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苎麻是一种天然多年生草本植物，其纤维长度长、强力高，可进行单纤维纺纱。苎麻织物因其具有凉爽挺括、防霉抗菌等优势而被广泛应用于纺织面料、增强复合材料、工业包装等领域。苎麻原麻的主要成分是纤维素，而非纤维素成分(如半纤维素、果胶、木质素等)约占纤维含量的20~30wt%，统称为胶质。在纺纱之前需要去除原麻纤维表面覆盖的胶质以保留较高纯度的纤维素纤维，即脱胶处理。目前，工业中最常用的苎麻脱胶工艺是传统的碱法脱胶，即用高浓度氢氧化钠溶液对苎麻原麻进行高温煮炼，但该工艺存在流程复杂、环境污染严重等缺陷。为了降低环境污染，研究学者提出了很多新型脱胶方法，如氧化脱胶、生物(如酶、细菌)脱胶，但由于设备成本高、脱胶不稳定、纤维素损伤大，在工业上推广进程缓慢。本课题研究一种全新的高沸点醇类(简称高沸醇)生态高效脱胶工艺，即利用安全环保的高沸醇试剂对苎麻实施脱胶加工，通过添加催化剂、纤维素保护剂及木质素脱除剂来提升脱胶效率，改善纤维质量；同时探讨高沸醇在脱胶工艺中重复利用的可行性及脱胶黑液中溶剂的可回收特性，以实现降低试剂成本、提高资源利用率的目的。课题的具体研究内容如下：
(1)选择低碳数的高沸醇溶剂1,2-丙二醇、丙三醇、乙二醇、1,4-丁二醇，分别在加压条件下对苎麻进行一步法脱胶，并对比分析其脱胶效果。实验结果表明，4种醇类脱胶中由于1,4-丁二醇对纤维素损伤严重而导致纤维易脆断；其它3种醇类的脱胶纤维制成率均较高(73~76%)，且纤维断裂强度、线密度、残胶率均能满足后续纺纱需求。综合分析，沸点相对较低的乙二醇和毒性相对较小的丙三醇的脱胶效果最佳，经乙二醇脱胶后的纤维断裂强度(8.27cN/dtex)最高，经丙三醇处理过的纤维残胶率(3.3%)最低。基于实验结果，本课题对高沸醇的脱胶作用机理进行分析。高沸醇溶剂在高温条件下增加的热能、动能及分子活化能会促进其在纤维中的扩散与渗透，且释放出的质子(H+)会对胶质分子间连接的化学键进行攻击。其中半纤维素分子链中O-乙酰基会裂解产生乙酸，同时β-苷键断裂生成的单糖戊糖在乙酸催化作用下会通过脱水作用生成糠醛；而木质素分子间的醚键也易发生断裂，酸性条件下木质素还能避免发生凝聚。由于4种脱胶工艺均在加压条件下进行，为降低能耗，后续研究均采用常压条件，分别选用乙二醇、丙三醇作为溶剂，通过添加助剂来提高脱胶效率、改善脱胶效果。
(2)以沸点相对较低的乙二醇为脱胶液，在常压油浴条件下，通过添加不同含量的乙酸构成乙二醇/乙酸体系(EGAc)或提高脱胶温度构成高温体系(EG-T)两种方案进行工艺改进。乙酸对生物质分离具有选择特性，可以催化裂解分子间的化学键；而温度很大程度上会影响脱胶反应速率。脱胶结果表明，乙二醇(EG)脱胶工艺(130℃，6h)制得的纤维断裂强度、线密度分别达到国家一级、三级标准，但较高的残胶率(12.26%)会对后续纺纱产生不良影响。EGAc体系中，EG/Ac比例为60/40(EGAc-60/40)时制得的纤维物理性能较好，纤维残胶率、线密度分别下降了21.53%、8.72%；EG-T体系中，200℃条件下、脱胶80min(EG-T80)制得的纤维物理性能最佳，与脱胶60min制得的纤维相比，其残胶率、线密度分别降低了26.18%、8.74%，断裂强度提高了22.97%。对比两种最优改进工艺(EGAc-60/40、EG-T80)，EG-T80制得的纤维残胶率、线密度和制成率均低于EGAc-60/40制得的纤维，表明升高温度可以大幅度提高胶质去除率、改善纤维性能。另外，由于乙酸的催化会降解部分纤维素，使得EGAc-60/40制得的纤维断裂强度、纤维素聚合度均低于EG-T80。综上，与乙酸催化作用相比，脱胶温度的提高更利于提升脱胶效率、改善脱胶效果。
