楊銀芝，方凱煬，劉雨晴，劉 拯，2，曹新旺，2

(1.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.湖北省紡織新材料與先進加工技術(shù)省部共建國家重點實驗室，湖北 武漢 430200)

竹筍殼是竹材生長過程中的廢棄物，是一種可降解的天然纖維，竹筍殼大多被就地掩埋或直接作為農(nóng)業(yè)廢棄物焚燒，沒有被很好地利用，造成了相當大的資源損失和環(huán)境問題[1-2]。以竹筍殼為原料提取其中的纖維素可以緩解原料需求緊張的問題，目前已有的脫膠方法主要有物理脫膠[3]、化學(xué)脫膠、生物脫膠等[4-9]，相對于其他方法而言，化學(xué)脫膠法處理更加快速、節(jié)省時間。Zhou等[10]利用芬頓試劑和過氧化氫對亞麻纖維進行脫膠處理，使得脫膠后纖維的品質(zhì)有了很大的提高，但斷裂強力減弱。周曉潔等[11]采用預(yù)浸酸、堿煮等工藝對竹筍殼材料進行脫膠，得出了最佳脫膠方法，但脫膠工藝繁瑣。Cui等[12]使用蒸汽爆破分散纖維，這種方法能有效地去除大部分的非纖維素成分，但對設(shè)備要求較高。

研究采用酸預(yù)處理結(jié)合堿氧-浴法脫膠工藝獲取竹筍殼纖維，并加入一定的脫膠助劑增加原料與試劑的接觸面積加快反應(yīng)速度，結(jié)合紅外光譜儀對提取的竹筍殼纖維的性能進行了研究。

1 實驗

1.1 材料與儀器

研究中使用的原料為武漢紡織大學(xué)纖維園區(qū)成熟自然脫落的竹筍殼、98%硫酸、NaOH、30%H2O2、硅酸鈉、亞硫酸鈉、三聚磷酸鈉等化學(xué)物質(zhì)均為實驗室級(阿拉丁化學(xué)注冊公司，上海，中國)，HH-ZK6恒溫水浴鍋(鞏義市予華儀器有限責任公司)。

1.2 竹筍殼脫膠工藝流程

竹筍殼預(yù)處理→酸預(yù)處理→水洗→堿煮→水洗→酸洗→烘干→竹筍殼纖維。

竹筍殼預(yù)處理：將竹筍殼切成小塊(縱向30 mm，橫截面2 mm×2 mm)，然后用50 ℃的溫水清洗去除表面的雜質(zhì)及絨毛，再將其放在70 ℃的烘箱中至烘干。

酸預(yù)處理：預(yù)處理過的竹筍殼用2 mL·L-1浴比為1∶40的濃硫酸在溫度為60 ℃的水浴鍋中加熱1 h。

水洗：常溫下用清水將竹筍殼洗滌至中性，并將其放入烘箱中70 ℃烘干備用。

堿煮脫膠：在高溫堿性條件下去除竹筍殼中的半纖維素、木質(zhì)素、果膠等非纖維素成分。并添加適量的硅酸鈉、亞硫酸鈉等助劑以加速纖維的膨化，增加其與堿液接觸面積提高脫膠效率。

酸洗：配制2 mL·L-1的硫酸溶液，將脫膠后的竹筍殼在其中浸泡3～5 min，中和殘留的堿液，并且還能夠提高纖維白度。

水洗：常溫用清水洗滌至中性。

烘干：在70 ℃烘箱中進行烘干備用。

1.3 竹筍殼纖維殘膠率

殘膠率分析參考GB 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析法》進行測試。

1.4 紅外測試分析

采用溴化鉀壓片法，用 VERTEX 70型傅里葉變換紅外顯微光譜儀測定纖維含有基團的種類，波數(shù)測試范圍400～4 000 cm-1，推測纖維中含有特征基團的情況對處理前后竹筍殼纖維微觀結(jié)構(gòu)進行分析。

2 結(jié)果和討論

通過大量單因子實驗發(fā)現(xiàn)堿氧浴處理中氫氧化鈉濃度、堿煮時間、溫度及過氧化氫濃度是主要影響因素。在實驗過程中添加適量助劑硅酸鈉、亞硫酸鈉等可以使纖維膨化，增加纖維與溶液的接觸面積，提高反應(yīng)速度。

2.1 氫氧化鈉用量對殘膠率的影響

氫氧化鈉濃度對殘膠率的影響如圖1。根據(jù)孫穎等[13]的脫膠工藝，設(shè)定氫氧化鈉處理時間為2.5 h，過氧化氫濃度為20 mL·L-1，浴比為1∶40，溫度為90 ℃，竹筍殼纖維殘膠率隨氫氧化鈉用量的增加而減少，表明隨著氫氧化鈉用量的增加竹筍殼膠質(zhì)去除率也越高，但在氫氧化鈉濃度為22 g·L-1后殘膠率減少得較緩慢，因此氫氧化鈉適宜用量范圍為20～24 g·L-1。

