竹笋壳过碳酸钠脱胶工艺研究

杨银芝，柯子奇，刘雨晴，方凯炀，曹新旺

竹笋壳过碳酸钠脱胶工艺研究

杨银芝a,b，柯子奇c，刘雨晴a，方凯炀a，曹新旺*a,b

（武汉纺织大学 a. 纺织科学与工程学院，b. 省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室，c. 管理学院，湖北 武汉 430200）

采用环保型氧化剂——过碳酸钠对竹笋壳进行脱胶处理，以脱胶率为指标，对脱胶处理中过碳酸钠、过氧化氢的用量以及煮练温度和时间等因素进行优化探讨，最后借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、红外光谱仪等仪器对所得竹笋壳纤维的结构与性能进行了分析。优化后脱胶工艺为：煮练温度为90 ℃、煮练时间为120 min、过碳酸钠用量为24 g/L、过氧化氢用量为40 mL/L，此时脱胶率较高为69.17 %。本方法所制备的竹笋壳纤维被认为是一种具有广阔应用前景的、符合可持续发展理念的纺织工业原料。

竹笋壳纤维；脱胶率；过碳酸钠；碱氧浴一浴法

竹笋壳纤维作为一种从竹笋壳中提取的天然纤维素纤维，具有强度高、刚性好等优良性能[1]。目前竹笋壳大多被弃置在竹林中无人问津，在天然纤维逐渐缺乏的时代，是一种极大的资源浪费，目前关于竹笋壳纤维的研究主要集中在食用、废水处理和药用领域[2]，但其作为天然纤维在纺织领域的应用仍处于初级阶段。为加快其在纺织工业方面的应用，首先需要通过脱胶工艺提取竹笋壳纤维[3]。目前已有的脱胶方法主要有物理脱胶法、化学脱胶法、生物脱胶法等[4,5]，其中，化学脱胶法处理更加快速、节省时间，但传统的化学脱胶工艺在高温下消耗大量的碱，对环境造成了严重的污染[6]。

本文采用环保型氧化剂过碳酸钠提取竹笋壳纤维，用过碳酸钠减少碱性试剂的使用，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，该方法具有绿色环保、操作简单等优点，得到的竹笋壳纤维中大部分胶质被去除，纤维素含量大幅增加。

1 实验部分

1.1 实验材料

本研究中使用的竹笋壳原料采自湖北省武汉市武汉纺织大学竹园，为成熟自然脱落的竹笋壳。过碳酸钠（分析纯，阿拉丁化学试剂有限公司），98 %硫酸（分析纯，国药集团化工有限公司），NaOH（分析纯，昆山金城试剂有限公司）、30 %H2O2（分析纯，上海沃凯生物科技有限公司）、九水硅酸钠（分析纯，阿拉丁化学试剂有限公司）、三聚磷酸钠（分析纯，阿拉丁化学试剂有限公司）等化学药品均为购买后直接使用，未进行特殊处理。

1.2 实验流程

脱胶工艺为：预处理→浸酸→水洗→烘干→碱氧一浴→水洗→酸洗→水洗→烘干。具体如下：

预处理：用50℃的温水清洗竹笋壳去除其表面的杂质及绒毛，然后将其放在75℃的烘箱中24 h至烘干，再将烘干的竹笋壳剪切成小块（长约70 mm，宽约2 mm）。

浸酸：将上一步剪切后的竹笋壳样品放置于浓度为2 mL/L的稀硫酸溶液中，于60 ℃的水浴锅中处理1小时，浴比为1:40。

水洗：用去离子水洗涤竹笋壳去除表面酸液。

烘干：将其放入75℃的烘箱中烘干。

碱氧一浴：用过碳酸钠处理竹笋壳。

酸洗：室温下用2 mL/L的稀硫酸、浴比为1:20对纤维进行酸洗，酸洗的主要目的是用酸中和上一步煮练工序中残留在纤维上的碱液。

水洗：室温下用去离子水冲洗纤维表面酸液，水洗至中性。

烘干：将纤维放入75℃的烘箱中烘干。

1.3 脱胶助剂的选择

在过碳酸钠脱胶过程中，为提高竹笋壳脱胶效率，在碱氧一浴过程中，固定氢氧化钠用量为10 g/L，并需要加入一些辅助性的助剂，3％多聚磷酸钠可以加速竹笋壳纤维的膨化，2%硅酸钠起到保护纤维素的作用。

