周姝敏

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430205）

菠蘿葉纖維由纖維素、果膠、有機(jī)物、木質(zhì)粉等主要成分組成，其中纖維素占57%[1-2]。土地、降雨量、濕度、肥料不同，纖維成分耐無(wú)機(jī)酸、氧化劑等的穩(wěn)定性也不同，脫膠工藝也會(huì)影響纖維的組織結(jié)構(gòu)與功能[3-4]。目前纖維脫膠工藝包括發(fā)酵法脫膠工藝、化學(xué)脫膠工藝、機(jī)器脫膠工藝、超聲波脫膠工藝、冷凍放射脫膠工藝等[5-6]。工業(yè)生產(chǎn)中最常用的是化學(xué)脫膠工藝與酶法脫膠工藝，同時(shí)安全環(huán)保將成為未來(lái)紡織纖維脫膠工藝的發(fā)展趨勢(shì)[7]。

本實(shí)驗(yàn)主要研究了酶法脫膠工藝與化學(xué)脫膠工藝處理后菠蘿葉纖維的結(jié)構(gòu)變化，并且分析了纖維性能的變化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

菠蘿葉纖維來(lái)源于廣東省湛江地區(qū)，從我國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院自行研制的CA-267 型菠蘿麻刮麻機(jī)中獲取，脫膠酶為市售商品，其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 脫膠工藝

1.2.1 化學(xué)脫膠工藝

在已有研究[8]的基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)脫膠工藝進(jìn)行改進(jìn)，過(guò)程為：預(yù)酸（硫酸1.6 g/L，浴比1∶8，60 ℃，浸泡1 h）→煮練（氫氧化鈉15 g/L，泡花堿3.0%，三聚磷酸鈉3.0%，脂肪醇聚氧乙烯醚0.2%，浴比1∶20，100 ℃，5 h）→酸洗（硫酸15 g/L）→水洗→脫水→精煉（氫氧化鈉150 g/L，50 min）→酸洗（硫酸15 g/L）→水洗→脫水→膏油（膏油程度2%，100 ℃，1 h）→脫水→抖麻→晾干。

1.2.2 酶法脫膠工藝

菠蘿葉纖維預(yù)浸泡（60 ℃，1 h）→酶脫膠（10%酶適量，60 ℃，pH 為9.0，磷酸鹽0.2 mol/L，晃動(dòng)5 h）→敲擊→洗滌→漂白（過(guò)氧化氫20%，泡花堿3.0%，100 ℃，20 min）→給油（給油量5%，100 ℃，1 h[9]）→晾干。

1.3 測(cè)試

1.3.1 纖維組織形狀結(jié)構(gòu)

將樣本放置于纖維切割器中切割，將切割樣品鋪在樣品臺(tái)上，通過(guò)真空濺射鍍金后，采用S-5000型掃描電子顯微鏡觀察纖維表面與截面的微觀形貌。

1.3.2 傅立葉紅外光譜

選取2 mg 樣本和250 mg 干燥的溴化鉀，在玻璃瓶中混合攪勻，充分研磨后壓片，將錠片取出，放置于固體標(biāo)本檢測(cè)臺(tái)上，使用Spectrum GX-1 型紅外光譜儀進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)范圍5 000～500 cm-1。

1.3.3 熱性能

把樣本撕成碎片后放入標(biāo)本池中，平衡后使用STA 450C/5/G 型熱分析儀進(jìn)行TG/DTG/DSC 圖譜檢測(cè)。檢測(cè)條件：溫度30～750 ℃，升溫速率15 ℃/min，空氣氛圍，氣流速度55 mL/min。

1.3.4 力學(xué)性能

按照GB/T 18147.56—2500 進(jìn)行分裂度檢測(cè)；按照GB/T 18147.4—2500進(jìn)行纖細(xì)程度檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 形狀組織結(jié)構(gòu)

