（纺织工程专业论文）竹纤维的细化工艺研究.pdf

竹纤维的细化工艺研究 摘要 随着社会的发展、科学的进步，人们对自身的生存环境给予厂越 来越大的关注。不可再生资源的保护，新能源、新材料的歼发及应用， “环境友好”、“自然眄1 归”成为这个时代科技发展的主旋律。在纺织 领域，由丁石油资源是不可再生资源，因而基于石油的化学纤维的发 展也是有限的，再加之其制造工艺中可能造成的环保问题，于是人们 把目光又再次投向了天然纤维。 作为绿色天然的竹纤维在近些年又有匕快的发展。目前市场上所 推j 。的竹纤维有两种，种为使用纤维再生工艺制得的竹浆纤维，另 种为通过脱胶直接制成的竹原纤维。前者目前探讨较多，而后者则 较少探训。为- r 更好的推广竹原纤维( 以f 简称竹纤维) ，对后者的 探时显得尤为必要。 本文围绕竹纤维主要探讨j 7 二i 个方面的内容： ( 1 ) 竹纤维的化学褂：能、制耳义。法及选择 ，奉除文的第 部分首先介绍了竹纤维的发展现状以及存在问题， 然后列f j + 纤维的天然化学组成及并成分的化学特性也做r 介绍，l hj j e 得了制敬竹纤维的主攻方向。此后，对口 诲常用的制取1 j 纤维的制 取力法发本论文所提出的t 哥压碱煮【岂作j i ，简单的介绍，并且选取， 几种比较钉代表性的制圾，f 淡进仃制取试验，然后比较制得绀纤f ：的k 度、细度、强度的性能，最终得出高压碱煮法( 二煮法) 是一种l 艮钉 效的竹纤维制取方法。 ( 2 ) 竹纤维制取工艺优化 本文的第二二部分在第一部分讨论的基础j ：，首先对优选出的高j k 碱煮工艺作了优化探讨，得出了最优制取j j 艺参数，苋分析了压强、 碱煮时间及碱液浓度对制取效果的影响及原因。 由于碱煮后，仍有大量胶质残留在竹纤维束表面，使纤维无法彼 此分离，因此还需要对纤维束进行机械牵压。机械牵压的几个工艺参 数，辊子压力、锏皮辊的组合，也在本文作了讨论。 竹纤维给油及梳理也是决定制得纤维质量的一个重要因素。在该 部分的最后，先对纤维梳理油剂的选用及给油条件作了研究。然后， 依据竹纤维的性能，又对梳针的选用、组合作了讨论，并依据现有条 件，给了最佳梳理方案。 ( 3 ) 竹纤维产品开发的展望 在本论文的最后一部分，对本课题的研究成果作了总结，并根据 制成纤维的性能，分析了在梳理、制条、成纱等制造加工过程中所应 注意的问题和应采用的工艺条件。并【l 对其所虑开发的产品也作，展 望。 关键字：1 ，j 纤纬，脱胶，细化，今瓜，梳理 r e s e a r c ho nt h er e f i n i n go f b a m b o of i b e r s a b a s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n ds o c i e t y , t h ee n v i r o n m e n ti s c o n c e r n e db yt h ep e o p l ed r a m a t i c a l i y t h er h y t h mo ft h es c i e n c er e s e a r c h w a sb e c o m et op r o t e c tn o n r e g e n e r a t e dm a t e r i a ls ，f i n dn e we n e r g ya n d m a t e r i a l s i nt h ef i e l do ft e x t i l e ，t h er e s e a r c ho nc h e m i c a lf i b e ri sl i m i t e d b yt h es c a r c eo fp e t r o l e u ma n dt h ee n v i r o n m e n tp r o b l e mi nt h ep r o c e s so f p r o d u c i n gt h ef i b e r s on a t u r a lf i b e r sa r ep r o u da g a i n a sn e wt y p eo fn a t u r a lf i b e r ，t h eb a m b o of i b e ri sr e s e a r c h e do n g r e a t l yi nr e c e n ty e a r s t h e r ea r et w ot y p eo fb a m b o of i b e ri nc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n ，o n e i s r e g e n e r a t e df i b e rj u s t a sv i s c o s e ，a n o t h e ro n ei s p r o d u c e db yd e g u m m i n ga sr a m i e t h ef o r m e ri su s e da n dd i s c u s s e d w i d e l yr e c e n t l y ，b u tt h el a t t e ri ss e l d o m f o ru t i l