化学脱胶法提取桑树皮纤维工艺优选及性能测定*

梁 冬

(广东职业术学院轻工与材料学院， 广东 佛山 528041)

据国家茧丝办统计，截止至2020年我国桑树种植面积为1146.5万亩，每亩桑田每年修剪下来的废桑枝条含桑树皮纤维约80 kg，即每年可产桑树皮纤维约90多万吨。桑树皮纤维属韧皮纤维，是桑枝茎周围的韧皮部的植物纤维，其主要化学成分是纤维素。采用该纤维做成的纺织品掉弃后可在自然条件下快速降解，是环境友好型天然纤维材料。由于过度开采、战争、贸易保护等因素影响，煤炭、石油等化石资源供应日趋紧张，化学纤维的原料来源受到限制，且化学纤维掉弃后在自然界中需几十甚至上百年的时间才能降解，降解过程中产生大量的微塑料，对环境造成极大的影响。在广西、四川和云南等桑树种植区，砍伐下来的桑树枝条连外层韧皮一起被作为柴烧掉，造成一定资源浪费和大气污染。如果将这些桑树枝条枝杆与外层韧皮分离，桑树皮提取纤维作为纺织原料，则可对桑树枝条进行有效利用，也可增加桑农收入，具有良好的市场前景[1]。

桑树外层韧皮中除了含有50%以上的纤维素，还含有大量的果胶、半纤维素、木质素等胶质，胶质总量达35%～48%，胶质主要是多醣类高分子化合物的混合物，比麻类韧皮如亚麻、黄麻和苎麻中的胶质含量高，因此给桑树皮制备纺织纤维的重要步骤中的脱胶工序带来一定的困难[2]。目前主要采用化学脱胶法、生物酶脱胶法、天然浸沤法等途径从植物韧皮中提取纺织纤维。生物酶脱胶法脱胶周期长，有选择性，成本较高。天然浸沤法耗时长，得到的纤维质量不稳定。化学脱胶法具有快速、高效、短流程的特点，因此在实践中主要使用化学脱胶法。化学脱胶法是利用酸、碱和氧化剂等化学物质，通过浸酸、煮漂、水洗等化学及物理机械过程使胶质与纤维分离[3]。前人对桑树皮中胶质化学组成及脱胶化学反应机理研究较多，深入进行工艺优化的应用性研究较少[4-5]。本文通过对脱胶工艺影响较大的氢氧化钠的用量、双氧水的用量、煮漂温度和煮漂时间四个主要因素进行正交实验设计，优选桑树皮纤维的化学脱胶工艺，并测定脱胶后的纤维性能，为桑树皮纤维在纺织领域产业化提供基础数据，拓展纺织原料的生物基来源。

1 实 验

1.1 试验材料

桑树皮,广东南海西樵。

1.2 仪器药品

电子分析天平(精度0.0001 g),上海佑科仪器仪表有限公司;Y802型烘箱,南通三思机电科技有限公司;DMEX30生物显微镜,宁波舜宇仪器有限公司;YG006电子单纤维强力机,宁波纺织仪器厂;HH-M8电热恒温水浴锅,江苏新春兰科学仪器有限公司。

88%甲酸,石家庄市泰和化工有限公司;偏硅酸钠,临沂晶诚洗涤助剂有限公司;98%硫酸、氢氧化钠、99%冰乙酸、37%浓盐酸、6%次氯酸钠溶液(化学纯),广州化学试剂厂。

1.3 提取桑树皮纤维工艺流程

桑树皮→浸酸→水洗→煮漂→水洗→酸洗→水洗→脱水→烘干

浸酸：浴比1:15，98%H2SO4用量为0.5 mL/L，在常温常压下浸渍1 h。

煮漂：浴比1:20，质量浓度为10%Na2SiO3为稳定剂，防止H2O2在碱性溶液中分解。在常压下进行，其它条件参照正交试验表2进行。

酸洗：浴比1:15，H2SO4浓度为1～2 mol/L，在常温常压下15 min[6]。

1.4 桑树皮煮漂工艺因素水平选择

1.4.1 氢氧化钠因素水平

氢氧化钠浓度低难以有效去除胶质，使纤维束无法充分松解；浓度太高则易造成脱胶过度，损伤工艺纤维，因此选定5 g/L，10 g/L，15 g/L三个水平。

1.4.2 双氧水因素水平

双氧水能与桑树皮中的胶质发生化学反应被去除，并具漂白的作用，取10 mL/L，20 mL/L，30 mL/L三个水平。

1.4.3 煮漂温度因素水平

为了能达到良好的煮练效果而又不损伤纤维，取80 ℃，90 ℃，100 ℃三个水平。

1.4.4 煮漂时间因素水平

煮漂时间长试剂对胶质作用充分，可以较好的去除胶质。但煮练时间过长会使工艺纤维强度降低，取60 min，90 min，120 min三个水平[6]。

1.5 桑树皮纤维残胶率测定方法[7-8]

