龙须草的研究动态及开发利用价值

龙须草的研究动态及开发利用价值

1增加栽培、提高土壤水分、增加农民收入的途径龙草是一种喜光喜光的山地野生植物。它是水稻科的一种多年生草本植物。它是一种耐寒、耐荫的植物。它可以与许多经济树种一起使用，而且可以在不同的土壤上生长，尤其是在砂质、碱性土壤、砂砾土和其他不良土壤上。种植龙须草能增加土壤贮水量,减少水土流失,提高土壤肥力,防沙治沙。龙须草易于种植,投资少,收效快,寿命长,第三年就可大见成效,若再配合科学管理,可持续生长10年乃至30年,是一条增加贫瘠土壤地区农民收入的良好途径。目前国内外关于龙须草的研究,主要集中在种植、制浆造纸和草编工艺品加工上,但将龙须草作为一种纺织纤维和制品的开发研究尚属空白。本课题组自2004年10月开展了纺织用龙须草纤维的制取研究。龙须草纤维蕴藏于龙须草叶内,属叶纤维类,在不同生长期,龙须草的含纤维素量相差很大。龙须草纤维和大麻纤维相似,属于束纤维或称工艺纤维纺纱,龙须草纤维具有麻类纤维的优缺点,例如“强度高、伸长小、回潮率大、吸湿放湿快、纤维粗硬、初始模量高”等。2龙须草学成分的定量分析按照GB5883-86《苎麻回潮率、含水率试样方法》测定原料的回潮率与含水率(参见表1);按照GF35888-89《苎麻化学成分定量分析方法》,对所选龙须草原料进行化学成分定量分析(参见表2)。从表1可知,龙须草的回潮率平均值为6.99%,含水率平均值为8.74%。因试验用的龙须草为当年收割,其含水量稍微偏高。在龙须草中,纤维素含量与棕叶、剑麻、桑皮中的纤维素含量相当,但是龙须草中所含木质素的比例最大(参见表2),所以如何去除木质素就成为制取龙须草纤维的重点研究内容。由于龙须草的单纤维较短,脱胶后纤维以工艺纤维的状态存在,因此既要达到脱胶的目的,使纤维松散、柔软,保持较高的强力;又要保留一定量的胶质,使纤维有适合后道纺纱的长度,这是本课题要解决的主要问题。3实验部分3.1实验原材料本课题所选原料来自于山东威海自然生长的龙须草,收割期为10月初,此时收割的龙须草呈青绿色,自然晾晒后为本课题的原料。3.2龙须草纤维化学脱胶工艺参数的单因子试验结果龙须草纤维的化学脱胶工艺流程:试样准备→浸酸→水洗→煮练→水洗→打纤→酸洗→水洗→抖松→脱水→给油→脱水→烘干;采用“三因子二次通用旋转组合”设计实验,测试各个考察指标并对原始数据进行数学变换;从纺纱角度出发,确定脱胶后的龙须草纤维测试指标,分别为残胶率、断裂强力、断裂伸长、细度及长度。通过对煮练中氢氧化钠浓度和碱煮时间分别进行单因子实验,发现龙须草纤维的碱煮与残胶率之间的关系变化,基本上与麻类化学脱胶相符。结合单因子试验结果,综合考虑龙须草纤维化学脱胶中具体参数的变化,确定煮练工艺为:氢氧化钠浓度范围:8～12g/L,碱煮时间范围:40～80min。根据三因子二次通用旋转组合设计的要求,排出三因子二次通用旋转组合设计结果矩阵表(参见表3),按此表中所述条件进行实验。3.3实验数据和分析经过异常值的检验与剔除,各方案内和方案间指标数据均在一定程度上满足正态性分布,实验数据处理与分析见表4～表8。4结果与讨论4.1碱液浓度对纤维残胶率的影响由图1可知,在讨论范围内,残胶率随着氢氧化钠浓度和碱煮时间的增加呈现降低的趋势。这是由于龙须草中的胶质成分受到碱的作用,被进一步溶解,同时在一定范围内,随着碱液浓度的增加,反应趋于激烈,胶质含量减少速度也随之变快。