i z i n gt h el a t t e rb e t t e r ，i ti s d i s c u s s e do nt h ep r o p e r t i e s ，p r o c e s so f p r o d u c t i o n ，e t c i nt h ep a p e r t h r e er e s p e c t so fb a m b o of i b e rw e l ed i s c u s s e di nt h ep a p e r ( 1 ) d i s c u s s e do nt h ec h e m i c a lp r o p e r t i e so fb a m b o of i b e r ，p r o c e s s e so t p r o d u c i n gi ta n dc h o o s i n gt h ep r o c e s s p a r to n eo ft h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h ec u r l e n ts i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to ft h ef i b e ro fb a m b o o sa n dt h ep r o b l e me x i s t s c h e m i c a l c o m p o s i t ea n dc h a r a c t e ro fb a m b o of i b e ra n dt h ek e yt od e g u mt h ef i b e r w e r ea l s od i s c u s s e di nt h ec h a p t e r1 t h ec o m m o n l yu s e dp r o c e s s e st o d e g u mb a m b o of i b e rw e r ei n t r o d u c e db r i e f l y i nt h e f o l l o w i n gc o n t e n t t h e ns e v e r a lt y p i c a lp r o c e s s e sw a gc h o s e nt oc o m p a r et h ed i f f e r e n c e si n t h ee n dp r o p e r t i e so ft h ef i b e rd e g u m m e d ，s u c ha sl e n g t h ，t e n s i o na n d f i n e n e s s ，t oc o n c l u d ew h i c hp r o c e s si st h eb e s tt oe x t r a c tt h ef i b e r s ，b a s e d o nt h ec o m p a r i s o n ，t h ep r o c e s so fd e g u m m i n ga th i g hp r e s s u r ew a s p r o v e dt ob et h eb e s ta n de f f i c i e n to n e ( 2 )o p t i m i z et h ep r o c e s so f e x t r a c tb a m b o of i b e r b a s e do nt h ec o n c l u s i o ng o ta b o v e ，t h ep a r a m e t e r so fd e g u m m i n ga t h i g hp r e s s u r ew e r eo p t i m i z e da tt h eb e g i n n i n go fs e c t i o n2o ft h ep a p e r t h e nt h er e l a t i o nb e t w e e nd e g u m m i n gt i m e ，c o n s i s t e n c yo f a l k a l i ， p r e s s u r ea n dt h ee n dp r o p e r t i e so fb a m b o of i b e rw a sd i s c u s s e d a f t e ra l k a l ib o i l i n g ，al a r g ea m o u n to fg l u er e m a i no nt h eb a m b o o f i b e rb u n d l es u r f a c e ，w h i c hm a k et h ef i b e ru n a b l et os e p a r a t ee a c ho t h e r s on e e dt oc a r r yo l lm a c h i n e r yt od r a f tt h eb u n d l eu n d e rc e r t a i np r e s s u r e m a i np a r a m