柳皮纤维的精细化研究.docx

柳皮纤维的精细化研究摘要在自然界中有许多天然资源能够利用，柳树皮纤维尚未开发利用，通过化学脱胶法制取的柳树皮纤维，随着碱浓度不一致，脱胶过程逐步完全，通常30天左右能达到较好纤维制取效果，纤维细度越来越细，颜色呈白色。这种脱胶加工方法简单、对环境污染轻，经济效益高，能够用于纺织加工。目前国内外研究人员对柳树的研究大多集中在它的种植，大量的柳树没有被充分利用而浪费，可见对柳茎皮的研究很少，柳茎皮中含有大量的纤维，是优良的纺织原料，但在使用之前需对柳树茎皮进行脱胶，据有关文献报道柳皮纤维脱胶去除的果胶物质具有抗癌、保健等作用，而棉织物因自身的优点而深受消费者的睐，但棉织物织物整体风格、抗皱性差等缺点。本课题以综合利用柳皮为前提对柳皮纤维进行精细化研究，对影响脱胶的工艺因素进行单因素实验研究，结合正交试验进行纤维的提取，将具有代表性纤维进行强力与细度等方面性能的测试分析。研究结果说明：从提取的稳固性考虑，柳树茎皮以碱的稀释液作为提取液，浴比为1：18,提取时间4,碱的浓度为18gl工艺条件下，脱胶效果最好，断裂强力分析说明柳树茎皮纤维的强力与细度与桑皮强力与细度基本相同。关键词：柳树皮；脱胶；纤维；提取；细度；强力AbstractTherearealotofnaturalresourcesinthenaturecantakeadvantageof,willowbarkfiberhasnotbeendevelopmentandutilization,throughchemicaldegummingofwillowbarkfibers,withdifferentalkaliconcentration,degummingprocesscompletely,usually30daysorsocanreachbettereffectoffibermaking,fiberfinenessismoreandmorethin,withawhitecolor.MainafforestationtreespeciessuchasplantsandweepingwillowsandBailLiu.Researchersathomeandabroadofwillowresearchmostlyfocusedonitscultivation,isnotmakefulluseofthewastealotofwillow,verylittlevisibleontheresearchofthewillowbark,willowbarkcontainsalotoffiber,isagoodtextilematerials,butneedtocomeungluedwillowbarkbeforeuse,accordingtoreportsintheliteratureofskinfiberdegummingremovalofpectinsubstancesactionsuchasanti-cancer,healthcare,andcottonfabricsbecauseofitsownadvantagesandfavoredbyconsumers,butintegralstylecottonfabricandwrinkleresistance.Thistopiconthepremiseofcomprehensiveutilizationofleatherrefinementwasstudiedforthewillowskinfiber,theeffectfactorsofdegummingprocesssinglefactorexperiments,combinedwithorthogonaltestfortheextractionoffiber,therepresentativefiberstrengthandfinenessofperformanceanalysisofthetest.Thestabilityoftheresearchresultsshowthattheextractedfromconsideration,willowbarkwithalkalidiluentsasextract,andbathratio,extractiontimeis4,theconcentrationofalkalifor18g/1processcondition,thedegummingeffectisbest,breakingstrengthanalysisshowsthatthewillowbarkfiberstrengthandfinenessandmulberrystrengthandfinenessOfbasicallythesame.Keywords:willowbark;Degumming;Fiber;Extraction;Dipping;Strong;摘要I目录III第一章绪论11.1 柳树资源现状分析11.1.1 育苗专业种植11.1.2 品种多而杂11.1.3 品种多样化21.2 柳树的构成及应用21.3 本课题研究的目的21.4 本课题研究的内容31.5 本课题研究的意义3第二章柳皮纤维精细化处理42.1 柳皮纤维的化学构成42.1.1 纤维素42.1.2 半纤维素52.1.3 木质素62.1.4 果胶及脂蜡质72.2 脱胶的方法比较72.2.1 化学脱胶82.2.2 微生物脱胶82.2.3 酶脱胶82.3 本课题研究的方法82.3.1 自然与机械处理82.3.2 试样浸酸预处理82.3.3 碱煮82.3.4 水洗92.3.5 打纤92.3.6 给油9第三章碱脱胶单因素对柳皮纤维性能的影响H3.1 实验材料113.1.1 实验原料113.1.2 实验仪器113.2 实验试剂123.2.1 助剂概述123.2.2 助剂的选择123.3 单因素分析工艺参数优化133.3.1 实验方法133.3.2 性能测试方法133.3.3 浓度不一致对提取纤维强力与细度的影响143.3.4 浴比不一致对提取纤维强力与细度的影响163.3.5 提取时间不一致对提取纤维强力与细度的影响183.4 本章小结20第四章正交试验设计与分析214.1 实验材料214.1.1 实验材料214.1.2 实验试剂214.2 实验仪器214.3 实验方法214.3.1 柳皮预处理224.3.2 提取液的配置22433正交试验设计224.4 实验结果分析224.4.1 提取碱浓度对纤维强力与细度的影响244.4.2 提取浴比对纤维强力与细度的影响244.4.3 提取时间对纤维强力与细度的影响244.4.4 煮练条件对脱胶的影响244.5 本章小结25第五章结论265.1 实验结果总结265.2 本课题研究展望27参考文献28致谢30第一章绪论柳树是国华北地区的保守乡土树种，从古至今，封山造林与园林绿化上都得到广泛应用，深受人们喜爱。如今，现代技术的进步，已把柳树产业提到国家工业原料与能源的高度，可见柳树的潜在意义与开发前景非同通常，现在进展机遇难得。1.l柳树资源现状分析1.1.1 育苗专业种植这种现象是历史原因形成的苗木产业通过多年的跌宕起伏，苗木当柴烧的情景历历在目，严重挫伤了育苗者的积极性。育苗面积大大下滑，致使现在种苗产业结构严重不合理，大、中、小规格的苗木青黄不接，苗木价格连连攀升，今年的苗木价格达到历史高峰。如3厘米的柳树由2006年的几毛钱，暴跌到今年的16元以上，4厘米的由1块多钱飞涨到今年的30元以上。大量土地掌握在受创伤的农民手里，加上国家对粮食的补贴，现实的农民在短期内不可能把生产目标转移到苗木上来，仅靠现在专业育苗户来满足市场的需求是远远不够的由于柳树育苗面积减少，市场需求大，加上国家五年水利规划进展战略的需要，未来五至六年内柳树将是一个用量大、收入高的树种。1.1.2 品种多而杂育苗区笔者看到一块育苗地里能有两三个品种，品种混杂，生长整齐不齐，既影响苗木质量又降低了育苗效益。与一些育苗者谈起此事，也无奈：这几年柳树苗木价格高，销售快，能买到柳树苗种条就不错了都是临时抓一把，没有临时的进展理念，只要地里种上就能够了这种思想要不得！柳树老品种种了好多年，没有单独的采穗圃，育苗时都是用小规格的弱苗做种条，多次反复使用，老品种的优良特性就受到影响，品质退化，苗木生长很差。因此，首先要从自然界中选择新品种，二要从老品种中提纯复壮，以优质无性系做种条。如山东某苗木公司，生产中通过引进与自选，培养出了速生、耐盐碱、特色观赏效果、极耐干旱瘠薄四大系列40多个无性系。