全 文 ：第 10卷第 1期
2002年 3月

纤 维 素 科 学 与 技 术
Journal of Cellulose Science and Technology
Vol.10 No.1
Mar. 2002

文章编号：1004-8405（2002）01-0045-05
剑麻纤维蒸汽爆破处理研究*
廖双泉 1 邵自强 1 马凤国 1 廖建和 2 谭惠民 1
（1北京理工大学化工与材料学院 北京 100081）
（2华南热带农业大学工学院 海南儋州 571737）

文 摘：采用蒸汽爆破处理技术处理剑麻纤维,分析阐述了蒸汽爆破处理过程
及原理。通过化学分析方法及扫描电镜、红外光谱、X—射线衍射等现代分析
手段分析蒸汽爆破处理前后剑麻纤维化学组分和形态结构的变化。结果表明，
蒸汽爆破处理技术能够实现剑麻纤维各组分的有效分离，减少杂质成分，提高
纤维素含量；同时，蒸汽爆破处理能改善剑麻纤维的形态结构，提高化学试剂
的可及度，改善化学反应性能。
关键词：剑麻纤维，蒸汽爆破，组分分离
中图分类号: TQ352.6 文献标识码：A


纤维素是自然界中最为丰富的可再生资源，每年通过光合作用可合成约 1000×109吨［1］。
近年来，随着石油、煤炭储量的下降，特别是 80年代以来，随着各国对环境污染问题的日
益关注和重视，纤维素的应用越来越受到重视。剑麻是一种重要的热带经济作物，也是植物
纤维的重要来源之一。据统计，我国剑麻种植面积约为 1.5万公顷，可年产纤维 3.7万吨［2］。
由于剑麻纤维属于硬质纤维，杂质含量高，结晶度和取向度较高，化学反应性能差，因此目
前仅用于制造棕绳、地毯和活性炭纤维［3］，而其它方面的研究及应用则较少报道。
充分有效利用纤维素这一丰富的自然资源的重要步骤是植物纤维的高效分离和对植物
纤维进行适当的预处理。本文采用近年来发展较快、比较有效、低成本、无污染的蒸汽爆破
技术处理剑麻纤维［4~8］。通过蒸汽爆破处理过程及原理和处理前后剑麻纤维组成和结构的分
析，探索了蒸汽爆破处理技术在热带植物纤维处理领域的应用，同时为剑麻纤维的进一步研
究和利用提供基础。
1 实验部分
1.1 材料与装置
剑麻纤维由海南省东方国营红泉农场提供。
实验蒸汽爆破装置自制，主要由蒸汽发生器、汽爆罐和接收器三部分组成（图 1）。

收稿日期：2001-08-13
廖双泉，男，27岁，博士研究生。主要从事热带天然纤维素改性及利用的研究。


DOI:10.16561/j.cnki.xws.2002.01.008
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图 1 蒸汽爆破装置示意图
1 蒸汽发生器 2 支架 3 汽爆罐 4 接收器 5 卸压阀门 6 压力表
1.2 试验过程
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，待汽爆罐压力恒定到所需值后，保压一定时间。而后突然打开
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。
1.3 测定方法
化学分析参照国家标准 GB5889-86苎麻化学成分的定量分析方法［9］。
扫描电镜分析：日本 S-570扫描电子显微镜。
红外光谱分析：美国 FTIR PE-1600红外光谱仪，KBr压片，扫描范围 4000~400 cm-1。
X-射线衍射分析：日本理学公司 D/max-RBX-光衍射仪，铜靶管，扫描范围 10~40°。
2 结果与讨论
2.1 处理前后剑麻纤维化学组分分析
剑麻纤维属于硬质纤维，除含有纤维素外，还含有较多的半纤维素、木质素、果胶质等
非纤维素成分。这些非纤维素成分的存在使得剑麻纤维质地刚硬、化学试剂可及度低、化学
反应性能差，因而大大限制其发展应用。充分有效利用剑麻纤维的首要任务就是减少其杂质
成分，提高纤维素含量。
表 1 剑麻纤维处理前后纤维素含量分析
组分含量/% 未处理 剑麻纤维
碱煮处理
剑麻纤维
蒸汽爆破处理
剑麻纤维
纤维素含量 54.30 62.83 84.54
木质素含量 9.09 9.64 3.61
其它含量 36.61 27.53 11.85
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表 1为剑麻纤维经蒸汽爆破处理和碱煮处理前后杂质及纤维素含量分析表。从表中可看
出，未处理剑麻纤维的纤维素含量仅为 54.30%，非纤维素含量较高。经过碱煮处理后，由
于纤维中纤维素、半纤维素、木质素等对碱的稳定性不同而去除部分杂质，使其纤维素含量
提高到 62.83%。而蒸汽爆破处理纤维原料后，其纤维素含量得到明显的提高，达到 84.54%。
实现了原料组分的有效分离，有利于进一步的研究和应用。
2.2 蒸汽爆破处理前后剑麻纤维形态结构分析
2.2.1 扫描电镜观察
图 2为处理前后剑麻纤维的扫描电镜照片。从图中可直观看出，未处理剑麻纤维（A图）
中，纤维直径较大，表面粗糙并粘附着较多的杂质颗粒；经过碱煮处理后（B 图），纤维表
面杂质已除去，表面光滑，但整个纤维束状结构没有发生变化；而在 C 图蒸汽爆破处理样
品图中可以看出，纤维形态结构发生明显的变化，纤维变细变小，表面裂纹增多，比表面积
增大。这表明，蒸汽爆破处理不仅能除去纤维表面杂质，而且由于处理后纤维木质素含量的
降低使得纤维束间结合力减弱，综合处理过程中类机械断裂、热降解及氢键破坏作用，使纤
维中纤维素、半纤维素和木质素各组分分离，纤维结构出现明显变化。