e t e r si nt h e p r o c e s sa r ep r e s sv a l u ea n dc o m b i n a t i o no f p r e s s i n gr o l l e r s ，w h i c hw e r ea l s or e s e a r c h e d a n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o ri ne x t r a c tb a m b o of i b e ra r ec a r d i n ga n d s u p p l y i n go i l i nt h ee n do ft h es e c t i o n ，t h et y p e so fo i la n dt h ec o n d i t i o n o fs u p p l y i n go i lw e r ed i s c u s s e da tt i r s t t h e na c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e s o ff i b e r ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fc a r d i n gw e r er e s e a r c h e d ，a n dt h e o p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r ea l s oi n t r o d u c e df i n a l l y ( 3 ) p r o s p e c t o f b a m b o of i b e rp r o d u c td e v e l o p m e n t i n t h el a s ts e c t i o no ft h i sp a p e r ，c o n c l u s i o n si nt h e p a p e rw e r e c o l l e c t e d t h e n a c c o r d i n g t o i t s p e r f o r m a n c e ，t h eq u e s t i o n s a n d p a r a m e t e r s ，w h i c hs h o u l db en o t i c e di nc a r d i n g ，s l i v e r i n g ，s p i n n i n g ，w e r e a n a l y z e d a n dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ef i b e rw a sp r o s p e c t e d z h e n gy o u ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o f c u iy u n h u a p r o f c h e n gl o n g d i k e yw o r d s ：b a m b o of i b e r ，t h e o r yo fd e g u m m i n g ，r e f i n i n gb a m b o o f i b e r ，d r a f t i n gu n d e rp r e s s u r e ，c a r d i n g 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声叫：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所鼍交的学位论文，是本人侄导师的 指导f ，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引刚的内窬外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲口撰乍j 我对 所弓的内容负责，f 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇关随 日期：j 护y 年f l ，i = = i h 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留井向国家 有芙部fj 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华人学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密曲，在l 年解密后适用本版权阻 本学位论文属丁 不保密口。 学位论文作者签名：关p 迫 指导教师签名 日期：芦怦硐寻日 毹剖 日期：撕见月玎日 第一章绪论 第一章绪论 随着社会的发展，科学的进步，人们对自身的生存环境给予了越来越大的关 注。不可再生资源的保护，新能源、新材料的开发及应用，“环境友好”、“自然 回归”成为这个时代科技发展的主旋律。在纺织领域，由于石油资源是不可再生 资源，因而基于石油的化学纤维的发展也是有限的，再加之其制造工艺中可能造 成的环保问题，于是人们把目光又再次投向了天然纤维。