苎麻“三素”的高效分离及纤维性能的改善研究

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苎麻是一种多年生草本植物,在麻类纤维中品质十分优异。苎麻纤维细长、强力大、外观洁白且有丝样光泽;同时兼具透气性好、吸湿散热快、抗霉菌和虫蛀等优点,是公认的“天然纤维之王”。但是,苎麻原麻中含有大量胶质(20%~30%),在纺纱加工前最大的问题就是如何将苎麻表面的胶质充分去除,得到性能优异的精干麻。目前常用的脱胶方法为传统碱脱胶和生物脱胶,传统碱脱胶污染大和脱胶废水难处理等缺点成为制约苎麻传统脱胶产业可持续发展的关键瓶颈和挑战;生物法脱胶对环境污染相对小,但生物脱胶所用的细菌和酶容易失活,故效果不稳定;如今大部分企业都在优化传统脱胶工艺的同时探索与其它脱胶方式的联合,但联合脱胶也存在设备复杂、流程长、成本较高等缺点。因此,有必要开发新型脱胶方法,在保证纤维质量的同时,简化脱胶工艺,实现苎麻纤维的高效快速制备。基于此,本论文探索了利用绿色环保的低共熔溶剂(DES)对苎麻进行一步脱胶的可能性,主要研究内容如下:(1)利用合成的氯化胆碱/尿素(CU)、氯化胆碱/咪唑(CI)、乙胺盐酸盐/乙二醇(EE)三种低共熔溶剂对苎麻进行一步脱胶试验,研究结果表明在脱胶温度160℃、时间2h、固液比1:20的条件下,三种脱胶纤维的残胶率均达到较低水平(3%~5%),且制成率在70%以上,均高于传统碱脱胶方法(简称TAL)。SEM测试表明DES可以有效去除苎麻纤维表面附着的胶质。FTIR测试表明,DES脱胶后纤维素的结构没有改变,而半纤维素和木质素等胶质成分对应的特征峰强度明显降低。XRD测试表明,三种脱胶纤维的结晶度分别较原麻提高了8.52%、11.68%和13.26%。13C-NMR测试表明,三种DES均能有效去除半纤维素和木质素等胶质,且胶质去除能力EE>CI>CU。化学成分分析表明,与传统碱脱胶相比,DES去除木质素的能力较强,DES脱胶纤维中的木质素含量要远低于传统方法。拉曼成像测试进一步验证了DES具有较强的木质素去除能力。强伸性测试表明,在三种脱胶纤维中,CU纤维的断裂强度最高,接近传统碱脱胶,CI脱胶纤维的断裂伸长率最高,而EE脱胶纤维的断裂强度和伸长率均过低,不适合用于苎麻脱胶。聚合度测试表明,CU、CI和EE三种DES脱胶纤维的聚合度均低于传统碱脱胶纤维的聚合度,这可能与DES脱胶过程中发生的纤维素部分解聚有关。(2)在分离苎麻纤维的基础上,进一步利用“水沉-醇析法”对CU脱胶废液中的木质素富集相(LRMS)和半纤维素富集相(HRMS)进行了分离提取,初步实现了资源的综合利用。FTIR和UV测试表明,LRMS具有较为完整的木质素结构,HRMS具有明显的多糖结构,但也存在少量木质素。Kalson法测得HRMS和LRMS中酸不溶木质素的含量分别为90%和10%左右。利用GC对HRMS中含有的单糖种类和成分进行分析,结果发现HRMS主要由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖等6种糖基组成,进一步分析发现葡萄糖含量高达34%以上,其它糖基含量均小于10%。(3)在氯化胆碱/尿素低共熔溶剂体系中添加纤维素保护试剂蒽醌(AQ)来提升脱胶纤维的性能,试验表明,在添加0.2g/L浓度的AQ条件下,发现脱胶纤维的结晶度、聚合度、断裂强度、断裂伸长率和断裂功分别较未添加AQ增加了5.89%、3.31%、20.12%、10.59%和66.67%,纤维素含量减少了1.26%。FTIR分析表明,添加0.2g/L蒽醌的脱胶纤维的主要化学结构没有发生改变,半纤维素对应的特征峰强度有所增强,而木质素对应的特征峰强度有所降低,表明了AQ能够在保护碳水化合物的同时促进木质素的降解。XRD分析表明,精干麻的结晶度在AQ浓度为0.2g/L时达到最大。热重分析表明,添加AQ的脱胶纤维热学性能也有所增加,其最大热分解温度达到351℃,高于原麻(331℃)和未添加AQ的脱胶纤维(337℃)。AQ主要在保温阶段(60~120min)发挥作用,该阶段添加AQ后脱胶纤维的制成率、残胶率和强伸性能等指标较未添加AQ均明显增加。
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