利用有机溶剂从棉秆中提取纤维素的蒸煮工艺
朱美静1，何建新2 ，远2
( 1．西安工程大学，陕西西安710048; 2．中原工学院纺织学院，河南郑州
脸上有痣450007)
摘要: 机械粉碎至微米级的棉秆粉末经有机酸预处理后，采用乙醇和水的混合( 体积比1∶1)，在碱催化剂的作用下进行蒸煮，分离得到纤维素。研究了蒸煮过程中催化剂的硫化度、乙醇浓度、蒸煮时间及其温度对浆粕的卡伯值、得率、微观
形貌的影响。研究结果表明: 在蒸煮条件为温度150℃，硫化度23% ，时间2 h，浴比1∶10，催化剂用量8% ，助剂的量
1% 时，可以得到最佳的浆粕。
关键词: 棉秆; 有机溶剂; 纤维素; 工艺; 形貌
中图分类号:
T S119
文献标识码: B文章编号: 1001-2044( 2014) 08-0037-03
Study on e xt r a c t i o n cooking p r oc ess of cellulo f r om cotton stalk using o r g an i c so l v e nt
ZHU M e iji n g1，HE J i anx i n2，ＲE N Y uan2
( 1． X i’a n P o l ytechn i c U n i v ers i ty，X i’a n710048，Ch i na)
( 2．Zhongyuan U n i vers i ty of T echn o l o g y Sch o o l of T e x t il es，Zhen g zh o u450007，C h i na)
A bs t r a c t: The cotton sta l k s are mec han i c a l crushed to m i cr o n powder，and pretreatment by u of o r g an i c ac i d and m i x ed w i t h ethan o l and water ( v o l ume rat i o11)．Ｒetorted under the act i o n of alkali cata l y st，they are parated to ce ll u l o s e．T he i nf l uenc e of su l f i d i ty o f
cata l y st，ethan o l c o ncentrat i o n，c o o k i n g durat i o n and temperature on the pu l p k appa
number，y i e l d，m i c r o struct ure m o rph o l o g y are stud i ed．T he res u l t shows that: When the c o o k i n g temperature is 150℃w i th s u l f i d i ty of 23% ，t i me durat i o n for 2h，li qu i d rat i o be i n g10，am o unt o f cat a l yst be i n g 8% and add i t i ve quant i ty be i n g 1% ，the best pu l p can be g o t．
K e y w o r d s: cotton s ta l k; o r ga n i c s o l v e n t s; c e ll u l o s e; p r o c e ss;mo r p h o l og y
再生纤维素纤维具有良好的舒适性，易降解等优势［1］，因而受到人们的欢迎。再生纤维素纤维原料是具有良好反应性的溶解浆粕，主要为棉浆和木浆，但棉浆由于受到耕地面积和产量的限制而不能满足需求，木材因为生长周期长及产量等因素，其生产也受到一定的制约。三亚婚纱照
我国棉花种植面积53． 33 万公顷，棉秆年产量达1530 万吨，资源极其丰富，但其利用率很低，大部分作
为燃料被焚烧或制备低质量的纸浆。近年来，有从棉秆皮中提取棉秆纤维的研究，主要是通过皮与芯分离实现［2］。但由于皮芯分离不易实现产业化，如果可以直接把棉秆粉碎成粉末，从中提取纤维素浆粕，将有重要的经济及环保意义。
棉秆制浆的主要方法有硫酸盐法和烧碱法，该类方法制浆的主要缺点是废液需进行单独处理，同时也给环境带来影响，设备投资及处理费用高。基于上述，一种高效、无污染、可循环的有机溶剂制浆法备受关注。在有机溶剂制浆技术中，一般选择混合溶剂，利用各组分的协同作用，促进其对于植物组织的浸润，达到降解半纤维素和脱除木质素的目的。但是，目前的有机溶剂制浆技术由于采用高温高压条件，给装备设计和工艺控制增加了难度，大量催化剂的加入不仅使制浆条件变得苛刻，溶剂和催化剂回收难度加大，而且严重破坏了木质素的结构，导致副产品的回收利用受到限制，也增加了生产成本。
