Microsoft Word - _ _ghf 徐树英出二校-英文已粘.doc

Transcription

1 第 31 卷 第 13 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul 香 蕉 茎 秆 纤 维 化 学 脱 胶 工 艺 及 脱 胶 纤 维 性 能 徐 树 英 1,2, 谭 蔚 1, 张 玉 苍 (1. 天 津 大 学 化 工 学 院, 天 津 ; 2. 海 南 大 学 材 料 与 化 工 学 院, 海 口 ) 2 摘 要 : 为 了 将 废 弃 的 香 蕉 茎 秆 制 备 纤 维 的 工 艺 运 用 到 纺 织 领 域, 采 用 化 学 法 脱 胶 工 艺 提 取 香 蕉 茎 秆 纤 维 研 究 预 酸, 预 氧 及 碱 液 煮 炼 工 艺 条 件 对 香 蕉 茎 秆 纤 维 脱 胶 率 和 残 余 木 质 素 率 的 影 响, 确 定 较 佳 的 脱 胶 工 艺 采 用 傅 立 叶 红 外 光 谱 (fourier transformed infrared spectroscopy,ftir) X 射 线 衍 射 (X-ray diffraction,xrd) 和 扫 描 电 镜 (scanning electron microscopy,sem) 分 析 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 理 化 特 性 ; 并 对 其 力 学 性 能 进 行 测 试 与 分 析 结 果 表 明 : 预 酸 采 用 H 2 SO 4 质 量 浓 度 2 g/l, 浴 比 1 20, 水 浴 温 度 55, 时 间 2 h; 预 氧 处 理 工 艺 采 用 H 2 O 2 质 量 浓 度 7 g/l; 助 剂 Na 2 SiO 3 质 量 分 数 3%, 多 聚 磷 酸 钠 质 量 分 数 2%; 温 度 95,pH 值 11, 浴 比 1 20, 时 间 1.5 h, 升 温 时 间 35~40 min; 碱 液 煮 炼 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 9 g/l, 常 压 0.1 MPa 煮 沸, 温 度 100, 时 间 3 h, 浴 比 1 20; 酸 洗 用 H 2 SO 4 体 积 分 数 0.1%, 温 度 28, 时 间 5 min 在 此 条 件 下, 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 脱 胶 率 为 68%, 残 余 木 质 素 率 为 8.21% FTIR 结 果 表 明 对 比 香 蕉 茎 秆 粗 纤 维, 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 去 除 了 大 部 分 的 半 纤 维 素 和 木 质 素, 相 对 结 晶 度 为 60%; 断 裂 截 面 的 SEM 图 表 明 化 学 法 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 呈 现 脆 性 - 塑 形 复 合 型 断 裂 形 式, 直 径 范 围 在 mm 左 右 力 学 性 能 测 试 结 果 表 明 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 拉 伸 强 度, 杨 氏 模 量 和 断 裂 伸 长 率 分 别 是 MPa,18.34 GPa 和 1.70% 结 果 表 明 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 在 纺 织 工 业 具 有 一 定 的 应 用 前 景 关 键 词 : 纤 维 ; 脱 胶 ; 傅 里 叶 光 谱 ; 残 胶 率 ; 残 余 木 质 素 率 ; 力 学 性 能 doi: /j.issn 中 图 分 类 号 :TQ35 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 : (2015) 徐 树 英, 谭 蔚, 张 玉 苍. 香 蕉 茎 秆 纤 维 化 学 脱 胶 工 艺 及 脱 胶 纤 维 性 能 [J]. 农 业 工 程 学 报,2015,31(13): doi: /j.issn Xu Shuying, Tan Wei, Zhang Yucang. Process of degumming by chemical for banana pseudostem fibers and characterization of degummed fibers[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(13): (in Chinese with English abstract) doi: /j.issn 引 言 随 着 世 界 范 围 内 能 源 和 资 源 的 日 益 紧 缺, 天 然 植 物 纤 维 作 为 合 成 纤 维 的 替 代 物 引 起 人 们 的 重 视 和 广 泛 关 注 [1-3] 天 然 植 物 纤 维 有 许 多 优 点, 比 如 来 源 丰 富, 环 境 友 好, 可 生 物 降 解, 密 度 小 和 低 成 本 香 蕉 茎 秆 纤 维 属 于 叶 脉 纤 维, 具 有 天 然 的 抗 菌 性 能 优 良 的 吸 湿 散 热 性 能, 迎 合 了 人 们 追 求 天 然 保 健 的 要 求 [4] 香 蕉 茎 秆 纤 维 应 用 领 域 比 较 广, 近 年 来 国 内 外 相 关 研 究 逐 年 增 加, 尤 其 在 非 织 造 材 料 复 合 材 料 中 的 应 用 研 究 日 益 广 泛, 可 纺 香 蕉 茎 秆 纤 维 是 目 前 研 究 的 热 点 和 难 点 [5] 2012 年 中 国 香 蕉 产 量 排 在 世 界 总 产 量 的 前 三 名, 香 蕉 产 业 已 成 为 中 国 热 带 地 区 农 业 支 柱 性 产 业 [6] 海 南 省 每 年 的 废 弃 香 蕉 茎 叶 干 物 质 总 量 约 42 万 t, 资 源 量 巨 大 [7] 虽 然 人 们 对 香 蕉 收 稿 日 期 : 修 订 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( ); 高 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 ( 博 导 类 )( ); 海 南 省 国 际 合 作 项 目 (KJHZ ); 海 南 省 产 学 研 一 体 化 项 目 (CXY ); 海 南 大 学 服 务 地 方 经 济 项 目 (HDSF201311) 作 者 简 介 : 徐 树 英, 女, 广 东 澄 海 人, 博 士 生, 主 要 从 事 生 物 质 资 源 开 发 与 利 用 研 究 天 津 天 津 大 学 化 工 学 院, xushuying1980@163.com 通 信 作 者 : 张 玉 苍, 男, 内 蒙 古 包 头 人, 博 士, 博 士 生 导 师, 主 要 从 事 生 物 质 资 源 开 发 利 用 研 究 海 口 海 南 大 学 材 料 与 化 工 学 院, zhangyucang88@163.com 废 弃 茎 叶 的 利 用 做 了 大 量 研 究, 但 是 由 于 技 术 水 平 不 高, 利 用 途 径 单 一 等 原 因, 大 量 的 香 蕉 茎 叶 资 源 无 法 得 以 有 效 利 用, 而 且 由 于 废 弃 腐 烂, 对 环 境 造 成 严 重 污 染 如 果 能 开 发 利 用 好 它 们, 将 香 蕉 茎 秆 变 废 为 宝, 既 有 效 解 决 了 香 蕉 种 植 地 环 境 污 染 问 题, 又 可 以 提 供 物 美 价 廉 的 天 然 纤 维 [8-9] 目 前, 国 内 企 业 对 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 开 发 与 利 用 还 不 成 熟 天 然 植 物 纤 维 脱 胶 方 法 主 要 有 化 学 法, 生 物 法, 机 械 法 等 [9-11] 机 械 法 对 环 境 友 好, 但 因 人 工 投 入 过 大 不 被 蕉 农 所 接 受 生 物 法 采 用 生 物 酶 或 者 微 生 物 来 分 解 胶 质, 但 脱 胶 时 间 长, 脱 胶 率 低, 且 生 物 酶 或 微 生 物 选 择 性 强, 成 本 高, 严 重 制 约 其 发 展 [12] 化 学 脱 胶 方 法 已 经 大 规 模 应 用 于 工 业 中, 脱 胶 效 率 高, 获 得 的 纤 维 性 能 良 好 由 于 香 蕉 茎 秆 的 化 学 成 分 中 半 纤 维 素 和 木 质 素 含 量 很 高, 且 单 纤 维 较 短 (2.0~3.8 mm), 宽 度 较 细 (11~ 34 μm) [13], 采 用 机 械 法 和 生 物 法 脱 胶 难 度 较 大, 提 取 的 纤 维 由 于 含 有 大 量 胶 质 成 分 如 果 胶 半 纤 维 素 木 质 素 不 成 熟 纤 维 素 等, 存 在 粗 短 硬 脆 等 问 题, 只 能 用 于 窗 帘 坐 垫 和 凉 席 等 低 附 加 值 产 品 将 粗 短 硬 脆 香 蕉 茎 秆 纤 维 转 化 成 细 长 柔 韧 的 香 蕉 茎 秆 纤 维, 需 要 进 行 半 脱 胶 处 理 [14] 因 此 本 文 对 香 蕉 茎 秆 采 用 化 学 法 脱 胶, 研 究 预 酸, 预 氧 及 碱 煮 工 艺 条 件 对 香 蕉 茎 秆 脱 胶 率 及 残 余 木 质 素 率 的 影 响, 并 采 用 傅 立