其中9901柳，就是从旱柳实生苗中优选出的速生，树形优美，滨州市沾化县盐碱地生长良好。优选高抗金丝柳无性系，就是金丝柳IOll品种中优选出来的高生长与粗生长表示有优势，杆插后3年，能够生长到胸径14厘米以上。1.1.3 品种多样化考察中，不管是速生直柳、青垂柳、金丝柳，还是竹柳，都是小规格的多，大规格的极少。这是多年柳树育苗价格忽高忽低造成的现在良种柳树苗木存量少，价格高，为了满足市场的需求，就要采取良种良法，改变保守的有量就有效益”观念。要根据培养目的选择合适的品种，使用适宜的密度，加强肥水管理，最短的时间内培养出符合市场需求规格苗木，才干获得较高效益。如9901柳，利用现代理念栽培，杆插第一年就可达到3厘米至5厘米粗，第二年达到5厘米至7厘米；而传统的方法，用老品种第一年只能长到1厘米至2厘米，假如稀植留圃第二年才可达到3厘米至5厘米，移植进来的还要低于这个规格。1.2 柳树的构成及应用柳絮：亦名柳子，性凉柔软，作枕芯有安神催眠之功。若将柳絮研细，可治疗黄疸、咯血、吐血、便血及女子闭经等，外用尚可治牙痛。柳叶：柳叶功同柳絮，它含有丰富的糅质，有清热解毒、利湿消肿之功。水煎服可治疗上呼吸道感染、支气管炎、肺炎、膀胱炎、腮腺炎、咽喉炎。捣烂外敷，可治疗足跟疼痛。柳枝：柳枝是中医传统的接骨妙药。水煎服，可治疗冠心病、慢性支气管炎、尿路感染、烧烫伤等，水煎熏洗，对风湿性、类风湿性关节炎有明显疗效。柳根：能祛风利湿、消肿止痛，可治疗乳痈、牙痛、中耳炎、黄疸等疾病，酒煮饮服，其祛风、消肿、止痛作用更佳。柳皮：能除痰明目、清热祛风，水煎熏洗尚可治疗疥癣顽疾。柳屑：是柳树虫蛀孔中的蛀屑，煎水洗浴或者炒热布包温熨，可治疗痒疹、皮炎。1.3本课题研究的目的在纺织品的进展进程中，天然纤维索纤维始终因具有服用舒适性、环境友好性与资源易得性而占据重要地位。传统的棉、毛、丝、麻四大天然纤维在进展规模方面有一定局限，如棉花的“与粮争地”的问题，人们把视线越来越多的集中在了新型天然纤维的开发与利用上。我国柳树资源丰富，柳树产量高，再生能力强,成材期短，生长迅速，具有一次造林永久利用的特点。柳树在生长过程中不受污染，是纯天然原料；柳树皮纤维在其提取过程中，这些优良的性能与含有的保健成分将会保留下来，因此柳树皮纤维具有绿色环保、舒适透气、瞬间吸水与抗菌抑菌等优良特性，服用性能极佳，保健功效显著。目前，越来越多的专家与学者对柳树皮纤维的制取技术与纤维性能进行研究，尽管已经能够从柳材中提取出具有一定长度、细度与柔软度的纤维，但制取工艺还仅限于实验室研究，且提取的纤维仅能够用于粗纺型混纺产品。对柳树皮纤维的制取与细化过程中仍存在一些亟待解决的问题。尚未找到合理的制取工艺。柳单纤维较短，只有12毫米，务必使用不完全脱胶的方式提取工艺纤维；而柳树皮本身的结构比较特殊，纤维素部分的含量较低、且分布不连续，如何尽可能地去除柳皮中的非纤维素部分以提高纤维细度与柔软度、而又保证纤维具有一定的强度与长度，是制取柳树皮纤维的关键问题。纤维白度差。柳树皮纤维中木质素含量较高,而木质素中含有大量有色基团，影响纤维的白度。可纺性差。由于柳树皮纤维的柔软性与弹性较差，强力不均率较大，易出现并丝、硬结、柳粉等现象，大大降低了柳树皮纤维的可纺性。1.4 本课题研究的内容对柳材与柳树皮纤维进行化学成分的定量分析，并与麻类纤维相对比。使用化学精细化工艺对柳树皮纤维进行精细化处理，以碱为要紧的煮练剂，确定助剂配方，并对碱浓度、处理时间与浴比这三个因素进行优化，寻找最佳工艺。1.5本课题研究的意义针对以上的问题，本文以制取具有较高可纺性的柳树皮纤维为目的，化学脱胶的方法对柳树皮纤维进行精细化处理，通过正交试验优化工艺参数。对柳树皮纤维的性能进行分析研究。第二章柳皮纤维精细化处理2.1 柳皮纤维的化学构成柳树属于单子叶禾本科植物，与麻类与木材都有相似之处，由柳材中提取的柳皮纤维与麻类纤维同属天然纤维素纤维。通常认为，柳皮纤维与麻类韧皮纤维如芝麻、亚麻、黄麻、大麻等纤维有相同的化学构成，即由纤维素、半纤维素、木质素、果胶与脂蜡质等构成。