玉米秸皮纖維提取工藝的研究

常 江，黃繼偉，丁廣建，高雪純，牛 婷，王 璐

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028)

玉米秸皮纖維提取工藝的研究

常 江，黃繼偉，丁廣建，高雪純，牛 婷，王 璐

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028)

為了解決玉米秸皮纖維在造紙過程中出現(xiàn)的纖維分絲帚化不充分，顏色發(fā)黃等問題，改善玉米秸皮紙的質(zhì)量，采用單因素試驗方法對玉米秸皮纖維的提取流程進(jìn)行了試驗分析，試驗結(jié)果表明在堿法處理過程中，堿煮時間、料液比和氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都對玉米秸皮纖維的提取以及纖維質(zhì)量產(chǎn)生影響.試驗室纖維提取的較優(yōu)參數(shù)是：堿煮時間60 min、料液比1∶30、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%.本方法能夠明顯改善纖維提取質(zhì)量，纖維分絲帚化效果較好.

玉米秸皮；堿處理；纖維提取

玉米作為我國主要種植的農(nóng)作物，產(chǎn)量巨大，玉米秸稈的產(chǎn)量也非常的可觀.我國每年產(chǎn)生的玉米秸稈量大，但是利用率低，其中的絕大部分玉米秸稈被焚燒處理掉，嚴(yán)重的影響了環(huán)境質(zhì)量[1].玉米秸稈由秸皮、穰芯和玉米葉三個部分以一定的比例組成，葉與穰芯質(zhì)量超過了玉米秸稈總質(zhì)量的60%.三個部分所含各成分的質(zhì)量也都不相同，秸皮和穰芯相比，穰芯中所含的木素相對較多，然而大量的木素可能導(dǎo)致纖維的強(qiáng)力降低，并且顏色變黃，最終會影響到紙張的力學(xué)性能與白度值.穰芯中含有淀粉、糖類、蛋白質(zhì)和脂肪等.秸皮中所含木素量少，且纖維素含量比重較高，與木材纖維素含量相差不大，可作為很好的造紙原料[2].

因此，通過一定的工藝方法將玉米秸皮中的纖維提取出來，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)變成可以進(jìn)一步使用的纖維原料，既可以有效提高纖維類材料質(zhì)量，又可以充分利用玉米廢棄物，減少秸稈焚燒污染[3-6].

1 玉米秸皮纖維提取試驗流程

1.1 試驗材料

本研究所用材料來源于黑龍江阿城，為正常生長玉米秸稈，收獲后先在室外通風(fēng)處豎立堆積，經(jīng)過兩個月左右的自然風(fēng)干后，收集作為試驗材料.秸稈試樣形態(tài)完好，顏色正常，無明顯破損和霉變，株高為 2 200～2 500 mm，直徑為 20～37 mm，平均含水量為10%左右.

1.2 試驗流程

根據(jù)玉米秸稈纖維特征，選擇堿法預(yù)處理和次氯酸鈉漂白處理方法對玉米秸皮進(jìn)行提取.其工藝流程如下：玉米秸稈→玉米秸皮→剪碎、切段→浸泡→氫氧化鈉溶液蒸煮→洗滌→打漿→過濾→紙張[7].

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 堿處理時間纖維分解的影響

按堿煮時間的不同分為30、40、50、60、70 min做5組試驗.氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，料液比為1∶25.

在200倍顯微鏡下分別觀察不同時間處理后原纖維的纖維狀態(tài).多點觀察分別取出每個樣品最具代表的狀態(tài)圖，見圖1.

圖1 堿煮時間對纖維細(xì)化的影響

由圖1可知，隨著堿煮時間的延長，玉米秸皮中木素溶出的越多，纖維的分解越充分，堿煮30 min纖維基本連在一起，分解效果不明顯；30～60 min之間，能在顯微鏡下明顯的觀察到纖維分叉的越來越多；60 min和70 min通過顯微鏡下觀察變化不大，分解基本達(dá)到最佳狀態(tài).