2 302 农 业 工 程 学 报 ( 年 叶 红 外 光 谱 (fourier transformed infra red spectroscopy, FTIR) X 射 线 衍 射 (X-ray diffraction XRD) 和 扫 描 电 镜 (scanning electron microscopy,sem) 等 方 法 对 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 及 未 处 理 的 香 蕉 茎 秆 粗 纤 维 的 化 学 成 分 表 面 形 态 结 晶 结 构 力 学 性 能 等 进 行 对 比 分 析, 为 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 香 蕉 茎 秆 纤 维 应 用 于 纺 织 领 域 提 供 进 一 步 的 理 论 依 据 1 材 料 与 方 法 1.1 材 料 试 验 原 料 采 自 海 南 省 海 口 市 三 门 坡 镇 的 采 收 果 实 后 的 香 蕉 茎 秆 将 香 蕉 茎 秆 的 鞘 部 及 根 部 去 掉, 取 中 间 的 茎 秆 部 分, 将 其 横 切 成 15 cm 的 小 段 把 秆 芯 去 掉, 放 入 鼓 风 烘 干 箱 以 80 烘 干 48 h, 干 燥 至 含 水 率 为 8%~ 10% 范 围 内 香 蕉 茎 秆 的 化 学 成 分 分 析 采 用 了 国 家 标 准 GB 苎 麻 化 学 成 分 分 析 方 法 香 蕉 茎 秆 原 料 中 基 于 绝 干 物 料 的 纤 维 素 质 量 分 数 为 24.01%, 半 纤 维 素 质 量 分 数 为 19.70%, 木 质 素 质 量 分 数 为 22.60%, 水 溶 物 质 量 分 数 为 27.30%, 果 胶 质 量 分 数 为 2.83%, 脂 蜡 质 质 量 分 数 为 3.75%, 含 胶 率 为 42.30% NaOH, 多 ( 三 ) 聚 磷 酸 钠, 西 陇 化 工 股 份 有 限 公 司 ; 30% 过 氧 化 氢, 广 州 市 番 禺 力 强 化 工 厂 ; 浓 硫 酸 (98%), 上 海 穗 式 公 司 ; 硅 酸 钠, 天 津 市 大 茂 化 学 试 剂 厂 试 剂 均 为 分 析 纯 1.2 方 法 化 学 法 脱 胶 工 艺 影 响 因 素 分 析 香 蕉 茎 秆 的 半 纤 维 素, 木 质 素 含 量 较 高, 含 胶 率 高, 而 纤 维 素 含 量 较 低, 脱 胶 的 难 度 较 大 采 用 化 学 法 脱 胶 时 间 短, 脱 胶 率 高, 可 获 得 高 品 质 的 香 蕉 茎 秆 工 艺 纤 维 本 试 验 采 用 了 如 下 的 化 学 脱 胶 工 艺 [16] : 试 样 预 酸 水 洗 预 氧 碱 液 煮 炼 水 洗 酸 洗 打 纤 水 洗 烘 干 成 品 纤 维 其 中 酸 浸, 预 氧 及 碱 液 煮 炼 是 化 学 脱 胶 工 艺 中 关 键 的 环 节 每 次 试 验 香 蕉 茎 秆 的 原 料 质 量 为 2.5 g 选 择 H 2 SO 4 质 量 浓 度, 酸 浸 时 间,H 2 O 2 质 量 浓 度, 预 氧 ph 值, 预 氧 时 间,NaOH 溶 液 质 量 浓 度 及 碱 煮 时 间 为 主 要 因 素, 根 据 单 因 素 试 验 筛 选 出 较 佳 的 脱 胶 工 艺 条 件, 参 照 麻 类 的 脱 胶 经 验 及 前 人 对 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 探 索 性 试 验 结 果 选 择 这 些 主 要 因 素 的 水 平 [13,17] 酸 浸 条 件 :H 2 SO 4 质 量 浓 度 分 别 以 1,2 g/l 酸 浸, 浴 比 为 1 20, 水 浴 温 度 为 55, 预 酸 处 理 时 间 分 别 为 1, 2,3 h 根 据 试 验 结 果 选 择 较 佳 的 H 2 SO 4 质 量 浓 度 和 预 酸 处 理 时 间 预 氧 条 件 采 用 双 氧 水 氧 化 纤 维 素, 主 要 是 把 葡 萄 糖 分 子 的 羟 基 氧 化 成 酮, 即 酮 纤 维 素 ; 为 了 除 去 更 多 木 质 素 能 达 到 预 期 的 脱 胶 效 果, 并 考 虑 对 纤 维 的 适 当 保 护 和 尽 量 减 轻 对 环 境 的 影 响, 本 试 验 采 用 硅 酸 钠 和 多 聚 磷 酸 钠 作 助 剂 对 香 蕉 茎 秆 进 行 脱 胶 试 验 [17] 影 响 预 氧 处 理 效 果 的 因 素 主 要 有 H 2 O 2 质 量 浓 度 ph 值 和 预 氧 时 间 要 控 制 好 试 验 时 的 升 温 速 度, 升 温 不 能 过 快, 否 则 双 氧 水 的 分 解 速 度 会 加 快, 导 致 双 氧 水 的 有 效 利 用 率 降 低, 而 且 对 纤 维 的 损 伤 严 重 试 验 中 升 温 时 间 控 制 在 30~40 min 之 间 考 察 较 佳 H 2 O 2 质 量 浓 度, 预 氧 ph 值, 预 氧 处 理 时 间, 选 择 预 氧 试 验 条 件 为 : 水 浴 温 度 95, 浴 比 1 20 助 剂 : 硅 酸 钠 3%, 多 聚 磷 酸 钠 2%( 均 为 原 料 质 量 的 百 分 比 ), 用 氢 氧 化 钠 调 节 ph 值 碱 液 煮 炼 试 验 条 件 : 考 察 较 佳 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 范 围, 选 择 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 分 别 为 5,7,9,11,13 g/l, 常 压 0.1 MPa 煮 沸, 温 度 100 ; 浴 比 1 20, 处 理 时 间 为 3 h 然 后 将 试 样 进 行 碱 液 煮 炼 全 因 子 试 验, 碱 煮 时 间 分 别 为 2,2.5,3,3.5 h 其 他 工 艺 条 件 为 预 酸 H 2 SO 4 质 量 浓 度 为 前 面 获 得 的 较 佳 条 件, 时 间 2 h, 浴 比 1 20, 水 浴 温 度 55 ; 水 洗 ( 蒸 馏 水 洗 6 min); 预 氧 先 H 2 O 2 质 量 浓 度 为 较 佳 条 件,pH 值 为 11, 时 间 1.5 h, 水 浴 温 度 95 ; 助 剂 : 硅 酸 钠 3%, 多 聚 磷 酸 钠 2%( 均 为 原 料 质 量 的 百 分 比 ), 浴 比 1 20 碱 液 煮 炼 温 度 100, 常 压 0.1 MPa 煮 沸 3 h, 浴 比 1:20 根 据 试 验 结 果 选 择 较 佳 的 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 和 碱 煮 时 间 水 洗 条 件 : 在 预 酸, 碱 液 煮 炼 和 酸 洗 之 后 都 要 经 过 水 洗 将 茎 秆 纤 维 上 的 溶 解 物 及 残 余 酸 液 或 碱 液 去 除 用 蒸 馏 水 冲 洗 至 ph 值 为 7 左 右, 时 间 为 6 min 打 纤 条 件 : 打 纤 又 称 为 敲 麻, 经 过 碱 液 煮 炼 后 虽 然 香 蕉 茎 秆 纤 维 胶 质 已 被 溶 解, 但 仍 有 部 分 黏 附 在 纤 维 上, 打 纤 利 用 机 械 的 锤 击 混 合 水 洗 作 用, 可 以 将 被 碱 液 破 坏 但 仍 然 黏 附 在 纤 维 上 的 胶 质 清 除, 使 纤 维 更 松 散 酸 洗 条 件 :H 2 SO 4 体 积 分 数 为 0.1%, 时 间 为 5 min, 温 度 28 酸 洗 可 中 和 纤 维 上 残 留 的 碱 液, 提 高 纤 维 的 白 度 柔 软 度 及 松 散 性 [17] 脱 胶 率 将 脱 胶 处 理 前 后 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 烘 干, 通 过 称 量 法 确 定 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 脱 胶 率, 脱 胶 率 根 据 下 式 计 算, 式 中 m 0 m 1 分 别 为 未 处 理 及 处 理 后 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 质 量, g [16] 脱 胶 率 越 大, 说 明 木 质 素 半 纤 维 素 等 杂 质 被 去 除 得 越 多 [18] m m 脱 胶 率 = % (1) m 残 余 木 质 素 率 残 余 木 质 素 率 的 测 定 方 法 为 : 取 适 量 的 试 样 提 取 脂 蜡 质 后 风 干, 再 精 确 称 取 处 理 过 的 试 样 1 g( 精 确 到 g) 放 入 已 知 质 量 的 具 塞 三 角 烧 瓶 中, 烘 至 恒 质 量 取 出, 放 入 干 燥 器 中 冷 却 称 质 量 缓 慢 加 入 30 ml 质 量 分 数 为 72% 的 硫 酸 溶 液 在 8~15 下 放 置 24 h 然 后 移 至 三 角 烧 瓶 中, 用 蒸 馏 水 稀 释 至 300 ml, 装 好 冷 凝 管 煮 沸 水 1 h 稍 冷, 用 已 知 质 量 的 玻 璃 砂 芯 滤 器 反 复 抽 滤 洗 涤, 直 至 滤 液 中 不 含 硫 酸 根 离 子 为 止 ( 用 10% 氯 化 钡 溶 液 检 验 ) 取 下 玻 璃 砂 芯 器 烘 干 至 恒 质 量, 冷 却 称 质 量 [19] 木 质 素 含 量 根 据 下 式 计 算 : G G 残 余 木 质 素 率 100% (2) 1 2 = G3 G4 式 中 :G 1 为 试 样 残 渣 与 玻 璃 砂 芯 滤 器 总 质 量,g;G 2 为 玻 璃 砂 芯 滤 器 干 质 量,g;G 3 为 试 样 与 具 塞 三 角 烧 瓶 总 干 质

