第三節 桑皮脫膠

眾所周知，要從植物韌皮上獲得具有一定可紡性的纖維，就必須首先將韌皮中的膠質等除去，即脫膠。脫膠在莖皮纖維的生產過程中具有舉足輕重的地位，脫膠效果不理想，將直接影響其可紡性能，甚至影響紡織品的最終性能。因此，植物韌皮纖維脫膠是紡織品生產中非常關鍵的一個環節。植物韌皮纖維脫膠工藝如圖2-11所示。下面詳細介紹目前在國內外主要采用的幾種植物韌皮脫膠方法。

一、機械脫膠

機械脫膠采用先對桑皮進行軟化處理，以破壞桑皮表面膠質干硬固化殼，松解桑皮纖維和果膠的聯結，利于桑皮的快速軟化、膨潤、溶脹和浸漬液滲透。隨后再借助于專用機械設備的物理機械外力和輔助處理，對處理的軟化桑皮施以物理方法為主的機械力脫膠、開纖和整理，從而實現桑皮脫膠過程的節能、降耗、減排及連續化生產。

圖2-11 植物韌皮纖維脫膠工藝

其基本工藝過程如下。

桑皮軟化處理→浸漬→脫膠開纖→除雜開纖→水洗開纖→精煉→后整理。

1.桑皮軟化處理 將桑皮喂入軟化機進行機械力揉搓，在軟化桑皮的同時除去其部分雜物。

2.浸漬 向浸漬裝置內注入浸漬液。浸漬液配方為氫氧化鈉4%～6%（owf），烷基苯磺酸鹽0.3%～0.5%（owf）。浸漬的工藝為浴比1：（8～10），浸液溫度80～100℃，浸漬時間10～12h。

3.開纖 經浸漬處理后的桑皮原料依次送入脫膠開纖機、除雜開纖機和水洗開纖機分步進行開纖。

（1）脫膠開纖。經浸漬處理后的桑皮由喂料羅拉輸送喂入脫膠開纖機，通過在入口處均勻摻入的顆粒物與脫膠開纖工作區除雜滾筒及多組工作羅拉的共同作用，對桑皮進行全方位的機械力摩擦、擠壓、揉搓、縱橫向分撕開纖，使膠質逐步與纖維分離、去除。隨后處理后的桑皮由轉移毛刷剝取，受前方轉移羅拉牽制送入除雜開纖機。

（2）除雜開纖。進入除雜開纖機的桑皮，通過除雜打手和振動式除雜篩筒的共同作用，在除雜打手不斷打擊、拋起、振動下，抖落掉黏附在纖維上的雜物，并受前方的牽引羅拉和輸送羅拉牽制被送入水洗開纖機。雜物則通過除雜篩筒的網眼落入位于其下的塵室，掉落下的顆粒物被收集處理后再回用。

（3）水洗開纖。纖維層進入水洗開纖機后，在內網布和外網布的共同夾持下受到噴淋裝置內外高壓噴射水柱的交叉沖擊和清洗，以充分去除果膠和雜物并分解纖維，然后經脫水壓輥碾壓脫除部分清洗水。被沖洗掉的顆粒物沉入水洗開纖機底部，由回收裝置回收、處理后回用。

4.精練 通過作用溫和的輔助精練處理即完成桑皮纖維制取。所制得的纖維進行傳統脫膠后處理工序。精練液配方為氫氧化鈉0.5%～0.7%（owf），亞硫酸鈉0.1%～0.2%（owf），凈洗劑0.2%～0.3%（owf）。精練工藝為浴比1：12，溫度95～100℃，時間1.5～2h。

二、生物脫膠

1.傳統的天然水漚微生物脫膠法 我國自歷史上應用韌皮纖維以來，一直沿襲“天然水漚”脫膠法。所謂的“天然水漚”就是將砍下來的桑枝扎成小捆，或者將從桑枝上剝取下來的桑皮扎成束，浸泡于池塘、溝渠、湖泊或河流等天然水域中進行微生物厭氧發酵脫膠，利用水中各種微生物的聯合作用將高分子化合物的膠質分解成為小分子的化合物，從而將纖維素提取出來的方法。