1.4 竹笋壳脱胶率

竹笋壳的脱胶率按照公式（1）进行计算。

其中：W1为脱胶前竹笋壳的重量，g；W2—脱胶后样品的重量，g。

1.5 脱胶处理前后纤维组成成分分析

参照GB5888--89《苎麻化学成分定量分析方法》分析。

1.6 红外光谱测试分析

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400-4000 cm-1，对处理前后竹笋壳纤维化学结构进行分析。

1.7 扫描电子显微镜

在20 ℃条件下，用UPS2000-A-1-KTTL扫描电镜（华为技术有限公司）对处理前后竹笋壳样品微观结构进行分析。

1.8 X射线衍射

采用日本Rigaku公司D/max-2550PC型X射线衍射仪测定处理前后竹笋壳的结晶度，实验条件为：Cu靶Ka辐射X射线波长0.154 nm，管电压40 kV, 管电流30 mA进行扫描，衍射方向θ-2θ联动扫描方式, 扫描角度5-40°, 扫描速度5°/min。

2 结果和讨论

通过多次实验发现脱胶工艺流程中，过碳酸钠浓度、碱煮时间、温度及过氧化氢浓度是影响脱胶效率的主要因素。

2.1 过碳酸钠用量对竹笋壳脱胶率的影响

图1 过碳酸钠对竹笋壳脱胶率的影响

图2 过氧化氢对竹笋壳脱胶率的影响

过碳酸钠浓度对竹笋壳脱胶率的影响如图1所示。设定过碳酸钠处理时间为2 h，过氧化氢浓度为30 mL/L，浴比为1:40，温度为90 ℃，竹笋壳纤维脱胶率随过碳酸钠用量的增加逐渐增加，但浓度在22 g/L以后变化较平缓，因此，适宜的过碳酸钠浓度为22-24 g/L。

2.2 过氧化氢用量对竹笋壳脱胶率的影响

过氧化氢浓度对竹笋壳脱胶率的影响如图2所示。设定过碳酸钠处理时间为2 h，过碳酸钠浓度为20 g/L，浴比为1:40，温度为90 ℃，由图2可知，随着过氧化氢用量的增加竹笋壳脱胶率先增加后减少，可能由于过氧化氢分解，导致脱胶率降低。因此，过氧化氢适宜用量为30-40 mL/L。

2.3 碱煮时间对竹笋壳脱胶率的影响

处理时间对竹笋壳脱胶率的影响如图3所示。设定过碳酸钠浓度为20 g/L，过氧化氢浓度为30 mL/L，浴比l:40，温度为90 ℃，随着时间的增加竹笋壳纤维脱胶率逐渐增加，但反应时间过长不仅消耗能源，而且对纤维的品质有一定的损伤[7]。因此选择2-3 h作为正交实验的3个水平。

图3 碱煮时间对竹笋壳脱胶率的影响

图4 碱煮温度对竹笋壳脱胶率的影响

2.4 煮练温度对竹笋壳脱胶率的影响

碱煮温度对竹笋壳脱胶率的影响如图4所示。设定过碳酸钠浓度为20 g/L，过氧化氢浓度为30 mL/L，浴比l:40，时间为2 h，由图4可知，随着碱煮温度的升高，脱胶率增加较缓，温度过高会导致过氧化氢分解，短时间内产生大量气泡，导致其使纤维向上移动，竹笋壳因与溶液接触不均匀使脱胶率降低，所以选择适宜温度范围为90-100 ℃。

通过单因素实验确定出各因素的水平范围，然后采用4因素3水平正交实验最终确定脱胶的最佳工艺，表1为竹笋壳的脱胶实验的正交因素水平，表2为竹笋壳脱胶的正交试验结果。

表1 竹笋壳脱胶实验中正交因素的水平

由表2可见，影响脱胶率考查指标的因素主次顺序为D>B>C>A，正交试验的最优方案为：A3B3C1D1，即过碳酸钠浓度为24 g/L、过氧化氢浓度为40 mL/L、处理温度为90 ℃、处理时间为120 min。按照最优工艺处理方案时，得到竹笋壳纤维的脱胶率为69.17 %。

2.5 竹笋壳纤维的组成成分分析

表3列举了脱胶处理前后竹笋壳与其他纤维组成成分的对比数据。由表3可知竹笋壳原样中纤维素含量较低，其中半纤维素和木质素占了相当大的比例。竹笋壳样品的纤维素含量与椰子壳（44 %）相当，它们高于稻草（32.0 %）和稻壳（28.6 %），但远低于其他纤维如棉花（90 %）、苎麻（75 %）和亚麻（65 %）[8]。在竹笋壳原料脱胶处理中需要去除半纤维素和木质素这两种成分，而本实验中所用的过碳酸钠脱胶工艺可以很好地将半纤维素和木质素等非纤维素成分分解掉，脱胶后竹笋壳纤维素含量（73.19 %）得到明显的提升，说明它们作为一种生物聚合物资源，具有很高的利用潜力。