而天然纤维的开发及利 用，成为当今一个很重要的课题。如何引入新的纤维，为人们所用，是我们所要 做的一项很有意义的工作。 1 1 竹纤维开发的意义 2 0 世纪，在全世界工业高速发展、物质财富大量积累的同时，森林遭到了空 前的破坏，森林面积急剧下降。但是到2 1 世纪全球竹林面积预计将比2 0 世纪扩 大2 3 倍，竹材产量将提高2 5 3 5 倍，竹林的生态效益将更加受到人们的重 视。 竹为单子叶被子植物，禾本科，竹亚科，系多年生植物。盛产于热带、亚热 带、温带地区。海拔几百米到四千多米的山区都能生长。竹子品种众多，用途十 分广泛。“1 中国是世界上竹类资源最丰富的国家，全国共有竹6 0 属，约4 0 0 个 品种，总面积达3 4 0 万公顷，其中毛竹占8 0 ，年产竹材约6 0 0 7 0 0 万吨。 ”1 竹子主要分布在我国南方的1 7 个省( 市) ，它们是湖北、安徽、河南、山东、 山西、陕西、福建、浙江、江西、湖南、贵州、广东、j 西、海南、台湾、四川 以及云南。1 竹类资源丰富，再生能力强，生长迅速，成材期短，产量高，它具有防菌和 产生负离子的功能，而且2 至3 年即可形成一个成长周期，凶此即便是进行砍伐 也不会对生态环境造成巨大影响，具有一次造林可永久持续利用的特点，竹纤维 是一种绿色、可再生、可降解的资源性纤维。因而竹类具有广阔的开发利用前景。 竹纤维的纤维素含量在5 0 左右，有些品种甚至达5 8 ，具备了制备纺织纤维 所需之要求( 详见表11 ) 。同时，竹子几r 年来给人们留下的就是凉爽、舒适 第一章绪论 的概念。因此，作为一种可再生、可降解的资源性纤维，竹纤维的丌发既符合绿 色产品开发的世界纺织潮流，又适应了人们享受生活，追求自然的心理和生理要 求，纺织用竹纤维的开发既是对我国的丰富竹子资源的合理开发利用，也为绿色 天然舒适纤维找到了一个新的突破口，其意义勿庸置疑。”1 表1 1 竹纤维的化学组成【6 白夹 青皮 种类小毛竹慈竹绿竹丹竹毛竹毛竹 水竹 竹 竹 甘肃天 产地四川四川广东广西 福建 湖南 四川厂东 康 1 2 51 2 1 水分 98 21 2 4 88 2 59 1 26 3 01 3 9 6 7 9 64 冷热 冷水抽出物 2 4 22 1 32 3 848 8 水 慕一 热水抽出物 67 85 2 45 9 676 8 7 6 0 醇 苯一醇抽出物 4 5 86 6 05 1 6 共64 42 】8 乙醚抽出物0 7 10 5 8o 6 6 3 1 22 6 82 3 43 092 7 41 n a o h 抽出 2 4 7 32 8 6 52 6 5 62 5 】l 物 4668 9 脂肪、腊质2 1 8 灰分1 2 3 1 2 0 1 4 31 7 8l8 31 1 01 0 3o9 92 2 4 果胶质 08 7o 6 5 0 70 3 30 6 3 2 5 41 7 4】8 52 1 12 3 7 聚戊糖 2 15 62 2 6 4 2 1 6 01 88 7 】 5 4 21 3 1 2 2 30 2 35 3 062 66 木质素2 3 4 03 34 62 33 1 2 0 1 9 80572 4 43 4 9 54 784 5 55 25 纤维素 4 6 5 04 6 4 74 4 2 65 8 4 8 558o7 1 - 2 竹纤维的物理性能 1 2 1 竹纤维的结构 竹纤维具有氏的，两端渐绌，有时为分义状的细欧形态。其纤维长度的范围 从p l t l | , l l g s t a c h ys n i g z a 的1 0 4 r a m ，到b a n l b u 册v 拈a ，j s 的2 6 4 r a m ，平均长为 1 9r i l l 。e s e 等对纤维尺度变异性做了研究，发现：常常较短、较小的纤维出 现在秆壁的外层；而向罩则逐渐增加，直至秆壁的l 3 处达到最大；而后义i 旬甲 逐渐降低。闭绕维管束纤维鞘的外侧较内侧有更长的纤维，其原凶不清楚。在同 第一章绪论 一节间，纤维长度沿轴向而变化，最短的纤维总是出现在节的附近，最长的则 在节问的中部。而沿秆的不同节间( 从基部到稍部) ，纤维长度减小的趋势较小。 节间的平均纤维长度与节问的长度相关，因此在茎秆的中部存在最长的节间， 也就有较长的纤维。经测试，纤维的直径范围为1 0 4 0 a n 。1 2 3 由于竹纤维单纤维过于短，无法应用于纺纱，故制取其工艺纤维。制成纤维 的纵向及横截面图见图卜1 、卜2 。可以发现竹纤维的截面与麻相似，竹纤维截面 呈扁平状，纤维中间具有孔洞。纤维纵向的光学显微镜图片说明，纤维表面存在 沟槽和裂缝，且无天然转曲。竹纤维中细长的空漏和表面的沟槽决定了竹纤维具 有优良的吸湿性和放湿性 图l i 竹纤维横截面图( 图中黑色部分为羊毛) 第章绪论 图卜2 竹纤维纵向显微图 1 2 _ 2 竹纤维的吸湿、放湿性能【3 2 】 竹纤维之所以在纺织中加以研究应用，一个重要原因是认为它具有优良的吸 湿放湿特性，关于竹纤维吸湿放湿特性，本校的万玉芹曾作过一定研究。研究发 现，竹纤维吸放湿初始阶段速度很快，到1 0 0 分钟左右速度急剧下降，然后逐 渐趋于平衡。这是由于纤维中水分子传递作用，受到纤维吸湿放热的影响。