亞麻粗紗生物煮練及其纖維結(jié)構(gòu)和性能演變特征研究.pdf

1、亞麻纖維天然古樸、色彩柔和，具有獨(dú)特的涼爽舒適性，是化學(xué)纖維所不具備，其它天然纖維不可比擬的，被譽(yù)為“植物纖維中的皇后”。亞麻產(chǎn)品具有“綠色保健”的特點(diǎn)，倍受消費(fèi)者青睞，是國(guó)際市場(chǎng)上最受歡迎的紡織品之一。然而亞麻脫膠技術(shù)存在的不足制約了亞麻紡織難以紡高支紗和生產(chǎn)高檔產(chǎn)品。盡管粗紗煮漂工藝有助于紡高支紗，但是工業(yè)上多采用化學(xué)煮練，其產(chǎn)生的環(huán)境污染和對(duì)紗線性能的損傷，使得生物漚麻、生物脫膠以及生物煮漂工藝的工業(yè)化應(yīng)用顯得刻不容緩。
　

2、　但目前有關(guān)亞麻粗紗生物煮練多在中性或偏酸性條件下進(jìn)行，使得其需要聯(lián)合傳統(tǒng)堿煮才能完成煮練任務(wù)。因此，為了減少、甚至不用氫氧化鈉煮練，行業(yè)內(nèi)嘗試將堿性果膠酶用于棉纖維、織物精練和大麻脫膠。針對(duì)亞麻粗紗膠質(zhì)成分及其采用工藝?yán)w維紡紗特性，本文探討了在堿性條件下進(jìn)行生物煮練的可能性。在生物煮練工業(yè)化進(jìn)程中，行業(yè)中多關(guān)注縮短煮練時(shí)間、煮練工藝制定及基于纖維殘膠率、強(qiáng)度、分裂度等指標(biāo)的效果評(píng)價(jià)，對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能演變研究則關(guān)注較少?；诖耍疚暮Y選

3、出含果膠酶和木聚糖酶的纖維單胞菌(Cellulomonassp)DA8菌株，并采用其在堿性條件下處理亞麻粗紗，在探討最優(yōu)煮練工藝同時(shí)，結(jié)合DSC、TGA和TDA熱分析技術(shù)、氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)、X射線小角散射技術(shù)和拉曼光譜分析技術(shù)對(duì)比分析研究了不同煮練后亞麻纖維結(jié)構(gòu)和性能的演變特征。本文的研究結(jié)果如下:
　　(1)篩選出堿性脫膠菌株DA8。經(jīng)形態(tài)、生理生化和16SrDNA序列分析，將其分類鑒定為纖維單胞菌(Cellulomonass

4、p)。酶活測(cè)定表明該菌液同時(shí)具有果膠酶活力和木聚糖酶活力，并在pH為6.5-9.0，50℃以下酶活較穩(wěn)定。DA8菌株在堿性條件下對(duì)亞麻粗紗煮練表明，纖維強(qiáng)力損傷?。ㄏ陆?4.19％）;掃描電子顯微鏡對(duì)比觀察表明，和原紗亞麻纖維以及傳統(tǒng)化學(xué)處理纖維相比，DA8處理后亞麻纖維表面膠質(zhì)去除干凈且表面光滑。以煮練后亞麻粗紗束纖維強(qiáng)度和分裂度為響應(yīng)指標(biāo)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了DA8菌液在堿性條件下的煮練工藝:初始pH為9，溫度為40℃，浴比為1∶15