3 第 13 期 徐 树 英 等 : 香 蕉 茎 秆 纤 维 化 学 脱 胶 工 艺 及 脱 胶 纤 维 性 能 303 量,g;G 4 为 具 塞 三 角 烧 瓶 干 质 量,g 1.3 纤 维 结 构 表 征 及 力 学 性 能 测 试 将 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 样 品 研 磨 成 粉 末, 将 样 品 与 光 谱 级 KBr 混 合, 并 以 标 准 程 序 压 成 透 明 的 薄 片, 通 过 傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 进 行 红 外 光 谱 测 定, 测 定 范 围 400~4 000 cm -1 采 用 广 角 X 射 线 衍 射 仪 对 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 进 行 结 晶 度 测 试 测 试 条 件 粉 末 法,CuKα 射 线, 扫 描 范 围 为 5 ~70 香 蕉 茎 秆 纤 维 结 构 表 征 首 先 在 样 品 表 面 喷 金 处 理, 然 后 采 用 日 本 日 立 公 司 生 产 的 S-4800 型 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM) 观 察 纤 维 表 面 和 断 面 微 观 形 态 在 万 能 材 料 试 验 机 WDW-1( 山 东 济 南 一 诺 试 验 仪 器 公 司 ) 上, 按 ASTM D 标 准 测 定 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 拉 伸 性 能, 测 试 速 度 为 2 mm/min, 夹 距 为 40 mm, 环 境 温 度 35, 相 对 湿 度 65% 纤 维 直 径 测 量 采 用 螺 旋 测 微 仪 取 纤 维 中 部 测 量 3 个 不 同 位 置 的 直 径 记 录, 然 后 求 取 平 均 值 从 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 样 品 中 抽 取 6 根 纤 维 分 别 进 行 拉 伸 试 验, 试 验 过 程 中 禁 止 采 用 同 一 根 纤 维 进 行 重 复 测 试 1.4 数 据 处 理 方 法 在 对 纤 维 进 行 拉 伸 过 程 中, 万 能 材 料 试 验 机 会 记 录 下 纤 维 的 载 荷 - 位 移 曲 线 纤 维 在 任 意 点 的 应 力 为 该 点 的 载 荷 除 以 纤 维 的 横 截 面 积, 应 变 为 该 点 的 位 移 除 以 纤 维 拉 伸 初 始 长 度 把 位 移 载 荷 曲 线 转 化 为 应 力 应 变 曲 线, 测 得 纤 维 的 拉 伸 强 度, 伸 长 率 及 弹 性 模 量 拉 伸 强 度 计 算 公 式 为 : F max σ = (3) A 式 中 :σ 为 纤 维 的 拉 伸 强 度,MPa;F max 为 破 坏 载 荷 ( 最 大 力 ),N;A 为 纤 维 的 横 截 面 积,mm 2 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 横 截 面 近 似 为 圆 形, 可 采 用 圆 的 面 积 公 式 获 得 : d A =π (4) 2 式 中 :A 为 纤 维 的 横 截 面 积,mm 2 ;d 为 每 根 纤 维 的 直 径 的 均 值,mm; 断 裂 伸 长 率 计 算 公 式 为 : Δl ε = 100% (5) l 式 中 : l 为 纤 维 被 拉 断 时 记 录 下 的 拉 伸 位 移,mm;l 为 拉 伸 前 的 长 度,mm 杨 氏 模 量 计 算 公 式 为 : Δσ E = (6) Δ ε 式 中 : σ 表 示 两 点 之 间 的 应 力 变 化,MPa; ε 表 示 以 上 两 点 之 间 的 应 力 变 化 通 过 对 纤 维 应 力 应 变 曲 线 的 1/3~ 1/2 部 分 进 行 二 次 回 归 方 程 拟 合, 得 到 方 程 y=ax+b, 其 中 A 值 即 为 纤 维 的 弹 性 模 量 [20] 2 2 结 果 与 分 析 2.1 预 酸 条 件 的 影 响 预 酸 处 理 使 许 多 胶 质 受 到 酸 作 用 进 行 水 解, 其 中 就 有 一 部 分 不 溶 果 胶 和 半 纤 维 素 的 高 分 子 部 分 不 溶 性 的 果 胶 酸 的 钙 镁 盐 不 溶 解 于 水, 但 是 能 被 无 机 酸 水 解, 就 可 以 破 坏 它 的 网 状 结 构, 接 下 来 大 分 子 就 会 开 始 解 聚, 然 后 被 溶 解 半 纤 维 素 是 一 种 混 杂 的 多 糖 类 物 质, 一 部 分 成 分 易 被 酸 水 解, 另 一 部 分 对 酸 较 稳 定 而 易 被 氢 氧 化 钠 破 坏 从 图 1 可 见,H 2 SO 4 质 量 浓 度 为 1 g/l, 酸 浸 处 理 时 间 为 1,2,3 h 时, 脱 胶 率 分 别 为 26.23%,29.46%, 35.35% 预 处 理 后 的 脱 胶 率 一 直 上 升, 原 因 可 能 是 随 着 时 间 的 延 长, 纤 维 和 胶 质 吸 湿 膨 胀 程 度 更 大, 结 构 变 松, 有 利 于 胶 质 的 去 除 [13] 当 H 2 SO 4 质 量 浓 度 为 1 g/l, 时 间 到 达 3h 时 效 果 较 好 当 H 2 SO 4 质 量 浓 度 为 2 g/l, 酸 浸 处 理 时 间 为 1,2,3 h 时, 脱 胶 率 分 别 为 32.70% 34.67% 29.46% 纤 维 的 脱 胶 率 随 时 间 出 现 了 先 增 大 后 减 少 的 趋 势 ; 脱 胶 率 降 低 的 原 因 可 能 是 纤 维 素 分 子 总 水 解 程 度 加 深 [13] 当 时 间 从 1 h 递 增 到 2 h 时, 脱 胶 率 上 升,2 h 后 下 降, 此 时 预 处 理 时 间 为 2 h 效 果 最 好 考 虑 到 纤 维 素 易 在 酸 性 条 件 下 发 生 水 解, 且 随 着 酸 浓 度 的 增 大, 时 间 的 延 长, 水 解 作 用 明 显, 同 时 从 缩 短 整 个 工 艺 流 程 的 时 间 考 虑, 最 终 选 用 硫 酸 浓 度 为 2 g/l, 时 间 为 2 h 的 预 酸 处 理 工 艺 注 : 浴 比 1 20, 水 浴 温 度 55 Note: Bath ratio: 1:20, reaction temperature 55. Fig.1 图 1 酸 浸 时 间 对 脱 胶 率 的 影 响 Effect of pre-acid time on degumming rate 2.2 预 氧 处 理 条 件 的 影 响 H2O2 浓 度 从 图 2a 中 可 以 看 出, 随 着 双 氧 水 H 2 O 2 用 量 的 增 大, 香 蕉 茎 秆 的 脱 胶 率 呈 现 先 上 升 后 又 下 降 的 趋 势 当 H 2 O 2 质 量 浓 度 从 3 g/l 到 7 g/l 时, 预 氧 处 理 的 脱 胶 率 缓 慢 上 升, 当 H 2 O 2 质 量 浓 度 超 过 7 g/l 时, 脱 胶 率 下 降, 且 下 降 趋 势 越 来 越 明 显, 这 是 由 于 H 2 O 2 质 量 浓 度 过 高 导 致 香 蕉 茎 纤 维 氧 化 所 致 同 时 随 着 H 2 O 2 质 量 浓 度 的 增 大, 残 余 木 质 素 逐 渐 减 少 综 合 H 2 O 2 质 量 浓 度 对 脱 胶 率 及 残 余 木 质 素 率 的 影 响, 选 择 H 2 O 2 质 量 浓 度 7 g/l 预 氧 ph 值 由 图 2b 知, 随 着 ph 的 增 大, 脱 胶 率 也 相 应 增 加,