此種脫膠方法的缺點脫膠過程需要大量的水，限制了此類植物在缺水地區的加工。脫膠過程受季節、氣候的影響很大，這種植物莖皮脫膠方法，是早期我國麻農采用的最傳統的方法。目前除了在個別地區仍在使用以外，在其他地區已很少使用。

2.微生物脫膠法 針對環境污染的問題，人工培養細菌的新型微生物脫膠方法近來備受矚目，國內外已有不少這方面的研究文章發表，但多數是針對苧麻、亞麻等。從研究結果來看，該法纖維素與木質素、半纖維素的分離效果不穩定，由于不同的水源具有不同的水質、水溫和微生物種類，影響因素非常復雜，使得漚制過程難以控制，脫膠時間較長。不過微生物脫膠方法因為無需使用有害化學助劑而對環境污染較少。

微生物脫膠是利用微生物來分解膠質。微生物脫膠可以兩種途徑進行，一種途徑是將某些脫膠細菌加在植物莖皮上，細菌利用植物莖皮中的膠質作為營養源而大量繁殖，細菌在繁殖過程中分泌出一種酶的物質來分解膠質。酶是由生物產生的一種蛋白質，能加速體內各種生物化學反應，被稱為生物催化劑。酶的催化作用具有專一性，如果膠酶只能水解果膠，半纖維素酶只能水解半纖維素。脫膠菌在繁殖過程中產生的酶來分解膠質，使高分子量的果膠及半纖維素等物質分解為低分子量的組分溶于水中。另一種途徑是將能脫膠的細菌培養到細菌的衰老期后產生大量的粗酶液，粗酶液可用來浸漬植物莖皮來進行脫膠。

生物脫膠有使用方便，脫膠溫度溫和、化學污染少的優點。目前菌種的酶活力還不夠高，微生物脫膠后的植物莖皮還含有較多的膠質，脫膠質量不易控制，鍋批與鍋批之間脫膠質量相差較大，精干莖皮纖維產品質量穩定性非常差，并且生物脫膠過程中無法進行人為的控制，有可能存在脫膠不徹底的缺點，最終還要輔以化學脫膠才能達到后道工序的要求。

三、堿煮脫膠

通過對桑皮成分的化學分析可知，桑皮中的纖維素和膠質對燒堿作用的穩定性差異很大。化學脫膠的基本原理就是利用桑皮中纖維素和膠質成分對堿、無機酸和氧化劑作用的穩定性的不同，以化學方法去除莖皮中的膠質成分，保留纖維素成分。在化學脫膠工藝中以堿劑為主，輔以氧化劑、其他助劑和一定的機械作用，以達到工業上脫膠質量的要求，獲得優良的精干莖皮纖維質量。

目前比較常用的脫膠工藝過程有如下幾種：一煮法工藝、二煮法工藝、二煮一練法工藝、二煮一漂工藝、二煮一漂一練工藝。一煮法工藝最簡單，只適于紡粗特紗；二煮法其特點是工藝比較簡單，化工原料耗用不多，桑皮纖維質量有所提高，適于紡粗特紗用；二煮一練法工藝生產的桑皮纖維質量較好，適于紡中細特紗；二煮一漂工藝生產的桑皮纖維質量較好，適于紡中細特紗，處理時間大大縮短；二煮一漂一練方法的特點是在堿液煮練或在精煉后增加一道漂白工序，可降低桑皮纖維中木質素的含量，有利于提高纖維的白度、柔軟性和可紡性，桑皮纖維質量好，適用于紡細特紗，但工藝流程長，生產成本高。