2.1.1 纤维素纤维素是植物中含量最广泛、最普遍的物质之一，它是构成棉花、木材、草类植物细胞壁的基础物质，不一致来源的纤维素纤维中，纤维素的含量是不一致的，比如棉花中纤维素含量为92%95%,麻类韧皮中纤维素含量为65%75%,竹材中纤维素含量为40-55%o尽管纤维素的来源是完全不一致的，有来自自然界与人工制造之分，但它们的化学构成与结构都是一样的。纤维素大分子的基本结构是D-U比喃式葡萄糖基(即无水葡萄糖)。每个纤维素大分子的n个葡萄糖基构成的，其分子式为(C6H10O5)n,其中n为聚合度，数值为几百至几千甚至一万以上，纤维素分子为极长的链分子，属线性高分子化合物。纤维素大分子的葡萄糖基间的联接都是-昔键联接，其结构式能够表示如图2-1所示。图2-1纤维素大分子分子式由于昔键的存在，纤维素大分子对水解作用的稳固性降低，在酸或者高温下与水作用，背键断裂，使纤维素大分子降解。纤维素大分子每个基团均有3个醇羟基，这些羟基关于纤维素的性质具有决定性的影响，能够发生氧化、酯化、酸化反应，分子间形成氢键，吸水膨胀与接枝共聚反应等等。另外，纤维素大分子的两个末端基性质是不一致的，在一端的葡萄糖第一个碳原子上存在一个昔羟基，当葡萄糖环结构变成开链式时，此羟基即转变为醛基而具有还原性，故昔羟基存在潜在的还原性；而在纤维的另一端，在末端基的第四个碳原子上存在仲醇羟基，不具有还原性。因此，关于整个纤维素大分子来说，一端存在还原性的隐性醛基，另一端没有，整个大分子具有极性并呈现方向性。2.1.2 半纤维素除纤维素以外,半纤维素是柳皮纤维中含量最多的化学成分。在植物组织中，半纤维素与纤维素相互伴生，紧密结合在一起，但半纤维素不是纤维素合成过程中的前驱物质，纤维素的合成与纤维素的合成无关。半纤维素是一种无定形物质，要紧位于纤维素细胞的胞间层与细胞壁上，是填充在纤维素细胞之间与微细纤维之间的“粘合剂”与“填充剂”，其聚合度较低，小于200,多数为80120,分子量比纤维素低的多。与纤维素不一致，半纤维素不是均一聚糖，而是一群复合聚糖的总称，是一群物质的总称，原料不一致，复合聚糖的组分也不一致。构成半纤维素的结构单元（糖基）要紧有：D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基、L-阿拉伯糖基、4-0-甲基-D-葡萄糖醛酸基、D-半乳糖醛酸基与D-葡萄糖醛酸基等。这些结构单元在构成半纤维素时，通常不是由一种结构单元构成一种均一的聚糖，而是由24种结构单元构成的不均一聚糖。因此，半纤维素的结构要比纤维素复杂得多。工业上把与纤维素结构相似而又能溶于稀碱溶液的糖类物质统称之半纤维素。在麻纤维化学成分分析中把与纤维素结构相似、能溶于浓度为2%的NaOH溶液中的糖类物质叫做半纤维素。根据半纤维素水解的生成物，通常认为半纤维素多糖包含木聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳聚糖、阿拉伯聚糖与鼠李聚糖等。其中，木聚糖纤维素居多，葡萄甘露聚糖半纤维素对耐碱性最强，在脱胶过程中最难除去。化学性质上，半纤维素首先区别于纤维素的是其在一些药剂中的溶解度大，容易溶于稀碱溶液中，甚至在水中也能部分溶解。其次是半纤维素水解成单糖的条件比纤维素简单得多。在使用碱溶液煮练时，半纤维素产生更加容易发生碱性降解，在较温与的条件下，逐步产生剥皮反应，即从半纤维素分子的还原性末端基而使其降解的反应；在较强烈的条件下则发生碱性水解。2.1.3 木质素木质素是植物中仅次于纤维素的最丰富与最重要的有机高聚物，是植物细胞壁的要紧成分之一。它与半纤维素、果胶一起作为细胞间质填充在细胞壁的微细纤维之间，加固木化组织的细胞壁，并把相邻的细胞粘结在一起，在植物中起着支撑、粘结纤维素的作用，使其具有承受机械力作用的能力38。木质化的细胞壁能阻止微生物的攻击，增强茎干的抗压强度，减小细胞壁的透水性。木质素是是一种具有芳香族特性的、由一系列苯丙烷单元通过酸键与碳碳键连接而成的具有三度空间网状结构的复杂无定形高聚物，其结构单元如图2-2所示。根据木质素结构的不一致可将其划分为三类，即愈疮木酚基型木质素（G）、愈疮木酚基-紫丁香基型木质素（GS）与愈疮木酚基紫丁香基对羟基苯基木质素（GSH）。由于木质素苯丙烷结构单元通过多种类型的键联接而成，不一致性质的键联接的结构，不一致的功能基联接在结构单元上造成木质素结构单元的化学反应性质很不一样。