4 304 农 业 工 程 学 报 ( 年 说 明 OHˉ 能 增 加 H 2 O 2 的 氧 化 性, 而 且 ph 值 从 7~11 残 余 木 质 素 率 下 降, 综 合 2 个 结 果, 选 择 预 氧 ph 值 为 11 注 :ph 值 为 10, 时 间 1 h, 水 浴 温 度 95, 浴 比 1 20 助 剂 : 硅 酸 钠 3%, 多 聚 磷 酸 钠 2%( 均 为 原 料 质 量 的 百 分 比 ) Note: ph value: 10, reaction time: 1 h, reaction temperature 95, bath ratio: 1:20, additives:3 (wt)% Na 2 SiO 3, and 2 (wt)% sodium polyphosphate. a. H 2 O 2 质 量 浓 度 a. Concentration of H 2 O 2 注 :H 2 O 2 质 量 浓 度 为 7 g L -1, 时 间 1 h, 水 浴 温 度 95, 浴 比 1 20 助 剂 : 硅 酸 钠 3%, 多 聚 磷 酸 钠 2%( 均 为 原 料 质 量 的 百 分 比 ) Note: Concentration of H 2 O 2 : 7 g L -1, bath ratio: 1:20, reaction temperature 95, reaction time: 1 h, additives: 3 (wt)%, Na 2 SiO 3, and 2 (wt)% sodium polyphosphate. 位 [21], 因 此, 预 氧 处 理 的 脱 胶 率 出 现 上 升, 第 二 阶 段 是 H 2 O 2 对 纤 维 素 氧 化 作 用 为 主 要 地 位, 脱 胶 率 下 降 [21] 而 预 氧 处 理 时 间 越 长, 残 余 木 质 素 率 越 低, 但 是 下 降 不 是 很 明 显, 综 合 图 2c 预 氧 处 理 时 间 选 1.5 h 2.3 碱 液 煮 炼 的 影 响 NaOH 质 量 浓 度 碱 煮 过 程 除 去 香 蕉 韧 皮 中 的 大 多 数 胶 质, 煮 炼 质 量 好 坏 直 接 影 响 到 脱 胶 的 效 果 和 纤 维 的 品 质 碱 液 煮 炼 还 可 以 减 弱 纤 维 间 的 联 系, 能 够 很 好 地 提 高 纤 维 的 细 度 和 柔 软 度 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 碱 煮 时 间 等 工 艺 参 数 会 影 响 煮 炼 质 量 的 好 坏 试 验 结 果 为 当 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 为 g/l, 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 脱 胶 率 为 56.4%, 58.8% 59.8% 59.8% 58.3% 从 图 3 中 可 以 看 出, 随 着 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 的 增 大, 香 蕉 茎 秆 脱 胶 率 逐 渐 增 加, 说 明 NaOH 溶 液 浓 度 越 大, 去 除 的 木 质 素 半 纤 维 素 果 胶 等 杂 质 越 多 但 当 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 在 9 g/l 时, 脱 胶 率 达 到 了 较 高 值 并 趋 于 稳 定 在 一 定 温 度 下, 植 物 纤 维 原 料 中 的 半 纤 维 素 木 质 素 果 胶 等 杂 质 与 氢 氧 化 钠 水 溶 液 反 应, 杂 质 与 氢 氧 根 离 子 作 用 发 生 水 解 降 解, 随 着 NaOH 溶 液 浓 度 的 增 大, 提 供 的 氢 氧 根 离 子 增 多, 因 此 参 与 反 应 的 杂 质 也 增 多, 从 而 能 够 去 除 较 多 的 杂 质, 香 蕉 茎 秆 的 脱 胶 率 增 大 NaOH 溶 液 浓 度 继 续 增 大, 当 大 部 分 杂 质 脱 除 后, 纤 维 素 也 会 发 生 碱 性 水 解, 不 利 于 纤 维 的 提 取 [22] 所 以 再 选 g/l 的 NaOH 溶 液 浓 度 做 全 因 子 试 验 b. 预 氧 ph 值 b. Pre-oxygen ph value 注 :H 2 O 2 质 量 浓 度 为 7 g L -1,pH 值 为 11, 水 浴 温 度 95, 浴 比 1 20 助 剂 : 硅 酸 钠 3%, 多 聚 磷 酸 钠 2%( 均 为 原 料 质 量 的 百 分 比 ) Note: Concentration of H 2 O 2 : 7 g L -1, ph value: 11, bath ratio: 1:20, reaction temperature 95, additives: 3 (wt)% Na 2 SiO 3, and 2 (wt)% sodium polyphosphate. c. 预 氧 处 理 时 间 c. Pre-oxygen processing time 图 2 预 氧 处 理 条 件 对 脱 胶 率 及 残 余 木 质 素 率 的 影 响 Fig.2 Effects of pre-oxygen process conditions on degumming rate and residual lignin rate 预 氧 时 间 从 图 2c 的 变 化 中 可 知 在 0.5~1.5 h 时 段 脱 胶 率 明 显 上 升, 在 1.5~2.5 h 时 段 脱 胶 率 下 降 在 0.5~1.5 h 时 段 H 2 O 2 去 除 杂 质 有 色 物 质, 对 纤 维 素 氧 化 作 用 处 于 次 要 地 注 : 常 压 0.1 MPa 煮 沸, 温 度 100 ; 浴 比 1 20, 处 理 时 间 为 3 h. Note: Pressure 0.1MPa, bath ratio: 1:20, reaction temperature 100, processing time 3h. 图 3 NaOH 质 量 浓 度 对 脱 胶 率 的 影 响 Fig.3 Effect of concentration of NaOH on degumming rate 碱 煮 时 间 当 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 为 9 g/l 时, 对 应 不 同 碱 煮 时 间, 脱 胶 率 分 别 为 36.2% 44.1% 60.1% 60%; 当 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 为 10 g/l 时, 对 应 不 同 碱 煮 时 间, 脱 胶 率 分 别 为 44.8% 54.8% 64.0% 47.2% 从 图 4 中 可 以 看 出,9 g/l 和 10 g/l NaOH 的 碱 煮 时 间 的 曲 线 变 化 规 律 一 致, 即 3 h 内 脱 胶 率 是 明 显 上 升 的, 但 是 当 碱 煮 时 间 从 3 h 增 加 到 3.5 h 时, 脱 胶 率 下 降 原 因 是 随 着 碱 煮 时 间 增 加, 脱 胶 充 分, 脱 胶 率 逐 渐 增 加 [21] 到 达 3 h 时, 香 蕉 茎 秆 中 残 余 胶 质 开 始 降 低, 大 部 分 胶 质 融 入 碱 液 中, 随 着 时 间 的 延 长 脱 胶 率 降 低 而 当 NaOH 质 量 浓 度 为 11 g/l, 对 应 不 同 碱 煮 时 间, 脱 胶 率 分 别 为 57.2% 40.1% 39.2%,

5 第 13 期 徐 树 英 等 : 香 蕉 茎 秆 纤 维 化 学 脱 胶 工 艺 及 脱 胶 纤 维 性 能 % 其 中 碱 煮 时 间 2 h 时, 脱 胶 率 较 大, 随 着 碱 煮 时 间 延 长, 脱 胶 率 下 降 并 趋 近 一 个 定 值 主 要 的 原 因 是 在 反 应 过 程 中 会 生 成 碱 性 复 合 盐 或 胶 束 [13], 这 些 物 质 一 部 分 溶 解 于 溶 液 中 影 响 脱 胶 效 果, 一 部 分 吸 附 在 试 样 表 面, 随 着 反 应 时 间 延 长, 吸 附 表 面 完 全 被 沉 积 物 所 覆 盖, 胶 质 与 碱 液 的 反 应 速 度 与 反 应 物 质 重 新 吸 附 的 速 度 几 乎 接 近, 反 应 趋 于 平 衡 [17] 虽 然 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 为 10 g/l 时 的 脱 胶 率 比 9 g/l 高 3.9%, 但 从 上 述 分 析 及 经 济 环 境 因 素 综 合 考 虑 得 出 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 为 9 g/l 时, 碱 煮 时 间 为 3 h 时 脱 胶 效 果 较 好 注 : 常 压 0.1 MPa 煮 沸, 温 度 100 ; 浴 比 Note: Pressure 0.1MPa, bath ratio: 1:20, reaction temperature 100. 