柳皮纤维的精细化研究.docx
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柳皮纤维的精细化研究
摘要
在自然界中有许多天然资源可以利用，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，随着碱浓度不同，脱胶过程逐渐完全，一般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，可以用于纺织加工。
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，据相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和细度等方面性能的测试分析。
研究结果表明：
从提取的稳定性考虑，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18g/l工艺条件下，脱胶效果最好，断裂强力分析表明柳树茎皮纤维的强力和细度和桑皮强力和细度基本相同。
关键词：
柳树皮；脱胶；纤维；提取；细度；强力
Abstract
Therearealotofnaturalresourcesinthenaturecantakeadvantageof,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/lprocesscondition,thedegummingeffectisbest,breakingstrengthanalysisshowsthatthewillowbarkfiberstrengthandfinenessandmulberrystrengthandfinenessofbasicallythesame.
Keywords:
willowbark;Degumming;Fiber;Extraction;Dipping;Strong;
目录
摘要I
目录III
第一章绪论1
1.1柳树资源现状分析1
1.1.1育苗专业种植1
1.1.2品种多而杂1
1.1.3品种多样化2
1.2柳树的组成及应用2
1.3本课题研究的目的2
1.4本课题研究的内容3
1.5本课题研究的意义3
第二章柳皮纤维精细化处理4
2.1柳皮纤维的化学组成4
2.1.1纤维素4
2.1.2半纤维素5
2.1.3木质素6
2.1.4果胶及脂蜡质7
2.2脱胶的方法比较7
2.2.1化学脱胶8
2.2.2微生物脱胶8
2.2.3酶脱胶9
2.3本课题研究的方法9
2.3.1自然与机械处理9
2.3.2试样浸酸预处理10
2.3.3碱煮10
2.3.4水洗11
2.3.5打纤11
2.3.6给油11
第三章碱脱胶单因素对柳皮纤维性能的影响12
3.1实验材料12
3.1.1实验原料12
3.1.2实验仪器12
3.2实验试剂13
3.2.1助剂概述13
3.2.2助剂的选择13
3.3单因素分析工艺参数优化14
3.3.1实验方法14
3.3.2性能测试方法14
3.3.3碱浓度不同对提取纤维强力和细度的影响15
3.3.4浴比不同对提取纤维强力和细度的影响17
3.3.5提取时间不同对提取纤维强力和细度的影响19
3.4本章小结21
第四章正交试验设计与分析22
4.1实验材料22
4.1.1实验材料22
4.1.2实验试剂22
4.2实验仪器22
4.3实验方法22
4.3.1柳皮预处理23
4.3.2提取液的配置23
4.3.3正交试验设计23
4.4实验结果分析23
4.4.1提取碱浓度对纤维强力和细度的影响25
4.4.2提取浴比对纤维强力和细度的影响25
4.4.3提取时间对纤维强力和细度的影响25
4.4.4煮练条件对脱胶的影响25
4.5本章小结26
第五章结论27
5.1实验结果总结27
5.2本课题研究展望28
参考文献30
致谢32
第一章绪论
柳树是国华北地区的保守乡土树种，从古至今，封山造林和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和能源的高度，可见柳树的潜在意义和开发前景非同一般，现在发展机遇难得。
1.1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经过多年的跌宕起伏，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会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发展战略的需要，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，没有临时的发展理念，只要地里种上就可以了这种思想要不得！
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。
所以，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，生产中通过引进和自选，培育出了速生、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1011品种中优选出来的高生长和粗生长表示有优势，扦插后3年，可以生长到胸径14厘米以上。
1.1.3品种多样化
考察中，无论是速生直柳、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，采用适宜的密度，加强肥水管理，最短的时间内培育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，扦插第一年就可达到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，如果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柳树的组成及应用
