（纺织工程专业论文）陕南地区桑皮脱胶工艺的研究.pdf

摘要桑皮纤维是一种可降解、性能优良的新型天然纤维。我国桑树资源丰富，种植面积广泛，种类繁多，桑皮纤维的提取有效的利用了原本无用桑树枝条，变废为宝。桑皮纤维应用于纺织中，既符合时代潮流，又为天然纤维的纺织产品提供了新的选择。因此，对桑皮纤维的研究开发具有重要的意义。陕南地区的桑树种植的面积很大，桑皮的原料十分充足，为制取桑皮纤维提供了原料保障。本课题研究了桑皮的组成。桑皮中，纤维素的含量占3 6 0 4 ，果胶2 5 2 ，半纤维素1 6 4 ，木质素l1 6 2 ，脂腊质2 5 4 ，水溶物8 。2 。根据桑皮纤维素及胶质的含量，并且为了保证桑皮纤维的质量，减少桑皮纤维提取过程中对环境的污染，本课题除了采用化学脱胶方法外，还采用了生物脱胶方法进行桑皮纤维的脱胶实验，采用正交分析方法优化了脱胶工艺参数，确定了较为成熟的脱胶工艺参数。这部分的工作主要表现在以下几个方面：( 1 ) 根据桑皮的特点，首先对桑皮采用了一种类似沤麻的工序，称之为桑皮沤制工序。桑皮表面有一层叫做胶膜鞘的不溶物，在碱、酶煮练的时候，附着在纤维的表面，即使水洗也很难除去，由于桑皮纤维的强度较低，不能使用刮青的工序，因此将桑皮先在水中沤泡，除去桑皮表面的青皮。在沤泡桑皮的过程中，桑皮表面的一层不溶物可自动脱去，这不仅使脱胶的工序简单化，也使纤维的质量有了明显的提高。( 2 ) 本课题研究的化学脱胶煮练工艺流程为：桑皮沤制一试样准备一浸酸一水洗一一煮一水洗一打麻一酸洗一水洗一漂白一烘干；化学脱胶最优工艺参数为：碱浓度2 2 9 1 ，碱煮练时间6 0 m i n s ，硅酸钠1 2 。( 3 ) 本课题研制的果胶酶煮练工艺流程为：桑皮沤制一试样准备一果胶酶煮练一沥水一碱煮一水洗一漂白一水洗一烘干；果胶酶脱胶的最优工艺为：果胶酶1 2 ，碱浓度1 5 ，碱煮练时间：4 0 m i n ，果胶酶沥水时间：6 0 h ( 4 ) 本课题研制的煮练酶s k l 3 3 0 5 煮练工艺流程为：桑皮沤制一试样准备一生物酶煮练一沥水一碱液煮练一水洗一漂白一水洗一烘干。生物酶s k d 3 0 5 煮练酶脱胶的最优工艺为：生物酶煮练时间4 0 h ，碱浓度5 酣，碱煮练时间4 0 m i n ，生物酶浓度3 。( 5 ) 对三种脱胶方法所得的桑皮纤维进行了长度、细度、断裂强度、残胶率、显微镜图像分析、扫描电镜图像分析。生物脱胶法所得纤维指标均优于化学脱胶法所得的纤维。化学脱胶的纤维壁上有裂痕，表面不够完整，生物脱胶的纤维表面的损伤较小。( 6 ) 对比了不同脱胶方法所得到的桑皮纤维的性能。对不同生长期和不同部位的桑皮进行脱胶试验，并对不同生长期和不同部位的桑皮纤维的性能进行的对比，实验表明：生长期长的桑皮纤维优于生长期短的桑皮纤维，根部的桑皮纤维优于梢部的桑皮纤维；根部纤维的残胶率高于梢部纤维的残胶率，而根部桑皮纤维长度短于梢部的纤维长度。对桑皮纤维的基本物理指标和性能的系统测定，为桑皮纤维在纺织中的应用奠定了实验基础。对桑皮纤维的脱胶工艺及桑皮纤维性能的研究，结果表明桑皮纤维的脱胶工艺是成熟的，桑皮纤维在纺织上有很好的应用前景。关键词：桑皮纤维脱胶化学脱胶果胶酶s k i ) 3 0 5 煮练as t u d yo nt h ec r a f to fm u l b e r r yd e g u m m i n gi ns o u t h e r ns h a a n x ia b s t r a c tb e c a u s eo f t h ep r o b l e mo f g l o b a le n v i r o n m e mp o l l u t i o na n de x p l o s i o no f o i lp r i c e s ，p e o p l eb e g i nt ot u r nb a c kt os e e kn a t u l f i b e r sw h i c ha r ee c o - f r i e n d l y , h e a l t h y &a n t i b i o t i ca n dc o m f o r t a b l e c e l l u l o s eh a sf i b e rc r o w n e d 船g r e e np r o d u c t i o nh a sap r o m i s i n gp r o s p e c t i ti so f p r o f o u n ds i g n i f i c a n c et od e v e l o pa n de x p l o i tt h e s ef i b e r s t h e r ei sas u f f i c i e n ts u p p l yo fm u l b e r r yb a r km a t e r i a l si ns o u t hs h a a n x ip r o v i n c e ，w h e r et h ep l a n ta r e 觞o fm u l b e r r ya r ev e r yl a r g e t h i sp f o “d c sm a t e r i a lf o u n