全 文 ：第 24 卷 第 3 期 热 带 作 物 学 报
CH IN E SE J OU R N A L OF T R OI P CA L R C O玲
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蒸汽爆破处理对剑麻纤维组分分离的影响
廖双泉 ’ 马凤 国 2 廖建和 ’ 谭惠民 2
l (华南热带农业大学工学院 海南 俯州 517 37 7
2 北京理工大学化工与材料学院 北京 1 00 ) (81 )
摘要 采用高温 、 高压水蒸汽瞬间爆破处理剑麻纤维 。通过处理前后剑麻纤维的水溶物 、 碱溶物 、 木质素含量 、
纤维素含量的比较 , 分析研究了蒸汽爆破处理条件对剑麻纤维组分分离效果的影响。 试验结果表明 : 爆破前预
处理 、 处理温度 (压力 ) 、 维压时间是影响组分分离的重要因素 : 随着处理强度的增大 ,纤维中木质素含量降
低 , 纤维素含量增大 : 爆破前的不同试剂预浸泡处理中 , 质量分数为 17 . 5 %的 N别D H 和质量分数为 0 . 1 %的
H ZS O ; 预浸泡处理效果较优 , 水和质量分数为 l % 的 N a 0 H 浸泡处理效果较差。
关键词 剑麻纤维 蒸汽爆破 组分分离
中图法分类号 T S05
2 0 世纪 8 0 年代以来 , 在世界范围内天然纤维素资源的应用被日益重视 , 剑麻纤维作为植物纤维的
重要来源之一 , 其研究和应用也与其他植物纤维一样受到人们的关注川 。 由于剑麻纤维是一种多组分物
料 (除纤维素外 , 还含有木质素 、 半纤维素 、 果胶质等成分 ) , 因此 , 充分有效利用剑麻纤维的重要步骤
就是其组分的高效分离和对纤维素的预处理 12 。 在植物纤维的化学 、 物理和生物处理技术中 , 高压蒸汽
爆破处理技术是近年来发展较快 、 比较有效 、 低成本 、 无污染的新技术 。 目前主要应用在纤维板制造业 、
制浆造纸业 、废纸回收业 、 木质纤维原料生物转化的预处理 , 以及饲料业用于反自动物食用的农林剩余
物的营养性和 易消化性上 。 己有报道表明【间 , 国内外研究者已把这一技禾应用在各种木材 、 麦草 、 秸秆
以及棉纤维的处理上 , 而使用蒸汽爆破处理剑麻纤维却未见报道 。笔者采用这一技术处理剑麻纤维 , 分
析研究了处理条件对其组分分离效果的影响 , 并初步探讨了蒸汽爆破处理过程和作用原理 。
1 材料与方法
1
.
1 材料
剑麻纤维由海南省东方国营红泉农场提供 。
L Z 方法
L .2 1 仪器与试剂 蒸汽爆破装置 自制 ,主要由蒸汽发生器 、 汽爆罐和接收器 3 部分组成 l,J 。 氢氧化纳 、
浓硫酸 、 浓硝酸 、 无水乙醇 、 氨水 、 硫酸钠 、 乙酸均为北京化工厂生产的分析纯 。碘为天津市化学试剂厂
生产的分析纯 。碘化钾 、硫代硫酸钠为北京益利精细化学品有限公司生产的分析纯 。
L .2 2 材料预处理方法 一定量的剑麻纤维加入预处理试剂溶液中 , 浸泡一定时间后 , 洗涤至中型 , 干
燥备用 。
1
.
.2 3 蒸汽爆破处理过程 将一定量预处理后的剑麻纤维放入已加热到预定温度的汽爆罐中 , 关闭容
器 。将预定温度及压力的热蒸汽通入汽爆罐 , 待汽爆罐压力上升到所需值 , 恒压一定时间后 , 快速打开
与接收器相连的球型阀 , 瞬间泄压 。 闪爆出的纤维借助压差进入接收器中 。收集后洗涤干燥处理 , 备用 。
1
.