(3)“蒽醌”在生物质分离中具有加速脱木质素、清除氧化自由基、抑制碳水化合物剥皮反应的多重作用。在高沸醇脱胶过程中，考虑到纤维素在高温下易被氧化而降解，同时为进一步提高木质素去除率，课题以低廉环保型试剂“蒽醌”作为纤维素保护剂及木质素脱除剂，研究苎麻在乙二醇/蒽醌(EG-AQ)溶剂中的脱胶效果。研究结果表明，当蒽醌浓度为0~0.5g/L时，纤维素聚合度随蒽醌浓度的增加而增加，脱胶纤维结晶度及强伸度先升高后降低，而纤维线密度、残胶率先降低后升高。蒽醌浓度为0.3g/L时纤维各项性能达到最佳，与不加蒽醌制得的纤维相比，其结晶度、断裂强度分别提高了20.53%、9.55%；纤维中木质素含量、纤维残胶率及线密度分别降低了21.43%、17.91%、7.24%；由于受到蒽醌的保护作用纤维中半纤维素去除率降低了3.01%，纤维素含量提高了0.74%，使得制成率提高了近1.46%，同时纤维热学性能更加稳定。与不加蒽醌时相比，添加0.3g/L蒽醌在相同脱胶时间内，纤维残胶率降低约0.5%~0.9%；而在相同残胶率时，脱胶时间可缩短25min以上。基于以上结论对恩醌的脱胶作用机理进行分析。蒽醌在乙二醇溶剂中会电离生成蒽氢醌离子，醌氧负电性的诱导致使木质素结构中β-芳基醚键发生断裂而脱离纤维素纤维；而纤维素剥皮反应又可通过蒽醌对纤维素末端醛基的氧化提前终止；在整个脱胶过程中，蒽氢醌和蒽醌的互相转化使得氧化和还原反应交替进行，既实现了木质素的脱除，又降低了纤维素损伤。综上，蒽醌在提高脱胶效率、改善纤维性能方面具有显著优势，有望应用于苎麻的有机溶剂脱胶领域。
(4)上述研究表明，丙三醇在加压下的脱胶纤维残胶率最低，为降低能耗，这里进一步探究丙三醇在油浴常压下的脱胶过程，并通过添加三氯化铁(FeCl3)催化剂来提高脱胶效果(简称GL-FeCl3体系)。GL-FeCl3体系流程简单、脱胶效率高，且可以选择性地氧化纤维素C6上的伯羟基，减少纤维素降解量，提高纤维制成率及吸湿性。研究结果表明，GL-FeCl3体系中FeCl3质量分数越高、脱胶时间越长、脱胶温度越高，胶质去除效果越好，但纤维素降解量也会增大。综合分析脱胶纤维的物理性能，GL-FeCl3体系中适宜的FeCl3质量分数、脱胶时间范围分别为0~1.0%、30~150min，脱胶温度为200℃。采用响应曲面法分析FeCl3质量分数、脱胶时间对纤维残胶率的综合影响，并根据实验结果拟合多元二次回归方程。回归模型方差分析结果表明，两因素对脱胶纤维的残胶率影响显著，得到最优工艺为：FeCl3质量分数1.0%、脱胶时间121min、脱胶温度200℃。理论预测值(3.96%)与实际测试结果值(3.88%)误差约为2%，说明所建立的模型较为理想。与传统碱脱胶(简称Tra-alkali)工艺相比，GL-FeCl3体系脱胶制得的纤维酸基含量高、吸湿性大，特别是较高的制成率利于提高纤维产量，节约成本。进一步分析FeCl3的脱胶作用机理可知，FeCl3以催化半纤维素中的糖类降解生成糠醛为主，但也会导致纤维素降解，由于丙三醇类纤维素结构，可通过被FeCl3催化氧化成酮、醛或其中的孤对电子与FeCl3的活性位点结合形成配位化合物两种方式有效降低FeCl3对纤维素的降解作用。综上，GL-FeCl3体系在制备高性能苎麻单纤维领域中具有良好的应用前景。