d a t i o nf o re x p e r i m e n t sa n df u r t h e rd e v e l o p m e n ti ni n d u s t r y i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ec o n t e n to fd i f f e r e n ti n g r e d i e n tw e r et e s t e d t h ec e l l u l o s ec o n t e n ti so n l y5 0 o rs o ，w h i c hi sg r e a t l yl o w e rt h a nt h ec o r r e s p o n d i n gi n d e xo fc o t t o nf i b e ra n dh e m pf i b e r h o w e v e r , t h ec o n t e n to fp e c t i n ，h e m i c e l l u l o s e sa n dl i g n i ni nm u l b e r r yb a r ki sr e l a t i v e l yl a r g e i fa ni n a p p r o p r i a t ew a yw a st r i e d , t h ec o s tf o rd e g u m m i n gp r o c e s sw i l li n c r e a s e a l s o ，i tw i l lc a u s ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dt h er e s i d u a lp e c t i nw i l la f f e c tt h ef i b e r sq u a l i t ys u c ha ss o f t n e s s ，w h i t e n e s s ，d y e - p e r f o r m a n c ea n dw e a rb e h a v i o r a sac o n s e q u e n c e ，s e l e c t i n ga na p p r o p r i a t ed e g u m m m gm e t h o da n dp r o c e s si st h em a j o rp r e m i s eo fe x p l o i t i n gm u l b e r r yb a r kf i b e rw i t hh i g he x t r a c t i o ny i e l da n dh i 曲f i b e rp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n , r e t t e dm u l b e r r yb a r km a t e r i a lw a se m p l o y e di nt h ed e g u m m i n ge x p e r i m e n t u n d i s s o l v e ds u b s 乜m c eo nt h es k i no f m u l b e r r yd a r kw i l la t t a c ht ot h es u r f a c eo ff i b e r sd u r i n gt h eb o i l i n g - o f fp r o c e s s i t sh a r dt or e m o v ee v e nb yw a t e rs e m b b i n g b e s i d e s ，i t su n f e a s i b l et oa p p l ys c r a p i n g 芦o c e s sf o rt h ef i b e r sl o ws t r e n g t h t h es u p e r f i c i a lu n d i s s o l v e ds u b s t a n c ew i l ls h e do f ft h r o u g hr e t t i n g , w h i c hn o to n l ys i m p l i f yt h ed e g u m m i n gp r o c e s sb u ta l s oi m p r o v et h eo u t p u td i s t i n c t i v e l y t h r e ek i n d so f d i f f e r e n td e g u m m i n gm e t h o d s w e r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t t h e ya r ec h e m i c a ld e g u m m i n g ，p e c t a s od e g u m m i n ga n dm i c r o b i a le n z y m es k d 3 0 5d e g u m m