第三節　竹纖維的化學制取方法

物理法使竹材初步成纖，宏觀裂紋使竹纖維與膠質脫粘分離、而細觀裂紋也已初步產生，但由于物理法無法使膠質脫除干凈，因此必須配合化學脫膠方法對竹材上的膠質進行分離。

一、研究對象與方法

實驗材料同前，經第二節物理法處理后的竹材作為本節的實驗材料。

1.化學處理方法

目前，國內外麻的化學脫膠發展趨勢是快速、高效、短流程和連續化，為了縮短工藝流程、加速脫膠工序進程以及節省能源，方法之一是取消傳統的浸酸、高溫高壓煮練等工藝，其作用由堿煮工序增加功能作用來代替，即在堿液中添加有效的脫膠助劑，為加速膠質的溶出速度和效率創造條件。借鑒麻脫膠的研究基礎，本節對竹纖維的化學脫膠工藝進行了設計，其宗旨是短工序、低能耗、低污染、低成本。本節的化學處理采用有效的脫膠助劑并進行復配，不采取傳統的浸酸工序，煮練也在常壓沸煮的條件下進行。本章中所制取的是生竹纖維，在后道工序中再對竹纖維做進一步的精細化處理。如漂白、多道煮練等。

實驗方法：采用化學脫膠法，即利用竹材中的纖維素和膠質成分對堿液穩定性的不同，在不損傷或盡量少損傷纖維原有機械性能的原則下，去除其中的膠質成分。在此采用正交實驗方法進行實驗設計，利用正交表安排實驗方案。

化學處理用藥品：氫氧化鈉，亞硫酸鈉，焦磷酸四鈉，表面活性劑ZF。

2.竹纖維性能指標的測試方法

經化學脫膠后，將竹纖維的細度、強度及殘膠率等指標作為竹纖維制取成功的主要評判依據進行測試，這些指標決定了纖維的可紡性和應用價值。普通的化學脫膠主要脫除半纖維素為主的膠質，木質素脫除效果往往不好，故在此以殘膠率而不是剩余木質素含量為指標進行工藝效果的評定。

（1）纖維細度。參照國標GB 6100—85，采用中段切斷稱重法測試。

儀器：中段切斷器（Y171型），寧波紡織儀器廠；電子分析天平（AR2140型），奧豪斯國際貿易有限公司；電腦式恒溫恒濕箱（YG751B型），寧波紡織儀器廠。

測試條件：纖維在溫度（20±3）℃，相對濕度為（65±5）%的環境下調濕24h。

纖維細度計算：Tt= 1000m /（L×N）

式中：Tt為線密度（tex）； m為中段纖維質量（mg）；N為纖維根數（＞300根）；L為切斷纖維長度（20mm）。

（2）纖維殘膠率。參照國標GB 5889—86苧麻殘膠率測試方法進行測試。

儀器：八籃恒溫烘箱（Y802L型），萊州電子儀器有限公司；電子分析天平（AR2140型），奧豪斯國際貿易有限公司；恒溫水浴鍋（HH·S21-8型），上海樹立儀器儀表有限公司。

測試條件：NaOH溶液濃度20g/L，沸煮時間3h，烘干溫度105～110℃（直至恒重）。

殘膠率計算：W c =（G0-G1）/ G0×100

式中：Wc為試樣殘膠率（%）；G0為試樣提取殘膠前的干重（g）；G1為試樣提取殘膠后的干重（g）。

（3）纖維斷裂強度。參照國標GB 5886—86苧麻單纖維斷裂強力試驗方法進行測試。

儀器：單纖維強力儀（LLY-06C/PC型），萊州電子儀器有限公司；電腦式恒溫恒濕箱（YG751B型），寧波紡織儀器廠。

測試條件：預加張力0.05cN/dtex，夾持距離20mm，下夾頭下降速度20mm/min；

試樣在溫度（20±3）℃，相對濕度為（65±5）%的環境下調濕24h。

測試指標：斷裂強度（cN/dtex）。

纖維制成率在此僅作為參照指標，非限定性指標，故未列出。

二、竹纖維制取用助劑的選擇與復配

1.竹纖維制取用助劑的選擇

在化學脫膠的過程中，若只用燒堿溶液（不含其他化學助劑）作用于竹材，由于燒堿溶液對竹材的界面張力大于水對竹材的界面張力，會導致脫膠速度慢、脫膠時間長，甚至消耗更多的燒堿。隨著人們對麻化學脫膠工藝的改進研究，特別是20世紀70年代末到80年代初，湖南株洲苧麻紡織廠、武漢市紡織科學研究所等單位先后選用磷酸鹽類助劑，成功實現了以磷酸三鈉和亞硫酸鈉、三聚磷酸鈉、焦磷酸四鈉和亞硫酸鈉三種為代表的無機助劑化學快速脫膠工藝。該工藝大大縮短了堿煮時間，提高了工效和脫膠效率，因此很快在全國范圍內得到了應用和推廣。