图 4 碱 煮 时 间 对 脱 胶 率 的 影 响 Fig.4 Effects of alkali cooking time on degumming rate 2.4 化 学 法 提 取 香 蕉 茎 秆 纤 维 工 艺 优 选 综 合 以 上 单 因 素 试 验 结 果, 化 学 法 提 取 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 较 佳 工 艺 条 件 为 : 预 酸 H 2 SO 4 质 量 浓 度 为 2 g/l, 时 间 2 h, 浴 比 1 20, 水 溶 温 度 55 ; 水 洗 ( 蒸 馏 水 洗 6 min); 预 氧 处 理 工 艺 先 H 2 O 2 质 量 浓 度 7 g/l,ph 值 11, 时 间 1.5 h, 水 溶 温 度 95 ; 助 剂 : 硅 酸 钠 质 量 分 数 3%, 多 聚 磷 酸 钠 质 量 分 数 2%, 浴 比 1 20 碱 液 煮 炼 工 艺 中 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 9 g/l, 常 压 0.1 MPa 煮 沸 100, 时 间 3 h, 浴 比 1 20; 水 洗 ( 蒸 馏 水 冲 6 min); 酸 洗 ( 温 度 28,H 2 SO 4 体 积 分 数 0.1%, 短 时 间 5 min); 打 纤 ; 水 洗 ( 蒸 馏 水 下 冲 6 min); 鼓 风 烘 干 温 度 60 经 此 工 艺 条 件 得 到 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 如 图 5 所 示, 其 脱 胶 率 为 68%, 残 余 木 质 素 为 8.21% 感 官 分 析 化 学 法 较 佳 工 艺 提 取 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 洁 白 发 亮, 柔 软 细 腻, 有 一 定 卷 曲 图 5 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 照 片 Fig.5 Image of chemical treated banana pseudostem fibers 2.5 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 理 化 特 性 FTIR 分 析 经 化 学 法 较 佳 工 艺 提 取 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 和 香 蕉 茎 秆 粗 纤 维 的 红 外 光 谱 如 图 6 所 示 cm -1 处 有 一 个 较 强 吸 收 峰, 该 峰 是 由 -OH 伸 缩 振 动 引 起 的 一 个 较 宽 的 吸 收 带 [22-23] cm -1 处 的 吸 收 峰 对 应 的 是 -CH 伸 缩 振 动, cm -1 处 的 吸 收 峰 对 应 的 是 半 纤 维 素 的 聚 木 糖 的 C=O 伸 缩 振 动 [22] 可 以 看 到 对 比 香 蕉 茎 秆 粗 纤 维, 经 过 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 cm -1 处 的 吸 收 峰 基 本 消 失, 说 明 化 学 法 去 除 了 大 部 分 的 半 纤 维 素 半 纤 维 素 由 于 其 自 身 的 低 聚 合 度 很 容 易 受 到 破 坏 而 发 生 降 解 [24] 1 650,1 517,1 428,1 383 cm -1 对 应 的 是 芳 香 族 的 骨 架 振 动, 与 木 质 素 的 C-O 伸 缩 有 关 在 1 650, 1 428,1 383 cm -1 处 吸 收 值 无 明 显 变 化, 而 在 cm -1 处 的 吸 收 峰 消 失, 说 明 经 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 脱 除 了 大 部 分 的 木 质 素, 但 仍 有 残 留 在 cm -1 处 出 现 的 比 较 强 的 伸 缩 振 动, 对 应 的 是 纤 维 素 和 半 纤 维 素 的 C-O 伸 缩 振 动 而 在 896 cm -1 处 出 现 的 小 尖 锐 吸 收 峰 对 应 的 是 半 纤 维 素 和 纤 维 素 的 β- 葡 萄 糖 苷 键 连 接, 表 明 纤 维 素 在 化 学 法 处 理 过 程 中 结 构 变 化 不 大 [1,25] 综 上 所 述, 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 木 质 素 半 纤 维 素 基 团 含 量 减 少, 表 明 化 学 法 有 效 地 去 除 了 香 蕉 茎 秆 的 杂 质 注 :a 为 香 蕉 茎 秆 粗 纤 维 ;b 为 化 学 法 处 理 后 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 Note: a is raw banana pseudostem fibers; b is chemical treated banana pseudostem fibers 图 6 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 红 外 光 谱 分 析 Fig.6 FT-IR spectra analysis of banana pseudostem fibers XRD 分 析 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 经 X 射 线 扫 描 后 得 到 的 XRD 图 由 图 7 可 见, 香 蕉 茎 秆 纤 维 具 有 纤 维 素 的 特 征 衍 射 峰 即 在 2θ=16 ~18.5 (I 101 晶 面 ) 范 围 内 有 一 个 小 峰 在 22.2 附 近 有 一 个 大 峰 (I 002 晶 面 ) 根 据 近 似 公 式 [26], 计 算 相 对 结 晶 度 可 以 得 到 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 及 香 蕉 茎 秆 粗 纤 维 的 结 晶 度 分 别 为 60% 和 56% 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 具 有 较 高 的 结 晶 度, 这 主 要 是 由 于 脱 胶 过 程 中 使 半 纤 维 素 木 质 素 等 非 纤 维 素 成 分 的 降 解, 从 而 提 高 了 纤 维 素 的 含 量, 而 半 纤 维 素 和 木 质 素 均 为 无 定 形 结 构 [6]

6 年 农业工程学报 注 a 为香蕉茎秆粗纤维 b 为化学法处理后的香蕉茎秆纤维 Note: a is raw banana pseudostem fibers; b is chemical treated banana pseudostem fibers. 图 7 香蕉茎秆纤维的 XRD 图分析 Fig.7 XRD analysis of banana pseudostem fibers 扫描电镜分析 图 8a b 为香蕉茎秆纤维的纵向结构图 从图 8a 图 可以观察到香蕉粗纤维纵向表面平整 由胶质紧密包裹 由图 8b 可知 经化学法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维表 面粗糙 沟槽分明 纤维分离度较好 杂质较少 单纤 维彼此粘连[13] 化学法脱胶使得胶质脱离纤维表面 纤 维细度减小 微纤维与束纤维分离 从图 8c 图可以看香 蕉茎秆粗纤维断截面存在管状结构 纤维管束的断面呈 现为脆性断裂 而图 8d 中可以观察到经过化学法脱胶后 香蕉茎秆纤维断截面形状表现为圆形管状结构消失 纤 维管束呈现为脆性-塑形复合断裂形式 以看出化学法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维是一种高强 低伸型纤维 符合纤维素纤维的力学性能 且拉伸断裂 时属于脆性-塑性复合断裂形式[27] 化学法制备的香蕉茎 秆纤维的直径在 mm 范围内 香蕉茎秆纤维的拉伸 强度 杨氏模量和断裂伸长率测试结果如表 1 所示 化 学法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤维与粗纤维比较 拉伸 强度有所提高 断裂伸长率约为 1.7% 也比香蕉茎秆粗 纤维提高了 7% 杨氏模量有所下降 化学法较佳工艺制 备的香蕉茎秆纤维比香蕉茎秆粗纤维刚度小 容易发生 形变 原因可能是化学法脱除了大部分的半纤维素和木 质素 从表 1 中看出 化学法较佳工艺制备的香蕉茎秆 纤维的力学性能类似于纺织行业常用的亚麻纤维的力学 性能 而与棉花的力学性能中的杨氏模量及断裂伸长率 相差较多 图 9 化学法较佳工艺制备 6 根香蕉茎秆纤维的应力-应变曲线 Fig.9 Stress-strain curve diagram of chemical treated banana pseudostem fibers 表1 不同种类天然纤维与化学法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤 维的力学性能对比 Table 1 Comparative tensile properties of untreated and chemical treated banana pseudostem fibers 纤维样品 Samples 化学法香蕉茎秆纤维 Chemical treated banana pseudostem fibers 香蕉茎秆粗纤维 Raw banana pseudostem fibers 亚麻 Flax[28] 棉花 Cotton[28] 3 图 8 香蕉茎秆纤维的扫描电镜分析 Fig.8 SEM image of longitudinal and transverse section view of untreated and chemical treated banana pseudostem fibers 2.6 香蕉茎秆纤维的力学性能分析 香蕉茎秆纤维的拉伸力学性能对其制备和应用有着 重要影响 图 9 为从化学法较佳工艺制备的香蕉茎秆纤 维中随机抽取的 6 根纤维的应力-应变曲线图 从图中可 讨 拉伸强度 Tensile strength /MPa 杨氏模量 Young s modulus /GPa 断裂伸长率 Elongation/% ± ± ± ± ± ± 论 2013 年海南省香蕉种植面积 5.7 万 hm2 香蕉果实总 产量 万 t 香蕉茎秆总质量按香蕉果实总产量的 1.5 倍计算 香蕉茎秆总质量为 万 t 按每株香蕉茎秆 纤维与茎杆重量比测算 每株香蕉茎秆可提取约 1%的纤 维 可提取的香蕉茎秆纤维 3.14 万 t 一般每公顷香蕉茎 秆可提取纤维 525 kg 原纤维市场价格约 18 元/kg 则每 公顷可增加收益 元 研究成果在海南大面积推广 后 预计增收 万元 本试验采用化学法较佳工艺提 取香蕉茎秆纤维 纤维产率达到为 32% 按化学法较佳