除了上述工藝外，還可采用二煮二漂及二次打纖等工藝，以加強對膠質的去除，提高桑皮纖維的質量。但過長的工藝流程，無疑增加了生產成本，降低了生產效率。總而言之，現行的桑皮纖維脫膠工藝生產的桑皮纖維雖能滿足粗紡要求，但還存在著工藝流程長、工序多、勞動強度高、噪聲大、對環境污染嚴重等缺陷。

四、閃爆脫膠

蒸汽爆碎簡稱“汽爆”，又稱“閃爆”。蒸汽爆碎技術由美國學者W.H.Mason于1928年發明，當時為間歇法生產，主要是用于生產人造纖維板。從20世紀70年代開始，此項技術也被廣泛用于動物飼料的生產和從木材纖維中提取乙醇和特殊化學品。80年代后，此項技術有很大的發展，使用領域也逐步擴大，出現了連續蒸汽爆碎法生產技術及設備，即加拿大Stake Technology公司開發的連續蒸汽爆碎法工藝及設備，并產生許多專利。80年代后期，Stake Technology公司，將此項技術應用于制漿造紙領域。它與加拿大魁北克大學共同研究，先后對楊木及非木材纖維原料進行了大量的蒸汽爆碎試驗，取得了很好的效果。在此基礎上，開發研制了蒸汽爆碎制漿技術和設備，并在制漿廢液用于生產動物飼料技術方面也有深入的研究。現已發展成為一項重要的工業過程平臺技術。蒸汽爆碎技術為進一步推廣經濟清潔的和提升改造傳統的污染產業提供了可能。蒸汽爆碎一種預處理方法。原料用蒸汽加熱至180～235℃，維壓一定時間，在突然減壓噴放時，產生二次蒸汽，體積猛增，受機械力的作用，其固體物料結構被破壞。在桑皮纖維的脫膠過程中可以采用閃爆法迫使纖維素和果膠大程度的分離。

蒸汽爆碎的幾個優點可歸納如下。

（1）可應用于各種植物生物質，預處理條件容易調節控制。

（2）半纖維素、木質素和纖維素三種組分會在三個不同的流程中分離，分別為水溶組分、堿溶組分和堿不溶組分。

（3）纖維素的酶解轉化率可達到理論最大值。

（4）經過蒸汽爆碎處理后的木質素仍能夠用于其他化學產品的轉化。

五、超臨界二氧化碳萃取

超臨界流體（SCF）是指物體處于其臨界溫度（T_c）和臨界壓力（P_c）以上狀態時，向該狀態氣體加壓，氣體不會液化，只是密度增大，具有類似液體的性質，同時還保留氣體的性能。

超臨界流體兼具氣體和液體的優點，其密度接近于液體，溶解能力較強，而黏度與氣體相近，擴散系數遠大于一般的液體，有利于傳質。另外，超臨界流體具有零表面張力，很容易滲透擴散到被萃取物的微孔內。因此，超臨界流體具有良好的溶解和傳質特性，能與萃取物很快地達到傳質平衡，實現物質的有效分離。

超臨界流體萃取分離的原理 超臨界流體萃取分離過程是利用其溶解能力與密度的關系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行的。在超臨界狀態下，流體與待分離的物質接觸，使其有選擇性地依次把極性大小、沸點高低和分子質量大小的不同成分萃取出來。然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，被萃取物質則自動完全或基本析出，從而達到分離提純的目的，并將萃取分離的兩個過程合為一體。

超臨界流體萃取的溶劑 超臨界流體萃取過程能否有效地分離產物或除去雜質，關鍵是萃取中使用的溶劑必須具有良好的選擇性。目前研究的超臨界流體種類很多，主要有二氧化碳、水、甲苯、甲醇、乙烯、乙烷、丙烷、丙酮和氨等。近年來主要還是以使用二氧化碳超臨界流體居多，因為二氧化碳的臨界狀態易達到，它的臨界溫度（T_c=30.98℃）接近室溫，臨界壓力（P_c=7.377MPa）也不高，具有很好的擴散性能，較低的表面張力，且無毒、無味、不易燃、價廉、易精制等特點，這些特性對熱敏性易氧化的天然產品更具吸引力。