A 未处理（600倍 ） B 碱煮处理（150倍） C 蒸汽爆破处理（2000倍）
图 2 剑麻纤维扫描电镜图
2.2.2 红外光谱分析
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
C
B
A
A
bs
or
ba
nc
e
Wavenumbers / cm- 1

图 3 剑麻纤维处理前后红外光谱图
A 未处理样品 B 碱煮处理样品 C 蒸汽爆破处理样品
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纤维的红外光谱较为复杂，目前较多仅用于简单的定性评估。据资料表明［8,10,11］ ，在
纤维原料的红外光谱中，β-D-葡萄糖苷的特征峰为 895 cm-1的吸收峰；木质素的特征峰为
1510 cm-1和 1600 cm-1处的芳环振动吸收；1736 cm-1处的吸收峰则为半纤维素的特征峰。图
3为处理前后剑麻纤维红外光谱图。比较各谱线可知，剑麻纤维经过蒸汽爆破处理后，没有
新的化学结构和功能性基团生成，试样的主体化学结构没有明显变化。但 895 cm-1和 2920
cm-1处的吸收有所增强，在 1600 cm-1处的吸收峰减弱，更加突出纤维素的特征吸收。
2.2.3 X—射线衍射分析
从图 4可看出，未处理样品衍射图中，含有较多的非结晶背景衍射的散射强度；经过处
理后的样品衍射图中，代表结晶区强度的 002面衍射峰较为尖锐，说明经过处理后，剑麻纤
维形成比较完整的结晶晶格，表观结晶度有所提高，这与多数研究结果相一致［8,10］，其机理
尚待进一步研究。可能是在高温、高压下，木质素的结合力减弱，氢键力减小，纤维素链的
可动性增加，纤维结晶区重排，有序度增大，导致表观结晶度增大。
10 15 20 25 30 35 40
C
B
A
In
te
ns
ity
/
cp
s
2Theta /（°）

图 4 处理前后剑麻纤维 X-射线衍射图
A 未处理样品 B 碱煮处理样品 C 蒸汽爆破处理样品
2.3 蒸汽爆破作用原理分析
蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸汽处理纤维原料，并通过瞬间泄压过程实现原料的组
分分离和结构变化。可以认为，在蒸汽爆破过程中存在以下几方面作用。
类酸性水解作用及热降解作用：蒸汽爆破过程中，高压热蒸汽进入纤维原料中，并渗
入纤维内部的空隙。由于水蒸汽和热的联合作用产生纤维原料的类酸性降解以及热降解，低
分子物质溶出，纤维聚合度下降。
类机械断裂作用：在高压蒸汽释放时，已渗入纤维内部的热蒸汽分子以气流的方式从
较封闭的孔隙中高速瞬间释放出来，纤维内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动，使纤维发生一
定程度上的机械断裂。这种断裂不仅表现为纤维素大分子中的键断裂，还原端基增加，纤维
素内部氢键的破坏，还表现为无定形区的破坏和部分结晶区的破坏。
氢键破坏作用：在蒸汽爆破过程中，水蒸汽渗入纤维各孔隙中并与纤维素分子链上的部

