的前处理方法对香蕉纤维进行化学脱胶，以碱剂为主，辅以其他助剂，不仅提升了脱胶效果，而且能够加快脱胶进程，脱胶后的香蕉纤维具有可纺性。

1 实验

1.1 材料

香蕉纤维（中国热带农业科学院海口实验站），碳酸钠（Na2CO3）、亚硫酸钠（Na2SO3）、多聚磷酸钠［（NaPO3）n］（分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司），渗透剂JFC（上海九洁实业有限公司）。

1.2 仪器

FA1004 电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司），HH-S 型恒温电子水浴锅（巩义市予华仪器有限责任公司），YQ-Z-48A 白度颜色测定仪（杭州轻通博科自动化技术有限公司），LLY-06ED 型电子单纤维强力仪（莱州市电子仪器有限公司）。

1.3 香蕉纤维的碱法煮练工艺

1.3.1 工艺配方

Na2CO3用量1～5 g/L，Na2SO3用量1～5 g/L，（NaPO3）n用量1～5 g/L，JFC 用量2 g/L，温度60～100 ℃，时间30～150 min，浴比1∶30。

1.3.2 工艺流程

预酸处理→冷水洗→碱煮→热水洗→冷水洗。

1.4 测试

1.4.1 白度

参照GB/T 17644—2008《纺织纤维白度色度试验方法》测定［7］。

1.4.2 断裂强度

参照GB/T 5886—1986《苎麻单纤维断裂强度试验方法》测定。

1.4.3 失重率

参照GB/T 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》测定。

2 结果与讨论

2.1 影响香蕉纤维脱胶效果的因素

2.1.1 碱剂用量

碱剂选用碳酸钠。由表1 可知，香蕉纤维的白度随着碱剂用量的增加先下降后提高，断裂强度则呈现下降趋势。因为香蕉纤维中的大部分杂质可以被碱去除，但当碱剂用量过大时，香蕉纤维会在高浓度碱液中发生水解，导致断裂强度显著下降。当碱剂用量在1 g/L 时，失重率为15.36%，杂质大部分被去除，脱胶效果较好；5 g/L 时，失重率达到15.65%，但断裂强度却下降到10.06 cN/dtex，表明纤维损伤比较严重。综合考虑白度、失重率及断裂强度，碱剂用量选择1 g/L 左右。

表1 碱剂用量对香蕉纤维脱胶效果的影响

2.1.2 亚硫酸钠用量

具有还原性的亚硫酸钠有利于木质素的去除，并且能够保护纤维素，避免纤维被氧化而受损。由表2 可以看出，随着亚硫酸钠用量的增加，香蕉纤维的白度先提高后下降，而断裂强度则呈现下降趋势。这是因为亚硫酸钠可以与木质素发生反应从而生成易溶于碱的磺化木质素，有利于木质素的去除；亚硫酸钠还具有还原性，可以防止香蕉纤维在高温碱液中被空气中的氧气氧化而脆损。但是亚硫酸钠用量过大时，其强碱弱酸盐性质也会对香蕉纤维造成损伤，导致纤维断裂强度下降，不利于后续的纺纱加工。综合考虑白度、失重率及断裂强度，亚硫酸钠的适宜用量为2 g/L。

表2 亚硫酸钠用量对香蕉纤维脱胶效果的影响

2.1.3 多聚磷酸钠用量

多聚磷酸钠具有吸附脱胶碱液中金属离子杂质的作用，可防止产生锈渍或杂质沉淀，有助于提高白度和吸水性。由表3 可以看出，香蕉纤维的白度随着多聚磷酸钠用量的增加先升高后下降，但是断裂强度却呈现下降趋势。原因是多聚磷酸钠能够有效吸附工作液中的金属杂质，防止生成铁渍或杂质沉淀，有助于提高白度和吸水性；但是当多聚磷酸钠用量过多时纤维受到损伤，导致断裂强度降低。综合考虑白度、失重率及断裂强度，多聚磷酸钠的适宜用量为2 g/L 左右。

表3 多聚磷酸钠用量对香蕉纤维脱胶效果的影响

2.1.4 脱胶时间

从表4 中可以看出，脱胶时间从30 min 延长到60 min，白度显著提高，断裂强度有所下降；脱胶时间从60 min 延长到150 min，白度变化不大但断裂强度下降明显。原因是脱胶时间过短，工作液与纤维中的杂质反应不充分，杂质不能被完全去除；脱胶时间过长，纤维中的杂质已经基本去除，但纤维受到损伤，断裂强度降低。综合考虑纤维的各项性能，脱胶时间选择60～90 min。

表4 脱胶时间对香蕉纤维脱胶效果的影响

2.1.5 脱胶温度

由表5 可知，香蕉纤维的白度随着脱胶温度的升高而提高，80 ℃后趋于平稳（略有下降）；断裂强度则呈现下降趋势。原因在于高温有利于工作液向纤维内部渗透，可以更好地去除杂质；但温度过高又会引起香蕉纤维受损，导致断裂强度显著下降，影响香蕉纤维的可纺性。综合考虑纤维的各项性能，脱胶的适宜温度为80 ℃左右。

表5 脱胶温度对香蕉纤维脱胶效果的影响

2.2 香蕉纤维脱胶工艺正交实验优化

以白度和断裂强度为指标，设计L16（45）正交实验对香蕉纤维的碱法脱胶工艺进行优化。由表6 可以看出，影响香蕉纤维断裂强度的因素从大到小为A、B、D、C、E，优化工艺方案为A2B4C1D2E3；影响香蕉纤维白度的因素从大到小为D、E、B、C、A，优化工艺方案为A3B1C3D1E4。由断裂强度和白度两项指标得出的优化工艺方案有差异，结合后续纺纱对纤维白度及断裂强度的要求，确定优化的香蕉纤维脱胶工艺为A2B3C3D2E3，即碱剂1.5 g/L，多聚磷酸钠2.5 g/L，亚硫酸钠2.0 g/L，时间70 min，温度85 ℃。

表6 L16（45）正交实验结果及极差分析

针对香蕉纤维脱胶的优化工艺进行多组验证实验，脱胶后香蕉纤维的白度为25.79%，断裂强度为21.03 cN/dtex，失重率为15.62%，满足可纺性要求。

3 结论

（1）香蕉纤维的碱法脱胶优化工艺：碱剂1.5 g/L，多聚磷酸钠2.5 g/L，亚硫酸钠2.0 g/L，JFC 2.0 g/L，脱胶时间70 min，脱胶温度85 ℃。

（2）脱胶后的香蕉纤维具有可纺性。今后将进一步研究香蕉纤维的生物酶法脱胶工艺，以更好地满足纺织行业清洁生产的要求。