纤维 吸湿放热，使纤维的温度升高，纤维中水汽压力增大，导致进入纤维的水汽分压 梯度减小，降低水分子进入纤维的速度，纤维吸湿变慢。 对亚麻、黄麻及竹纤维的比较研究还发现，竹纤维的吸湿速率在起始阶段小 于亚麻及黄麻，但在后期速度则略高于亚麻。放湿速率上，竹纤维则介于亚麻与 黄麻之间。 1 2 3 竹纤维的抗菌性 我们知道，亚麻纤维具有很好的抗菌性。用接触法进行1 2 小时的实验，结 果表明：白色念株菌的存活率为3 7 ，而大肠杆菌的存活率只有8 ，金色葡萄 球菌的存活率只有6 ；用浸出液法1 2 小时的实验结果：金色葡萄球菌的死 3 ： 率为8 7 ，而白色念株菌的死亡率高达9 2 。据有关文献介绍，使得亚麻纤维 有如此优良抗菌性的原因是残存丁：纤维内部的果胶质及半纤维素物质。 3 7 f f j j 纤维则富含这两种物质，由此，可推断其同样也具有抗菌性。 第一章绪论 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 t l m e ( m i n u 嘲 图1 - 3 竹纤维吸湿记录折线图 0l o o 2 。o3 n m e ( m i n u t e ) 图】一4 竹纤维放湿记录折线矧 0 9 8 7 6 5 4 3 一世oc一日。由比窭3lslo至 一水一ul口芷皂暑10至 第一章绪论 o5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 。 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 t i m e ( m j n u t e ) 图1 5 纤维吸湿速率回归曲线图 t l m e ( m i n u t e ) 图1 - 6 纤维放湿速率同归曲线图 1 3 竹纤维利用的历史及现状 131 竹纤维利用的历史 尽管我们是在近几年才提出竹纤维、竹纱、竹布这些概念，但事实e ，我旧 x v ul昭。岫比是暑望日薹 一鬟一曼田。舯巴=豆。羞 第一章绪论 的先民，早就将竹纤维应用于纺织领域。 早在一千多年前，北宋大文豪苏东坡就有过这样一段记载：“食者竹笋，庇 者竹瓦，载者竹篾，鏊耋笪菱：壅鲞笪庭：盘鲞笪堡：屋鲞笪整，真可谓不可一 日无此君也! ”可见在当时，人们除了将竹用于食用外，还有其它甚至纺织上的 应用。 此外，又据记载，古时又一种竹布，又称竹疏布，也曾流行。南方草木状 卷下载：“箪竹叶疏而大，一节相去六七尺，出九真，彼人取嫩者追浸纺织为布， 谓之竹疏布。”又，新唐书地理志云：“韵州始兴郡上贡竹布、钟乳、 确斗。”以上记载说明，竹是制作衣物面料的重要材料之一；竹布作为制作衣物 的上乘面料，是上贡朝廷的贡品，据此推测，竹布衣物主要流行于上层社会。 1 2 2 竹纤维葺i l 甩开发的现状 前不久日本一家公司宣布，科研人员找到了一种比其他织物更适于缝制夏装 的材料，并开始用这种材料竹子制造夏日女装。实验表明，竹纤维同棉毛纤 维相比有一系列优越性，竹纤维的横截面满布椭圆形孔隙，可以在瞬间吸收并蒸 发水分，因此夏天穿竹子制作的服装感到无比的凉爽。发明者说，用竹子缝制的 衬衣和裙子轻柔，防皱而且贴身。不过，用竹子制作的服装价格昂贵。嵋1 另据海外报导，几年前日本m a r u m a s a 公司从印度尼西亚进口竹子生产的竹 纤维用于春夏服装服饰制做，2 0 0 0 年春夏季节推出用竹浆纤维制成的面料。品 种有纯竹浆纤维产品和其混纺产品，用于制作茄克、裤子、套装和衬衣，专门提 供给服装专卖店。近两年在日本，一件竹纤维制做的女式大衣市场售价高达5 0 0 美元。在日本，“纸衣配竹裙”已经成为女性消费的时尚，并迅速在欧美市场流 行成为新宠。1 另据媒体报导，日本服装公司太阳贸易公司( s u n t r a d e ) 同前宣布，该公司 开发出一系列利用竹纤维纸制成的高尔夫球服装。据介绍，新推出的系列服装的 竹纤维材料具有抗菌性能，可以去除体味，并能阻挡太阳紫外线的照射。使用竹 纤维织成的布料还被用来生产网球服装和医院制服。这种布料是利用竹纤维纸缠 绕在聚酯棒上的纺线编织而成的。们 国内目前竹纤维应用主要是指竹浆纤维的应用。 如据报道，在2 0 0 0 年9 月，吉林化纤研制成功并生产出第一批1 6 7 d t e x 第一章绪论 3 8 m m 的竹浆短纤维。竹浆纤维开发成功后，分别由山东岱银纺织服装集团等3 家公司，江苏、河南、上海等6 家企业进行试纺，最后生产出各色的内衣、t 恤 衫、卫生巾、浴衣、地毯等。据称，他们所制成的竹浆纤维的衣物强力好，耐磨 性好，不仅手感柔软，穿着舒适，而且悬垂性好，是一种环保型的服饰。他们进 一步研究又发现竹浆纤维的抗菌性能独特，同样数量的细菌在显微镜下观察，在 棉、木纤维制品中能生存繁衍，在竹纤维中不仅不能长时间生存，而且短时间内 还能减少、消失。目前，他们已投入大生产，生产出的5 0 0 0 多吨竹纤维以及合 成品销售一空，公司已为竹浆纤维注册了“天竹”商标。 上海的化纤工业采用竹浆粕变性生产新工艺，成功地促使用于造纸的竹浆粕 变性，生产出粘胶竹浆粕，解决了把竹子变成“棉花纤维”这一关键性技术难题， 并为后续开发竹纤维系列纺织面料奠定了技术基础。 图1 7 使用竹浆纤维制成的针织品 太仓二棉实业有限公司与上海纺织科学研究院共同开发纯天然竹浆纤维及 不同混合比例竹浆纤维系列产品。