i n g o r t h o g o n a lt e s t sw e r ea p p l i e di nd i f f e r e n td u g u m m i n gm e t h o d sr e s p e c t i v e l y t h ep r o c e s so fc h e m i c a ld e g u m m i n gi s ：s a m p l ep r e p a r a t i o n a c i de t c h - - - w a t e rs c r u b b i n g f i r s tb o i l i n g - - - w a t e r m b b i n g 一砷m i i l g a c i dc l e a n i n g w a t e rs c m b b i i l g b l e a c h d 彤t h ep r o c e s so fp e c t a s ed e g u m m i n gi s ：r e t t i n g p e t a s eb o i l i n g - o p d e w 础g a l | 沮ib o i l w a 沧rs c r u b b i n gb l e a c h - 一w a t e rs c r u b b i n gd r y t h ep r o c e s so fm i c r o b i a le n z y m es k i ) - 3 0 5d c g u m m i n gi s ：s a m p l ei n f i l t r a t i o n w a t e rs c r u b b i n g m i c r o b i a le n z y m eb o i l i n g o f r d e w a t e r i n g a l k a l ib o i l w a t e rs c r u b b i n g b l e a c h - w a t e rs c r u b b i n g d r y t h ec o n c l u s i o ni s ：m i c r o b i a le n z y m es k d - 3 0 5d e g u m m i n gp r o c e s si sa p p r o p r i a t ef o r t h ed e g u m m i n gt r e a t m e n tt om u l b e r r yb a r k t h ep e c t a s cd e g u m m i n gm e t h o d sc a n tr e m o v et h ep e c t i nt h o r o u g h l yf o r t h es a k eo ft h eb a r k sh i 曲p e c t i nc o n t e n t c o m p a r e d谢也t h ep e c t a s e m i c r o b i a le n z y m es k d 一3 0 5i sak i n do f p o l y e l e m e n tc o m p o s i t ee n z y m e ，w h i c hm a k e sas o u n dd e g u m m i n ge f f e c t c h e m i c a ld e g u m m i n gm e t h o dw i l lc a u s eg r e a tf i b e rd a i n a g e ，w h i c he x e r c i s e sm a j o ri n f l u e n c eo ni t sr e s u l t s y a n gp e i - p e n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g )d i r e c t e db yp r o f e s s o rw uh a l l i a n gk e y w o r d s ：m u l b e r r yb a r kf i b e r , d e g u n u r f i n g , c h e m i c a ld c g u m m i n g ，p e c t a s e ，m i c r o b i a le n z y m es k i ) 一3 0 5 ，b o i l i n g o f f西安工程大学学位论文知识产权声明本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)学位论文储叛和秒召言黝燧翥：苎翌毙礁西安工程大学学位论文独创性声明禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了感谢。学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。学位敝储魏孑刻彩日期：7 1 3 - l 绪论1 1 新型天然纤维研究现状1 绪论棉、麻、丝、毛作为传统意义上的四大天然纤维，在服装应用史上已有几千年的历史了，自1 9 世纪末化学纤维开始工业化生产以来，产量迅速增加。