.2 4 测试方法 处理后组分分析参照文献【10 1的方法 ;化学分析参照文献 {2] 的方法 。
2 结果与讨论
.2 1 蒸汽爆破过程及作用原理
蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸汽汽相蒸煮纤维原料 , 并通过瞬间泄压过程实现纤维原料的组
廖双泉 男 , 19 74 年生 , 博士 , 在华南热带农业大学工学院从事热带天然高分子研究。
收稿日期 : 20 3· 0 2 一26 修回日期 : 20 3· 9 一02
热 带 作 物 学 报 24 卷
分分离和结构变化 。笔者认为 , 在蒸汽爆破过程中有类酸性水解 、 热降解 、 类机械断裂 、 氢键破坏和结构
重排等作用的协同效果 。 这一过程可分为 2 个阶段 。 一是汽相蒸煮阶段 : 具有细胞结构的植物纤维原料
在高温 、 高压 介质下汽相蒸煮 , 高压蒸汽渗入到物料内的空隙 , 半纤维素和木质素产生一些酸性物质 ,
使半纤维素降解成可溶性糖 , 同时复合胞间层的木质素软化和部分降解 , 降低了纤维的粘接强度 , 并产
生纤维素链的类酸性降解 、 热降解和物理断裂 。 二是爆破阶段 : 利用汽相饱和蒸汽和高温液态水 2 种介
质共同作用于物料 , 骤然泄压 , 介质和物料共同完成物理的能量释放 , 这一过程为瞬间的绝热过程 , 并
对外做功 。 软化的物料在膨胀气体的冲击下产生剪切力变形运动 , 并发生分离 。 在这一过程中 , 己渗入
纤维素内部微原纤晶体束间的蒸汽水分子 以气流的方式高速瞬间释放出来 , 也会使纤维素的微纤丝及
晶胞间产生摩擦和碰撞 ,使晶区变小 , 可及的晶区表面增大 , 非晶区和晶区的氢键发生断裂和重排 。
2
一
2
2
.
2
。
1
处理条件对剑麻组分分离效果的影响
处理温度 、 压力及维压时间对剑麻纤维各组分得率的影响 蒸汽温度和维压时间是影响处理效
果的重要因素 , 二者具有协同作用 。 国内外研究者一般使用处理强度指数 10班。表示这种时间与温度的
对数函数关系 1 。 表 l 为不同处理强度
条件下剑麻纤维的组分含量质量分数测
定分析结果 。 从表中样品 1礴 可看出 : 随
着处理强度从 3 . 23 到 4 . 89 的逐渐增大 ,
样品中不溶物得率逐渐降低 , 从 64 . 28 %
降低到 42 . 48 % ; 水溶物从 3 . 56 %增加到
20
.
13 % ; 而 2 %碱溶物得率在爆破强度
指数 4 . 12 时为 1 . 05 % , 而强度指数为
4
.
89 时 , 又降低为 0 . 67 % 。
一般认为 18 , 在蒸汽爆破过程中 , 半
纤维素发生部分自水解作用转化成单糖
和低聚物 , 而木质素则降解成糖类和酚
类低聚物 。 高温条件下 , 半纤维素链上水
解下来的乙酞基生成乙酸又加剧了半纤
维素的糖昔键和木质素上 p · 酩键的水
解 。 因此 , 处理强度越大 , 则半纤维素的
水解 以及木质素的降解的程度越大 , 组
分分离的效果越明显 。 图 1 为爆破处理
后不溶组分中木质素和纤维素含量与爆
表 1 燕汽姗破处理条件及各组分得率 (质盆分数 lo/ 绝干原料 )
实验号 。 强度指数 、 )( lo妞0) 水溶物 2 % N a 0 H 碱溶物 不溶物
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a) 样品 l礴 号在 1% N a O H 中浸泡 24 b , 5 号样品在水中浸泡 24 h , 6 号样品
在质量分数为 17 .5 % 的 N a 0 H 中浸泡 24 h , 7 号样品在质量分数为 0 . 1 % 的
H : 5 0
. 中浸抱 Z h : b )爆破强度指数中 凡 = ` ex p (-T lX()l 14 . 7 5 ) ( t /m in ; e /℃ ) .