通過對不同堿處理時間后纖維平均直徑進(jìn)行測量分析，如圖2所示.

圖2 堿煮時間-纖維直徑曲線

由圖2可知，堿煮時間對纖維直徑的影響較大，隨著堿煮時間的增加，木素結(jié)構(gòu)單元間的鍵斷裂的越嚴(yán)重，纖維直徑越小，玉米秸皮分解的越完全.堿煮時間在30～40 min之間時，纖維直徑變化較快，40～60 min之間秸皮纖維直徑減小變緩，但一直以可測的速度在減??；60～70 min之間纖維直徑基本沒有變化.

綜合比較不同堿煮時間纖維的狀態(tài)和纖維直徑變化，可以發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，堿煮時間越長，玉米秸皮中木素溶出的越多，玉米秸皮分解的越充分.當(dāng)堿煮時間達(dá)到60 min時，再增加時間纖維基本無變化，因此，最佳堿煮時間為60 min.

2.2 堿煮料液比對纖維分解的影響

按堿煮料液比的不同分為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50做5組試驗.氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%，堿煮時間為55 min.

在200倍顯微鏡下分別觀察堿煮料液比為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50原纖維狀態(tài).多點觀察分別取出每個樣品最具代表的狀態(tài)圖，結(jié)果見圖3.

圖3 堿煮料液比對纖維細(xì)化的影響

由圖3可見，堿煮過程中氫氧化鈉溶液和玉米秸皮的料液比對玉米秸皮些微分解影響較為明顯.隨著料液比的增加玉米秸皮纖維中木素容初的越多，纖維分解的越充分，當(dāng)料液比為1∶10時，纖維看不見分叉，在料液比為1∶20～1∶40之間明顯的看到纖維細(xì)絲變多，此過程分解明顯；當(dāng)料液比為1∶50時與1∶40無明顯區(qū)別.

通過對不同堿處理時間后纖維平均直徑進(jìn)行測量分析，如圖4所示.

圖4 堿煮料液比-纖維直徑曲線

從圖4可知，堿煮料液比對纖維直徑有影響，隨著堿煮料液比的增大，木素結(jié)構(gòu)單元間的鍵斷裂的越嚴(yán)重，纖維直徑越小，玉米秸皮分解越好.堿煮料液比在1∶10～1∶30之間時，纖維直徑變化較快，在1∶30～1∶40之間秸皮纖維直徑變化最大差值為0.001基本可以忽略，之后在60～70 min之間纖維直徑保持持平狀態(tài).

綜合比較不同堿煮料液比纖維的狀態(tài)和纖維直徑的變化，可以發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，堿煮料液比越大，玉米秸皮中木素溶出的越多，纖維直徑越來越小，秸皮纖維分解的越好.當(dāng)堿煮料液比達(dá)到1∶30后，再增加料液比纖維直徑基本無變化，因此，根據(jù)實際情況可以確定最佳堿料液比為1∶30.

2.3 堿煮氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維分解的影響

按堿煮時不同的氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、8%、10%、12%、14%做5組試驗.堿煮時間55 min，料液比1∶25.

在200倍顯微鏡下分別觀察堿煮氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%、10%、12%、14%原纖維狀態(tài).多點觀察分別取出每個樣品最具代表的狀態(tài)圖，結(jié)果見圖5.

根據(jù)圖片可觀察到氫氧化鈉的用量對玉米秸皮纖維分解效果較大，隨著氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，玉米秸皮纖維中木素溶出的越多，當(dāng)氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%之間時，纖維還成團(tuán)簇在一起，分解不明顯；之后隨著氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，玉米秸皮纖維分叉越多；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%～14%之間時，顯微鏡下觀察不出特別的變化.

通過對不同堿處理時間后纖維平均直徑進(jìn)行測量分析，如圖6所示.