酶法脫膠（a）以及化學(xué)脫膠（b）菠蘿葉纖維的表面組織見(jiàn)圖1。

圖1 酶法脫膠（a）以及化學(xué)脫膠（b）菠蘿葉纖維的表面組織

由圖1可知，使用酶法工藝與化學(xué)工藝進(jìn)行脫膠后，菠蘿葉纖維呈現(xiàn)束狀平行排列，并且無(wú)彎曲，表面凹槽明顯，高低不平。酶法工藝脫膠的菠蘿葉纖維間隔度較小，表面被較厚的包裹層遮蓋，雜質(zhì)較多；化學(xué)工藝脫膠的菠蘿葉纖維表層有小孔，和纖維空隙相連，表層有枝節(jié)，條紋顯著，纖維間隔度較佳，雜質(zhì)較少。

2.2 傅立葉紅外光譜

由圖2可知，酶法脫膠的菠蘿葉纖維在3 322.99 cm-1處有較大的吸收峰，為O—H的伸縮振動(dòng)吸收帶，該吸收帶比較寬，與化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維差異較大，化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維吸收帶較小，這與化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維表層有氫鍵存在相關(guān)。2 902.14 cm-1（C—H 伸縮振動(dòng)）、2 162.50 cm-1（C—O 伸縮振動(dòng)）、1 626.68 cm-1（吸附水）、1 430.03 cm-1（—CH2—伸縮振動(dòng)）、1 318.94 cm-1（C—H 伸縮振動(dòng)）、1 026.86 cm-1（環(huán)狀醚鍵的C—O 伸縮振動(dòng)）處的吸收峰與化學(xué)脫膠差異不明顯。1 800～1 200 cm-1處的紅外光譜有顯著差別，酶法脫膠的菠蘿葉纖維在1 026.86 cm-1處的吸收峰比化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維高，這與酶法脫膠過(guò)程中的部分成分有關(guān)。

圖2 酶法脫膠菠蘿葉纖維的紅外光譜

2.3 TG、DTG

脫膠后的菠蘿葉纖維在空氣與氮?dú)夥諊械慕馕鲞^(guò)程大致相同，都分為3個(gè)階段：（1）纖維的失水過(guò)程，主要為樣品中吸附水的升華；（2）熱分解過(guò)程，纖維素組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化直至分裂，期間產(chǎn)生某些可揮發(fā)有機(jī)物或不穩(wěn)定有機(jī)物；（3）熱分解直至炭化。由表1可知，在空氣與氮?dú)夥諊?，化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維水分升華溫度均低于酶法脫膠，這主要與酶法脫膠的菠蘿葉纖維表層的半纖維素等消失有關(guān)。相關(guān)報(bào)道指出，纖維凝結(jié)度越大，吸收的水分子就越少，水分子將在更低的溫度中升華?；瘜W(xué)脫膠的菠蘿葉纖維在空氣與氮?dú)夥諊械臒釗p耗溫度與酶法脫膠大致相同?；瘜W(xué)脫膠的菠蘿葉纖維在空氣中的熱解析溫度高于酶法脫膠，這極有可能是因?yàn)槊阜撃z過(guò)程中出現(xiàn)該溫度范圍內(nèi)不容易解析的雜質(zhì)。除水分質(zhì)量損耗外，化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維質(zhì)量損耗與酶法脫膠大致相同。TG、DTG 研究結(jié)果表明，脫膠工藝對(duì)菠蘿葉纖維的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，但影響并不明顯。

