纺织学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (09): 83-89.doi: 10.13475/j.fzxb.20201006608

• 染整与化学品 • 上一篇    下一篇

菠萝叶纤维的超声波辅助化学脱胶工艺

何俊燕1,2, 李明福1,2(), 连文伟1,2, 黄涛1,2, 张劲1,2   

  1. 1.中国热带农业科学院 农业机械研究所, 广东 湛江 524091
    2.中华人民共和国农业农村部 热带作物农业装备重点实验室, 广东 湛江 524091
  • 收稿日期:2020-10-28 修回日期:2021-05-24 出版日期:2021-09-15 发布日期:2021-09-27
  • 通讯作者: 李明福
  • 作者简介:何俊燕(1983—),女,副研究员,硕士。主要研究方向为热带农业废弃物材料化利用。
  • 基金资助:
    中国热带农业科学院基本科研业务费专项资金项目(1630132017008);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(1630062015014);广东省自然科学基金项目(2016A030307001);广东省科技计划项目(2016B090920064)

Ultrasonic-assisted chemical degumming process for making pineapple leaf fiber

HE Junyan1,2, LI Mingfu1,2(), LIAN Wenwei1,2, HUANG Tao1,2, ZHANG Jin1,2   

  1. 1. Agricultural Machinery Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang, Guangdong 524091, China
    2. Key Laboratory of Agricultural Equipment for Tropical Crops, Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the People's Republic of China, Zhanjiang, Guangdong 524091, China
  • Received:2020-10-28 Revised:2021-05-24 Published:2021-09-15 Online:2021-09-27
  • Contact: LI Mingfu

摘要:

为实现菠萝叶纤维的高效脱胶,将超声波清洗技术与化学脱胶技术相结合,采用响应面法对超声波频率、超声波处理时间、超声波处理温度3个因素进行优化,并借助扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪、热分析仪等表征脱胶过程中纤维结构与性能的变化规律。结果表明:菠萝叶纤维超声波辅助化学脱胶的最佳工艺条件为超声波频率53 kHz、超声波处理时间35 min、超声波处理温度53 ℃,在此优化条件下得到的纤维残胶率为13.8%,断裂强度为4.2 cN/dtex,与理论值基本吻合,可满足纺纱要求;各因素对纤维残胶率和断裂强度的影响顺序由大到小为超声波频率、超声波处理时间、超声波处理温度;超声波处理对半纤维素和木质素的去除有促进作用,对纤维素分子链损伤小,对热性能影响也较小。

关键词: 菠萝叶纤维, 响应面法, 超声波, 化学脱胶, 残胶率, 断裂强度

Abstract:

In order to degumming pineapple leaves efficiently, ultrasonic cleaning technology and chemical degumming technology were used in conjuction, and the factors of ultrasonic frequency, ultrasonic treatment time and ultrasonic treatment temperature were optimized by the response surface methodology. The structure and properties of fiber were characterized by scanning electron microscope, fourier infrared spectroscopy and thermal analysis during the degumming process. The results show that the optimal process conditions for the ultrasonic-assisted chemical degumming of pineapple leaf fibers are as follows: ultrasonic frequency of 53 kHz, ultrasonic treatment time of 35 min, and ultrasonic treatment temperature of 53 ℃. Under the optimized conditions, the fiber residual gum rate was 13.8%, and the fiber breaking strength was 4.2 cN/dtex, which is basically consistent with the theoretical value, meeting the spinning requirements. The order of the influence of each factor on the residual gum rate and breaking strength of the fiber is: ultrasonic frequency, ultrasonic treatment time, and ultrasonic treatment temperature. The ultrasonic treatment helps the removal of hemicellulose and ligninon, has little damage to the cellulose molecular chain, and has little effect on thermal performance.

