一种基于低共熔溶剂的一步苎麻脱胶提取精干麻纤维的方法与流程

本发明涉及一种基于低共熔溶剂的一步苎麻脱胶提取精干麻纤维的方法，属于天然纤维的制备
技术领域：
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背景技术：
：苎麻被称作中国草，是一种价值较高的韧皮纤维，具有拉伸强度高、外观光滑有光泽、可生物降解等优点。苎麻纤维是麻类作物中最长的单纤维，其长度范围为60～250mm。苎麻纤维内部有沟状空腔并且管壁多孔隙，因此苎麻制品具有优异的热传导功能，吸湿透气性好。同时苎麻纤维含有嘧啶、嘌呤等成分，对金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、大肠杆菌等菌种都有不同程度的抑制效果，具有防腐、防菌、防霉等功能。基于以上优点，苎麻纤维被公认为“天然纤维之王”，并被广泛应用于服装面料、纤维增强复合材料等领域。苎麻纤维中富含丰富的纤维素(65％-75％)和各种胶质成分(20％-30％)，其中胶质成分主要由半纤维素(14％-16％)、果胶(4％-5％)以及木质素(0.8％-1.5％)组成。这些胶质通过复杂的物理化学作用覆盖在纤维表面，构成纤维素纤维的外层屏障，并相互黏结在一起。为满足后续纺织工艺中对纤维细度、长度、强力等的要求，需要去除苎麻中的胶质成分。脱胶质量的好坏直接影响苎麻纤维的性能，从而影响后续的纺织加工工艺。因此，如何在不破坏纤维素纤维结构和性能的前提下，高效去除苎麻原麻中的胶质成分，是苎麻纤维实际应用的关键。现有的脱胶工艺主要有物理法、生物法、化学法和联合脱胶法。物理法脱胶主要是借助机械作用去除杂质，如利用微波、超声波等作为辅助手段，减少了化学药品用量和脱胶时间，但是设备成本高、能耗大且脱胶不彻底，不利于大规模应用；生物脱胶主要是利用细菌或者酶进行脱胶，对环境污染小，但是耗时长、成本高、脱胶效果不稳定，受到环境影响大；传统化学法主要是运用酸、碱或者氧化剂等化学试剂去除胶质，具有脱胶效果好、应用范围广等优点，但存在脱胶过程能耗大、时间长、环境污染大等弊端；联合脱胶法指将两种方法结合进行脱胶，包括生化联合、物化联合等，其脱胶过程较为充分、污染小，但也存在流程长、成本高等缺点。近年来，离子液体已被证明可用于生物质材料脱胶前处理，具有较好的应用前景，如公开号为cn112601819a的中国专利使用二胆碱与苯二甲酸盐组成的离子液体对木质纤维素生物质进行脱胶预处理，但由于离子液体存在生物毒性高、价格昂贵、熔融温度高等诸多缺点，制约了其广泛应用。与离子液体有很多相似特性的新一代绿色溶剂—低共熔溶剂自报道以来，在多种领域的应用引起了研究者的广泛关注。低共熔溶剂(des)是一类由氢键受体(hba)和氢键供体(hbd)组成的深度共熔混合物，其制备过程是通过将两种物质按照一定的比例简单地混合在一起，加热搅拌得到澄清透明的des，整个合成过程属于零排放，不会对环境造成污染。研究发现低共熔溶剂对生物质材料的预处理具有优异的效果，如公开号为cn110284200a的中国专利使用氯化胆碱与酰胺以及氯化胆碱与多元醇组成的低共熔溶剂对苎麻进行预处理。经过低共熔溶剂处理后的苎纤维残胶率较高，不能满足后续纺纱工艺的要求，该专利方法无法实现一步脱胶，仍需结合后道碱煮工序来提取优质的精干麻。技术实现要素：本发明解决的技术问题是：现有技术中经过低共熔溶剂处理后的苎麻纤维残胶率较高，不能满足后续纺纱工艺的要求，且无法实现一步脱胶，仍需结合后道碱煮工序来提取优质的精干麻等问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于低共熔溶剂的一步苎麻脱胶提取精干麻纤维的方法，包括以下步骤：步骤1：将作为氢键受体和氢键供体的两种试剂混合，加热搅拌，得到澄清透明的脱胶溶液，即低共熔溶剂；步骤2：在反应器中将苎麻原麻和脱胶溶液混合，然后在加热条件下进行脱胶处理；利用低共熔溶剂体系的化学特性充分去除苎麻原麻中的胶质成分；步骤3：将经脱胶处理所得的精干麻和脱胶溶液分离，将精干麻用清水反复洗涤，给油，干燥，开松并梳理，得到分散的精干麻纤维。优选地，所述步骤1中的氢键受体为氯化胆碱和乙胺盐酸盐中的至少一种，所述的氢键供体为尿素、咪唑和乙二醇中的至少一种。优选地，所述步骤1中的氢键受体和氢键供体混合的质量比为1:2～2:1；所述加热搅拌的温度为70～90℃。