2 0 世纪中叶开始，由于合成纤维产量的迅速增长，纺织原料的构成发生了很大变化，天然纤维在纺织纤维年总产量中所占的比例虽有所下降，但仍占5 0 左右“。天然纤维是指在自然界存在和生长的、具有纺织价值的纤维，它包括植物纤维、动物纤维和矿物纤维三大类。1 。其中，植物纤维又称纤维素纤维，包括棉纤维、麻纤维和竹纤维，其产量占天然纤维的9 5 以上，成为天然纤维的主体“。棉纤维又称棉花。早在公元前5 0 0 0 年甚至公元前7 0 0 0 年就已作为纺织原料。现在，棉纤维是世界上最主要的纺织原料。棉纤维的平均长度为2 3 3 1 r m ，线密度为1 11 2 2 2 d t e x ，断裂强度为2 7 4 4 c n d t e x 。棉纤维具有吸湿、透气、柔软、保暖等优点，但耐酸的能力差“1 。麻纤维是人类最早用来做衣服的纺织原料之一，埃及人用亚麻做衣服已有8 0 0 0多年历史，我国考古工作者也在江苏草鞋山获取了公元前4 0 0 0 多年葛纤维的织物嘲。所有的韧皮纤维和叶纤维都统称麻纤维，如苎麻、亚麻、罗布麻、黄麻、剑麻、蕉麻等“1 。麻纤维的可纺性好，做成衣服后穿着挺拔、吸汗、不贴身、透气、凉爽，是夏季服装的良好材料”1 。关于天然纺织纤维的研究一直是纺织工业研究领域内的一个重要方向。近十年来，新型的天然原料作为纺织纤维的趋势又在增长之中，这是因为化学纤维经过近百年的发展，在2 0 世纪已趋成熟，成为当今国际纺织业的主要原料。但是，2 0 世纪的化学纤维存在着三个致命弱点，一是依赖日益枯竭的石油资源；二是不少品种在生产中污染环境；三是化纤制品的舒适性不如天然纤维。新世纪的新型纤维，是由信息工程、材料工程、生物工程等各新型学科和传统学科综合研究的成果。为了克服目前化学纤维的弱点，它将主要表现为，一是取材于大量廉价的农、牧、林业自然资源而不过度依赖石油；二是生产过程必须是清洁而环保的；三是对人体皮肤有很好的舒适性“”。正是基于上述观点，近年来，人们在新纤维的研究方面投入了大量精力，研究出了很多新的绿色环保型纤维“”。1 绪论1 1 1 菠萝叶纤维菠萝叶纤维( 我国亦称风梨麻) 取自于风梨植物的叶片中，它与剑麻等纤维一样，属于叶片类麻纤维。菠萝主要产于热带和亚热带地区。菠萝叶纤维的强度较小，伸长率较小，弹性模量较大。菠萝叶纤维的伸长率介于亚麻和黄麻之间，其纤维的可纺性及成纱质量也介于两者之间，即优于黄麻次于亚麻。菠萝叶纤维染色性能好，制成品手感柔软，具有较好的服用性能“”。1 1 2 龙须草龙须草学名拟金茅，俗称羊草，为多年生禾本科纤维植物。它是一种优良的中长纤维原料，也是保持水土的优良草种。我国主产于云、贵、川、鄂、粤、桂、湘、豫、冀、陕等省。龙须草现主要用于造纸，是优质的造纸工业原料。在我国龙须草种植较广泛，价格比较低廉。龙须草工艺纤维与黄麻的较接近，粗于亚麻、竹纤维，细于香蕉纤维和菠萝叶纤维；强度也与黄麻相近而略低于其它纤维。应用于纺织行业，不仅丰富了纺织用天然植物纤维资源，同时也能进一步提高其使用价值“。1 1 3 剑麻纤维剑麻纤维较长，色泽光白，质地坚韧，强力高，耐磨，耐腐蚀，耐低温，吸湿放湿快，在水湿条件下，纤维强力更高，伸长率低。目前剑麻产品不断开发，可制作剑麻地毯，墙布等m 。1 1 4 棕叶纤维棕叶纤维长度较长，细度远远较剑麻细，强度比菠萝叶纤维及剑麻纤维稍大，断裂伸长率大约是剑麻纤维的3 4 倍。从物理性能上分析，作为纺织纤维，棕叶纤维优于菠萝叶纤维及剑麻纤维“”。1 1 5 竹纤维竹纤维集天然纤维与人造纤维的优点于一身，具有独特的服用性能和天然抗菌性能，是安全、舒适、健康的纺织原料“”。原生竹纤维是用物理、机械的方法将竹子反复轧压后，采用脱胶工艺进行部分脱胶，部分脱胶后的竹纤维的余胶将竹子纤维一根一根相互连接起来，从而制成需要的竹纤维。这种纤维不是单纤维，而是束纤维。其细度一般为2 0 5 0 t e x ，硬丝、并丝很多，含水量达1 3 。由于胶未脱尽，它的色泽偏黄，在干燥的状态下，粉尘21 绪论较大，潮湿时强度又非常低。因此，在加工前必须进行烘干和上油处理，以增加纤维的柔软度和强度”。再生竹纤维是把竹子切片、风干后，采用化学方法将竹片精制成符合纤维生产要求的浆粕，经溶解、纺丝而成。该纤维消除了原生竹纤维刚性大、硬挺的缺点，染色比较容易，强力较好，韧性、耐磨性较高，可纺性能优良，只是环保作用和保健性能不如原生竹纤维“。1 1 6 桑皮纤维桑皮纤维是将桑树皮进行脱胶后得到的一种天然纤维。从纵截面看桑皮纤维为一条细长的管状体，表面类似于桑蚕丝纤维表面，由于桑皮纤维的这种形态结构，使得桑皮纤维具有丝般的光泽。桑皮纤维长度与棉纤维相近( 2 1 3 2 m m ) ，线密度为3 2 5 - 4 ，0 ( d t e x ) ，强度为3 5 - 5 1 e n d t ，好于棉花和桑蚕丝；断裂伸长率为4 - 1 2 ，好于棉、麻，次于蚕丝；质量比电阻为1 0 6 1 0 7 q e d e m 2 ，好于桑蚕丝、苎麻，与棉花相当“”。桑皮纤维的形态结构和良好的性能指标，使得桑皮纤维具有十分良好的天然纤维特性。以上是一些最新开发的天然纤维，可见随着发展，新型天然纤维的开发越来越为人们所重视。