亞硫酸鈉具有還原作用，能奪取其他物質中的氧，防止這些物質在高溫和強堿性介質中對纖維的損傷，尤其在堿煮過程中，亞硫酸鈉能使木質素變成木質素磺酸鹽而易溶于堿液中。

磷酸三鈉有溶解果膠、蠟脂質的作用，同時具有滲透、乳化和很強的分散性能。分散性能的產生，使它對多價金屬離子有較強的絡合能力，可促使膠質分解、溶出。此外，磷酸三鈉本身對膠質有吸附能力，使膠質不斷與煮練液作用，而又不斷地分散在煮練液中。

三聚磷酸鈉是一種多電荷并具有膠束結構的電解質，正是這個原因，煮練一開始就大大增加了膠質上的負電勢，加快了鈉離子對膠質作用的反應速度，使果膠、木質素、半纖維素膠質分散成微小的膠溶粒子而懸浮于堿液中，同時由于它的高勢壘可以阻止、延緩溶解了的膠質重新吸附到竹材表面的現象，這是三聚磷酸鈉優于磷酸三鈉的一個重要原因。且它也是一種很強的螯合劑。

焦磷酸四鈉具備三聚磷酸鈉所有的優點，并且更優于三聚磷酸鈉的是，它在高溫、高濃度堿液條件下的水解性小，有利于保持和發揮效能，故能以較小的用量達到較好的快速脫膠效果，很好地適應了實際生產條件。

除上述無機化學助劑外，表面活性劑也是一種應用較多的脫膠助劑，它可以大大降低液面的表面張力，提高反應的活化能。若將表面活性劑與幾種無機化學助劑復配，將會綜合低表面張力、高滲透效果、擴散和多價電荷膠束的強電解質等多方面優勢，而發揮出較佳的快速脫膠效果。

根據以上分析，最終選定焦磷酸四鈉和亞硫酸鈉兩種無機化學試劑，并選用紡織印染助劑公司提供的表面活性劑（ZF），利用正交實驗方法進行實驗設計，確定這三種助劑的最佳用量并按比例進行復配。

2.竹纖維制取用助劑的正交實驗設計

由于竹材結構緊密，而且其中的半纖維素、木質素等膠質含量遠遠大于常規麻的膠質含量，因此三種脫膠助劑（亞硫酸鈉、焦磷酸四鈉、表面活性劑ZF）的最大用量范圍都比麻脫膠用量增加一倍。為了確定它們的最佳值，選擇L9（34）正交表進行實驗設計（表3-8）。另外，助劑用量單位均為對竹材重（%），堿煮NaOH濃度為10g/L，堿煮時間為1h。

表3-8　脫膠用助劑正交實驗設計方案

3.竹纖維制取用助劑的正交實驗結果與分析

表3-9是竹纖維制取用助劑的正交實驗結果，表3-10是各測試指標的直觀分析結果。其中，K表示各個水平的均值，R表示極差。

表3-9　脫膠用助劑正交實驗結果

表3-10　脫膠用助劑正交實驗直觀分析結果

首先利用表3-10確定各助劑的最佳用量。對于纖維細度來說，該指標越小越好，最佳方案為A2B2C3；對于纖維強度來說，該指標越大越好，最佳方案為A3B2C3；對于纖維殘膠率來說，該指標越小越好，最佳方案為A3B2C2。綜合得出三種助劑的最優用量方案是A3B2C3，即亞硫酸鈉6%，焦磷酸四鈉3%，表面活性劑（ZF）6%。這種組合方案沒有安排在表3-9的九個實驗中，按照最優方案重新制取竹纖維，得到纖維性能指標列于表 3-11。