7 第 13 期 徐 树 英 等 : 香 蕉 茎 秆 纤 维 化 学 脱 胶 工 艺 及 脱 胶 纤 维 性 能 307 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 与 原 料 的 比 值 计 算 ), 纤 维 形 态 均 匀, 手 感 柔 软 细 腻, 白 度 较 高, 力 学 性 能 良 好, 能 够 满 足 生 产 高 质 量 工 艺 纤 维 的 要 求 试 验 工 艺 流 程 简 单, 所 用 的 化 学 品 量 少, 处 理 时 间 短, 达 到 环 境 污 染 少, 能 耗 少 的 目 的, 处 理 成 本 费 用 低 廉, 劳 动 安 全 性 能 良 好, 产 品 质 量 和 价 格 竞 争 力 强, 资 源 利 用 率 高, 具 有 工 业 化 生 产 的 前 景 4 结 论 1) 通 过 化 学 脱 胶 处 理, 从 香 蕉 茎 秆 中 制 备 了 具 有 一 定 拉 伸 强 度 和 断 裂 伸 长 率 的 香 蕉 茎 秆 工 艺 纤 维 香 蕉 茎 秆 化 学 法 脱 胶 较 佳 工 艺 条 件 为 : 预 酸 用 H 2 SO 4 质 量 浓 度 2 g/l, 浴 比 1 20, 水 浴 温 度 55, 时 间 2 h; 预 氧 处 理 工 艺 中 H 2 O 2 质 量 浓 度 7 g/l; 助 剂 Na 2 SiO 3 质 量 分 数 3%, 多 聚 磷 酸 钠 质 量 分 数 2%; 温 度 95,pH 值 11, 浴 比 1 20, 时 间 1.5 h, 升 温 时 间 35~40 min; 碱 液 煮 炼 用 NaOH 溶 液 质 量 浓 度 9 g/l, 常 压 0.1MPa 煮 沸 3 h, 浴 比 1 20; 酸 洗 用 H 2 SO 4 体 积 分 数 为 0.1%, 温 度 28, 时 间 5 min 在 此 条 件 下, 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 脱 胶 率 为 68%, 木 质 素 残 余 率 为 8.21% 2) 扫 描 电 镜 结 果 表 明, 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 呈 束 状 平 行 排 列, 表 面 有 沟 槽, 纤 维 分 离 度 较 好, 杂 质 较 少 从 断 裂 截 面 可 以 看 出 经 过 化 学 处 理 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 孔 状 结 构 消 失, 断 裂 形 式 从 脆 性 断 裂 变 为 脆 性 - 塑 性 断 裂 的 复 合 形 式 傅 立 叶 红 外 光 谱 分 析 结 果 表 明, 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 的 半 纤 维 素 特 征 峰 已 经 消 失, 纤 维 纯 度 较 高 力 学 性 能 测 试 表 明, 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 与 未 处 理 的 香 蕉 茎 秆 粗 纤 维 相 比 拉 伸 强 度 增 大, 断 裂 伸 长 率 增 加, 杨 氏 模 量 下 降 这 为 化 学 法 较 佳 工 艺 制 备 的 香 蕉 茎 秆 纤 维 在 纺 织 工 业 材 料 领 域 开 发 应 用 提 供 了 依 据 [ 参 考 文 献 ] [1] Syukran Alhelmy Seri Buana, M., et al., Elasticity, microstructure and thermal stability of foliage and fruit fibres from four tropical crops[j]. Fibers and Polymers, 2013, 14(4): [2] 何 美 香, 王 恩 过. 剑 麻 纤 维 化 学 脱 胶 技 术 的 探 讨 [J]. 湛 江 师 范 学 院 学 报,2011,32(6): He Meixiang, Wang Enguo. Study on degumming technology of sisal fiber[j]. Journal of Zhanjiang Normal College, 2011, 32(6): (in Chinese with English abstract) [3] 袁 青 青, 姚 晋 荣, 邵 正 中. 蚕 丝 纤 维 / 丝 蛋 白 复 合 材 料 力 学 性 能 的 优 化 [J]. 高 分 子 学 报,2011,11: Yuan Qingqing, Yao Jinrong, Shao Zhengzhong. Improving the mechanical properties of silk fiber/fibroin composites by interfacial modification[j]. 高 分 子 学 报, 2011, 11: (in Chinese with English abstract) [4] Obi Reddy, K, et al. Tensile and structural characterization of alkali treated Borassus fruit fine fibers. Composites Part B: Engineering, 2013, 44(1): [5] 张 蔚, 姚 文 斌, 李 文 彬. 竹 纤 维 加 工 技 术 的 研 究 进 展 [J]. 农 业 工 程 学 报,2008,24(10): Zhang Wei, Yao Wenbin, Li Wenbin. Research and development of technology for processing bamboo fiber[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(10): (in Chinese with English abstract) [6] 盛 占 武, 郑 丽 丽, 高 锦 合, 等. 香 蕉 纤 维 酶 解 脱 胶 工 艺 及 脱 胶 纤 维 性 能 [J]. 农 业 工 程 学 报,2014,30(10): Sheng Zhanwu, Zheng Lili, Gao Jinhe, et al. Process optimization for bio-degumming of banana fiber and characteristics of degummed fibers[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(10): (in Chinese with English abstract) [7] 傅 真 晶, 韦 开 蕾. 海 南 省 香 蕉 生 产 的 比 较 优 势 分 析 [J]. 热 带 农 业 科 学,2010,30(6):6-10. Fu Zhenjing, Wei Kailei. An analsis on the comparative advantage of the banana production in Hainan[J]. Chinese journal of tropical agriculture, 2010, 30(6): (in Chinese with English abstract) [8] 李 子 建. 香 蕉 副 产 物 的 开 发 利 用 研 究 [D]. 福 州 : 福 建 农 林 大 学,2006(4):15. Li Zijian. Study on the utilization of the outgrowths from banana[d]. Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University, 2006(4): 15. (in Chinese with English abstract) [9] 黄 润 燕. 香 蕉 茎 杆 纤 维 资 源 综 合 利 用 初 探 [J]. 