随着碱煮时间的增加,残胶率降低变快,但当达到一定程度时,变化就不再显著,说明纤维上胶质的溶解与吸附已经逐渐达到了平衡。由图2可见,在讨论范围内,随着多聚磷酸钠用量的增大,纤维残胶率总的趋势是逐渐降低的,虽然由于存在一定误差,趋势并不是太明显。这是由于多聚磷酸钠具有很强的渗透能力和分散作用,能把已经脱除了、但还未能及时溶解在溶液中的溶胶粒子快速分散在煮练液中,从而加快胶质的分解与溶出。4.2纤维断裂强力高由图3和图4可以看出,随着氢氧化钠浓度的增加和碱煮时间的延长,纤维断裂强力的变化,有一个“先上升、后下降”的过程。在最初的时候,纤维的断裂强力很大,但同时由于“纤维的胶质去除少、纤维束较粗”等原因,导致断裂强力高;随着氢氧化钠浓度和碱煮时间的变化,纤维细度在降低,纤维的断裂强力也在降低,当达到某一区域时,断裂强力下降很快,这是由于随着氢氧化钠浓度的增大和碱煮时间的延长,纤维损伤严重,断裂强力急剧下降。另外,随着多聚磷酸钠用量增加,断裂强力也有一个“先上升、后下降”的变化过程。这是由于多聚磷酸钠在加快胶质溶解的过程中,对断裂强力有与氢氧化钠和碱煮时间相类似的影响。4.3氧化钠浓度和碱煮时间对纤维细度的影响由图5和图6可以看出,在讨论范围内,在综合氢氧化钠浓度和碱煮时间的共同作用下,随着氢氧化钠浓度和碱煮时间的增加,纤维的细度变小。但是,随着碱煮时间的延长,纤维细度又开始有缓慢增加的趋势。分析认为,随着反应时间的延长,溶液中溶解的胶质变多,当溶液中的胶质达到一定程度时,胶质开始凝聚,并重新吸附到纤维表面,从而导致纤维的细度又开始有上升的趋势。4.4纤维的长度由图7和图8可知,随着氢氧化钠浓度增加和碱煮时间的延长,纤维的长度呈下降的趋势。这是由于随着纤维脱胶的程度的加深,工艺纤维开始逐步解体,同时有部分单纤维出现,因此纤维的整体长度下降。4.5确定目标函数本实验的主要目的,是研究龙须草纤维的脱胶工艺,进而探讨其纺纱的可能性。在纺纱时,纤维的强度和细度是主要的工艺参数。因此,在对脱胶工艺进行优化时,应选取脱胶后纤维的断裂强力和细度作为主要考察指标,残胶率、断裂伸长、纤维长度作为约束条件。综合考虑,参照多目标函数的目标规划方法,确定优化目标函数为:f1(x)=y细度,f2(x)=y强力,其它三个方程为约束函数。采用的优化方法为随机方向搜索法,其具体的方法步骤参见有关优化设计教材和参考资料。经解码得到的最优工艺参数为:Z=[z1,z2,z3],T=[9.0564,63.3092,5.9703],即各因子的工艺参数为:氢氧化钠浓度9.0564g/L,碱煮时间63.3092min,多聚磷酸钠用量5.9703%。由最优工艺参数所进行的各考察目标函数的预测值为:残胶率13.126%,断裂强力70.65cN,断裂伸长5.24%,纤维细度4.34tex,纤维长度13.16cm。5龙须草原料的性能为了验证本课题所确定的龙须草脱胶工艺方案的有效性,最后进行了验证实验。验证实验所采用的龙须草原料,与前面实验所使用的原料为同一批,脱胶过程的操作方法和要求与前面相同。经最优工艺处理龙须草原料后,所得到的精干纤维的主要品质指标见表9。验证实验结果证明,在最优化条件下,龙须草脱胶纤维的综合性能达到最佳。6多聚磷酸钠脱胶工艺试验结果通过实验研究,得到适合纺织行业使用的龙须草纤维,具体实验数据与结果如下:(1)根据苎麻的国家标准,得到龙须草纤维的回潮率为6.99%,含水率为8.74%。(2)龙须草纤维纤维素含量为45.10%,