这种色泽像蚕丝般的丝竹纱具有保暖透气、穿 着舒适、基本不沾身等优点，易于吸湿放湿。经上海市工业微生物研究所检测中 心检测，其2 4 小时天然抗菌率达7 1 ，大大高于其它种类的纤维性能。目前， 太仓二棉已开发纱支白7 支至4 5 支的丝竹纱、竹棉混纺纱、竹麻混纺纱、竹毛 木混纺纱和氨纶包芯纱等系列产品。 1 3 竹材主要化学成份及性能 第一章绪论 竹材的主要化学成分由纤维素、半纤维素和木质素三大类。其中，纤维素是 为我们所要利用的，应以保留：而半纤维素和木质素对纤维应用来说是不利的， 会影响纤维的品质，应以去除。 1 3 1 半纤维素 半纤维素是植物组织中与纤维素相伴生的一种低分子质量( 其平均聚合度 5 0 - - - 2 0 0 ) 的无定形结壳物质，是由两种或两种以上的单糖组成的不均一糖，大多 数带有短侧链；绝大多数位于纤维素细胞的胞间层和细胞壁上，也可认为是纤维 素细胞间的填料和黏结物质1 1 5 。 ( 1 ) 化学结构【1 2 】 半纤维素与木质素之间有化学键联接，与纤维素虽没化学键联接，但结合紧 密，性质相近，所以半纤维素的分离是比较复杂的。其结构单元有六种，如下： c 【一d 一木糖、一d 一葡萄糖醛酸、l 一阿拉伯糖、a d 一葡萄糖、c 【一d 甘露 糖、一d 一分解乳糖。半纤维素是一群物质的总称。其可大致分为两类。常见 的有以下几种结构： 1 聚戊糖 以木糖为线状分子的主链，其它的单糖基、糖醛基，甚至乙酰基以支链形 式存在。 1 ) 聚4 一氧一甲基糖醛酸一木糖 2 ) 聚4 一氧一甲基葡萄糖醛酸一阿拉伯糖一木糖 2 聚己糖 这是一类以六碳糖基为主链组成的半纤维素。 3 聚葡萄糖一甘露糖 4 聚分解乳糖一甘露糖 5 阿拉伯分解乳糖 竹材的半纤维素以木糖为主链，并有支链，由阿拉伯糖基，4 一o 一甲基葡萄 糖醛酸或葡萄糖醛酸基连在主链上。 ( 2 ) 物理性质 1 溶解度 半纤维素中有- - d , 部分易溶于水，大部分不溶于水：某些易溶于碱液中，而 第一章绪论 某些则易溶于酸液中。 2 聚合度 其平均聚合度在2 0 0 左右，一般分布在1 0 0 3 0 0 ，比纤维素小得多，并且半 纤维素有支链，这是半纤维素和纤维素的主要区别。 ( 3 ) 化学性质 从半纤维素的组成特征来看，基环间的联接是苷键，含还原性末基团，基环 上也有羟基，因此，与纤维素相似，易发生酸性水解、剥皮反应，也可以进行氧 化、还原、酯化和醚化反应。由于半纤维素的聚合度低，且有支链，支链不能形 成紧密的结合，而使无定形区增大，试剂可及度增大，因而溶解度、化学活性、 化学反应速度都比纤维素大。 半纤维素中存在着多种组成和结构，其化学性质也存在一定的差异。例如， 葡萄糖醛酸抗酸水解但易碱裂解；五碳糖的阿拉伯糖易被酸水解；苷键在酸中易 水解等。 1 3 2 木质素 木质素( 1 i g n i n ) 存在于所有的维管植物之中，是植物细胞壁的主要成分之 一，基本上存在于细胞的胞膜与细胞壁的内部，是植物细胞中一类复杂的芳香聚 合物，它是纤维素的粘合剂，以增加植物体的机械强度，起支撑作用，粘结纤维 素，使其具有承受机械力作用的能力【3 5 。其中，一部分木质素与半纤维素成化 学结合而紧紧地联系在一起，但与纤维素间未发现有化学结合 2 3 】。竹类植物的 木质素主要存在于胞间层，但在纤维素本身的多层结构之间也含有较大量的木质 素成分【2 4 1 ，因此在竹化学脱胶中竹材经酸碱和氧化剂的多次作用后，竹纤维中 还存在相当多的木质素，所以木质素在竹化学脱胶中是主攻对象。 竹纤维中木质素含量的多少是影响竹纤维品质的重要因素之一。木质素含量 少的纤维，光泽好，柔软并富有弹性，有较好的可纺性。反之，纤维光泽差，柔 软性、弹性及纤维的可纺性均低下。为了使得到的竹纤维有较好的性能，总希望 纤维中的木质素含量越低越好。但要掌握适度，否则易使工艺纤维解体，从而降 低竹纤维的纺纱性能。 ( 1 ) 木质素的化学结构 木质素的不均一性表现在：a 不同种属的木质素结构有差别；b 不同植物 第一章绪论 部位和生长情况的木质素有差别：c 不同植物细胞形态学的木质素结构有差别 ”。因此木质素是一种无定形的高分子化合物，是一群物质的名词。 木质素是聚酚类的三维网状高分子化合物，不同于蛋白质、多糖、核酸等天 然高分子，后者的有规结构可用化学式来表示，而木质素只能用结构模型来表达， 这种结构模型所描述的也只是木质素大分子被切出的可代表平均分子的一部分， 或只是按测定结果平均出来的一种假定结构。 目前认为木质素的结构主体是苯丙烷，共有三种基本结构( 非缩合性结构) ， 即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构( 见图1 8 ) ： 。一， 卜- c 一。 一 c h 3 0 7 愈创木基结构 c - - c m _ 一c c 紫丁香基结构 对羟苯基结构 图1 8 木质素的三种基本结构 结构主体之间的联接方式，主要是醚键，约占2 1 3 3 4 ，还有碳键约占1 4 1 3 。 各种键型如图1 9 所示。 i 木质素含有甲氧基( o c h 3 ) 、羟基( 0 h ) 、羰基( 弋= o ) 等多种复 杂的官能团。 木质素结构中存在较多的羟基，以醇羟基和酚羟基两种形式存在。