桑皮纤维作为新型天然纤维素纤维的一员，以其充足的原料来源和绿色、环保、保健等优良特性，使该纤维具有极好的发展前景。1 2 桑皮纤维研究的现状桑皮纤维作为一种新的天然纤维，目前所看到的关于它的报道较少，关于脱胶工艺的系统研究则更少。四川大学的郑庆康、华坚、左少纯利用脱胶的方法制备了桑皮纤维，其工艺步骤包括浸渍润胀、水洗、碱煮、脱水、增柔处理、脱水干燥、开松、梳理、包装等。纤维手感柔软、平滑、蓬松，便于开松、梳理，使桑皮纤维的制成率提高。制备的桑皮纤维有优于或类似于棉纤维的性能，并且具有丝绸的光泽，但是成本仅为棉纤维的二分之一1 。可见桑皮纤维的应用具有可行性。东华大学的张之亮研究了桑皮纤维的化学脱胶工艺，为桑皮纤维的脱胶做了一些初步的探讨，但化学脱胶对纤维的损伤较大，对环境有所污染，因此本课题地桑皮纤维不仅使用化学脱胶法进行了脱胶，并且使用生物法脱胶进行了脱胶以图找到最适合桑皮特性的脱胶方法。桑皮纤维加工设备也是在麻纤维生产设备上技改而成，容易实现规模化生产，提高蚕桑资源的综合利用，同时增加桑农收入。桑皮纤维的开发利用和规模生产，31 绪论将会是全国新型天然纤维研究开发的一项重大突破，也将填补国际规模生产商品桑皮纤维的空白。目前，有关桑皮纤维的结构研究在国内只有很少量的文献报道。有关桑皮纤维性能测试、纺织加工及产品开发等，在国外暂无此类报道，也未看到国外纺织纤维商提供此类原料。国内尚处于初级研究阶段，如在国内，有关桑皮纤维的组成、桑皮纤维的结构、桑皮纤维的超分子结构报道是很初步的；桑皮纤维的结构与产品的加工性能、使用性能尚不清楚；桑皮纤维的染色特性等都无系统研究结果。而纤维结构和纤维特性则直接决定或影响桑皮纤维纺纱、织造、印染、整理、制衣等加工过程的正常进行及产品开发”4 。1 3 本课题研究的内容为了积极开发、利用桑皮纤维，开发新的纺织原料，本课题以大量废弃的桑枝条上的桑皮为原料，系统研究桑皮的成份组成，桑皮纤维的提取方法，经过优化其脱胶工艺，最后得到性能优良的纤维，从根本上掌握桑皮纤维在性能上和使用价值上的突出优点和不足。1 3 1 桑皮的胶质含量桑皮的胶质含量愈高，其脱胶的难度愈大，而且往往在胶质成分里半纤维素含量愈大。尤其是半纤维素含量较大的，不易被碱煮除去。给脱胶造成了一定的困难。1 3 2 桑皮的剥制质量及含杂率风斑病多、含杂多的桑枝是很难脱胶的。风斑病是纤维在生长过程中，受风击伤而坏死。不易去除。麻壳、陈皮不净之类毛病，极大地增加了脱胶的困难，使得化学药品用量大大增加，煮练负担加大。1 。1 3 3 桑皮纤维的物理指标纱线的号数取决于纤维的细度、长度和长度整齐度。纤维细度是麻类原料的重要内在质量之一。决定桑皮纤维细度的因素有很多，例如：品种、纤维生长的部位、纤维收割的季节及地区等”。如果脱胶不净以至于在桑皮纤维内存在大量的束状纤维，同样会极大地降低桑皮纤维作为细度条件的可纺性。因此，从脱胶的观点来看，要保证纤维有一定的细度，其先决条件就是纤维的松散和充分分离，所以要求桑皮纤维脱41 绪论胶均匀。1 3 4 桑皮纤维的物理性能以及柔软性弹性在脱胶过程中，应尽可能少地破坏桑皮纤维的物理性能，减少纤维的损伤程度。为了提高梳纺效率，要求脱胶后的桑皮纤维伸直、平行，力求避免混乱、缠结现象，以利于提高梳成率和成纱质量汹1 。为此，桑皮纤维要求适当的回潮率，且不匀率要小，色泽要好。从以上几点可以看出，桑皮纤维内在质量和脱胶效果对于单纤维理化性能、纺纱工艺和成纱质量以及织物风格、服用性能等都有十分重要的意义。1 3 5 桑皮纤维的脱胶方法桑皮纤维研发利用是借鉴麻的脱胶工艺，并根据桑皮纤维的本身的特性进行脱胶。其制取纤维的方法有以下两种：a 生物脱胶法生物脱胶法是利用微生物来分解胶质，将试样在生物酶中进行煮练沥水，再用弱碱进行煮练，这种脱胶方法称为生物脱胶法。微生物脱胶可以通过两种途径进行。一种途径是将某些脱胶细菌加在韧皮上，细菌利用韧皮中的胶质作为营养源而大量繁殖，细菌在繁殖过程中产生酶来分解胶质。另一种途径是将能脱胶的细菌培养到衰老期后产生大量粗酶液，粗酶液可用来浸渍韧皮，也可以将其提纯浓缩为液剂或粉剂，再将酶剂稀释到水中，浸渍韧皮进行脱胶，称为沥水。在桑皮中，除了含有纤维素纤维外，还含有一些胶杂质，其主要成分为果胶、半纤维素、木质素等。作为纺织品需要的是其纤维素成分，非纤维素成分将纤维结织在一起，使纤维变得坚硬，这些胶杂质大部分包围在纤维外表，使纤维之间相互胶结在一起形成坚固片条状物质，即原皮。在纺纱之前必须将胶质去除，释放出纤维，并呈单纤维分离状态。目前我国麻类纤维均采用化学脱胶或半脱胶技术，大多数工厂采用高浓度的强酸强碱长时问高温蒸煮工艺。这不仅需要耗费大量的化学品，同时由于酸碱对基质的无选择性，会使得有用的纤维素部分受到损伤，从而降低制成率并影响后续的产品质量，且环境污染严重。随着全球资源、能源的短缺及环保意识的增强，高效节能、低污染的酶法及微生物法脱胶新技术己日益受到重视。1 。生物酶是一种蛋白质，可完全生物降解，并具有专一性和高效性例。胶杂质中所包含的果胶、半纤维素、木质素等大分子之间具有广泛的联系，相互间形成网络体系，其间不排除有共价键的联接。果胶酶中包含有果胶甲酯酶、多聚半乳糖醛酸酶、裂解酶、原果胶酶等多种组分，用其处理原麻后，使果胶大分子键断裂，使胶杂质复合体结构松散，从而再用较稀的氢氧化钠溶液煮练，就可以得到较好的纺织纤维p u j 。