圖5 堿煮氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維細(xì)化的影響

圖6 堿煮氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)-纖維直徑曲線

由圖6可知，堿煮過程中氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維直徑有顯著影響，隨著氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，木素結(jié)構(gòu)單元間的鍵斷裂的越嚴(yán)重，纖維直徑越小，玉米秸皮分解的越細(xì)化.堿煮時氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%～8%之間時，纖維直徑變化較快；在8%～12%之間秸皮纖維直徑變化更加明顯；氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從12%增加到14%，纖維直徑差值為0.003基本可以忽略.

綜合比較在不同氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液中纖維的狀態(tài)和纖維直徑的變化，可以發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，玉米秸皮中木素溶出的越多，纖維直徑越來越小，秸皮纖維細(xì)化的越好.當(dāng)堿煮氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%后，再增加料液比纖維直徑基本無變化，因此，根據(jù)實際情況可以確定最佳堿煮氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%.

3 結(jié) 論

1)玉米秸皮堿煮過程，堿煮時間、料液比和氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都對玉米秸皮產(chǎn)生影響.在一定范圍內(nèi)，堿煮時間越長、料液比越大、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高玉米秸皮分解的越好.

2)考慮到實際情況，為了節(jié)約資源、降低對環(huán)境的污染以及節(jié)約成本的前提，我們得出試驗室的纖維提取的較優(yōu)參數(shù)是∶堿煮時間60min、料液比1∶30、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%.

[1] 唐國濤, 邢沙沙, 黃榕彬, 等. 我國造紙用農(nóng)業(yè)秸稈資源現(xiàn)狀[J]. 中國造紙, 2014, 33(3): 56-60.

[2] 崔 明, 趙立欣, 田宜水, 等. 中國主要農(nóng)作物秸稈資源能源化利用分析評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2008(12): 291-296.

[3] 程合麗, 詹懷宇, 李兵云, 等. 玉米稈纖維形態(tài)和制漿漂白特性研究[J]. 造紙科學(xué)與技術(shù), 2008, 27(6): 76-79.

[4] 張 敏, 芳 芳, 李成濤, 等. 不同處理方法及改性劑對秸稈纖維/PBS復(fù)合材料性能的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2011, 28 (1): 57-60.

[5] 韓曉誼, 陳 倩, 梁列峰. 富含纖維素類植物的纖維提取[J]. 研究開發(fā), 2011(13): 13-15.

[6] 程士潤, 黃 晨, 張 璐. 堿煮法提取稻秸稈纖維的工藝及性能探討[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2010(7) : 16-19.

[7] 譚 微, 常 江, 邊智琦, 等. 玉米秸稈造紙工藝的分析研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2015, 31(4): 457-464.

Study on extraction of corn straw fibre

CHANG Jiang, HUANG Ji-wei, DING Guang-jian, GAO Xue-chun, NIU Ting, WANG Lu

(School of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

In order to solve the emergence of the insufficient fiber wire brush, the yellow color and other issues in making paper of corn stalk bark fiber, and improve the quality of corn stalk bark paper, this paper studied the extraction process of corn stalk bark fiber,by using the single factor test method in this paper. The test results showed that alkali concentration boiling time and ratio of material to liquid and sodium hydroxide mass fraction influenced the extraction of corn straw fiber and the quality of fiber in the alkali treatment process. The best parameters of fiber extraction in laboratory were as follows. The alkali boiling time was 60 min, material liquid ratio was 1∶30, and sodium hydroxide mass fraction was 12%. This method can significantly improve the extraction quality of fiber, and the fiber wire brush effect is improved obviously.

corn stalk bark; alkali treatment; fiber extraction

2016-06-15.

哈爾濱商業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(201510240042)

常 江(1982-)，男，博士，講師，研究方向：生物質(zhì)包裝印刷材料.

TS72

A

1672-0946(2017)01-0069-04