5、，時(shí)間為12h，搖床轉(zhuǎn)速為200rmp。
　　(2)探討了漂白工序、堿性果膠酶對(duì)DA8細(xì)菌煮練的輔助作用，并與傳統(tǒng)化學(xué)煮練和課題組篩選另一株DA10細(xì)菌和自提粗酶煮練和煮漂中試進(jìn)行對(duì)比研究。研究表明漂白工藝對(duì)細(xì)菌煮練纖維強(qiáng)力損傷大概在1.5-1.9％左右，煮練后不進(jìn)行水洗而直接進(jìn)行一浴漂白和粗紗直接漂白對(duì)纖維強(qiáng)度損傷相對(duì)較大;和原紗試樣相比，無(wú)論是DA8細(xì)菌煮練，還是以氫氧化鈉為主的化學(xué)煮練均會(huì)損傷亞麻纖維強(qiáng)度，但和化學(xué)煮練相比，

6、DA8細(xì)菌煮練中纖維強(qiáng)度損傷較小，且細(xì)菌煮漂后強(qiáng)力總體下降約是化學(xué)煮漂的58.8％;在堿性果膠酶輔助DA8細(xì)菌煮練中，堿性果膠酶與DA8用量比例為15∶135時(shí)，纖維分裂度和強(qiáng)度均達(dá)最高，且JFC、EDTA和Na5P3O10同時(shí)添加有助于進(jìn)一步提高煮練效果;在纖維性能上，自提粗酶→堿煮聯(lián)合煮練較DA10細(xì)菌→堿煮聯(lián)合煮練占一定優(yōu)勢(shì)。
　　(3)對(duì)不同煮漂工序后纖維進(jìn)行熱性能分析的同時(shí)，進(jìn)行了熱解動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)分析。由熱解T

7、GA曲線可知，亞麻粗紗不同煮漂工序后纖維的熱解可分為3個(gè)過(guò)程:初始降解階段、熱解主要階段和殘?jiān)鼰峤怆A段，在第三階段，DA8細(xì)菌煮練及其煮漂工藝處理后纖維又分為炭化階段和二次失重階段，其他試樣則只產(chǎn)生至炭化階段;亞麻粗紗不同煮練后纖維熱解殘留質(zhì)量不同表明生物煮練及其煮漂處理后纖維在熱解過(guò)程中更加容易生成揮發(fā)性物質(zhì)，而不會(huì)繼續(xù)生成焦炭;TGA、DTA和DTG分析表明不同處理后亞麻纖維各個(gè)階段的起始、拐點(diǎn)溫度和終止溫度向高溫側(cè)輕微移動(dòng)，且主反

8、應(yīng)區(qū)間也增加;通過(guò)DSC曲線獲得了不同煮練后纖維相轉(zhuǎn)變溫度，其大小順序?yàn)镾4＞S0＞S1＞S3＞S5＞S2，而經(jīng)工廠傳統(tǒng)化學(xué)堿煮練-漂白纖維DSC曲線變化較平坦，無(wú)法確定其吸熱峰和放熱峰以及相轉(zhuǎn)變溫度;通過(guò)Coats和Redfern法求得第二反應(yīng)階段下活化能E和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明煮練處理后亞麻纖維熱解第二階段均可由一級(jí)反應(yīng)過(guò)程描述，且擬合結(jié)果系數(shù)全部在0.99-1之間;DSC曲線計(jì)算獲得了不同煮練后纖維結(jié)晶度的同時(shí)，通過(guò)Avram

9、i方法計(jì)算獲得了不同煮練后亞麻纖維結(jié)晶動(dòng)力學(xué)基本參數(shù)。
　　(4)采用裂解-氣相色譜質(zhì)譜分析了不同煮漂工序以及不同生物煮練后亞麻纖維的裂解產(chǎn)物特征。分析研究表明，不同煮漂工序后亞麻纖維在10℃/min升溫速率下升溫至570℃時(shí)熱解共包含37種裂解產(chǎn)物，其中共同裂解產(chǎn)物包括二氧化碳、丙烯、環(huán)氧乙烷和呋喃半乳糖酐4種;不同煮漂工序后亞麻纖維的保留時(shí)間在16min前出現(xiàn)明顯色譜峰，之后沒(méi)有出現(xiàn)明顯的特征峰;不同生物煮練后亞麻纖維裂解產(chǎn)物