优选地，所述步骤2中的苎麻原麻和脱胶溶液混合的质量比为1：15～30。优选地，所述步骤2中脱胶处理的温度为120～180℃，时间为1～4h。优选地，所述步骤3中的洗涤为：先用沸水清洗，再用凉水冲洗；所述干燥的温度为100～120℃，时间为3～5h。优选地，所述步骤3中分离所得的脱胶溶液重复3～5次继续用于苎麻原麻的脱胶处理，经过步骤2和步骤3提取得到精干麻纤维；所述精干麻纤维的残胶率≤4.5％，制成率≥70％，断裂强度≥3.5cn/dtex，线密度≤8.33dtex。更优选地，所述脱胶溶液重复使用3～5次后所得的脱胶废液通过以下步骤进行回收处理：步骤1：向脱胶废液中添加去离子水提取木质素成分；步骤2：调节经步骤1处理后所得的脱胶废液的ph值至中性，添加乙醇提取多糖成分；步骤3：将经步骤2处理后所得的脱胶废液旋蒸浓缩除去乙醇和水，得到纯化的低共熔溶剂。最优选地，所述步骤1中去离子水的添加量为脱胶废液的体积的5～10倍。最优选地，所述步骤2中乙醇的添加量为脱胶废液的体积的3～5倍。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：1.本发明提供的脱胶工艺通过低共熔溶剂一步加热蒸煮将苎麻中胶质成分去除，无须碱煮或其他后道工艺，脱胶后精干麻纤维的残胶率≤4％，制成率≥70％，脱胶过程耗时短，与传统化学方法相比具有高效节能、纤维制成率高等优点；2.本发明的脱胶工艺中，采用的低共熔溶剂的原料成分绿色环保、无毒无害并且可自然降解，与传统化学方法所用的酸、碱等有害试剂相比，整个脱胶过程无污染、零排放，且不耗费水资源；3.本发明所采用的低共熔溶剂可以良好的控制脱胶液的脱胶强度，确保在高效清除胶质成分的同时减小对纤维的损伤，增强纤维的物理机械性能；4.本发明所用的低共熔溶剂可重复利用3～5次，在重复使用的脱胶液中得到的精干麻纤维性能能够满足后续纺纱工艺需要，具有重要的经济价值和社会价值；5.本发明可将重复使用3～5次后的脱胶液回收处理，将其中的木质素和聚糖类物质分离提取出来，并提纯回收低共熔溶剂，分离出来的木质素可以应用于分散剂、减水剂或乳化剂，具有较高的经济效益。附图说明图1为本发明的脱胶流程示意图；图2为实施例1所得的精干麻纤维的扫描电镜以及外观形貌图；图3为实施例2所得的精干麻纤维的扫描电镜以及外观形貌图；图4为实施例3所得的精干麻纤维的扫描电镜以及外观形貌图；图5为脱胶废液的分离纯化流程示意图。具体实施方式为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。实施例1一种基于低共熔溶剂的一步苎麻脱胶提取精干麻纤维的方法，流程示意图如图1，具体包括如下步骤：(1)将140g氯化胆碱与120g尿素混合于烧杯中，在80℃条件下水浴加热搅拌，直至得到透明澄清的液体。(2)将10g苎麻原麻浸入200g上述低共熔溶剂中，在160℃条件下油浴加热2h，取出样品先用沸水清洗，再用凉水冲洗。(3)将脱胶后的精干麻放于苎麻专用给油剂中浸泡1h后轧干，放于烘箱中105℃干燥4h，开松梳理后得到最终的精干麻纤维产品，如图2所示，精干麻纤维表面的大部分胶质已被去除。测定脱胶纤维各成分含量，具体指标如表1所示。(4)将10g新的原麻放入第一次的脱胶液中，重复上述流程进行脱胶，直到第5次脱胶完成，并对每次处理的精干麻纤维进行物理机械性能及残胶率等测试，具体测试指标如表2所示。(5)对最后一次的脱胶废液进行分离纯化，具体流程如图5所示，取5ml脱胶黑液，加入10倍体积的去离子水，对混合液进行离心得到黑色固体，用去离子水反复洗涤，干燥后得到富含木质素的产物(lrms)，剩余液体混合备用。向上述混合液中加入1mhcl调节ph至6.8，再加入3倍体积乙醇，对混合液进行离心，得到淡黄色固体，用90％(体积分数)的乙醇洗涤，烘干后得到半纤维素富集相(hrms)，剩余液体混合备用。将上述混合液放入旋转蒸发仪中，在60℃、0.05mpa条件下分离1h去除乙醇溶剂和水，回收des(低共熔溶剂)。表1实施例1第1次脱胶纤维化学成分成分纤维素半纤维素木质素果胶脂蜡质水溶物含量(％)93.753.380.111.051.570.14表2实施例1第1～5次脱胶纤维性能指标实施例2一种基于低共熔溶剂的一步苎麻脱胶提取精干麻纤维的方法，具体包括如下步骤：(1)将140g氯化胆碱与160g咪唑混合于烧杯中，在80℃条件下水浴加热搅拌，直至得到透明澄清的液体。