因此，木质素各部位的反应性能是不一样的。从有机反应的角度出发，木质素属于高分子有机化合物，能与一些亲核试剂发生反应，不一致的亲核试剂其亲核性是不一致的。所谓亲核性，是指试剂给予电子的能力或者是指试剂对原子核的亲合力，要紧的亲核试剂有OH-、SH-、S2-SO32-、HSO3-等。同时，木质素结构单元的苯环上由于连接着羟基、甲氧基等供电子基团而使苯环得以活化，电子云密度增大，因此，木质素也很容易受到带正电荷的原子或者离子等亲电试剂的攻击而发生亲电取代反应。这两类反应在纺织加工化学中是很常见的：木质素与强碱的反应即是木质素与亲核试剂的反应，木质素的卤化反应与硝化反应则属于木质素与亲电试剂的反应。2.1.4 果胶及脂蜡质果胶物质在自然界中分布很广，存在于各类植物的果实、汁液、根块与棉、麻类植物的韧皮纤维中。它是植物合成纤维素、半纤维素与木质素的营养物质，也是植物细胞间质与初生壁的重要构成部分，在植物细胞中起粘合作用。果胶物质要紧由D-半乳糖醛酸及D-半乳糖酸甲酯（见图23）通过l,4糖昔键连接形成的直线状高聚物，在植物中呈胶态分布。（a）半乳糖醛酸（b）半乳糖醛酸甲酯图2-3果胶的要紧聚合单体果胶的性质取决于支链糖基的特性、甲氧基含量的多少（即脂化度的高低）与聚合度的高低。果胶质中甲氧基的含量通常为9%12%。果胶质中未被脂化的羟基，与多价金属离子结合成盐，形成网状结构，降低聚合度。在聚合度相同时,果胶质中的甲氧基含量越高，生成盐的羟基越少，则果胶质在水中的溶解度就越大。果胶分生果胶与熟果胶两种，熟果胶能溶于沸水中，生果胶不能溶于水，但生果胶对碱与酸的作用稳固性比较低，通过无机酸与稀碱溶液处理就会发生溶解与水解。在原麻中能够被有机溶剂所提取的成分称之脂蜡质。这类物质不溶于水，其构成很复杂，要紧由高级饱与脂肪酸与高级一元醇所构成，此外，还含有部分游离的高级较酸与烧类物质。在原麻中，脂蜡质分布于纤维表面，在植物的生长过程中，有防止水分剧烈蒸发与浸入的作用。由于脂蜡质能给予纤维以光泽、柔软、弹性及松散等特性，这对纤维的可纺性是有利的，因此在麻类纤维与竹原纤维的制取与细化工艺中，它不是要紧的去除对象。但在化学脱胶过程中，纤维原料经酸、碱、氧化剂等化学药品处理后，蜡质基本被完全清除，使得脱胶后的纤维变得粗糙、硬脆。因此通常在纤维脱胶工艺后会有给油工序。2.2 脱胶的方法比较2.2.1 化学脱胶2.2.2 微生物脱胶2.2.3 酶脱胶2.3 本课题研究的方法化学脱胶优点脱胶速度快、占用场地少、适于连续化生产。本课题对柳皮进行化学脱胶的要紧工艺流程如下：柳树皮自然、机械处理一预处理（浸酸）一碱煮一水洗一水洗一打纤一水洗脱水一抖松一给油一脱油一干燥231自然、机械处理经日晒处理后的柳树皮，能够除去大部分的蜡质及部格外皮，大大减少脱胶压力。同时，柳树皮胶质干化，通过机械捶打，其与纤维的粘着力已经大大降低,极大的减小胶质与纤维的结合程度，部分胶质已脱离纤维，可直接去除，便于与化学试剂的吸附与渗透。2.3.1 试样浸酸预处理硫酸溶液：1.01.5gL,温度：5060,浴比：1:（1015）,处理时间：l-2ho浸酸预处理，可去除一部分果胶与杂质，减轻后续脱胶的负担，提高效率。由于酸在高温条件下会使纤维素发生水解，因此温度不能太高（通常不高于60）酸的浓度对纤维性能的影响较大，高浓度的酸会引起纤维水解。2.3.2 碱煮氢氧化钠溶液：1520gL,在每IOooml氢氧化钠溶液中分别加入（3050）g三聚磷酸钠与（3080）g水玻璃，配制成碱煮液，温度：1（XrC,常压，浴比1:（1520）,处理时间：35h。在碱煮过程中木质素大分子发生分解，变成能溶于水的小分子物质。另外，酸处理过程中没有被溶解的果胶在碱煮过程中也一并去除。三聚磷酸钠是一种煮练助剂，可增强煮练时的去污效果；硅酸钠具有较强的吸附性能，能够吸附杂质,避免分解后的杂质二次污染纤维；碱煮过程在碱煮脱胶装置中进行。利用微波技术加热介质材料时，介质材料汲取微波能量转化为热能，在微波电磁场每秒钟千百万次变化的作用下，待加热物质中极性分子随着交变的微波场不断改变排列方向，克服分子原有的热运动与分子间相互作用力的干扰与阻碍，产生类似摩擦的效应使物体内部发热，从而能够在较短的时间内均匀有效地加热物质，这是微波应用于柳树皮脱胶处理中的理论基础。