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，它含有丰富的鞣质，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
在纺织品的发展进程中，天然纤维素纤维始终因具有服用舒适性、环境友好性和资源易得性而占据重要地位。
传统的棉、毛、丝、麻四大天然纤维在发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和利用上。
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，这些优良的性能和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、瞬间吸水以及抗菌抑菌等优良特性，服用性能极佳，保健功效显著。
目前，越来越多的专家和学者对柳树皮纤维的制取技术和纤维性能进行研究，虽然已经能够从柳材中提取出具有一定长度、细度和柔软度的纤维，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和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1～2毫米，必须采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和柔软度、而又保证纤维具有一定的强度和长度，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和弹性较差，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
对柳材和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。
采用化学精细化工艺对柳树皮纤维进行精细化处理，以碱为主要的煮练剂，确定助剂配方，并对碱浓度、处理时间和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柳皮纤维的化学组成
柳树属于单子叶禾本科植物，与麻类和木材都有相似之处，由柳材中提取的柳皮纤维和麻类纤维同属天然纤维素纤维。
一般认为，柳皮纤维与麻类韧皮纤维如苎麻、亚麻、黄麻、大麻等纤维有相同的化学组成，即由纤维素、半纤维素、木质素、果胶和脂蜡质等组成。
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，不同来源的纤维素纤维中，纤维素的含量是不同的，例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%。
尽管纤维素的来源有所不同，有来自自然界和人工制造之分，但它们的化学组成和结构都是一样的。
纤维素大分子的基本结构是D-吡喃式葡萄糖基（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β-苷键联接，其结构式可以表示如图2-1所示。
图2-1纤维素大分子分子式
由于苷键的存在，纤维素大分子对水解作用的稳定性降低，在酸或高温下与水作用，苷键断裂，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，这些羟基对于纤维素的性质具有决定性的影响，可以发生氧化、酯化、醚化反应，分子间形成氢键，吸水膨胀以及接枝共聚反应等等。
另外，纤维素大分子的两个末端基性质是不同的，在一端的葡萄糖第一个碳原子上存在一个苷羟基，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，故苷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，对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，主要位于纤维素细胞的胞间层和细胞壁上，是填充在纤维素细胞之间和微细纤维之间的“粘合剂”和“填充剂”，其聚合度较低，小于200，多数为80~120，分子量比纤维素低的多。
与纤维素不同，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，原料不同，复合聚糖的组分也不同。
组成半纤维素的结构单元（糖基）主要有：
D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基、L-阿拉伯糖基、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸基、D-半乳糖醛酸基和D-葡萄糖醛酸基等。
这些结构单元在构成半纤维素时，一般不是由一种结构单元构成一种均一的聚糖，而是由2~4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为半纤维素。
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Na0H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，一般认为半纤维素多糖包括木聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳聚糖、阿拉伯聚糖和鼠李聚糖等。
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。
在采用碱溶液煮练时，半纤维素产生更加容易发生碱性
降解，在较温和的条件下，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和最重要的有机高聚物，是植物细胞壁的主要成分之一。