表1 菠蘿葉纖維的TG、DTG研究結(jié)果

2.4 DSC

由表2可以看出，酶法脫膠的菠蘿葉纖維DSC曲線在空氣中出現(xiàn)兩個(gè)放熱峰，第一個(gè)放熱峰開(kāi)始溫度（326.7 ℃）和化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維（324.6 ℃）并無(wú)顯著差別，此時(shí)纖維的組織結(jié)構(gòu)開(kāi)始改變，直至達(dá)到最高溫度346.6 ℃，這一階段纖維的熱分解產(chǎn)生在無(wú)定形區(qū)。404.6 ℃時(shí)產(chǎn)生高而窄的第二個(gè)放熱峰，直至達(dá)到最高溫度415.2 ℃，這可能是因?yàn)槔w維組織內(nèi)部無(wú)定形區(qū)縮小，有序度增加并進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，分子于晶體表層與晶體組織內(nèi)部重新排序，伴隨著溫度升高有序度不斷提高，纖維分解產(chǎn)生某些低分子質(zhì)量容易燃燒的有機(jī)物，進(jìn)而放熱量升高。化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維在324.6 ℃開(kāi)始產(chǎn)生第一個(gè)放熱峰，直至達(dá)到最高溫度338.9 ℃，431.2 ℃時(shí)產(chǎn)生第二個(gè)放熱峰，直至達(dá)到最高溫度439.1 ℃。化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維放熱量（1 299.0、1 194.0 J/g）均高于酶法脫膠纖維（629.1、1 139.0 J/g）。

在氮?dú)夥諊?，酶法脫膠的菠蘿葉纖維在43.4～118.2 ℃的吸熱峰為水分子升華產(chǎn)生，因?yàn)樗趾可?，所以產(chǎn)生一個(gè)吸熱峰，吸熱量為69.7 J/g；化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維無(wú)顯著的吸熱峰，這與TG、DTG研究結(jié)果一致。除此之外，酶法脫膠的菠蘿葉纖維在333.1～377.5 ℃產(chǎn)生第二個(gè)吸熱峰，355.4 ℃為最高溫度，吸熱量為340.6 J/g；化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維在344.6～371.2 ℃有吸熱峰，358.8 ℃為最高溫度，吸熱量為236.4 J/g?；瘜W(xué)脫膠的菠蘿葉纖維熱解析起始溫度高于酶法脫膠，這可能是因?yàn)榛瘜W(xué)脫膠過(guò)程中有熱穩(wěn)定性較好的物質(zhì)產(chǎn)生。纖維在這一階段發(fā)生分解，需要吸收熱量，吸熱量越大，穩(wěn)定性越好。

表2 菠蘿葉纖維的DSC研究結(jié)果

2.5 力學(xué)性能

由表3可知，酶法脫膠的菠蘿葉纖維線密度大于化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維，這是由于在進(jìn)行酶法脫膠的過(guò)程中，部分果膠分解，半纖維素等膠體剔除程度較低，因而具備較低的分裂度，酶作用于纖維較為溫和，進(jìn)而斷裂強(qiáng)度損耗較低；而化學(xué)脫膠通過(guò)較強(qiáng)的酸堿作用，分裂度較佳，線密度較低，但會(huì)損傷纖維，降低斷裂強(qiáng)度。菠蘿葉纖維通過(guò)酶法脫膠后需要進(jìn)一步處理才能符合紡細(xì)特紗的要求。

表3 菠蘿葉纖維的力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）酶法脫膠的菠蘿葉纖維呈現(xiàn)束狀平行排列，并且無(wú)彎曲，有凹槽，表層高低不平，和化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維相比表層粗糙，間隔度較小，雜質(zhì)較多。

（2）酶法脫膠的菠蘿葉纖維除具備纖維素的特點(diǎn)外，半纖維素的特征峰依舊存在，纖維純度較低。

（3）酶法脫膠的菠蘿葉纖維熱分解機(jī)制與化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維大致相同，在空氣氛圍中，第3 階段熱分解開(kāi)始時(shí)，溫度比化學(xué)脫膠低；兩種脫膠工藝在氮?dú)夥諊械臒岱纸鉁囟却笾孪嗤?。酶法脫膠的菠蘿葉纖維在空氣氛圍中的熱分解放熱量比化學(xué)脫膠菠蘿葉纖維高。酶法脫膠的菠蘿葉纖維熱穩(wěn)定性比化學(xué)脫膠的菠蘿葉纖維好。

（4）酶法脫膠的菠蘿葉纖維分裂度比較大，線密度比較高，需要進(jìn)一步處理來(lái)提升紡紗性能。