用微波处理时，这种特殊的加热方式使碱液快速地渗透到柳树纤维的内部，引起柳树中非纤维类物质迅速溶胀，部分可溶于水的胶质溶解，部分不溶于水的胶质的剧烈振动，减少了柳树纤维与胶质的粘着力，为后面的处理打开了通道当超声波作用于液体溶液时，液体介质要做压缩与稀疏的周期振动，从而引起液体内部各点受到压力或者拉伸力作用，拉伸力的作用会将大量液体撕裂，并形成大量微小气泡，即空化泡。当这些巨量空化泡破裂时，能放出巨大的能量，能够产生高达几百个大气压的局部瞬间压力，从而形成冲击波，对浸在液体内部的固体物质表面形成强大的冲击与破坏。这就是高强度超声波特有的“空化效应当超声波频率达到一定程度时，还能够使大分子解聚。利用超声波的空化效应作用于柳树皮的宏观与微观结构，从而大大提高脱胶效率，并极大地减少碱的浓度、用量及作用时间，从而达到节能、环保、高效的目的。23.4水洗将碱液滤除，用蒸偏水反复浸泡搓洗25次，使最终残液为弱碱性。碱性果胶酶的处理提供一个可靠的碱性环境。2.3.5 打纤（可将碱煮过的树皮装入袋中，用粗纱辑敲打，之后水洗）打纤又称之敲麻、拷麻，是煮练后处理的重要工序之一。通过煮练工序后，胶质的绝大部分已被溶解，但还有一部分黏附在纤维上，纤维被粘联在一起不能分离成单纤维。打纤能够利用打击混合水洗作用，去除纤维上残留的胶杂质，降低残胶，并使纤维松散。2.3.6 给油经脱胶后未经烘干的柳皮纤维还含有少量残胶，若将其直接干燥，纤维会相互并结变得脆硬。因此脱胶后的柳皮纤维在干燥之前务必进行给油处理。通过工艺优化改进，整个工艺过程耗时大幅减少。制得的柳皮工艺纤维为束状纤维，呈细条网状，纤维束长度比单纤维长，自度较好，手感较柔软。经适当开松处理后，可作纺织材料使用。第三章碱脱胶单因素对柳皮纤维性能的影响化学精细化方法是利用化学试剂(要紧是碱液)与柳皮纤维中的非纤维素部分(要紧是半纤维素与木质素)发生反应，使非纤维素部分溶解于溶液中，减弱其与纤维之间的黏合力，使纤维产生劈裂从而达到提高纤维分离度的目的。这种方法能够显著降低柳皮纤维纤维的线密度，但往往去除胶质的同时也对纤维素造成损伤，使纤维的断裂强度降低。3.1 实验材料3.1.1 实验原料柳树皮来自苏北盐城,如图3-l(f)o3.1.2 实验仪器HH6型数显恒温水浴锅，国华电器有限公司,图 3/ (a)； FA2004 电子天平，上海舜宇恒平科技仪器有限公司图31 (e)oa水浴锅b水玻璃C磷酸纳d氢氧化钠e电子天平f柳树皮3.2 实验试剂表3-2化学试剂试剂名称纯度生产厂家氢氯化钠分析纯上海青析化工科技有限公司水玻璃分析纯上海山浦化工有限公司磷酸钠分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司3.2 助剂使用3.2.1 助剂概述柳皮纤维中的纤维素部分耐碱性好，而半纤维素与木质素等非纤维素部分在热碱作用下易分解，因此选用氢氧化钠为要紧精练剂，为了促进碱液的进一步渗透，提高反应效率，在试验中还需添加其他几种煮练助剂。通常来说，煮练助剂应具有良好的渗透、溶胀、扩散、乳化、净洗等作用，且耐高温、耐碱、耐硬水与耐氧化，对环境无污染、对设备无腐蚀，对人畜无毒害，操作方便。在本文中，还要求不损伤柳皮纤维。优良的脱胶助剂对提高煮练的质量与效率起着重要的作用。目前，在纤维素纤维脱胶及精细化处理中，经常使用的助剂有硅酸钠、磷酸钠及表面活性剂等。硅酸钠能够吸附反应中生成的沉淀物，保护纤维素因氧化而强度降低的双重作用。磷酸钠是多电荷并具有胶束结构的电解质，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，增加煮练液的表面活性，降低碱液与纤维界面的表面张力，加速碱液对纤维组织的膨化作用，使纤维表面组织膨胀变松，并使果胶、半纤维素与木质素等迅速被渗透、润湿而膨胀，达到加速钠离子对胶质裂解作用的目的，并使具有高分子结构的果胶、半纤维素与木质素等分散成微小的溶胶粒子而悬浮于碱液中，防止它们与污垢、色素等杂质再沉积在纤维表面。