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圈 1
1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5
爆破强度月邢洱。 爆破强度 l o gR 。
娜破强度对组分不溶物中木质素(a) 、 纤维案 (b )含 t 的影响
破强度关系比较图 。 从图 1一 a 中看出 , 在未处理的原始剑麻纤维中 , 木质素含量为质量分数 19 . 83 % , 随
着爆破强度的增大 , 不溶物组分中木质素含量逐渐降低 ;在爆破强度 4 . 89 时 , 木质素含量为 9 , 09 % , 比
原始纤维中木质素含量减少了 50 % 。 从 图 卜 b 中可知 , 原始剑麻纤维的纤维素含量 为质量分数
5 .0 39 %
, 在强度为 3 . 23 的蒸汽爆破处理后 , 纤维素含量增加到 76 % 。 随着强度的增大 , 不溶物组分中
纤维素含量逐渐增大 。 在爆破强度 4 . 12 时 , 纤维素含量达到质量分数 80 . 58 % , 比原始剑麻纤维提高了
约 6 0 % 。 强度再增大时 , 纤维素含量则略有降低 , 其原因主要是强度太高时 , 纤维中纤维素发生了较大
程度的降解 。
.2 .2 2 爆破前的不同试剂预处理条件对木质素 、 纤维含量的影响 天然纤维素的分子链存在分子内和
分子间氢键 , 在固态聚集成不同水平的原纤结构 , 并采用多层次盘绕的方式构成高结晶性的纤维素纤
维 。 这样的形态结构 , 使试剂的可及程度较低 t l21 。 因此 , 在蒸汽爆破处理前 , 通过物理或化学的方法对剑
麻纤维进行预处理 以增加其活性表面积 , 改善微孔结构 , 促进水蒸气在其中的渗透 、 扩散和纤维素的润
3期 廖双泉等 : 燕汽爆破处理对剑麻纤维组分分离的影响
胀 , 能提高蒸汽爆破处理对组分分离的效果 。 笔者采用水 、
质量分数为 1 %的 N副OH 、 17 . 5 % N 川DH 和 0 . 1 % H Zso ; 对剑
麻纤维进行预浸泡处理 。 表 1 和表 2 分别为不同预浸泡处
理样品在蒸汽爆破处理后组分得率 、 不溶物组分中木质素 、
纤维素含量 。
从表 1 看出 , 经过质量分数为 0 . 1 % H sZ o ; 预浸泡处理
7 号试样中 , 不溶物组分得率为 43 . 17 % , 水溶物和 2 %
裹 2 不同预处理条件对不溶物中木质案 、 纤
维寮含 t 的影晌 (质量分数 l% )
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预处理条件
对 照
水
l % N 自O H
! 7
.
5 % N a 0 H
0
.
1% H : 5 0 ;
爆破强度 木质素含量 纤维素含量
19
.
8 3
9
.
7 1
1 1 2 1
4
、
8 1
6
.