木质素结 构中的酚羟基是一个十分重要的结构参数，酚羟基的多少会直接影响到木质素的 物理和化学性质，如：能反映出木质素的醚化和缩合程度，同时也能衡量本质素 的溶解性能及反应能力。 卜 瓠 第一章绪论 f 审 0 b o 一4 型 0 40 5 型 0 b 一5 型 毒州f 。 图1 9 联接木质素主体之间的各种键型 木质素中所含的甲氧基与果胶酸中的甲氧基的形成过程不同，木质素中的甲 氧基是由酚羟基构成，而果胶物质中的甲氧基则是由醇羟基形成；由酚羟基形成 的甲氧基比较难以分解，若用碱煮或浓酸处理时可引起甲氧基部分地分裂【l 。 ( 2 ) 化学脱木质素机理； 木质素在制取竹纤维过程中参与化学反应的环节主要是碱煮和漂白。碱煮是 通过化学反应将木质素变成可溶物溶出。而漂白是通过反应溶出，或通过反应改 变木质素大分子的结构，以达到漂白的目的。包括以下三种反应【l8 】： 1 、氯化：氯易与木质素起反应，生成红褐色的氯化木质素，溶于碱液中。 2 、氧化：木质素对氧化剂的作用不如纤维素那样稳定，易受氧化剂的作用 而裂解。在碱性介质中卤素能氧化木质素并形成含有羟基的物质。如用过氧化氢、 高锰酸钾等氧化剂氧化木质素时，可能得到草酸、甲酸及醋酸等化合物。利用稀 的亚氯酸盐、二氧化氯溶液处理木质素，则木质素可被氧化而能溶解在亚硫酸钠 ，。人yi)， 艘 卜rv。一 。l。l。审q o 蚀 ：水节。一 第一章绪论 溶液中。 3 、碱液作用：木质素和碱作用，可发生化学水解，而是生成的碱木质素从 木质素表面脱离，溶于溶液中。 1 4 竹材碱煮化学脱胶机理【1 8 】 竹材碱煮过程的化学现象虽然复杂，仍不妨分解为四个方面来理解，也就是 说，竹材碱煮的综合化学作用过程可以分为：物理作用，界面动电化学作用，纤 维素伴生物的化学反应，物理化学作用等四个过程。其间相互区别又相互交叉。 竹子在碱煮过程中，首先发生的是碱液与竹子之间的以润湿，吸附，扩散， 溶胀为配合内容的渗透作用过程。这是竹子在碱煮溶液中的物质传递初始阶段。 碱煮溶液对竹子的物理作用，实际上是含水体系中溶解的化学试剂离子，例如 n a + 及其他助剂离子对竹纤维体系的作用。在相互作用的平衡条件下，可按如下 简化模式相继进行。 竹子表面的润湿：水溶液中化学试剂离子向竹子表面的扩散；竹表面开始吸 附化学助剂离子；水和化学试剂离子开始向竹纤维内部渗透；竹纤维开始溶胀： 化学试剂离子向竹纤维体系内扩散：溶胀过程平衡；扩散过程平衡；吸附过程平 衡；渗透过程终止：溶液体系与竹纤维体系之间的化学试剂离子分布平衡。 碱煮溶液开始物理作用于竹片时，溶剂化的也即电离了的n a + 到达竹片时， 在快速，均匀，渗透的情况下，进入纤维素晶区闻和孔穴，空隙内，以及其他可 及的区域。例如无定形区内。一般此渗透的机理有三中类型：向纤维固有的微孔 中渗透，纤维溶胀之前的渗透和纤维在溶胀时的渗透。 竹纤维被渗透导致竹子( 纤维与胶质) 的溶胀，可以亚微观的认为，竹纤维 是两相体系，溶液和化学试剂离子首先从侧序最低区域渗透入竹纤维，从而使化 学试剂n a + 开始接触溶胀了的初生壁中的半纤维素，果胶和次生壁中的半纤维素 和木质素，这些半纤维素和木质素填充于次生壁中的各原纤以及各原纤之问的缝 隙，孔洞之中。简而言之，无定形区和孔穴，空隙的胶质开始部分水解。 竹材或竹麻纤维在碱煮中，其煮练液的碱液浓度变化情况呈现出一定的规 律，即开始时消耗得很快，到了一定时间则逐渐趋缓呈平衡状态；溶出胶质在开 始时很快，在一定时i b j 后，同样趋缓以致平衡。 第一章绪论 1 5 竹纤维现用制取方法阢3 2 】 1 5 1 化学脱胶法 化学脱胶法是经常被采用的一种竹纤维制取方法，因该类工艺通常经过两道 煮练工序而制得符合后道加工的竹纤维，故又称二煮法。根据前处理及煮练条件 的不同，二煮法主要可分为预氯法、预尿氧法，为了提高脱胶效果及深度，还有 采用超声波处理法。 1 5 1 1 预氯法 预氯法是指在竹材经过初步加工后，将要用于制取纤维的竹片在一定配比的 氯水中预浸一段时间后，再进行碱煮的一种制取竹纤维的方法。其工序如下： 竹片一预氯一水洗一头道酸洗一水洗一头道煮练一水洗一机械打轧一二道 煮练一水洗一二道酸洗一水洗一脱水一千燥一给油给湿一梳理 首先，我们先对各道工序的作用作一介绍： 1 ) 预氯：如上一章所述，木质素极易与氯发生反应，生成氯化木质素而溶 于碱液中。因此，预氯的主要作用就是通过氯化反应，使部分木质素从竹片上脱 去溶解，减轻后道煮练压力。 2 ) 水洗：经预浸、碱煮工序和酸洗工序后都要将竹纤维或竹片进行水洗。 一方面可以洗去各药剂残余物，另一方面可以去除一部分已溶解但仍粘附在纤维 上的胶质，降低纤维的残胶率，提高其白度、柔软度及松散性。 3 ) 头道酸洗：该工序的目的主要是中和残留于纤维上的碱剂，水解胶质。 4 ) 二道酸洗：二道酸洗的目的除了中和残留于纤维上的碱剂，水解胶质外， 还可进一步去除粘附在纤维表面上的糊状胶质以降低竹麻纤维残胶率，提高纤维 的白度、柔软度及松散性。 5 ) 头道煮练：经过了预氯、头道酸洗等预处理后，竹片需要投入贮有一定 浓度的碱液和煮练助剂的煮练锅中进行头道煮练。经过头道煮练，竹片中用于维 系纤维间联系的胶质逐渐溶去，纤维内部的大部分木质素也得到很好的去除。纤 维间的分离度得以提高。 6 ) 机械打压：只有化学的脱胶分离，而无机械作用的介入，无法使竹纤维 完全分离。