在生產上一般采用化學脫膠法，這種方法本身存在很大的缺點：如需在強酸、強堿，甚至高溫高壓等激烈條件下進行，因而能耗高，所用化學品對環境污染嚴重，且對桑皮纖維的質量有較大的影響，另外耗水量大、脫膠時間長也是問題。由于超臨界流體萃取在溶解、萃取、分離和質量傳遞、溶劑回收等方面均有較大的使用價值，適合無污染、低成本、高效綠色化工的發展方向。

六、微波—生物酶—化學輔助聯合脫膠

桑皮纖維脫膠常常借助幾種不同的工藝來進行，以減少工藝流程，節約能耗同時降低污染，本節以微波—生物酶—化學輔助聯合脫膠為例進行介紹，其脫膠工藝流程為：桑皮纖維自然、機械處理→調濕→微波處理→機械捶打除雜→浸酸預處理→水洗→堿中和→酶處理→（超聲波、微波輔助）堿煮→水洗→打纖→水洗→脫水→給油→抖松→干燥→原棉雜質分析機分離纖維束。

1.桑皮纖維自然、機械處理 經日曬處理后的桑皮纖維，膠質干化，其與纖維的粘著力已經大大降低，經過機械捶打，可以極大地減小膠質與纖維的結合程度，便于酶及化學試劑的吸附與滲透。部分膠質已脫離纖維，可直接去除。同時可以除去大部分的蠟質及部分外皮，大大減少脫膠壓力。

2.調濕 標準大氣壓，溫度（20±2）℃，相對濕度（65±3）%，處理時間2～5h。

由于水（H₂O）是一種極性分子，根據微波處理的原理，調濕后可大大提高微波處理的效率。

3.微波預處理 微波處理參數為微波功率0.5kW，處理時間0.5～1min，每隔1min要翻動一次。

利用微波技術加熱介質材料時，介質材料吸收微波能量轉化為熱能，在微波電磁場每秒鐘千百萬次變化的作用下，待加熱物質中極性分子隨著交變的微波場不斷改變排列方向，克服分子原有的熱運動與分子間相互作用力的干擾和阻礙，產生類似摩擦的效應使物體內部發熱，從而可以在較短的時間內均勻有效地加熱物質，這是微波應用于桑皮脫膠預處理中的理論基礎。用微波處理時，這種特殊的加熱方式使水分子快速地滲透到桑皮纖維的內部，引起桑皮中非纖維類物質迅速溶脹，部分可溶于水的膠質溶解，部分不溶于水的膠質的劇烈振動，減少了桑皮纖維與膠質的粘著力，為后面的生物酶及化學處理打開了通道。

4.機械捶打除雜 經微波處理后的桑皮纖維，膠質干化，其與纖維的粘著力已經大大降低，經過機械捶打，可以極大的減小膠質與纖維的結合程度，便于酶及化學試劑的吸附與滲透。同時部分膠質已脫離纖維，可直接去除。

5.試樣浸酸預處理 硫酸溶液1.5g/L，溫度50～60℃，浴比1：（15～20），處理時間1h。

煮練前的浸酸預處理，采用硫酸可去除一部分果膠和雜質，減輕以后的煮練負擔，提高煮練效率。由于酸在高溫條件下會使纖維素發生水解，所以溫度不能太高（一般不高于60℃）酸的濃度對纖維性能的影響較大，高濃度的酸會引起纖維水解。

6.堿中和 氫氧化鈉溶液2.5g/L，常溫常壓，處理時間0.5h。

對浸酸預處理中殘留在纖維上的酸進行中和，同時為堿性果膠酶的處理提供一個可靠的堿性環境。

7.堿性果膠酶處理 堿性果膠酶主要包括原果膠酶、裂解酶和果膠水解酶，多為液態濃縮型。配制2%～5%的堿性果膠酶溶液，溫度55℃，常壓，pH=9.0，浴比1：20，處理時間3h。