Key words: pineapple leaf fiber, responsive surface methodology, ultrasonic, chemical degumming, residual gum rate, breaking strength

中图分类号: 

  • TS102.1

表1

Box-Behnken的中心组合因素水平"

水平 A
超声波频率/kHz
B
超声波处理时间/min
C
超声波处理温度/℃
-1 35 20 40
0 53 40 60
1 80 60 80

表2

超声波频率对脱胶菠萝叶纤维残胶率和断裂强度的影响"

超声波频率/kHz 残胶率/% 断裂强度/(cN·dtex-1)
对照组 19.83±3.24 5.43±1.21
35 15.21±2.23 3.68±0.65
53 16.32±1.54 4.73±0.45
80 18.59±2.89 5.03±0.73

表3

超声波处理时间对脱胶菠萝叶纤维残胶率和断裂强度的影响"

超声波处理时间/min 残胶率/% 断裂强度/(cN·dtex-1)
对照组 19.83±3.24 5.43±1.21
20 16.21±1.55 5.05±1.03
40 15.32±2.28 4.56±0.57
60 15.59±1.76 3.66±0.73
80 15.62±2.24 3.78±0.42

表4

超声波处理温度对脱胶菠萝叶纤维残胶率和断裂强度的影响"

超声波处理温度/℃ 残胶率/% 断裂强度/(cN·dtex-1)
对照组 19.83±3.24 5.43±1.21
20 18.57±1.93 5.58±0.85
40 16.43±2.04 4.45±0.62
60 13.88±1.13 4.36±1.31
80 14.59±2.19 4.69±0.67

表5

响应面试验设计及结果"

试验号 A B C 残胶率/% 断裂强度/(cN·dtex-1)
1 0 1 1 13.58 3.37
2 0 0 0 12.83 4.35
3 0 0 0 13.09 3.99
4 0 -1 1 15.62 4.82
5 1 0 -1 16.65 4.83
6 -1 1 0 12.38 2.85
7 1 1 0 15.85 3.65
8 0 1 -1 13.89 3.68
9 1 -1 0 17.86 5.18
10 0 0 0 12.67 4.61
11 1 0 1 15.85 4.47
12 0 0 0 12.85 4.06
13 0 -1 -1 16.23 5.07
14 -1 -1 0 13.06 3.23
15 -1 0 1 12.27 3.18
16 -1 0 -1 12.64 3.63
17 0 0 0 12.41 3.88

表6

模型的可信度分析"

响应值 平均值 R2 校正后的R2 变异系数
残胶率 14.10 0.987 2 0.970 7 2.20
断裂强度 4.05 0.939 7 0.862 1 6.46

表7

响应面结果的方差分析表"

响应值 方差来源 平方和 自由度 均方 F P
残胶率 模型 51.87 9 5.76 59.80 <0.000 1
A 31.44 1 31.44 326.25 <0.000 1
B 6.25 1 6.25 64.83 <0.000 1
C 0.55 1 0.55 5.67 0.048 9
AB 0.44 1 0.44 4.59 0.069 4
AC 0.05 1 0.05 0.48 0.510 9
BC 0.02 1 0.02 0.23 0.643 7
A2 2.50 1 2.50 25.90 0.001 4
B2 6.55 1 6.55 67.99 <0.000 1
C2 2.78 1 2.78 28.84 0.001 0
残差 0.67 7 0.10
失拟项 0.42 3 0.14 2.24 0.226 3
纯误差 0.25 4 0.06
总离差 52.54 16
模型 7.46 9 0.83 12.12 0.001 7
断裂强度 A 3.43 1 3.43 50.19 0.000 2
B 2.82 1 2.82 41.25 0.000 4
C 0.23 1 0.23 3.43 0.106 4
AB 0.33 1 0.33 4.84 0.063 8
AC 0.00 1 0.00 0.03 0.868 2
BC 0.00 1 0.00 0.01 0.911 9
A2 0.46 1 0.46 6.67 0.036 4
B2 0.06 1 0.06 0.91 0.372 1
C2 0.13 1 0.13 1.96 0.204 0
残差 0.48 7 0.07
失拟项 0.12 3 0.04 0.47 0.720 5
纯误差 0.35 4 0.09
总离差 7.94 16

图1

超声波频率、超声波处理时间和超声波处理温度两两交互作用对残胶率的影响"

图2

超声波频率、超声波处理时间和超声波处理温度两两交互作用对断裂强度的影响"

图3

菠萝叶纤维的扫描电镜照片(×1 000)"

图4

处理前后菠萝叶纤维的红外光谱"

图5

不同处理方式菠萝叶纤维的TG与DTG曲线"

图6

不同处理方式菠萝叶纤维的DSC曲线"

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