它和半纤维素、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醚键和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。
图2-2组成木质素的单体
根据木质素结构的不同可将其划分为三类，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）和愈疮木酚基-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，不同性质的键联接的结构，不同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，能和一些亲核试剂发生反应，不同的亲核试剂其亲核性是不同的。
所谓亲核性，是指试剂给予电子的能力或是指试剂对原子核的亲合力，主要的亲核试剂有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，木质素的卤化反应和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，存在于各种植物的果实、汁液、根块以及棉、麻类植物的韧皮纤维中。
它是植物合成纤维素、半纤维素和木质素的营养物质，也是植物细胞间质和初生壁的重要组成部分，在植物细胞中起粘合作用。
果胶物质主要由D-半乳糖醛酸及D-半乳糖酸甲酯（见图2-3）通过α-1,4糖苷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果胶的主要聚合单体
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）以及聚合度的高低。
果胶质中甲氧基的含量一般为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。
果胶分生果胶和熟果胶两种，，熟果胶能溶于沸水中，生果胶不能溶于水，但生果胶对碱和酸的作用稳定性比较低，经过无机酸和稀碱溶液处理就会发生溶解和水解。
在原麻中可以被有机溶剂所提取的成分称为脂蜡质。
这类物质不溶于水，其组成很复杂，主要由高级饱和脂肪酸和高级一元醇所组成，此外，还含有部分游离的高级羧酸以及烃类物质。
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和浸入的作用。
因为脂蜡质能赋予纤维以光泽、柔软、弹性及松散等特性，这对纤维的可纺性是有利的，所以在麻类纤维和竹原纤维的制取和细化工艺中，它不是主要的去除对象。
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。
因此一般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
麻类的化学脱胶：
主要适用于苎麻。
苎麻韧皮中的果胶是多醣类高分子化合物的混合物，半纤维素是低聚合度的多醣类高分子化合物。
化学脱胶的原理是利用植物韧皮中纤维素和胶质对碱、无机酸和氧化剂等稳定性不同而去除丝胶。
在高温碱液煮练下，果胶和半纤维素等胶质较纤维素易被水解，经洗涤除去。
苎麻脱胶可分为前处理、碱液煮练和后处理三个阶段。
前处理有选麻、分把、浸酸等工序。
选麻分把是按品质拣选原麻、重新松匀扎把。
浸酸是溶解一部分可溶物质，以便脱胶均匀、提高煮练效率。
碱液煮练是苎麻脱胶的中心工序，应用氢氧化钠另加助剂。
碱液的浓度、浴比、煮练的次数、压力、时间和练液的循环，对脱胶效果和质量起重要作用。
后处理有打纤、冲洗、酸洗、水洗（漂白或精练）、脱水、给油和烘干等工序，进一步去除纤维上的胶质、改善色泽、提高纤维可纺性能和去除色素。
苎麻脱胶使用的主要设备有煮锅（高压或常压）、打洗机、冲洗机、脱水机、烘干机等。
2.2.2微生物脱胶
麻类微生物脱胶：
多用于黄麻、槿麻、苘麻和亚麻等。
这种方法是在一定条件下，通过自然发酵使一些微生物以韧皮中胶质为营养料逐步生长繁殖，促使麻茎组织内的胶质水解脱去。
对于黄麻、槿麻和苘麻，通常是将收割的麻茎或剥制的生麻皮捆成一定重量的麻捆浸于河流、池塘或小溪等缓流中使其自然发酵，主要是利用嫌气性微生物进行部分脱胶，俗称精洗，这种脱胶的麻纤维，一般称熟麻。
亚麻的浸渍，是将收割后除去籽、叶的麻茎（称原茎），捆成一定重量的麻捆进行浸渍。
可因地制宜或按照习惯使用不同方法。
浸渍的方法有池浸（温水或冷水）、河水浸、雨露浸等。
亚麻原料加工厂则普遍采用温水浸渍法，水温一般掌握在28～34℃，浸渍数昼夜，使麻茎发酵脱胶。
发酵过程分为三个阶段：
物理阶段，麻茎吸水膨胀，水溶性物质溶解于水；前生物阶段，通过发酵好气性微生物逐渐生长繁殖，并逐渐被嫌气性微生物取代；主生物阶段是脱胶的主要阶段，由于嫌气性微生物的生长繁殖，促使胶质发酵水解而溶于水中。
雨露浸渍法是将秋季收获的原茎铺在草地上，借雨露使韧皮保持湿润，利用好气性微生物生长繁殖促使胶质分解，进行脱胶。
亚麻由原茎经浸渍发酵后称水茎，再经干燥成为干茎，通过碎茎、打麻机械制取的亚麻纤维，称打成麻，即成为亚麻纺纱厂的原料。
影响微生物脱胶的主要因素是温度和酸度。
亚麻原料加工厂一般是采用控制发酵液的温度和酸度来促使果胶酶的生长繁殖，另一方面还要抑制杂菌的生长来提高脱胶质量。
麻类微生物脱胶的缺点是手工操作多，劳动强度高，脱胶周期长和生产的季节性。
2.2.3酶脱胶
在原料脱胶时使用适当的酶制剂来提高脱胶速度和质量，简称酶脱胶。
它比微生物自然发酵法前进了一步。
酶是一种具有特殊性能的蛋白质，又称生物催化剂，具有较多的选择性。
催化效率高，但不耐高温。
绢纺原料酶脱胶的原理是利用蛋白酶能先与丝胶生成中间物，然后再经水解放出原来的酶，使丝胶中肽键断裂而水解。
适当的蛋白酶可促使丝胶迅速水解，而对于丝素影响较小，不损伤纤维。
蛋白酶的种类有植物性的木瓜酶、动物的胰蛋白酶
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