表2 竹笋壳脱胶的正交设计实验数据

表3 脱胶处理前后竹笋壳与其他纤维组成成分的对比数据

2.6 红外光谱分析

图5为处理前后竹笋壳纤维的红外光谱图，可以发现处理前后竹笋壳纤维的波形并未发生改变，表明竹笋壳原料与竹笋壳纤维化学成分相似，竹笋壳纤维在2905 cm-1和1740 cm-1处分别为C—H和C=O伸缩振动峰，这是半纤维素的特征峰，在1501 cm-1处为木质素中芳香环骨架振动峰，以上峰值都在红外光谱图中减弱或消失，表明竹笋壳脱胶后的样品中的非纤维素成分减少，在1033 cm-1处为C-O-C伸缩振动峰，峰值较脱胶前强度明显增加，表明纤维素含量提高[9]，这与纤维组成成分分析的结果是一致的。

图5 （a）脱胶后和（b）脱胶前竹笋壳红外光谱图

2.7 微观结构分析

图6为处理前后竹笋壳纤维的扫描电镜图，由图6（a）知脱胶前竹笋壳纤维由很多胶质连在一起，表面粗糙呈现凹凸不平状，由图6（b）知脱胶后纤维呈直径约5微米左右的单纤维状态，表面胶质基本被去除，表面光洁。

图6 脱胶前（a）和脱胶后（b）竹笋壳电镜图

2.8 结晶度分析

图7为处理前后竹笋壳X射线衍射曲线图，由图7可以看出，处理前后两种纤维波形接近，为典型的纤维素Ⅰ结构，表明脱胶处理并未改变纤维素的晶型结构。采用X射线衍射仪分析软件MDI Jade 6.0计算知处理前竹笋壳纤维的结晶度为45.02 %，处理后竹笋壳纤维的结晶度为60.18 %，结晶度的提高是由于半纤维素和木质素等无定形区的成分被去除后，纤维内结晶部分总比例提高[10]。

图7 （a）脱胶后（b）脱胶前竹笋壳X衍射曲线图

3 结论

采用环保清洁型氧化剂过碳酸钠提取竹笋壳纤维，得出了优化脱胶工艺。通过实验研究得出：竹笋壳通过过碳酸钠脱胶处理去除了半纤维素、木质素等大部分非纤维素成分，提取的竹笋壳纤维纤维素含量高，结晶度为60.18%，可广泛应用于纺织、复合材料、医疗保健等方面，这一方法也可应用于今后研究其他纤维素纤维材料。

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Study on the Sodium Percarbonate Degumming of Bamboo Shoot Shell

YANG Yin-zhia,b, KE Zi-qic, LIU Yu-qinga，FANG Kai-yanga, CAO Xin-wanga,b

(a. College of Textiles Science and Engineering, b. State Key Laboratory of New Textile Materials and Advanced Processing Technologies, c. School of Management, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

Bamboo shoot shell was degummed with environmental friendly oxidant sodium percarbonate. Taking the degumming rate as the index, the factors such as the concentrations of sodium percarbonate and hydrogen peroxide, soaking temperature and time in degumming treatment were optimized, and the structure and properties of the extracted bamboo shoot shell fiber were analyzed by scanning electronic microscope, XRD, infrared spectrometer. The results showed that when the scouring temperature was 90 ℃, the scouring time was 120 min, the dosage of sodium percarbonate was 24 g/L and the dosage of hydrogen peroxide was 40 ml/L, the degumming rate was 69.17 %. The prepared bamboo shoot shell fibers would be considered as a kind of widely applicable and sustainable raw material for textile industry.

bamboo shoot shell fiber; degumming rate; sodium percarbonate; alkali oxygen one bath method

曹新旺（1984-），男，副教授，博士，研究方向：天然纤维的提取及其性能.

国家自然科学基金青年基金项目（51503162）；湖北省自然科学基金面上项目（2016CFB459）；国家大学生创新训练计划项目（201910495014）；湖北省技术创新专项（2019AAA005）；湖北省大学生创新训练计划项目（S201910495063）.

TS102.229

A

2095－414X(2021)06－0009－05