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，被譽為“植物纖維中的皇后”。亞麻產(chǎn)品具有“綠色保健”的特點，倍受消費者青睞，是國際市場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。針對亞麻粗紗膠質(zhì)成分及其采用工藝纖維紡紗特性，本文探討了在堿性條件下進行生物煮練的可能性。在生物煮練工業(yè)化進程中，行業(yè)中多關(guān)注縮短煮練時間、煮練工藝制定及基于纖維殘膠率、強度、分裂度等指標的效果評價，對纖維結(jié)構(gòu)和性能演變研究則關(guān)注較少。基于此，本文篩選

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，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)。酶活測定表明該菌液同時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亞麻粗紗煮練表明，纖維強力損傷?。ㄏ陆?4.19％）;掃描電子顯微鏡對比觀察表明，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度和分裂度為響應(yīng)指標，通過正交實驗優(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、，時間為12h，搖床轉(zhuǎn)速為200rmp。
　　(2)探討了漂白工序、堿性果膠酶對DA8細菌煮練的輔助作用，并與傳統(tǒng)化學(xué)煮練和課題組篩選另一株DA10細菌和自提粗酶煮練和煮漂中試進行對比研究。研究表明漂白工藝對細菌煮練纖維強力損傷大概在1.5-1.9％左右，煮練后不進行水洗而直接進行一浴漂白和粗紗直接漂白對纖維強度損傷相對較大;和原紗試樣相比，無論是DA8細菌煮練，還是以氫氧化鈉為主的化學(xué)煮練均會損傷亞麻纖維強度，但和化學(xué)煮練相比，

6、DA8細菌煮練中纖維強度損傷較小，且細菌煮漂后強力總體下降約是化學(xué)煮漂的58.8％;在堿性果膠酶輔助DA8細菌煮練中，堿性果膠酶與DA8用量比例為15∶135時，纖維分裂度和強度均達最高，且JFC、EDTA和Na5P3O10同時添加有助于進一步提高煮練效果;在纖維性能上，自提粗酶→堿煮聯(lián)合煮練較DA10細菌→堿煮聯(lián)合煮練占一定優(yōu)勢。
　　(3)對不同煮漂工序后纖維進行熱性能分析的同時，進行了熱解動力學(xué)分析和結(jié)晶動力學(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個過程:初始降解階段、熱解主要階段和殘渣熱解階段，在第三階段，DA8細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程中更加容易生成揮發(fā)性物質(zhì)，而不會繼續(xù)生成焦炭;TGA、DTA和DTG分析表明不同處理后亞麻纖維各個階段的起始、拐點溫度和終止溫度向高溫側(cè)輕微移動，且主反

8、應(yīng)區(qū)間也增加;通過DSC曲線獲得了不同煮練后纖維相轉(zhuǎn)變溫度，其大小順序為S4＞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，無法確定其吸熱峰和放熱峰以及相轉(zhuǎn)變溫度;通過Coats和Redfern法求得第二反應(yīng)階段下活化能E和反應(yīng)動力學(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反應(yīng)過程描述，且擬合結(jié)果系數(shù)全部在0.99-1之間;DSC曲線計算獲得了不同煮練后纖維結(jié)晶度的同時，通過Avram

9、i方法計算獲得了不同煮練后亞麻纖維結(jié)晶動力學(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間在16min前出現(xiàn)明顯色譜峰，之后沒有出現(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、過氧化氫戊烷基

11、、過氧化氫庚基、過氧化氫二丙基、3，4-戊二烯、1，8-二碘辛烷、過氧化氫戊烷基;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明顯的散射峰，散射峰極大值對應(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應(yīng)的散射矢量最小，周期長度也最長;亞麻纖維平均周期長度分布在80-108nm之間，其中直接漂白后粗紗

12、纖維的平均周期長度最低，說明其纖維分離度最差，細菌煮練后兩種漂白方案處理纖維的平均周期長度相近，均為87.59nm，而原紗粗紗、化學(xué)煮練粗紗、DA8細菌煮練粗紗則相近;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。1121cm-1峰歸屬于纖維素C-O-C糖苷鍵的對稱伸縮振動和C-O-C環(huán)呼吸振動，而1098cm-1是纖維素C-O-C糖苷鍵的非對稱伸縮振動峰。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