因此，在本工序中，借助机械打压，提高纤维分离度。 第一章绪论 7 ) 二道煮练：虽然头道煮练已除去了大部分胶质和木质素，但是纤维内仍 有部分残留，这对于制成纤维的细度、柔软度等性能均有不利影响。由于经过前 道的牵压，纤维的分离度又得以在一次的提高，使煮液更为容易与纤维上各杂质 发生反应，为此，需要通过二煮以除去残留胶质及木质素，进一步细化纤维、提 高纤维分离度。为了节约原料及能源，同时也为了由于过煮而造成对纤维损伤， 二煮中所用助剂量可适当减小，煮练时间也应较头煮缩短。 8 ) 经过两道煮练、酸洗后，对纤维脱水，然后自然风干或通过烘箱烘干。 但此时，纤维彼此纠结，且竹纤维表面摩擦力较大，造成梳理困难，因此，需要 给油给湿，使纤维变得柔软光滑，便于后道梳理。 由于氯本身具有漂白作用，因此，通过预氯法制得的竹纤维白度较其他几种 方法高。但是，由于氯的氧化作用过于剧烈，在氧化木质素的同时，也有可能损 伤部分纤维素，而造成制得纤维的强度偏低。 此外，由于氯的氧化作用强烈，因此，预处理的时间只需要1 小时左右，缩 短了整个工艺流程的时间。 1 5 1 2预尿氧法 预尿氧法与预氯法比较相似，只是预处理使用尿氧而非氯水。 尿素是一种吸湿性强、水化能力较大的有机化合物，可迫使已为溶液所浸润 和充满的微纤间隙扩大，对纤维起到进一步的渗透和溶胀作用。 3 3 】因此，在预 浸中加入尿素，利于浸渍液中的碱与木质素、胶质发生反应，以利于后道碱煮效 果。 预尿氧法的工序如下： 竹片一预尿氧一水洗一头道煮练一水洗一机械打轧一二道煮练一水洗一酸 洗一水洗一脱水一干燥一给油给湿一梳理 预尿氧法对纤维作用温和，纤维损伤小，制成纤维的强度较高。但是，由于 以处理时，完全依靠碱液除木素及胶质，作用不如氯强烈，为了达到较好的预处 理效果，通常预浸时间在2 4 小时以上。 1 5 1 3 超声波处理 超声波是一种频率高于2 0 k h z 的高频机械能量，根据力学理论，任何材料 的损伤和破坏都起源于材料中的原始缺陷和裂缝。当超声波作用于纤维材料时， 第一章绪论 必然在材料的原始缺陷处产生应力、应变能的集中，超声波所传递的能量必然有 一部分转化为裂缝扩展新表面所需的能量，引起裂纹的扩展，致使纤维细化分离。 口i 】 超声波在煮练工艺中的作用主要是源于空化作用而引起的弥散、乳化、洗涤 以及解聚等作用。 超声波的空化效用首先使碱液反应物分子与纤维界面接触密度增加，加快了 扩散速度；在反应时超声波可能促进胶层膨化区大分子链段的活动频率，尤其是 【o f 的活动作用频率，使反应速率得以提高，降解、扩散溶出的胶质聚合物低 分子在超声波作用下迅速乳化和分散，避免了重新吸附于纤维上，总的效果即缩 短了煮练的时间。 该工艺工序如下： 竹片一浸碱一头道煮练一水洗一机械打轧一二道煮练一水沈一酸洗一水洗 一超声波碱煮一水洗一脱水一干燥 1 5 2 其他制取方法 据有关资料，还有使用机械法制取竹纤维。其原理是： 将生长1 2 1 8 个月的慈竹或毛竹，经过去青、以及齿轮的反复轧压后，采 用蒸煮等机械和物理方法进行脱胶，直接从竹子中提取竹纤维即竹原纤维。 另有报道，利用多种纯天然植物的浸出液，将竹材中的木质素等杂质去除后，经 过机械加工成为竹原纤维。在整个过程中，不使用任何化学药剂，所以无污染， 对人体无毒害。所生产出的竹原纤维，洁白光亮，挺直滑爽，细度均匀。【3 5 】 1 6 煮练化学助剂及其作用 1 6 1 煮练助剂 为提高煮练效果，提高脱胶质量和均匀度，在煮练碱液中加一些无机、有机 助剂或表面活性剂等物质，如三聚磷酸钠、亚硫酸钠、硅酸钠以及渗透剂m p 等 “i 2 “。这些助剂都有加强氢氧化钠作用的效能，有的还能补充氢氧化钠消耗的作 用。 ( 1 ) 三聚磷酸钠 由于三聚磷酸钠其特殊的聚合结构，因而具有如下特点： 第一章绪论 a 三聚磷酸钠是一种多电荷并具有胶束结构的电解质。当煮练液中添加了 三聚磷酸钠后，竹纤维表面与电荷胶束的电位值相差和大而在极小距离内，产生 较大的引力，使多电荷的胶束吸附在果胶，半纤维素，木质素等胶质上，增加了 胶质的负电势，对胶质产生乳化、胶溶、分散的效果，在碱煮过程中产生助溶作 用，使具有高分子结构的果胶，半纤维素和木质素等分散成微小的溶胶粒子而悬 浮于碱液中，防止他们与污垢，色素等杂质再沉积在竹纤维上面。 b 三聚磷酸钠能增加煮练液的表面活性。当煮练碱液中增加了三聚磷酸钠 后，能降低碱液对竹纤维表面的表面张力，从而加速了碱液对竹纤维组织的膨化 作用，使竹纤维表面组织膨胀变松，也使果胶，半纤维素和木质素等迅速被渗透， 润湿而膨胀。这既削弱了胶质内部分子的引力，又使胶质和纤维素间引力减小， 达到加速钠离子对胶质裂解的目的。 c 三聚磷酸钠是一种很强的螯和剂，它能络和钙，镁，铁等多价离子，变 成可溶性的复合物。因此三聚磷酸钠加入煮练液中，就能使钙，镁离子从果胶酸 钙，果胶酸镁中置换出来。从而促使果胶分解悬浮于碱液中，不致再沉积在竹纤 维上。 ( 2 ) 亚硫酸钠 亚硫酸钠具有还原作用，能夺取其他物质中的氧，防止这些物质在高温和强 碱性介质中对纤维的损伤，尤其在碱煮过程中，亚硫酸能使木质素变成硫磺酸盐 而溶解在碱液中。另外，亚硫酸对各种生色基团有强的还原作用，可起漂白作用。 ( 3 ) 硅酸钠 硅酸钠吸附反应中生成的沉淀物。 ( 4 ) 尿素 尿素是- -