堿性果膠酶能有效分解去除果膠質及其他共生物雜質，是一種比較理想的生物精練和煮練酶，脫膠效率高，可減少堿、酸（中和）和水（清洗）的用量；不損傷纖維，不影響纖維強力，低能耗、低水耗，降低廢水中TDS、COD、BOD指數，減少環境污染，減輕污水處理壓力，降低污水治理費用；同時，作業環境安全，對環境、操作人員及設備無害。

8.（超聲波、微波輔助）堿煮 氫氧化鈉溶液10g/L，在1000mL氫氧化鈉溶液中分別加入30～50g三聚磷酸鈉與30～80g水玻璃，配制成堿煮液，溫度100℃，常壓，浴比1：15，處理時間2～4h。

上述堿煮過程在TXD-2024R型超聲波清洗機中進行，頻率20kHz，功率1kW。利用超聲波的空化效應作用于桑皮的宏觀與微觀結構，從而大大提高桑皮纖維的脫膠效率，并極大地減少堿的濃度、用量及作用時間，從而達到節能、環保、高效的目的。

高溫堿煮的作用主要是去除木質素，在此過程中木質素大分子發生分解，變成能溶于水的小分子物質。另外，酸處理過程中沒有被溶解的果膠在堿煮過程中也一并去除，因此煮練的作用非常重要。由于纖維素在一般情況下對堿穩定，但在強堿高溫條件下也會發生水解。堿的濃度對纖維的各項性能也有較大的影響，濃度過大，纖維脫膠較好，但對纖維損傷嚴重；濃度過小，脫膠不干凈，梳理困難，難以成紗。所以，煮練過程對堿溫度、濃度要嚴格控制。在煮練液中同時加入多聚磷酸鈉、水玻璃等助劑，三聚磷酸鈉是一種煮練助劑，可增強煮練時的去污效果；硅酸鈉具有較強的吸附性能，可以吸附雜質，避免分解后的雜質二次污染纖維；同時也有較強的絡合能力，能軟化硬水，可與煮練液中的多價金屬離子（鈣、鎂、鐵等）生成較穩定的絡合物，從而加速煮練過程的進行，并能穩定和提高脫膠質量，脫膠后的纖維具有強度高、短纖少、分離好、制成率高等優點。

9.水洗 將堿液濾除，用蒸餾水反復浸泡搓洗2～5次，使最終殘液為中性或弱堿性。防止在烘干過程中，殘留的試劑對桑皮纖維素過度處理，損傷纖維。

10.打纖（每次堿煮之后） 打纖又稱為敲麻、拷麻，是煮練后處理的重要工序之一。經過煮練工序后，膠質的絕大部分已被溶解，但還有一部分黏附在纖維上，纖維被粘連在一起不能分離成單纖維。打纖可以利用打擊混合水洗作用，去除纖維上殘留的膠雜質，降低殘膠，并使纖維松散。

11.給油 經脫膠后未經烘干的桑皮纖維還含有少量殘膠，若將其直接干燥，纖維會相互并結變得脆硬。所以脫膠后的桑皮纖維在干燥之前必須進行給油處理。經過工藝優化改進，整個工藝過程耗時大幅減少。制得的桑皮工藝纖維為束狀纖維，呈細條網狀，纖維束長度比單纖維長，白度較好，手感較柔軟。經適當開松處理后，可作紡織材料使用。

12.烘干 經水洗后的桑皮纖維濾除多余水分，自然晾曬2～3天，然后放到烘箱烘干。采用Y802型八籃烘箱，溫度（105±3）℃，常壓，處理時間1h。

在烘干過程中，每隔20min翻動一次。

13.原棉雜質分析機分離纖維束 烘干后桑皮纖維多數還成束狀，通過原棉雜質分析機處理，使得束狀纖維分離為單纖維狀態。