取3份干重约5 g脱胶后的桑树皮纤维，放入已知重量的称量瓶中，烘干至恒重，在干燥器中冷却，称重。将试样放入加有150 mL，浓度为20 g/L的氢氧化钠溶液的圆底烧瓶中，装好球形冷凝管，加热沸煮回流3 h。取出试样，在分样筛中用水冲洗干净，放入已知重量的称量瓶中烘至恒重，取出在干燥器中冷却，称重。按下式计算：

式中：Wc——试样的残胶率，%

G0——试样的干重，g

1.6 桑树皮纤维化学脱胶正交实验方案设计

采用正交实验的方法，对影响煮漂的4个主要因素氢氧化钠用量、双氧水用量、煮漂温度和煮漂时间进行正交试验方案设计，因素水平表如表1所示，并进行实验。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

表2 实验方案Table 2 Test protocol

1.7 桑树皮纤维性能测定[9]

1.7.1 桑树皮纤维纵向形态测定

将脱胶后的桑树皮纤维置于载玻片上，盖上盖玻片后放于显微镜载物台上，调整显微境至视野清晰，拍摄照片。

1.7.2 桑树皮纤维的耐化学性的测定

将少量脱胶后的桑树皮纤维分别放入装有化学试剂的小试管中，观察其溶解性况，并记录现象。

1.7.3 桑树皮纤维的吸湿性能测定

脱胶后的桑树皮纤维在标准状态下(20 ℃，65%相对湿度)放置24 h，取3份约2 g的纤维的重量，然后在一定温度的烘箱内烘干纤维，称得干重，通过式(1)和(2)计算纤维的回潮率和含湿率。

(1)

(2)

式中：Rh——试样的回潮率，%

rh——试样的含湿率，%

W1——试样标准状态下的重量，g

1.7.4 桑树皮纤维的力学性能测定[9]

YG006电子单纤维强力机试验参数：拉伸方式为定速拉伸，隔距为10 mm，拉伸速度为10 mm/min。

2 结果与分析

2.1 正交实验结果分析

桑树皮提取纤维化学脱胶正交实验结果如表3所示。

表3 试验结果Table 3 Test results

由表3可知，KA(7.24)>KC(7.23)>KD(5.64)>KB(1.62)，所以影响化学脱胶效果的各因素从主到次的顺序为：A因素(NaOH用量)，C因素(煮漂温度)， D因素(煮漂时间)， B因素(H2O2用量)，KA与KC接近，说明NaOH用量与煮漂温度的影响权重接近 。在本实验中，实验指标脱胶后的桑树皮纤维的残胶率越低越好，在优方案选择中应选取指标小的那个水平，即应选每个因素的K1，K2，K3中最小值所对应的水平。

A因素(NaOH用量)列：K2(39.76)

B因素(H2O2用量)列：K3(41.36)

C因素(煮漂温度)列：K3(39.93)

D因素(煮漂时间)列：K3(39.88)

由此得到初步优方案为：A2B3C3D3，即NaOH用量10 g/L，H2O2用量30 mL/L，煮漂温度100 ℃，煮漂时间120 min。

根据表3的正交设计实验结果的ki值，绘出各因素水平分别对化学脱胶后桑树皮纤维残胶率的影响曲线，如图1～图4所示。

由图1可知，氢氧化钠浓度对脱胶效果影响明显，随着氢氧化钠浓度的增加，试样的残胶率降低明显，当氢氧化钠用量大于10 g/L后，残胶率基本保持不变，由曲线趋势可知，当氢氧化钠浓度达到一定后，其对桑树皮的脱胶效果基本维持不变。

图1 NaOH用量对残胶率影响Fig.1 Effect of NaOH dosage on residual rate

图2 H2O2用量对残胶率影响Fig.2 Effect of H2O2 dosage on residual rate

由图2可知，双氧水可以增加脱胶后纤维的白度，随着双氧水用量的的增大，残胶率随之下降，但降低的幅度不大，由曲线趋势可知，其用量对桑树皮的脱胶效果影响权重较小。

图3 煮漂温度对残胶率影响Fig.3 Effect of boiling and bleaching temperature on residual rate

由图3可知，煮漂温度在90 ℃前，随着煮漂温度升高残胶率下降明显，当煮漂温度超过90 ℃以后，残胶率数值不再明显下降，由曲线趋势可知，当煮漂温度达到一定后，其对桑树皮的脱胶效果趋于平衡。

图4 煮漂时间对残胶率影响Fig.4 Effect of boiling and bleaching time on residual glue rate

由图4可知，随煮漂时间增加，残胶率逐步降低，当煮漂时间大于90 min后，残胶率数值下降幅度收窄，由曲线趋势可知，当煮漂时间达到一定后，其对桑树皮的脱胶效果也趋于平衡。

综合上述各因素水平对残胶率的影响，并从实际生产效率和生产成本出发，确定化学脱胶法提取桑树皮纤维煮漂最优工艺参数为：氢氧化钠用量为10 g/L，双氧水用量为30 mL/L，煮漂温度为90 ℃，煮漂时间为90 min。

2.2 桑树皮纤维性能

采用最优工艺对桑树皮进行化学脱胶处理，将得到的纤维进行性能分析。

2.2.1 桑皮纤维的形态结构

将桑树皮纤维置于显微镜下进行观察，并拍下纵向形态显微照片，如图5所示。

图5 桑树皮纤维纵向形态(放大400倍)Fig.5 Longitudinal morphology of mulberry bark fibers (magnified 400 times)

从图5可见，桑树皮纤维表面不平滑，沿纵向有很多粗细不匀的凹槽和裂纹，有横节。这些细小的凹槽和裂纹使纤维具有良好的毛细效应，能迅速吸收和蒸发水份，纤维的吸湿及放湿能力强，与苎麻、亚麻等麻类纤维相近。

2.2.2 桑树皮纤维的耐化学性的测定

耐化学性是检测纤维耐酸、碱、溶剂和其他化学物质的能力。如表4所示。

表4 桑树皮纤维化学稳定性Table 4 Chemical stability of mulberry bark fibers

由表4可知桑树皮纤维不溶于碱、弱酸和次氯酸钠，在室温条件下，溶于强酸，这与桑树皮纤维的主要化学成分为纤维素以及其内部的超分子结构有关。

2.2.3 桑树皮纤维的吸湿性能

在标准状态下测得的桑树皮纤维的吸湿性能如表5所示。

表5 桑树皮纤维吸湿性能Table 5 Moisture absorption properties of mulberry bark fibers

由表5可知，桑树皮纤维在标准状态下的的回潮率和含水率较大，与其他麻类纤维吸湿性能相近，这与桑树皮纤维本身的化学组成为纤维素及其形态结构有关。

2.2.4 桑树皮纤维力学性能

纤维的力学性能主要包括断裂强度和断裂伸长率，是表征纤维品质的主要指标，在标准状态下测得桑树皮纤维力学性能如表6所示。

表6 桑树皮纤维力学性能Table 6 Mechanical properties of mulberry bark fibers

由表6可知桑树皮纤维的断裂强度均值高达5.65 cN/dtex-1，大于普通民用化学纤维的断裂强度，断裂伸长率均值为6.76%，是一种高强低伸型纤维。这主要是因为桑树皮纤维是韧皮纤维，而韧皮纤维是植物的基本骨架，有较高的结晶度和取向度，而且原纤维又沿纤维径向呈层状结构分布。纤维手感比较硬，不轻易变形，适用于纯纺或与其他化学纤维及天然纤维混纺制备纺织面料用的纱线。

3 结 论

(1)桑树皮化学脱胶法提取纤维最佳工艺条件为：氢氧化钠10 g/L,双氧水30 mL/L,温度90 ℃,时间100 min。

(2)桑树皮纤维性能：纤维沿纵向有很多粗细不匀的凹槽，有横向节；桑皮纤维耐化学试剂能力较强，耐碱及弱酸，在室温条件下，溶于强酸；桑皮纤维的回潮率为7.84%；纤维的断裂强度5.65 cN/dtex，断裂伸长率6.76%，具备纺织纤维所需的性能。