表3-11　助劑最優方案下的纖維性能指標

表3-11中各項纖維性能指標相對較優，因此竹纖維制取用助劑的最優方案為：A3B2C3。并在此基礎上，按照亞硫酸鈉：焦磷酸四鈉：表面活性劑（ZF）=2:1：2的比例將三種助劑復配成一種新的助劑，稱為復合助劑。

方差分析表明，對于脫膠效果來說，三種助劑的作用大小各不相同，基本趨勢是：表面活性劑（ZF）＞焦磷酸四鈉≥亞硫酸鈉。但就助劑作用的顯著性來說，只有表面活性劑（ZF）對纖維細度的影響作用顯著，其他二者的作用都不明顯；而對于纖維強度和殘膠率來說，三者均沒有顯著作用。這可能是由于單純靠脫膠助劑的作用還不夠強，還需要與堿濃度、堿煮時間等工藝條件相結合才能發揮出最佳效果。需要進一步研究竹纖維化學制取工藝。

三、竹纖維化學制取工藝的研究

在竹纖維化學制取工藝中，氫氧化鈉濃度、堿煮時間及復合助劑的用量對脫膠效果產生很大影響，需要進行單因素影響分析，通過對所制取纖維性能指標（纖維細度、纖維強度、殘膠率）的測試，根據各個因素的變化范圍進行正交實驗設計，優化工藝參數，得到竹纖維制取的最佳化學工藝條件。

1.竹纖維化學制取工藝參數的單因素分析

（1）堿濃度對脫膠效果的影響。氫氧化鈉是堿煮過程中的主要化工原料，其用量大小不僅影響脫膠的質量，也影響化工原料的消耗和成本。用量過少，脫膠程度不足；反之，用量過多，既浪費了化工原料，還會導致脫膠過頭，形成竹單根纖維，無法進行紡紗。因此，氫氧化鈉的用量非常重要。在復合助劑用量為10%（對竹材重），堿煮時間為90min的條件下，改變NaOH的濃度，進行一系列實驗，實驗結果見圖3-7。

從圖3-7中可以看出，隨著堿濃度的增加，纖維的細度、強度和殘膠率都呈下降趨勢。這是由于在相同助劑用量及堿煮時間的條件下，NaOH濃度越高，便有更多的Na+離子進入竹材內部與膠質進行反應，這樣，纖維與膠質的分離程度也更大，因此纖維變細、殘膠率下降，但與此同時，也有更多的Na+離子進入竹材內部破壞纖維細胞間質的連接，同時也對纖維造成一定損傷，因而纖維強度有所降低。

當NaOH濃度增加到16g/L時，纖維細度、殘膠率值基本達到穩定，而纖維強度仍在下降。事實上，在14g/L時，各項指標變化速率顯著減慢，即使再增加NaOH濃度到20g/L，纖維細度、殘膠率也沒有太大改善，反而使纖維強度進一步下降，說明此殘留在竹纖維上的膠質很難在堿作用下去除。因而再增加NaOH濃度無法起到應有的作用，故選擇NaOH濃度范圍為11～15g/L。

（2）堿煮時間對脫膠效果的影響。堿煮時間是煮練過程的重要工藝參數之一。在NaOH濃度為14g/L，復合助劑用量為10%的條件下，研究堿煮時間對脫膠效果的影響，實驗結果見圖3-8。

從圖3-8中可以看出，隨著堿煮時間的延長，纖維強度呈下降趨勢，纖維的細度和殘膠率先下降，而后隨著時間的延長（120min后）有所上升；而且堿煮時間到90min后，下降的趨勢較平緩。這是因為，一方面，隨著時間的增加，溶液中的堿濃度在不斷減小，反應的速度逐漸變慢。堿煮時間從30min延長到60min時，纖維細度、強度、殘膠率的下降幅度都較大，時間從60min再延長到90min時，下降速度減慢；另一方面，隨著堿煮時間的延長，竹材表面開始形成多糖高分子物凝膠，即溶解了的膠質又重新吸附在竹材表面，阻止了Na+離子及復合助劑離子對膠質的進一步反應，因此脫膠程度開始穩定，以至于時間再延長到120min，重新吸附的膠質使竹纖維的細度和殘膠率又有所回升。但是纖維強度則不同，時間越長，只會使纖維表面受到的損傷越大，降低強度。因而選擇堿煮時間范圍為60～100min。

（3）復合助劑用量對脫膠效果的影響。將上述三種助劑按一定比例復配形成復合助劑。在NaOH濃度為14g/L，堿煮時間為90min的條件下，摸索該復合助劑用量對脫膠效果的影響，實驗結果見圖3-9。