诺维信公司由基因改造的芽孢杆菌微生物经发酵而得到的脱胶酶，就是一1 绪论种可供工业化麻脱胶使用的复合酶( s k d 3 0 5 ) ，针对麻类纤维中的果胶、半纤维素等杂质，在较低的温度及缓和的p h 条件下分解杂质大分子，对纤维素部分没有丝毫损伤。本试验中使用的生物酶为s k d 3 0 5 煮练酶及果胶酶。b 化学脱胶方法化学脱胶方法是根据原麻中纤维和胶质成分化学性质的差异，以化学处理为主去除胶质o ”。化学脱胶可以去除韧皮中的大部分胶质，达到脱胶的要求。化学脱胶是利用纤维素与胶质物对药剂作用稳定性的不同而脱除这些非纤维素物质的胶质物，使桑皮变为松软的可纺性纤维o ”。胶质物中水溶物、脂蜡质较容易去除，在高温煮练情况下再加表面活性剂可将它们溶解乳化。果胶是半乳糖醛的多糖类配合体，是纤维间结合体的胶结物；木质素是一些高度支链的芳香聚合物，结构为苯丙烷单元；半纤维素是一些杂聚物，是各种糖和糖醛的支链聚合物，而不像纤维素一样是均一性的线性聚糖，它在桑皮中含量比较高。这些带支链的聚合物和有胶黏性的物质将纤维素交织黏合在一起，要使束结在一起的纤维分离为单纤维，就是要脱掉这些胶质物，因此在不损失纤维的前提下促使半纤维素等在高聚状态的胶质物分解。在脱胶碱液中一般加入表面活性剂，目的是增强煮练液的渗透力，降低碱液与麻阆的界面张力，使非纤维素的物质迅速被渗透、润湿、膨胀，被碱分解，进一步分散，悬浮在碱液中，达到快速脱胶的目的”。1 4 桑皮纤维的原料我国作为蚕丝出口大国，有着丰富的桑树资源，这为桑皮纤维的研究和开发提供了非常有利的条件。四川现有1 7 0 万亩桑田。目前，四川省丝绸( 进出口) 公司在南部、盐亭两县建立了2 0 万亩的蚕桑基地。此前，农户种植的桑树夏、冬季修枝后，树皮和树枝一般都焚烧了，不仅污染环境，也容易引起火灾。现在对桑树皮纤维提取技术以及在纺织工业中的应用研究，使废弃的桑枝就有望变废为宝o ”。江苏南通市现有桑田4 0 余万亩，约占江苏省桑田总面积的2 3 3 ，占全国的4 。所以，桑皮纤维在纺织工业中的应用研究也已引起了江苏省有关部门的重视1 。因此，充足的桑皮原料是桑皮纤维发展的一大优势，它不仅为桑皮纤维的研究提供了保障，同时也为该产业的大规模的发展提供有力的支持。蚕桑产业也是陕西省传统的产业，区域优势十分明显，特别在陕南农业经济中占有重要地位。陕南安康地区的桑树田超过了7 0 万亩，约占全国1 1 5 ，加上汉中地区的桑树田，能达到上百万亩。由于当地政府对此项经济作物的种植一直在重点扶持，它61 绪论的种植面积在近几年内会进一步增加，可以说陕南地区的桑皮资源是十分丰富的。本课题的原料来源于陕南安康地区所采伐的胡桑的桑树皮。丰富的桑皮资源，已引起了陕西省的重视，本项目是陕西省教育厅2 0 0 6 年度的科研计划项目( 项目编号：0 6 j k 2 8 4 ) 。总体来看，从目前对桑皮纤维的各方面研究情况看，桑皮纤维具有很大的纺织应用前景，但这些研究还都是初步的，桑皮纤维应用于纺织品加工，还需要进行大量的基础研究。72 桑皮纤维各化学成分测定2 桑皮化学成分测定我国现在有近3 0 0 0 万亩桑田，种植广泛，品种近1 5 种，许多地方根据自己的气候和土壤特点，不断开发出新的品种。”。不同种类的桑皮化学成分，纤维素的含量有差异，对其定量分析十分必要。2 1 桑皮的化学成分的测定本课题所选用的桑皮来自于陕西安康地区。安康地区桑树种植广泛，品种有4 5种，但以胡桑的种植面积最广。胡桑的品种优良，主要特点是枝繁叶茂，枝多叶多，不仅为养蚕提供很多的桑叶，也为桑皮纤维的提取提供了充足的原料。为了研究生长期对纤维素的影响，选择了不同生长期的桑皮作为原料进行试验。本实验分别选择了冬整( 1 1 月份) 和夏伐( 5 月份) 两个时间的桑皮进行对比试验，桑皮是直接从桑枝上剥取韧皮，未经过任何机械处理，自然风干，得到所需的原料。2 1 1 试验目的明确桑皮的各化学成分含量，及其桑皮中各个成分含量的相互关系，2 1 2 主要试验设备及仪器a 玻璃器皿脂肪提取器：2 5 0 m l 球型玻璃真空管三角烧瓶抽滤瓶球型冷凝管玻璃砂芯漏斗三颈烧瓶玻璃干燥器量筒2 5 0 r n l高型称量瓶b 称量仪器电子天平托盘天平c 化学药品82 桑皮纤维各化学成分测定氢氧化钠( n a o h )硫酸( h 2 s 0 4 )草酸铵( n l h c 2 0 4 h 2 0 )苯( c 6 h 6 )无水乙醇( c h 3 c h 2 0 h )氯化钡( b a c l 2 )2 1 3 实验步骤及成分测定1按照g b 5 8 8 3 8 6 苎麻化学成分定量分析方法测定原料回潮率及含水率，并对陕南夏季桑皮的原料进行化学成分定量分析。分别确定桑皮的脂腊质、水溶物、果胶物质、半纤维素、木质素、纤维素、含胶率等组分的含量。a 取样在桑树皮的中随即抽出一把桑皮束，将其平铺在平台板上，把各桑皮束纵向分为两部分，丢弃一部分，保留另一部分，如此反复分留，直至各桑皮束保留部分合并总重量为2 0 0 3 0 0 9 为止，备用。试验时将桑皮样随机分取，做成每个重约5g 的试样共5 个。