3.2.2 助剂的选择首先使用NaOH浓度为IOgZL在试验中保持不变；Na2SiO3具有去除木质素、保护纤维素因氧化而强度降低的双重作用，因此被用作要紧的脱胶助剂，其浓度3g/L在试验中保持不变；其它脱胶助剂的配方如表33所示。其工艺条件为：浴比1:15,温度IOoC,时间18Omin。下列工艺均同此。3.3 单因素分析工艺参数优化3.3.1 实验方法利用柳皮纤维中纤维素与胶质(包含半纤维素与木质素等)成分对碱液稳固性的不一致，在不损伤或者尽量少损伤纤维原有机械性能的原则下，去除其中的胶质成分，松解纤维内部结构，使纤维束产生劈裂，从而制取线密度较小的柳皮纤维的化学加工过程。3.3.2 性能测试方法纤维的细度纤维细度测试使用中段切断称重法测量，测量方法是将纤维排成一端平齐、平行伸直的纤维束，然后用纤维切断器在纤维中段切IOmm长的纤维束，再用电子秤称重，根据纤维切断长度、根数与质量，计算出纤维的分特克斯数，如图3-2(b)o纤维断裂强力及断裂伸长柳皮纤维拉伸性能的测试参照GB/T14337-1993。YG004N型电子单纤维强力仪，夹持长度为Iomm,下夹持器下降速度为5mmmin,如图32(a).电子单纤维强力仪b纤维切断器3.3.3碱浓度不一致对提取纤维强力与细度的影响浓度的变化对纤维的细化效果将会产生较大影响，本试验中，在其他因素相同的条件下，测试不一致氢氧化钠浓度对竹原纤维残胶率、线密度与断裂强度三个指标的影响。其工艺条件为：浴比1:15,温度99.9,时间180min°NaOH浓度及对应的柳皮纤维性能指标如表3-5及图3-5至图3-7o表3-5不一致的碱值提取纤维的强力与细度碱值(gl)1012细度(dtex)3.754.25强力(CN)70.0670.79断裂强度 cNdtex,18.616.61518223.753.004.5072.3374.8166.8419.225.614.8浓度(gl)图3-5不一致的碱值对纤维强力的影响图3-6不一致的碱值对纤维细度的影响图3-7不一致的碱值对纤维断裂强度的影响综合表3-5及图3-5到3-7可知，在其他条件不变的情况下，不一致浓度的碱液对提取纤维强力与细度的影响，碱浓度为18gl时，纤维强力最好；碱浓度为10gl到18gl之间，纤维强力上升，而碱浓度为18gl到22gl之间，是迅速下降，原因是高浓度碱液在高温处理时会对纤维素造成损伤，使部分纤维素大分子链断裂，破坏了柳皮纤维的结构完整性。NaC)H浓度越大，处理过程中对纤维素的造成的损伤越大，纤维强度就会快速降低。值得注意的是，通过浓度为10gL的NaOH处理后，纤维的断裂强度比未经处理的稍高，这是由于通过低浓度碱处理后的柳皮纤维中部分无定形区的木质素与半纤维素被去除，无定形区减少，纤维的结晶度有所提高，使纤维的断裂强度有增大的趋势。因此，柳皮纤维断裂强度的变化是由于结晶度增加而导致的强度增加，与纤维素大分子被损伤导致强度减小两者综合作用的结果。当碱浓度较低时，结晶度的增加起要紧作用，纤维的断裂强度略有增大；当碱浓度较高时，碱液对纤维的损伤作用明显，纤维的断裂强度降低。因此从图5-2看出，要得到符合纺织后加工要求的柳皮纤维，需要综合考虑纤维的线密度与断裂强度等指标，兼顾生产的成本等因素，最佳碱浓度值为18gl.其要紧原因在于碱浓度越强，越有利于果胶的分离，纤维分散，但碱浓度过大使纤维受到损伤，反而使强力下降。334浴比不一致对提取纤维强力与细度的影响其工艺条件为：选择碱的浓度为18(gl),时间为3h,5个不一致的料液比(1：10>1:14、1:18、1:22、1:26)进行试验，试验结果参见表3-8及图3-8至表3-8不一致的浴比提取纤维的强力与细度浴比1:101:141:181:221:26细度(dtex)3.003.253.503.753.25强力(CN)61.7969.4376.8174.1166.46断裂强度cNdtex,20.621.321.919.719.00图3-8不一致的浴比提取纤维的强力的影响图3-10不一致的浴比提取纤维的细度的影响由表38及图38至310可知，在其他条件相同的情况下，不一致的浴比对纤维强力的影响不一致。从1:10开始到1：18时，提取纤维强力随着浴比的增加而上升，但是从1:18至U1:26时，纤维的强力下降，最终，浴比为1:18时达到最高，说明料液比以1:18为最佳，纤维的强力达到最高。