本研究提出一种有机溶剂制浆的方法，以机械粉碎的棉秆粉末为原料，在碱催化条件下采用乙醇蒸煮的方法制备浆粕，提取纤维素，旨在克服上述问题，期望应用于再生纤维素纤维的生产。
1实验部分
1． 1 材料
棉秆取自河南南阳。主要成分为: 纤维素42．8% ，木质素21% ，半纤维素30．44% 等，将其机械粉碎至微米级粉末。
1． 2 有机酸的预处理
将棉秆去根去叶洗净，经机械粉碎至微米级，取10 g 粉碎的棉秆粉末样品置于配有球形冷凝管的三口烧瓶中，以浴比为1∶6 的比例加入有机酸，在温度为70℃的条件下在恒温水浴锅中搅拌120m i n，过滤得到滤渣。将此滤渣进行洗涤，加入少量的弱碱直至中性。1． 3 乙醇蒸煮处理
经上述过滤后的渣样装于蒸煮锅中，浴比为1∶
收稿日期: 2014－03－25
作者简介: 朱美静( 1989－) ，女，陕西咸阳人，在读硕士研究生，主要从事纺织新材料、新工艺、新技术、新产品的开发与应用研究。
( a) 卡伯值
( b)
得率
( a) 卡伯值
( b) 得率
加入乙醇 － 水的混合溶剂 ( 体积比为 1 ∶1 ) 和 10%
的
催化剂，在 130℃ ～ 160℃ 的高温条件下进行蒸 煮，保 温时间为 0． 5 ～ 2． 5 h ，然后过滤，将滤渣再用乙醇与水 的混合溶剂以浴比 1∶ 10 在高温条件下洗涤两次，过滤 得到滤渣，在烘箱中烘干至恒定质量。 在用碱量一定的情况下，硫化度的升高使 NaOH 用量 相对减少，而蒸煮必须保持一定的碱度，因为 NaOH 是 分裂木素大分子和溶出木素的化学试剂，而 Na 2 S 是催 进脱木素反应进行的化学试剂。随着硫化度增加到一 定程度，NaO H 不能满足脱木素和溶解木素的需要，从 而影响制浆效果。当硫化度为 23% 时，浆粕具有较高 的得率和较低的卡伯值。
1． 4 得率及卡伯值测试
样品经蒸煮后，主要从得率和卡伯值两个方面进 行测试分析。得率通过对称量烘至恒定质量的样品进 行数据处理而得到，卡伯值根据 G B / T 1546—2004 测得。 2． 2 乙醇浓度对卡伯值和得率的影响
利用乙醇作为溶剂的蒸煮过程，乙醇的存在降低 1． 5 浆粕的表征
机动车业务委托书扫描电子显微镜是把待测试样抄成浆片，室温下 了蒸煮液的表面张力，加快了对反应物的浸润渗透过 程，从而使木质素的溶出能力加强。碱性介质中的乙 醇在高温条件下醚键断裂，破坏了木质素的三面
体共 振结构，并增加了溶液的浸润 作 用，从而使木质素溶 解，实现其分离。不同的乙醇浓度下，棉秆蒸煮后的得 率及其卡伯值见图 2。
风干 3 周，剪出约 1 cm 长、2 m m 宽的窄条，喷金后放 于样品台上，然后将样品台置于电镜内观察。红外光 谱分析是将处理前后的样品加入到适量预先在 110℃ 下烘干过的溴化钾中，在干燥的条件下混合均匀后研 磨，在压片机上( 压强为 10 MP a) 压制成直径为 13 m m 的薄片，然后在红外光谱仪上进行测定。
字母d的笔顺2 2． 1 结果与讨论
催化剂中硫化度对卡伯值和得率的影响
乙醇蒸煮过程中使用 Na 2 S 和 NaO H 作为催化剂， Na 2 S 的主要作用是在碱液中加速脱木素，并缓和强碱 对纤维 素 的 破 坏。 硫化度是指碱液中 Na 2 S 含 量 占 NaO H 和 Na 2 S 含量的百分比( 以 Na 2 O 计) ，Na 2 S 的用 量影响硫化度，其对卡伯值和得率的影响见图 1。
图 2 乙醇浓度对卡伯值和得率的影响
当乙醇用量从 20% 增加到 50% 时，卡伯值迅速降 低，得率也逐渐降低; 但当乙醇的用量超过 50% 时，卡 伯值基本趋于稳定，而得率继续降低。因而当达到此 临界值时，增加乙醇的浓度基本不溶解
木素，反而造成 碳水化合物的降解。
2． 3 温度、时间对卡伯值和得率的影响
蒸煮过程中温度对卡伯值和得率 的 影 响 见 图 3。
随蒸煮温度的增 加，卡伯值迅速降低，达 到 150℃ 时， 逐渐趋缓，而得率随温度的升高持续降低。这是由于 温度的升高使得催化剂与木素的反应活性增加，并提 高了乙醇的渗透性，从而加速木质素的脱除，但过高的 温度会使碳水化合物水解加剧，从而使得率降低。
图 1 硫化度对卡伯值和得率的影响
随着催化剂中硫化度的增加，棉秆乙醇制浆得率 增加，当硫化度达到 23% 时，得率趋于稳定，而随硫化 度的增加，卡伯值迅速降低，最后基本稳定。这是由于
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工艺研究
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( a) 卡伯值( b) 得率
( a) 卡伯值( b) 得率
质素的溶出，其表面较为光滑，存在明显的沟槽，并且木素颗粒减少，见图5。
图3 温度对卡伯值和得率的影响
对于用碱量相对较少的乙醇制浆，其碱性相对较
弱，蒸煮液作用也比较缓和，故需要较长的保温时间。升温和延长保温时间有利于木素的溶出，但同时碳水化合物的降解和溶出也有所增加。图 4 为不同保温时间下的得率和卡伯值。