9 3
N a O H 溶物得率较其他预处理方法高 。其原因为试样经过酸处理后 , 在爆破过程中加剧 了半纤维素的酸
水解和木质素的降解 ; 同时 , 纤维素链的断裂程度也加大 。在质量分数 17 . 5 % N a 0 H 处理的 6 号样品中 ,
不溶物和水溶物组分得率与质量分数为 0 . 1 % H ZSO ; 处理 7 号试样结果相近 , 但 2 %碱溶物得率较低 ,
这是由于在预浸泡过程中部分半纤维素和木质素组分溶解在碱液被除去的结果 。 而用水浸泡处理的 5
号试样和质量分数为 l % N a O H 浸泡处理的 1礴 号试样 , 组分分离效果则较差 。
表 2 为不 同预处理试样蒸汽爆破后不溶组分中木质素 、 纤维素含量质量分数测定分析表 。 与表 l 分
析结果相似 , 对于剑麻纤维的蒸汽爆破处理 , 爆破前使用质量分数为 0 . 1 % H ZS o ; 和 17 . 5 % Na 0 H 预浸
泡处理有利于组分分离 , 所得不溶组分中木质素含量较明显降低 , 纤维素含量有较大幅度的提高 。 而用
水浸泡和质量分数 1 % N aO H 浸泡处理的试样分离效果则较差 。
3 结 论
(1 )适当的蒸汽爆破处理能够有效降低剑麻纤维中木质素含量 、 提高纤维素含量 , 从而实现剑麻纤
维 的有效组分分离 。
(2 )在实验条件范围内 , 随着爆破强度的增大 , 剑麻爆破试样中不溶物组分得率降低 ; 水溶物得率提
高 ;稀碱溶物得率先增加 , 在爆破强度 4 . 12 时为最大值 , 强度再增大 , 又有所降低 。 不溶物组分 , 随着爆
破强度增大 , 组分中木质素含量逐渐降低 , 而纤维素含量则先增加 , 达到最大值后 , 又轻微降低 。
(3) 爆破前使用不同试剂预浸泡处理有利于组分分离 。在不同预处理试剂中 , 使用质量分数为 0 . 1 %
H ZSO
。 和质量分数为 17 . 5 % Na 0 H 预处理较水浸泡和质量分数为 1 % N a 0 H 效果好 。
参 考 文 献
1 唐爱民 , 梁文芷 .纤维素预处理技术的发展 .林产化学与工业 , 19 9 , 19 (4) :8 l铭 4
2 邻义明 .植物纤维化学 .北京 :中国轻工业出版社 , 19 97 . 75 刁 o
3 M SA O N W H
.
U S aP 招 n t . 1 6 5 5 6 18 ( 19 2 8 )
4 KE S s L ER R w ,B CE红 R U , K O HL ER .R S ot a m e x p losl n o f n ax 一 a SU邵 n o r 奴腼川u e ofr u pgar d in g 6城 va t讹 · iB o m as an d iB咖。任岁 ,
19 8
,
14 ( 3 ) : 2 3 7
~ 249
5 陈洪章 ,陈继贞 ,刘 健 ,等 .麦草蒸汽爆碎处理的研究 1 .纤维素科学与技术 , 19 9 ,7 ( 2) 活O币 7
6 陈洪章 ,李佐虎 麦草蒸汽爆碎处理的研究 n .纤维素科学与技术 , 1 , 9 ,7 ( 4) : l 4、 2 2
7 邵自强 .天然纤维素高压闪爆改性及其应用研究 :I博士后研究报告 J.北京 :北京理工大学 , 2 0( 刃
8 洪 枫 ,单 谷 , 孙伟东 ,等 .采用蒸汽爆破技术制备木低聚搪的尝试 .林产化工通讯 , 199 9 , 3 ( 6) : 3荀
9 廖双泉 ,邵自强 ,马凤国 ,等 .剑麻纤维蒸汽爆破处理研究 .纤维素科学与技术 , 20 2 , 1。 (6) : 4 5一 49
10 凡 I’n 朋d e z . oB lan os , eF l如 n B , eH喇ia A ( 为. acr t e拄翻d o n o f hte 11即i n o b面 n目 by a lak li加 d e li朗 i 6 e a t jo n an d o f tbe 伪 llu IO哭 如m
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o u se T吮h n o l o gy, 19 99, 6 8 : 12 1一 132 厂
l 一 价 i tz M , C a n , s c o F , uR b io M . hP ” ie 一 e hem ica l e baJ 旧 c te ir aZ tio n o f 11幼 o c c l lul o is e 和b s tar te s Per t r ae det via au to hy d or ly s is : an
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s
.
B io m a s s
,
19 87
,
13 : 2 55一 273
12 苏茂芜 , 由利丽 ,高 洗 ,液氨预处理对纤维素可及度和反应性的影响 . 纤维素科学与技术 , 19 8 , 6 (3) :今卜51
热 带 作 物 学 报 2 4卷
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