從圖3-9中可以看出，隨著復合助劑用量的增加，纖維的細度、強度和殘膠率都呈下降趨勢。該復合助劑具有低表面張力、高滲透效果、多價電荷膠束的強電解質和高勢壘等多方面特點。復合助劑用量越多，越有利于Na+離子與膠質進行反應。另外，由于它的高勢壘作用，可以阻止、延緩溶解了的膠質重新吸附到竹材表面，加快了脫膠的進行，同時也使更多Na+離子進入竹材內部。因而，復合助劑用量增加后，纖維得到細化，殘膠率有所下降，當然也由于更多Na+離子的作用造成纖維一定的損傷。

當復合助劑用量由10%增加到12%時，纖維的細度趨于穩定，這是因為余下的膠質是難以溶解的抗堿性物質，由于Na+離子進入竹材內部，也會造成纖維強度的下降，但對纖維細度的改善不大。因而，確定復合助劑的用量范圍為6%～10%。

2.竹纖維化學制取工藝的正交實驗設計

通過對堿煮過程中NaOH濃度、堿煮時間及復合助劑用量的單因素影響分析，確定了三個因素的工藝參數范圍。為了最終得到它們的最佳值，選擇L9（34）正交表進行實驗設計（表3-12）。

表3-12　竹纖維化學制取工藝的正交實驗設計

3.竹纖維化學制取工藝的正交實驗結果與分析

竹纖維化學制取工藝的正交實驗結果見表3-13，分析結果見表3-14。

表3-13　竹纖維化學制取工藝的正交實驗結果

表3-14　竹纖維化學制取工藝的正交實驗直觀分析結果

通過該正交實驗，可以確定竹纖維制取的最優工藝條件。首先分析在不同測試指標下的最佳方案，列于表3-15中。

表3-15　不同測試指標下的最佳方案

從表3-14可以看出：堿濃度和復合助劑用量從1水平到3水平，纖維細度越來越細，殘膠率越來越低，纖維強度也越來越低，這與前面的單因素分析結果是一致的。但纖維強度的下降幅度并不大，可以滿足加工與服用要求。因此，通過表3-15，可以得出堿濃度和復合助劑用量的最佳水平為3水平。對于時間因素的各水平來說，一方面時間對纖維各指標的影響較小，另一方面纖維細度作為本工藝的重要測試指標，也為了節約能耗，選擇堿煮時間為2水平。因此，綜合得出竹纖維制取工藝的優化方案為A3B2C3：即NaOH濃度為15g/L，堿煮時間為80min，復合助劑用量為10%。該組合方案沒有安排在表3-13的九個實驗中，按照優化方案重新制取竹纖維，得到纖維性能指標如表3-16。

表3-16　竹纖維制取工藝優化方案下的纖維性能指標

另外，通過方差分析可以得出不同工藝條件對于脫膠效果的作用大小，其基本趨勢是：NaOH濃度＞復合助劑用量＞堿煮時間。就作用的顯著性來說，NaOH濃度和復合助劑用量對纖維細度分別有很顯著和顯著的影響，而對于纖維強度和殘膠率來說，三者均沒有顯著影響。分析其原因，對纖維強度來說，由于所制取的竹工藝纖維細度相對較粗，本實驗中堿用量并不大，雖然堿處理會在一定程度上破壞纖維間的結合，但對纖維強度影響較??；對殘膠率來說，主要是因為竹材中含有部分抗堿性的頑固膠質，經堿處理到一定程度后，其殘膠率基本達到穩定。

綜上所述，通過對竹纖維制取工藝的單因素實驗及正交實驗，得到毛竹纖維的最佳細度為4.15tex，殘膠率為14.16%，纖維強度為3.13 cN/dtex。同時利用相同工藝處理慈竹，得到慈竹纖維細度3.71tex，殘膠率13.15%，纖維強度3.23 cN/dtex。

盡管通過物理化學制取工藝獲得的竹纖維還較粗，殘膠率還很高，但其纖維已初步具備紡織用纖維的雛形，因此，物理化學聯合的制取工藝是可行的。當然，從纖維可紡性來說還存在一定的差距，尤其是頑固性膠質的存在，很難僅僅通過煮練方式使纖維的細度和殘膠率得到顯著改善，有待于選擇更有效的木質素脫除手段做進一步研究。