图5 形貌电镜照片
蒸煮前后的红外图谱如图 6 所示，图中 a 为酸处理过后的棉秆粉末FT －IＲ图谱; b 为蒸煮后的棉秆粉末FT －IＲ图谱。
图6 红外光谱图
在1472 cm －1 处可以观察到归属于 C －H 对称伸缩振动的吸收峰，1513cm －1 处归属于木质素苯环 C = C伸缩振动的吸收峰，1720c m－1归属于半纤维素中羰基C = O 的特征吸收峰，蒸煮前吸收峰均比较明显，在蒸煮后，其1472 cm －1 、1513c m －1 、1720 cm －1 处吸收峰肩峰都有不同程度的减弱。这是由于半纤维素和木质素含量有不同程度的减少，但其吸收峰并没有完全消失，因为木质素未完全被去除，需加漂白工序进一步降低。
图4 时间对卡伯值和得率的影响
保温时间延长，卡伯值及其得率都迅速下降，当保温时间超过 2 h 时，卡伯值基本保持不变，得率逐渐减小。卡伯值趋于平缓表明 2 h 后木素基本不溶出，得率的下降则意味着过长的保温时间造成了碳水化合物
的降解。
2． 4 蒸煮前后结构的对比分析
棉秆粉末经有机酸预处理后，在纤维表面可以观察到大量的木素颗粒沉积。在经乙醇蒸煮后，由于木3结语
采用粉碎至微米级的棉秆粉末，经有机酸预处理，在碱催化剂的作用下蒸煮，用有机溶剂体系将木素脱
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芯纱具有较低的伸长和断裂强度，随着喇叭转速
的增加，纳米纤维包芯纱捻回角增加，捻度增加，力学
3 结 语
月经期间同房会怀孕吗
用多针头静电纺丝装置制备纳米纤维包芯纱，实 验结果表明: 纳米纤维在芯纱表面包覆均匀，无露芯现 象，且包覆在芯纱表面的纤维有较好的取向和均匀的 捻回分布。包覆 PVDF 纳米纤维后，纱线由亲水变为 疏水。此外，随着喇叭转速的增加，纳米纤维包芯纱的 断裂强度和断裂伸长率显著提高。利用这种方法制备 的纳米纤维包芯纱可包覆一种或几种纳米纤维，并应 用于制备功能性纺织品。
参考文献:
性能 明 显 增 加。 当 喇 叭 转 速 从 100 增 加 到 r / m i n 200 r / m i n ，断裂强度从 28． 67 Mpa 增加到 68． 89 Mpa ， 断裂伸长率从 17． 25% 增加到 26． 51% 。
粘胶本身有很好的亲水性，见图 7( a) 。当粘胶芯 纱表面包覆 PVDF 纳米纤维后，接触角达到 150°，纱线 从亲水性变为疏水性，见图 7 ( b) 、( c) 。这 种 纳 米 纤 维包芯纱在制备疏水性好的自清洁织物上有较好的应 用前景。
［1］ 钟智丽，王训该． 纳米纤维的 应 用 前 景［
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胡平，张 璐，方 壮 熙，等． 电 纺 丝 及 其 在 生 物 医 用 材 料 中 的 应 用
［2］ ［3］ 图 7 液体在纱线表面的亲水现象
檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨 ( 上接第 39 页)
除并溶解出来，分离得到纤维素。通过改变反应参数， 发现不同的脱木素条件对其效率有显著影响。研究结 果表明:
( 1) 催化剂中随硫化度增 加，棉秆乙醇制浆得率 增加，卡伯值降低，当硫化度达到 23% 时，得率和卡伯 值均趋于稳定。
( 2) 随着乙醇浓度的增加，卡伯值迅速降低，得率 也逐渐降低，但当乙醇的用量超 过 50% 时，卡 伯 值 趋 于稳定，而得率继续降低。
( 3) 随蒸煮温度的增加，卡伯值迅速降低，达 到 150℃ 时，逐渐趋缓，而得率随温度的升高一直持续降低。
( 4) 保温时间延长，卡伯值及其得率都迅速下降， 当保温时间超过 2 h 时，卡伯值基本保持不变，得率逐 渐减小。
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［2］ 檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨 ( 上接第 46 页)
纤维的纬纱交织的方法开发了新型医用敷料。研究结 果表明:
商标英语
( 1) 机织物经、纬向拉伸断裂强力均随着织物纬 密增加而增大，且纬向拉伸断裂强力增幅较大。
( 2) 在织物经密一定的条 件 下，随着织物纬密增 加，织物纬向回复能力增强，且蓬松、柔软性提高。织 物透气率稍有下降，液体吸收性增强。医用敷料机织 物 C 的综合性能最佳。
( 3) 由于竹浆纤维抗菌性 能、强度和断裂伸长以 及吸湿性、柔软性等均优于棉纤维，故以竹浆纤维为经 纱，可使得织物医用敷料在抗菌抑菌、吸湿、透气等方
面均好于使用棉经纱的交织医用敷料。
本研究为进一步改善含甲壳素纤维机织医用敷料 的综合性能提供了思路。
参考文献:
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标准与测试
V ol ． 42 N o ．8，2014