其原因在于浴比小，提取液中所含的碱量较低，因此相同重量的柳树皮与碱接触的几率下降，相反，当浴比逐步增大后，提取液中所含碱的量逐步提高,柳皮中的纤维越容易接触碱,因而柳皮与碱反应效率提高,但当提取液中所含的碱量过大，纤维受到损伤强力下降。3.3.5提取时间不一致对提取纤维强力与细度的影响柳皮纤维结构致密，在碱煮过程中不利于碱液的渗透，较短的处理时间不可能达到很好的细化效果；但是在长时间的热碱液作用下，柳皮纤维表层的纤维素大分子易受到损伤，造成纤维断裂强度大大降低。因此，务必合理选择处理时间。其工艺条件为：碱浓度18gl,浴比为E8,选五个不一致时间为(2,3,3.5,4,4.5)O233.54.5时间QO表3-11不一致的提取时间提取纤维细度与强力Time/h233.544.5细度(dtex)3.503.753.553.303.75强力(CN)63.8664.2764.6172.9070.97断裂强度17.0017.1019.8020.8018.90cNdtex'1图3-11不一致的提取时间提取纤维细度的影响69.0068.0067.0066.0065.0064.0063.0062.0061.00图3-12不一致的提取时间提取纤维强力的影响25V0-一一一15-g10'5-O1'1'1233.544.5时间(h)图3-13不一致的提取时间提取纤维强力的影响综合表3-11及图3-11到3-13可知，在其他条件相同的条件下，浸提时间为4h之前，提取纤维强力随时间的延长而增加，其中3.5h到4h之间，纤维强力上升最快；在4h以后，纤维强力随时间延长而减少，因此图5-4表示，4h的时间最为适合。其原因在于当碱浓度一定时，提取时间越长，碱越能浸透柳皮，越有利于柳皮中多糖类物质的水解，但当时间超过一定范围后，果胶多糖类物质几乎全发生水解时，便不再产生纤维。3.4本章小结(1)在化学精细化处理过程中，为了促进碱液的进一步渗透，提高反应效率,还需添加其他几种助剂，比较各类助剂对柳皮纤维精细化的效果，证明多聚磷酸钠浓度、硅酸纳较好。(2)NaOH的浓度、处理时间与处理温度这三个因素对柳皮纤维的精细化效果影响显著，本文使用单因子试验对这三个因素进行优化，得出最佳工艺参数：NaoH浓度为18gL,处理时间为4h,浴比为1:18。在此条件下，制得柳皮纤维性能最好。第四章正交试验设计与分析使用化学法处理，尽管胶质去除效果较好，但会对纤维造成较大的损伤使纤维断裂强度降低。因此使用正交试验，得到最佳的效果。以柳皮的作为原料使用碱为试剂提取纤维，在参考料液比、碱浓度、提取时间3个单因素提取效果的基础上进行了L9(33)正交试验优化试验与方差分析结果，并将提取出来的柳皮纤维的细度与强力进行测试。4.1 实验材料4.1.1 实验材料柳皮来自苏北盐城。4.1.2 实验试剂表4-1化学试剂试剂名称纯度生产厂家氢氧化钠分析纯上海青析化工科技有限公司水玻璃分析纯上海山浦化工有限公司磷酸钠分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司4.2 实验仪器HH6型数显恒温水浴锅，国华电器有限公司；FA2004电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；YG004N型电子单纤维强力仪及纤维切断器。4.3 实验方法本文使用比较传统工艺脱胶的方法，即柳皮纤维提取的工艺流程：柳树皮自然、机械处理一预处理(浸酸)一碱煮一水洗一水洗一打纤一水洗一脱水一抖松给油一脱油一干燥4.3.1 柳皮预处理将干燥后的柳皮，按试验要求在电子天平上精确称取IOg柳皮，加入一定浴比与一定体积碱性溶液。4.3.2 提取液的配置浴比为1：18的碱性溶液配制：量取蒸谓水300ml,电子天平称取3.5g氢氧化钠放入水中，调节为温度为100度，浴比为1：18的碱溶液的配置同上。4.3.3 正交试验设计如表4-2,以提取碱浓度、提取时间、浴比值三设计三因素三水平正交试验，来获得的最佳工艺。表4-2正交实验所选因素、水平水平因素A碱浓度B浴比C时间Zh112gl1:143.5215gl1:184.0318gl