b 含水率和回潮率的测定将试样分别放于已知重量的称量瓶中并在精密天平上精确称重，置于1 0 5 1 1 0 c 的电热恒温干燥箱中烘至恒重( 先后两次重量差不超过后一次重量的0 0 2 ) ，取出迅速放于干燥器中冷却3 0 _ 5 m i n ，分别精确称取桑皮样与称量瓶的总重量并记录，然后计算出回潮率和含水率。计算公式如2 - 1 ，2 - 2所示。回潮率：w = 掣1 0 0 ( 2 - 1 )u o含水率：q ：g o - g , 1 0 0 ( 2 2 )l ，ig 0 烘干后的重量，g ；g l 一一原重，g ；w 回潮率，：q - - - - 含水率，。桑皮分别采用5 组试样进行测试，并按2 2 公式进行计算，所测得的数据如表2 - 1 所示。92 桑皮纤维备化学成分测定表2 1 桑皮样的原重与烘干后的重量c 脂蜡质含量将测过含水率的试样，分别放入脂肪提取器内，试样高度低于溢流口约1 0 1 5 m l 。烧瓶中加入1 5 0 m l 苯乙醇混合溶液( 体积比2 ：1 ) ，在恒温下进行提取，控制回流速度为4 6 次h 。从提取液开始滴落起计时，提取3 h 。取出试样，在通风橱内风干。然后放入已知重量的称量瓶中，在1 0 5 1 1 0 c 下烘至恒重( 先后两次重量差不超过后一次重量的0 0 2 ) ，取出迅速放于干燥器中冷却3 05 m i n ，分别精确称取试样与称量瓶总重量并记录。按2 - 3 式计算。w 1 - u o - - i i lx 1 0 0 ( 2 - 3 )g o式中：w l 一试样的脂蜡质含量，；g o 试样提取蜡质前的干重，g ；g i 试样提取蜡质后的干重，g ；按2 3 公式进行计算，使用经含水率和回潮率测量过的桑皮试样进行脂蜡质的测试，具体数据如表2 2 。表2 - 2 桑皮脂腊质实验数据表d 水溶物含量将提取脂蜡质后的试样，分别放入加有1 5 0 m l 蒸馏水的三角烧瓶内，装好球型冷凝管，沸煮l h ，更换新蒸馏水，重新沸煮2 h 取出试样，在分样筛中洗净。放入已知重量的称量瓶中，烘至恒重取出，迅速放于干燥器中冷却，称重并记录。按2 _ 4 式计算。w 2 = 三与等x 1 0 0 ( 2 4 )t _ o式中：w 2 试样的水溶物含量，；g 2 一提取水溶物后的试样重，g ；g l 试样提取蜡质前的干重，g ；1 02 桑皮纤维各化学成分测定按2 4 公式进行计算，将提取脂腊质后的桑皮试样进行水溶物的测试，具体数据如表2 - 3 所示。表2 - 3 桑皮水溶物实验数据表e 果胶物质含量将提取水溶物后的试样，分别放入加有1 5 0 m l ，浓度为5 9 1的草酸铵溶液的三角烧瓶中，装好球型冷凝管，沸煮3 h 。取出，在分样筛中洗净，放入已知总量的称量瓶中，烘至恒重。取出迅速放于干燥器中冷却，称重并记录，按2 5 式计算。w f ( i 2 - - ( i 3x100(2-5)g o式中：w 广试样的果胶物质含量，；g 3 试样提取果胶物质后的干重，g ；按2 5 公式进行计算，将水溶物测试后的桑皮试样进行果胶含量的测试，具体数据如表2 - 4 所示。表2 4 桑皮果胶含量实验数据表f 半纤维素含量见提取果胶物质后的试样，分别放入加有1 5 0 m l ，浓度为2 0 9 1的n a 0 h 溶液的三角烧瓶中，装好球型冷凝管，沸煮3 5 h 取出，在分样筛中洗净，放入已知重量的称量瓶中，烘至恒重，取出迅速放于干燥器中冷却，称重并记录。按2 - 6 式计算。w 。= 塑二! ! x 1 0 0 ( 2 6 )g o式中：w 一试样的半纤维素含量，；g 4 试样提取半纤维素后的干重，g ；按2 - 6 公式进行计算，将果胶含量的测试后的桑皮试样进行半纤维素的测量，具体如表2 - 5 所示。2 桑皮纤维各化学成分测定表2 - 5 桑皮半纤维素含量实验数据表g 木质素含量从桑皮纤维中，随即选4 - 6 点，取重约5g 的样品，提取脂蜡质后风干剪碎( 长度不超过1 5 m m ) ，称取每个重约1g 的试样，共5 个。分别放于己知重量的有塞三角烧瓶中，烘至恒重取出迅速放于干燥器中冷却，称重并记录。而后缓缓加入3 0 r a l7 2 的硫酸溶液。在8 - 1 5 2 2 下放置2 4 h 。然后，移至三角烧瓶中，用蒸馏水稀释至3 0 0 m l ，装好球型冷凝管沸煮l h ，稍冷，用已知重量的玻璃砂芯滤器烘至恒重。取出迅速放于干燥器中冷却，称重并记录。按2 7 式计算。w 5 ：当譬1 0 0 ( 2 7 )l ，o u o式中：w 。试样的木质素含量，；g ”试样的木质素与玻璃砂芯滤器总干重，g ；g 一玻璃砂芯滤器干重，g ；g o ”试样与有塞三角烧瓶总干重，g ；g o 一有塞三角烧瓶干重，g 。按2 7 公式进行计算，将半纤维素的测量后的桑皮试样进行木质素含量的测试，具体如表2 6 所示。表2 - 6 桑皮木质素实验数据表h 纤维素含量根据以上各成分含量的测定值，按2 - 8 式计算。w 6 = 1 0 0 - - ( w i + w 矿w 3 + w 4 + w 5 )( 2 8 )式中：w 6 - 一原桑皮纤维素含量( ) ；按2 8 公式进行计算，桑皮纤维素含量：w 6 = 1 0 0 - w i - w 2 一w 3 一w 4 - w 5= 1 0 0 2 5 4 8 2 - 2 5 2 1 6 0 4 11 6 2= 3 6 0 41 22 桑皮纤维各化学成分测定i 含胶率的分析方法将桑皮纤维随机分取做成每个重约5 9 的试样共5 个，分别放于已知重量的称重瓶中，烘至恒重。