(5)考虑高沸醇溶剂脱胶的成本问题，课题对脱胶黑液(经脱胶后的溶液)的多次重复利用进行了探究。以沸点较低的乙二醇为例，采用乙二醇单缸重复脱胶工艺，并通过减压蒸馏对黑液中的溶剂进行回收。结果表明，在5次重复脱胶的纤维中脂蜡质和果胶被全部去除，纤维素含量均在95.5%以上，且纤维制成率、线密度、断裂强度处于71.3~73.5%、4.9~6.0dtex、5.5~8.7cN/dtex，均符合国家标准要求，特别是经第1、2、3次重复脱胶的纤维物理性能最佳。由此看出，乙二醇脱胶液至少可以重复利用5次。由于每次脱胶结束后取出纤维时会带离部分黑液，当进行到第5次重复脱胶后剩余量较少的黑液已不足以继续进行脱胶，此时可对黑液进行减压蒸馏，结果表明，黑液中的溶剂几乎完全被回收，经浓缩后的黑液固形物中木质素结构完整，且木质素与半纤维素含量会随重复脱胶次数的增加逐渐累积。综上可知，苎麻的乙二醇单缸重复脱胶及溶剂回收体系可行性好，且可以大幅度降低脱胶试剂成本，减少环境污染，实现资源的循环利用。
(1)选择低碳数的高沸醇溶剂1,2-丙二醇、丙三醇、乙二醇、1,4-丁二醇，分别在加压条件下对苎麻进行一步法脱胶，并对比分析其脱胶效果。实验结果表明，4种醇类脱胶中由于1,4-丁二醇对纤维素损伤严重而导致纤维易脆断；其它3种醇类的脱胶纤维制成率均较高(73~76%)，且纤维断裂强度、线密度、残胶率均能满足后续纺纱需求。综合分析，沸点相对较低的乙二醇和毒性相对较小的丙三醇的脱胶效果最佳，经乙二醇脱胶后的纤维断裂强度(8.27cN/dtex)最高，经丙三醇处理过的纤维残胶率(3.3%)最低。基于实验结果，本课题对高沸醇的脱胶作用机理进行分析。高沸醇溶剂在高温条件下增加的热能、动能及分子活化能会促进其在纤维中的扩散与渗透，且释放出的质子(H+)会对胶质分子间连接的化学键进行攻击。其中半纤维素分子链中O-乙酰基会裂解产生乙酸，同时β-苷键断裂生成的单糖戊糖在乙酸催化作用下会通过脱水作用生成糠醛；而木质素分子间的醚键也易发生断裂，酸性条件下木质素还能避免发生凝聚。由于4种脱胶工艺均在加压条件下进行，为降低能耗，后续研究均采用常压条件，分别选用乙二醇、丙三醇作为溶剂，通过添加助剂来提高脱胶效率、改善脱胶效果。
(2)以沸点相对较低的乙二醇为脱胶液，在常压油浴条件下，通过添加不同含量的乙酸构成乙二醇/乙酸体系(EGAc)或提高脱胶温度构成高温体系(EG-T)两种方案进行工艺改进。乙酸对生物质分离具有选择特性，可以催化裂解分子间的化学键；而温度很大程度上会影响脱胶反应速率。脱胶结果表明，乙二醇(EG)脱胶工艺(130℃，6h)制得的纤维断裂强度、线密度分别达到国家一级、三级标准，但较高的残胶率(12.26%)会对后续纺纱产生不良影响。EGAc体系中，EG/Ac比例为60/40(EGAc-60/40)时制得的纤维物理性能较好，纤维残胶率、线密度分别下降了21.53%、8.72%；EG-T体系中，200℃条件下、脱胶80min(EG-T80)制得的纤维物理性能最佳，与脱胶60min制得的纤维相比，其残胶率、线密度分别降低了26.18%、8.74%，断裂强度提高了22.97%。对比两种最优改进工艺(EGAc-60/40、EG-T80)，EG-T80制得的纤维残胶率、线密度和制成率均低于EGAc-60/40制得的纤维，表明升高温度可以大幅度提高胶质去除率、改善纤维性能。另外，由于乙酸的催化会降解部分纤维素，使得EGAc-60/40制得的纤维断裂强度、纤维素聚合度均低于EG-T80。综上，与乙酸催化作用相比，脱胶温度的提高更利于提升脱胶效率、改善脱胶效果。
(3)“蒽醌”在生物质分离中具有加速脱木质素、清除氧化自由基、抑制碳水化合物剥皮反应的多重作用。在高沸醇脱胶过程中，考虑到纤维素在高温下易被氧化而降解，同时为进一步提高木质素去除率，课题以低廉环保型试剂“蒽醌”作为纤维素保护剂及木质素脱除剂，研究苎麻在乙二醇/蒽醌(EG-AQ)溶剂中的脱胶效果。研究结果表明，当蒽醌浓度为0~0.5g/L时，纤维素聚合度随蒽醌浓度的增加而增加，脱胶纤维结晶度及强伸度先升高后降低，而纤维线密度、残胶率先降低后升高。