轻 纺 工 业 与 技 术,2010,39(6): Huang Ruyan. Study on the comprehensive utilization of banana pseudostem fibers resources[j]. The Textile Industry and Technology, 2010, 39(6): (in Chinese with English abstract) [10] Ganan P, et al. Biological natural retting for determining the hierarchical structuration of banana fibers[j]. Macromolecular Bioscience, 2004, 4(10): [11] 王 春 红, 白 肃 跃, 马 海 军, 等. 乌 拉 草 纤 维 的 超 声 波 辅 助 碱 氧 - 浴 法 提 取 工 艺 优 化 [J]. 农 业 工 程 学 报,2013,29(9): Wang Chunhong, Bai Suyue, Ma Haijun, et al. Optimization on ultrasound-alkali-h 2 O 2 on-bath extraction process of curaua fiber[j]. Transaction of Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(9): (in Chinese with English abstract) [12] Deepa B, et al. Structure, morphology and thermal characteristics of banana nano fibers obtained by steam explosion[j]. Bioresource Technology, 2011, 102(2): [13] 杨 春 燕. 香 蕉 茎 纤 维 制 取 工 艺 研 究 [D]. 上 海 : 东 华 大 学, 2009:21. Yang Chunyan. Study on the manufacturing processes of banana stem fibers[d]. Shanghai: Donghua University, 2009: 21. (in Chinese with English abstract) [14] 丁 邵 敏, 马 艺 华, 苏 靖, 等. 香 蕉 麻 预 处 理 脱 胶 优 化 研 究 [J]. 中 国 麻 业 科 学,2012,34(2): Ding Shaomin, Ma Yihua, Su Jing. Pretreatment optimization for banana stalk bark degumming[j]. Plant fiber sciences in China, 2012, 34(2): (in Chinese with English abstract) [15] 刘 洋 洋, 张 如 全, 吉 德 裕, 等. 葛 根 纤 维 化 学 脱 胶 工 艺 研 究 [J]. 林 产 化 学 与 工 业,2011,31(3): Liu Yangyang, Zhang Ruquan, Ji Deyu, et al. Chemical degumming technology of pueraria fiber[j]. Chemistry and Industry of Forest Products, 2011, 31(3): (in Chinese with English abstract) [16] 李 红, 王 迎, 契 丹 宁. 丝 瓜 络 纤 维 的 预 处 理 实 践 [J]. 上 海 纺 织 科 技,2012,40(5): Li Hong, Wang Ying, Qi Danning. The pre-treatment practice of luffa fiber[j]. Shanghai Textile Science & Technology, 2012, 40(5): (in Chinese with English abstract) [17] 管 云 玲. 大 麻 碱 氧 一 浴 一 步 法 短 流 程 脱 胶 漂 白 新 工 艺 研 究 [D]. 青 岛 : 青 岛 大 学,2003: Guan Yunling. Research on one-bath alkali-h 2 O 2 of degumming and bleaching of hemp[d]. Qingdao: Qingdao University, 2003: (in Chinese with English abstract) [18] 颜 丹 丹, 侯 秀 良, 朱 澍, 等. 棉 杆 皮 纤 维 的 提 取 及 其 结 构 性 能 研 究 [J]. 材 料 导 报 : 研 究 篇,2013,27(6):

8 308 农 业 工 程 学 报 ( 年 Yan Dandan, Hou Xiuliang, Zhu Shu, et al. Extraction of cotton stalk fiber and its structure and properties[j]. Material Review: Research, 2013, 27(6): (in Chinese with English abstract) [19] GB , 苎 麻 化 学 成 分 定 量 分 析 方 法 [S]. GB , Method of quantitative analysis of ramie chemical components[s]. (in Chinese with English abstract) [20] 曹 双 平. 植 物 单 根 纤 维 拉 伸 性 能 测 试 与 评 价 [D]. 北 京 : 中 国 林 业 科 学 研 究 院,2010: Cao Shuangping. The measurement and evaluation of tensile properties of plant individual fibers[d]. Beijing: Chinese Acadamy of Forestry, 2010: (in Chinese with English abstract) [21] 喻 华. 芭 蕉 纤 维 的 制 取 和 纺 纱 性 能 研 究 [D]. 上 海 : 东 华 大 学,2009:15. Yu Hua. Study on process of degumming and spinning of abaca fiber[d]. Shanghai: Donghua University, 2009: 15. (in Chinese with English abstract) [22] 连 文 伟, 张 劲, 刘 恩 平, 等. 脱 胶 方 法 对 菠 萝 叶 纤 维 结 构 和 性 能 的 影 响 [J]. 上 海 纺 织 科 技,2011,39(4): Lian Wenwei, Zhang Jin, Liu Enpin, et al. Study on the effect of degumming methods on structure and properties of pineapple leaf fiber[j]. Shanghai Textile Science & Technology, 2011, 39(4): (in Chinese with English abstract) [23] 何 俊 燕, 张 劲, 李 勤 奋, 等. 香 蕉 粘 胶 纤 维 的 结 构 和 性 能 研 究 [J]. 林 产 化 学 与 工 业,2011,31(1): He Junyan, Zhang Jin, Li Qinfen, et al. Structure and properties of banana viscose fiber[j]. Chemistry and Industry of Forest Products, 2011, 31(1): (in Chinese with English abstract) [24] 张 连 慧, 石 力 安, 王 体 朋, 等. 蒸 汽 爆 破 过 程 麦 秆 木 质 纤 维 素 的 转 化 [J]. 农 业 工 程 学 报,2008,24(10): Zhang Lianhui, Shi Li an, Wang Tipeng, et al. Conversion of wheat stalk lignocelluloses during the process of steam explosion[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(10): (in Chinese with English abstract) [25] 黄 涛, 张 劲, 刘 恩 平, 等. 菠 萝 叶 纤 维 生 化 脱 胶 纤 维 性 质 研 究 [J]. 江 苏 农 业 科 学,2011,39(4): Huang Tao, Zhang Jin, Liu Enping, et al. Study on the properties of biochemical treated pineapple leaf fibers[j]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2011, 39(4): (in Chinese with English abstract) [26] Sreenivasan, V S, et al. Microstructural, physico-chemical and mechanical characterisation of Sansevieria cylindrica fibres-an exploratory investigation. Materials and Design, 2011, 32(1): [27] Thygesen A, et al. Cellulosic Fibers: Effect of Processing on Fiber Bundle Strength[J]. Journal of Natural Fibers, 2011, 8(3): [28] 李 岩, 罗 业. 