(2)将10g苎麻原麻浸入200g上述低共熔溶剂中，在160℃条件下油浴加热2h，取出样品先用沸水清洗，再用凉水冲洗。(3)将脱胶后的精干麻放于苎麻专用给油剂中浸泡1h后轧干，放于烘箱中在105℃下干燥4h，开松梳理后得到最终精干麻纤维，其外观形貌图及其扫描电镜图如图3所示，测定精干麻中的化学成分含量，具体指标如表3所示。(4)将10g新的原麻放入第一次的脱胶液中，重复上述流程进行脱胶，直到第3次脱胶完成，测定每次脱胶获得的精干麻的物理机械性能及残胶率等指标，具体指标如表4所示。表3实施例2第1次脱胶纤维化学成分成分纤维素半纤维素木质素果胶脂蜡质水溶物含量(％)92.164.620.090.361.860.91表4实施例2第1～3次脱胶纤维性能指标实施例3一种基于低共熔溶剂的一步苎麻脱胶提取精干麻纤维的方法，具体包括如下步骤：(1)将82g乙胺盐酸盐与124g乙二醇混合于烧杯中，在80℃条件下水浴加热搅拌，直至得到透明澄清的液体。(2)将10g苎麻原麻浸入200g上述低共熔溶剂中，160℃油浴加热2h，取出样品先用沸水清洗，再用凉水冲洗。(3)将脱胶后的精干麻放于苎麻专用给油剂中浸泡1h后轧干，放于烘箱中在105℃下干燥4h，开松梳理后得到最终精干麻纤维，其外观形貌图及其扫描电镜图如图4所示。测定精干麻中的化学成分含量，具体指标如表5所示。测定获得的精干麻的物理机械性能及残胶率等指标，具体指标如表6所示。表5实施例3第1次脱胶纤维化学成分成分纤维素半纤维素木质素果胶脂蜡质水溶物含量(％)93.183.580.051.090.871.23表6实施例3脱胶纤维性能指标对比例1采用传统碱性脱胶工艺对苎麻脱胶：(1)浸酸：将0.3g浓硫酸加入150g去离子水中配成脱胶液。将10g苎麻原麻放入上述溶液中，在50℃条件下水浴加热1h。(2)头道碱煮：将0.75g氢氧化钠、0.3g硅酸钠和0.375g亚硫酸钠分别加入到150g去离子水中配成头道碱煮液。将浸酸后的苎麻放入上述碱煮液中，在100℃下油浴加热3h。(3)二道碱煮：将2.25g氢氧化钠、0.375g硅酸钠和0.3g三聚磷酸钠分别加入到150g去离子水中配成二道碱煮液。将头道碱煮后的苎麻放入上述碱煮液中，在100℃下油浴加热3h，取出样品用先用沸水清洗，再用凉水冲洗。(4)给油：将脱胶后的精干麻纤维放入苎麻专用给油油剂中浸泡1h后轧干，放于烘箱中105℃干燥4h，开松梳理后得到最终苎麻精干麻纤维。测定传统脱胶法制备的精干麻纤维的化学成分，如表7所示；测定传统脱胶法制备的精干麻纤维的物理机械性能及残胶率等指标，如表8所示。表7对比例1传统法脱胶纤维化学成分成分纤维素半纤维素木质素果胶脂蜡质水溶物含量(％)96.901.301.520.480.170.78表8对比例1传统法脱胶纤维性能指标对比本发明的脱胶工艺和传统碱性脱胶工艺，并结合表1～8中实施例和对比例的脱胶方法所得纤维的化学成分指标和性能指标，可以看出相比传统碱性脱胶复杂繁琐的脱胶工艺，采用本发明提供的方法能够大大减少脱胶所用的步骤，整个脱胶过程仅需一步完成，脱胶时间比传统方法减少5个小时以上。脱胶得到的精干麻纤维的纤维素含量在93％以上，半纤维素含量低于3.5％。第1次脱胶纤维的细度和断裂强度与传统方法相当，具有较好的物理机械性能，残胶率虽然高于传统方法，但制成率较传统方法大。除此之外，本发明中的脱胶液可以重复使用5次以上，得到的精干麻纤维仍然具有较低的残胶率和较高的制成率，其机械性能也满足国家标准gb/t20793-2015中对单纤维纺纱的要求，即残胶率≤4.5％，断裂强度≥3.5cn/dtex，线密度≤8.33dtex。通过对脱胶液进行分离提纯可进一步提取出木质素和半纤维素富集相等副产品，纯化后的脱胶液还可以进一步利用，大大减少了对环境的负担，增加了经济效益。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本
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的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。当前第1页12