圖1 氫氧化鈉濃度對竹筍殼殘膠率的影響Fig.1 Effect of sodium hydroxide concentration on residual gum rate of bamboo sheaths

2.2 過氧化氫用量對殘膠率的影響

過氧化氫用量對殘膠率的影響如圖2。設(shè)定過氧化氫處理時間為2.5 h，氫氧化鈉濃度為20 g·L-1，浴比為1∶40，溫度為90 ℃，由圖2知隨著過氧化氫用量的增加竹筍殼殘膠率先減少后增加，過氧化氫適宜用量為25～35 mL·L-1。

圖2 過氧化氫濃度對竹筍殼殘膠率的影響Fig.2 Effect of hydrogen peroxide concentration on residual gum rate of bamboo sheaths

2.3 堿煮時間對殘膠率的影響

竹筍殼纖維的殘膠率隨時間變化如圖3所示。定氫氧化鈉濃度為20 g·L-1，過氧化氫濃度為20 mL·L-1，浴比1∶40，溫度為90 ℃，隨著時間的增加竹筍殼纖維殘膠率先減少后增加，時間過長不僅能耗高，而且對纖維的品質(zhì)有一定的損傷，因此選擇時間段為2～3 h。

圖3 堿煮時間對竹筍殼殘膠率的影響Fig.3 Effect of alkali treatment time on residual gum rate of bamboo sheaths

2.4 堿煮溫度對殘膠率的影響

竹筍殼纖維的殘膠率隨溫度變化如圖4所示。定氫氧化鈉為20 g·L-1，過氧化氫20 mL·L-1，浴比1∶40，時間為2.5 h，由圖5可知殘膠率隨著溫度升高而降低，選擇溫度范圍是90～100 ℃。

圖4 堿煮溫度對竹筍殼殘膠率的影響Fig.4 Effect of alkali treatment temperature on residual gum rate of bamboo sheaths

圖5 竹筍殼纖維的紅外圖譜(a)脫膠前 (b)脫膠后Fig.5 Infrared spectrum of bamboo sheath fiber(a) before degumming (b) after degumming

2.5 殘膠工藝正交試驗

通過大量單因子實驗確定脫膠工藝流程中氫氧化鈉濃度、堿煮時間、溫度及過氧化氫濃度范圍如表1所示。

表1 氫氧化鈉濃度對竹筍殼殘膠率的影響

由表2可知，影響殘膠率考查指標的因素主次順序為C>A>B>D，即脫膠溫度對竹筍殼纖維的提取影響因素最大。正交試驗的最優(yōu)方案為：A3B2C3D3，即堿濃度24 g·L-1、過氧化氫濃度35 mL·L-1、溫度95 ℃、處理時間3 h，按照最優(yōu)工藝處理竹筍殼纖維其殘膠率為15.10%。

表2 竹筍殼纖維殘膠正交試驗設(shè)計表及測試數(shù)據(jù)

2.6 紅外分析

脫膠前后竹筍殼纖維的紅外光譜圖如圖6所示，由圖6知，脫膠前后竹筍殼纖維的紅外峰值基本相同，但脫膠后竹筍纖維較原竹筍殼纖維在1 732 cm-1、1 250 cm-12處的吸收峰消失了，而1 732 cm-1處的吸收峰是因為含有C=O基團，這是半纖維素的特征吸收峰，1 250 cm-1處的吸收峰是C-O伸縮振動，這是木質(zhì)素的特征吸收峰，可以看出經(jīng)酸堿處理后半纖維素和木質(zhì)素已經(jīng)被基本去除了[14-16]。處理后的竹筍殼纖維在3 323 cm-1處的吸收峰加強這是-OH的伸縮振動，由于氫氧化鈉能夠作用于羥基導(dǎo)致部分氫鍵斷裂從而釋放更多-OH出來[17-20]。

3 結(jié)論

采用酸預(yù)處理結(jié)合堿氧脫膠方法對竹筍殼纖維進行脫膠，通過單因素試驗和正交試驗得到優(yōu)化的工藝參數(shù)為：堿煮溫度為95 ℃，堿液質(zhì)量濃度為24 g·L-1，過氧化氫質(zhì)量濃度35 mL·L-1，堿煮時間為3 h。對竹筍殼纖維脫膠的影響因素順序為：脫膠溫度>堿液濃度>過氧化氫濃度>堿煮時間。紅外光譜表征結(jié)果表明經(jīng)過堿氧-浴脫膠處理后竹筍殼纖維中的半纖維素、木質(zhì)素及果膠等非纖維素成分得到了有效地去除。該方法也可應(yīng)用于其它材料。研究所得竹筍殼纖維作為新型環(huán)保纖維，是一種潛在的天然纖維資源，可廣泛應(yīng)用于紡織、復(fù)合材料、醫(yī)療保健等方面，如果開發(fā)利用，將有廣闊的市場。