10、包括二氧化碳小分子化合物、乙醛類化合物、環(huán)氧乙烷和三十二烷雜環(huán)化合物以及吡哺戊糖糖類化合物;中試試樣中自提粗酶煮漂后亞麻纖維的裂解產(chǎn)物增加較多，其中包括二氧化碳小分子化合物;醛、酮、醇、醚、酸和酯類化合物，醛類包括4-戊烯醛、4-戊烯醛;醇類包括環(huán)丁醇、2-己炔-1-醇;酮類包括3，3-二甲基-2-戊酮、羥基丙酮;醚類包括乙基縮水甘油基醚;酸類包括乙酸;雜環(huán)類化合物，2，3-二甲基-環(huán)氧乙烷、順-2,3環(huán)氧丁烷、環(huán)氧丙烷、過(guò)氧化氫戊烷基

11、、過(guò)氧化氫庚基、過(guò)氧化氫二丙基、3，4-戊二烯、1，8-二碘辛烷、過(guò)氧化氫戊烷基;阿拉伯糖糖類化合物。
　　(5)米用X射線小角散射分析研究了不同煮練后亞麻纖維的結(jié)構(gòu)演變特征。不同煮練后亞麻纖維X射線小角散射曲線有一個(gè)明顯的散射峰，散射峰極大值對(duì)應(yīng)的散射矢量q分布在0.6-0.8nm-1之間，其中工廠化學(xué)煮練漂白后纖維散射峰極大值對(duì)應(yīng)的散射矢量最小，周期長(zhǎng)度也最長(zhǎng);亞麻纖維平均周期長(zhǎng)度分布在80-108nm之間，其中直接漂白后粗紗

12、纖維的平均周期長(zhǎng)度最低，說(shuō)明其纖維分離度最差，細(xì)菌煮練后兩種漂白方案處理纖維的平均周期長(zhǎng)度相近，均為87.59nm，而原紗粗紗、化學(xué)煮練粗紗、DA8細(xì)菌煮練粗紗則相近;亞麻纖維的Guinier曲線在小角處呈上凹狀表明煮練后纖維散射體系是密度不均勻體系，不同煮練工序處理后亞麻纖維微原纖形狀不同，工廠化學(xué)漂白和DA8細(xì)菌煮練后微原纖近似于球狀，其他方案處理與原紗纖維相同，其微原纖均為旋轉(zhuǎn)橢球狀或長(zhǎng)棒狀;亞麻粗紗煮練后，其Porod均呈正偏離

13、，亞麻粗紗不同煮練工序處理后纖維微原纖截面層厚度分布在0.59-0.64nm之間，不同生物煮練后亞麻纖維微原纖界面層厚度則分布在0.62-0.70nm之間;除工廠酶漂粗紗纖維散射體具有表面分形結(jié)構(gòu)外，其他處理均具有質(zhì)量分形特征。
　　(6)采用拉曼光譜分析研究了亞麻粗紗不同煮練后纖維結(jié)構(gòu)演變特征。分析表明，亞麻粗紗不同處理后纖維中纖維素的主要特征峰為2897，1121，1098，378cm-1;2897cm-1峰產(chǎn)生于纖維素C-H

14、及CH2的伸縮振動(dòng)。1121cm-1峰歸屬于纖維素C-O-C糖苷鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和C-O-C環(huán)呼吸振動(dòng)，而1098cm-1是纖維素C-O-C糖苷鍵的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰。378cm-1歸屬于纖維素β—D葡萄糖苷鍵。生物煮練后，在漂白工藝中0.3-0.4％濃度的NaOH用量即會(huì)使得亞麻纖維中纖維素結(jié)晶區(qū)由纖維纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ發(fā)生多晶形轉(zhuǎn)變。采用纖維素拉曼峰強(qiáng)度比值R=Ⅰ1120/Ⅰ1098表征不同處理后亞麻纖維分子變化程度，R值越大，表明半