蒽醌浓度为0.3g/L时纤维各项性能达到最佳，与不加蒽醌制得的纤维相比，其结晶度、断裂强度分别提高了20.53%、9.55%；纤维中木质素含量、纤维残胶率及线密度分别降低了21.43%、17.91%、7.24%；由于受到蒽醌的保护作用纤维中半纤维素去除率降低了3.01%，纤维素含量提高了0.74%，使得制成率提高了近1.46%，同时纤维热学性能更加稳定。与不加蒽醌时相比，添加0.3g/L蒽醌在相同脱胶时间内，纤维残胶率降低约0.5%~0.9%；而在相同残胶率时，脱胶时间可缩短25min以上。基于以上结论对恩醌的脱胶作用机理进行分析。蒽醌在乙二醇溶剂中会电离生成蒽氢醌离子，醌氧负电性的诱导致使木质素结构中β-芳基醚键发生断裂而脱离纤维素纤维；而纤维素剥皮反应又可通过蒽醌对纤维素末端醛基的氧化提前终止；在整个脱胶过程中，蒽氢醌和蒽醌的互相转化使得氧化和还原反应交替进行，既实现了木质素的脱除，又降低了纤维素损伤。综上，蒽醌在提高脱胶效率、改善纤维性能方面具有显著优势，有望应用于苎麻的有机溶剂脱胶领域。
(4)上述研究表明，丙三醇在加压下的脱胶纤维残胶率最低，为降低能耗，这里进一步探究丙三醇在油浴常压下的脱胶过程，并通过添加三氯化铁(FeCl3)催化剂来提高脱胶效果(简称GL-FeCl3体系)。GL-FeCl3体系流程简单、脱胶效率高，且可以选择性地氧化纤维素C6上的伯羟基，减少纤维素降解量，提高纤维制成率及吸湿性。研究结果表明，GL-FeCl3体系中FeCl3质量分数越高、脱胶时间越长、脱胶温度越高，胶质去除效果越好，但纤维素降解量也会增大。综合分析脱胶纤维的物理性能，GL-FeCl3体系中适宜的FeCl3质量分数、脱胶时间范围分别为0~1.0%、30~150min，脱胶温度为200℃。采用响应曲面法分析FeCl3质量分数、脱胶时间对纤维残胶率的综合影响，并根据实验结果拟合多元二次回归方程。回归模型方差分析结果表明，两因素对脱胶纤维的残胶率影响显著，得到最优工艺为：FeCl3质量分数1.0%、脱胶时间121min、脱胶温度200℃。理论预测值(3.96%)与实际测试结果值(3.88%)误差约为2%，说明所建立的模型较为理想。与传统碱脱胶(简称Tra-alkali)工艺相比，GL-FeCl3体系脱胶制得的纤维酸基含量高、吸湿性大，特别是较高的制成率利于提高纤维产量，节约成本。进一步分析FeCl3的脱胶作用机理可知，FeCl3以催化半纤维素中的糖类降解生成糠醛为主，但也会导致纤维素降解，由于丙三醇类纤维素结构，可通过被FeCl3催化氧化成酮、醛或其中的孤对电子与FeCl3的活性位点结合形成配位化合物两种方式有效降低FeCl3对纤维素的降解作用。综上，GL-FeCl3体系在制备高性能苎麻单纤维领域中具有良好的应用前景。
(5)考虑高沸醇溶剂脱胶的成本问题，课题对脱胶黑液(经脱胶后的溶液)的多次重复利用进行了探究。以沸点较低的乙二醇为例，采用乙二醇单缸重复脱胶工艺，并通过减压蒸馏对黑液中的溶剂进行回收。结果表明，在5次重复脱胶的纤维中脂蜡质和果胶被全部去除，纤维素含量均在95.5%以上，且纤维制成率、线密度、断裂强度处于71.3~73.5%、4.9~6.0dtex、5.5~8.7cN/dtex，均符合国家标准要求，特别是经第1、2、3次重复脱胶的纤维物理性能最佳。由此看出，乙二醇脱胶液至少可以重复利用5次。由于每次脱胶结束后取出纤维时会带离部分黑液，当进行到第5次重复脱胶后剩余量较少的黑液已不足以继续进行脱胶，此时可对黑液进行减压蒸馏，结果表明，黑液中的溶剂几乎完全被回收，经浓缩后的黑液固形物中木质素结构完整，且木质素与半纤维素含量会随重复脱胶次数的增加逐渐累积。综上可知，苎麻的乙二醇单缸重复脱胶及溶剂回收体系可行性好，且可以大幅度降低脱胶试剂成本，减少环境污染，实现资源的循环利用。