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分羟基形成氢键。同时高温、高压、含水的条件又会加剧对纤维素内部氢键的破坏，游离出
新的羟基，增加了纤维素的吸附能力。瞬间泄压爆破使纤维素内各孔隙间的水蒸汽瞬间排除
到空气中，打断了纤维素内的氢键。分子内氢键断裂同时纤维素被急速冷却至室温，使得纤
维素超分子结构被“冻结”，只有少部分的氢键重组。这样使溶剂分子容易进入片层间，而
渗入的溶剂进一步与纤维素大分子链进行溶剂化，并引起残留分子内氢键的破坏，加速了葡
萄糖环基的运动，最后导致其它晶区的完全破坏，直至完全溶解。
结构重排作用：在高温、高压下，纤维素分子内氢键受到一定程度的破坏，纤维素链的
可动性增加，有利于纤维素向有序结构变化。同时，纤维素分子链的断裂，使纤维素链更容
易再排列。
3 结 论
（1）蒸汽爆破技术在处理剑麻纤维中的应用，能实现剑麻纤维各化学组分的有效分离，
利于降低杂质含量，提高纤维素含量。
（2）扫描电镜观察和图谱分析表明，剑麻纤维经过蒸汽爆破处理后，其形态结构发生较
大的变化，纤维蓬松，比表面积增大，氢键减少，结构重排，有利于提高试剂的可及度，增
强化学反应性能。
（3）蒸汽爆破处理的主要原理是利用高温高压热蒸汽作用于纤维原料，并通过瞬间爆破
过程实现其类酸性水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏和结构重排的综合作用。

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, 1999,19（4）：81~84
2 郑贻春．剑麻加工．海南儋州：华南热带农业大学出版社，1995
3 陈水挟，曾汉民，陆耘．高效吸附分离功能纤维及其应用．材料科学与工程，1999,17
（3）：1~13
4 MASON W H. U S Patent. 1 655 618（1928）
5 曲音波，高培基，赵 昕等．纤维素类废弃物生物转化技术研究进展. 纤维素科学与技术,
1997,5（2）：1~9
6 R Ｗ KESSLER, U BECKER, R ＫOHLER．Steam explosion of flax—a superior
technique for upgrading fibre value. Biomass and Bioenergy，1998,14（3）： 237~249
7 陈洪章，陈继贞，刘健等．麦草蒸汽爆碎处理的研究. Ⅰ. 影响麦草蒸汽爆碎处理因素
及其过程分析. 纤维素科学与技术, 1999, 7（2）：60~67
8 陈洪章, 李佐虎．麦草蒸汽爆碎处理的研究. Ⅱ. 麦草蒸汽爆破处理作用机制分析. 纤维
素科学与技术, 1999, 7(4)：14~22
9 苎麻化学成分的定量分析方法．国家标准 GB5889-86[S]
10 邵自强．天然纤维素高压闪爆改性及其应用研究．北京理工大学博士后研究报告, 2000
11 邬义明．植物纤维化学．北京：中国轻工业出版社, 1997
（下转第56页）
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25 Lytle B, Wu J H. Involvement of both dockerin subdomains in assembly of the Clostridium thermocellum
cellulosome. J Bacteriol, 1998, 180(24): 6581~6585
26 Ciruela A, Gilbert H J, Ali B R, et al. Synergistic interaction of the cellulosome integrating protein (CipA)
from Clostridium thermocellum with a cellulosomal endoglucanase. FEBS Lett ,1998, 422(2): 221~224
27 Shimon L J, Pages S, Belaich A, et al. Structure of a family IIIa scaffoldin CBD from the cellulosome of
Clostridium cellulolyticum at 2.2 A resolution. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr,2000,56 Pt 12:1560~1568
28 Leibovitz E, Ohayon H, Gounon P, et al. Characterization and subcellular localization of the Clostridium
thermocellum scaffoldin dockerin binding protein SdbA. J Bacteriol, 1997, 179(8): 2519~2523
29 Leibovitz E, Beguin P. A new type of cohesin domain that specifically binds the dockerin domain of the
Clostridium thermocellum cellulosome-integrating protein CipA. J Bacteriol, 1996, 178(11): 3077~3084
Structure and Functions of Bacterial Cellulosome
Hou Aihua Wu Binhui
(State Key Laboratory of Microbial Technology, Shandong University, Jinan 250100, China)
Abstract: Cellulosome, attached by adhering proteins to cell walls of bacteria, is a cellulolytic
multienzyme complex organized with anchoring and adhering various proteins. The molecular
weight of the organelle is 2.0´106 to 2.5´106 Da. It shows strong ability to degrade nature
cellulose materials. The structure and functions of cellulosome is an important model for us to
understand the interactions of proteins in prokaryotes and bacterial degradation of cellulose.
Key words: cellulosome, structure, cellulose-degradation


（上接第49页）
Studies on Steam Explosion of Sisal Fibers
Liao Shuangquan 1 Shao Ziqiang 1 Ma Fengguo1 Liao Jianhe2 Tan Huimin1
(1 School of Chemical Engineering & Materials, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
(2 School of Technology, South China University of Tropical Agriculture, Hainan Danzhou 571737, China)
Abstract: The process and mechanism of steam explosion of sisal fibers were studied. The
structure and chemical composition were investigated by chemical method, SEM, IR and X-ray
diffraction. Results show that the chemical composition of sisal fibers treated by steam explosion
was separated effectively, and the content of cellulose was increased. The structure and the
reactive ability of the sisal fibers were improved after it was treated by steam explosion.
Key words: sisal fibers, steam explosion, fractionation