天 然 纤 维 增 强 复 合 材 料 力 学 性 能 及 其 应 用 [J]. 固 体 力 学 学 报,2010,31(6): Li Yan, Luo Ye. Mechanical properties and applications of natural fiber reiforced composites[j]. Chinese journal of solid mechanics, 2010, 31(6): (in Chinese with English abstract) Process of degumming by chemical for banana pseudostem fibers and characterization of degummed fibers Xu Shuying 1,2, Tan Wei 1, Zhang Yucang 2 (1. College of Chemical Engineering & Technology, Tianjin University, Tianjin , China; 2. Key Laboratory of Solid Waste Resource Utilization and Environmental Protection, Hainan University, Haikou , China) Abstract: Natural fibers have growing demands in textile industry due to its availability, eco-friendliness, renewability, CO 2 -neutrality, flexibility, low density and low cost. Banana pseudostem fibers (BPSFs) can be a potential candidate to replace the synthetic fibers. However, there are still limitations for their application in textile industry because of their poor quality, such as coarseness, shortness, hardness and crispness. This paper described one chemical method for extracting finer natural BPSFs from natural banana pseudostem. The effects of different pre-acid, pre-oxygen and alkali cooking processes on degumming rate and residual lignin rate of BPSFs were studied. The better degumming process was determined. The physicochemical properties of BPSFs treated chemically were analyzed by using the Fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). FTIR revealed structural modification after chemical treatments. SEM was used to evaluate the fracture morphology of failed samples. The tensile properties of BPSFs treated chemically were also investigated. The result showed that the pre-acid process condition was 2 g/l H 2 SO 4 aqueous solution at 55 C for 2 h, where the external wax could be removed. The pre-oxygen process was achieved by immersing the banana pseudostem in a 200 ml mixture liquid composed of 7 g/l H 2 O 2, 3wt% Na 2 SiO 3 and 2wt% sodium polyphosphate at 95 C for 1.5 h. Afterwards, The sample was immersed in 200 ml NaOH solution of 9 g/l at boiling temperature for 3 h, then washed with 1 g/l H 2 SO 4 for 2-3 min to neutralize the residual alkali in the sample. Under the conditions, the residual gum rate of BPSFs treated chemically was 20.80%, and the residual lignin rate was 8.21%. BPSFs treated chemically were white and clean, and consisted of a large number of fine micro fibrils with a diameter of from 0.05 to 0.09 mm. In addition, BPSFs treated chemically were soft. FTIR results showed that most of the hemicelluloses and lignin were removed by chemical treatments, and the relative crystallinity index of BPSFs treated chemically was 61.2%. The SEM of longitudinal morphologies of BPSFs treated chemically had a cleaner, rougher, and fibrillated fiber surface due to dissolution of hemicelluloses and lignin. The SEM diagram indicated the BPSFs treated chemically exhibited a combination of ductile and brittle failure. Tensile test was carried out on single fiber according to the ASTM D standard. The diameter of BPSFs treated chemically was within the range of mm, and the tensile strength, Young s modulus and elongation rate were MPa, GPa and 1.70% respectively. The tensile strength and elongation rate were enhanced by 13% and 6.5% respectively in the BPSFs treated chemically compared to those of untreated ones. And the Young s modulus was decreased by 14% in the BPSFs treated chemically compared to those of untreated ones. The tensile properties of BPSFs treated chemically were correlated with the results of FTIR, XRD and SEM. Based on the properties of BPSFs treated chemically, we expect that these fibers will be suitable for the use as textile materials. Key words: fibers; degumming; Fourier transform infrared spectroscopy; degumming rate; residual lignin rate; tensile properties