取出迅速放于干燥器中冷却，称重并记录。将其放于加有1 5 0 m l ，浓度为2 0 9 1 的n a o h 溶液的三角烧瓶中，装好球型冷凝管沸煮1 h ，再更换新n a o h 溶液，重新沸煮2 h 取出试样，在分样筛中洗净，分别放在已知重量的称量瓶中烘至恒重，取出迅速放于干燥器中冷却，称重并记录“。按2 9 式计算。w i ：鱼二亟。1 0 0 ( 2 9 )一g o式中：w 广馘样的含胶率，5g 0 _ 试样的干重，g ；g 。一测定含胶率后的试样干重，g 。按2 - 9 公式进行计算，桑皮含胶率测试的数据具体如表2 7 所示。表2 - 7 桑皮含胶率按苎麻化学成分定量分析方法测出桑皮韧皮中各化学物质成分含量，如表2 - 8 所示。通过上述试验可以得到，桑皮含胶率较高，约占3 0 5 2 ，远远高于其它韧皮纤维，因此选择合适的脱胶方法和脱胶工艺十分重要，脱胶工艺的好坏不仅会影响纤维的提取率，同样也会影响到纤维的质量。桑皮纤维的脱胶工艺参数的研究，是桑皮纤维应用中的关键。表2 - 8 桑皮纤维的物质组成( 单位：)2 2 桑皮纤维的结构2 2 1 桑皮纤维的形态结构桑皮纤维的形态结构包括：纤维外部形态特征、纤维的截面形态、纤维的形态结构等1 。纤维的外部形态结构指纤维的长度及其分布，纤维的卷曲形态及其结构，2 桑皮纤维各化学成分测定捻度结构，纤维的细度等，这些结构可以通过一定的目测或者普通显微镜进行观察和分析；纤维的截面形态结构指纤维的截面形状，截面结构中的空洞、皮芯、缝隙等缺陷，等等。可以通过光学显微镜和电子显微镜进行研究分析。纤维表面的形态结构指纤维侧面、表面的凹凸状态，可以通过光学的，电子显微镜进行研究分析。纤维的长度、细度、捻度和卷曲度直接影响它的可纺性能、织物的力学性能和风格；纤维的横截面形态结构影响纤维的表面对纤维加工及织物的摩擦系数、光泽、风格、保温、耐污等性能；纤维的表面对纤维的加工及织物的风格有很大的影响，同时穿着的舒适性也取决于纤维的表面“”。桑皮纤维为具有平行于纤维轴分布o 5 i t t m 微纤维的表面形态结构。其微纤维相互间隔1 2 1 m l ，桑皮纤维有直径长轴3 0 9 i n ，短轴l o 1 5 t t m 的椭圆形截面纤维，还有三角形截面的纤维。纤维横截面有中腔、皮芯结构“。如图2 1 、2 2 所示i2 - i 桑皮纤维纵截面图( 放大i 0 0 倍) 图2 - 2 桑皮纤维横截面图( 放大1 0 0 倍)2 2 2 桑皮纤维的结晶结构桑皮纤维的结晶结构包括晶体结构、晶胞参数、微晶尺寸、结晶程度和非结晶结构。纤维的结晶度大小直接关系到纤维的强度、模量、弹性、伸长率、韧性以及吸湿、染色等性能1 。因此，纤维结晶度的指标是结构的重要指标。微晶尺寸直接与纤维的力学性能相关，特别是与弹性、耐磨性相关。桑树皮与桑皮纤维的特征为纤维素结晶结构，前者结晶度达3 2 5 1 ，微晶尺寸6 6 a ) 后者结晶度4 9 1 0 ，微晶尺寸4 4 1 a 。说明脱胶后桑皮纤维结晶度增大，微晶尺寸增大“”。精确的分析桑皮纤维的成分含量及结构形态，是今后桑皮纤维的性能测试，以及其可纺、织、染性能进行研究的前提1 ，为桑皮纤维进一步的开发和研究奠定基础。1 43 桑皮脱胶方案设计3 桑皮脱胶方案设计脱胶的目的是为了获得完整且优质的桑皮纤维。尽量降低桑皮被损害的程度是脱胶方案设计的前提。原理是利用碱或生物酶对胶质进行分解，使之与纤维素进行分离，从而达到脱胶的目的1 。由前面的试验可以知道，桑皮纤维的胶质含量较其它的纤维素纤维多，因此对桑皮纤维胶质的去除是化学脱胶和生物脱胶的主攻方向 钟】0脱胶的主要方法有：机械脱胶法，化学脱胶法，生物脱胶法。”。化学脱胶法是过去纤维素纤维的主要脱胶方法，本课题也会使用化学法对桑皮纤维进行脱胶试验；近几年由于生物技术的提高和普及，以及成本的降低，许多纤维素纤维进行了生物脱胶试验，效果要优于化学脱胶脚1 。本课题将着重介绍生物脱胶工艺的研究，主要使用果胶酶和生物酶对桑皮纤维进行脱胶。3 1t 艺流程设计桑皮纤维的脱胶工艺研究处于起步阶段。并且由于不同种类的韧皮纤维的特征和性能不同，脱胶工艺也有所不同，因此根据桑皮纤维的脱胶及纤维性能对桑皮纤维的脱胶工艺流程进行设计。3 1 1 桑皮沤制工艺流程设计桑皮沤制工艺流程：桑皮原料一沤制( 将桑枝放入数显恒温水浴锅删一4 中，并加入蒸馏水，在3 5 ( 2 下沤制纤维，7 一1 5 天) 一超声波振荡一水洗( 除去表面不溶韧皮) 一风干。桑皮沤制是桑皮纤维的一项特殊的工序。在前期的试验中，没有经过沤制的桑皮在煮练后，尽管胶质有一定的去除，但桑皮表面的一层韧皮始终附着在纤维表面无法除去，不仅影响了桑皮的性能，也使桑皮的胶质无法彻底的除去1 。同时由于桑皮纤维的强度较小，使用刮青工序会大大地损伤纤维。因此试样准备前进行桑皮沤制的工序，桑皮沤制后除去纤维表面的一层不溶的韧皮，再将所得到的纤维作为桑皮纤维脱胶的原料。天然水桑皮沤制法是最古老的麻纤维脱胶法嘲。这种方法是将收割的桑皮原料扎成束，浸泡在池塘、水池，湖泊等天然水域进行微生物脱胶，最后将桑皮的胶膜鞘分离出来呻】。天然水桑皮沤制