第三节 桑皮脱胶

众所周知，要从植物韧皮上获得具有一定可纺性的纤维，就必须首先将韧皮中的胶质等除去，即脱胶。脱胶在茎皮纤维的生产过程中具有举足轻重的地位，脱胶效果不理想，将直接影响其可纺性能，甚至影响纺织品的最终性能。因此，植物韧皮纤维脱胶是纺织品生产中非常关键的一个环节。植物韧皮纤维脱胶工艺如图2-11所示。下面详细介绍目前在国内外主要采用的几种植物韧皮脱胶方法。

一、机械脱胶

机械脱胶采用先对桑皮进行软化处理，以破坏桑皮表面胶质干硬固化壳，松解桑皮纤维和果胶的联结，利于桑皮的快速软化、膨润、溶胀和浸渍液渗透。随后再借助于专用机械设备的物理机械外力和辅助处理，对处理的软化桑皮施以物理方法为主的机械力脱胶、开纤和整理，从而实现桑皮脱胶过程的节能、降耗、减排及连续化生产。

图2-11 植物韧皮纤维脱胶工艺

其基本工艺过程如下。

桑皮软化处理→浸渍→脱胶开纤→除杂开纤→水洗开纤→精炼→后整理。

1.桑皮软化处理 将桑皮喂入软化机进行机械力揉搓，在软化桑皮的同时除去其部分杂物。

2.浸渍 向浸渍装置内注入浸渍液。浸渍液配方为氢氧化钠4%～6%（owf），烷基苯磺酸盐0.3%～0.5%（owf）。浸渍的工艺为浴比1：（8～10），浸液温度80～100℃，浸渍时间10～12h。

3.开纤 经浸渍处理后的桑皮原料依次送入脱胶开纤机、除杂开纤机和水洗开纤机分步进行开纤。

（1）脱胶开纤。经浸渍处理后的桑皮由喂料罗拉输送喂入脱胶开纤机，通过在入口处均匀掺入的颗粒物与脱胶开纤工作区除杂滚筒及多组工作罗拉的共同作用，对桑皮进行全方位的机械力摩擦、挤压、揉搓、纵横向分撕开纤，使胶质逐步与纤维分离、去除。随后处理后的桑皮由转移毛刷剥取，受前方转移罗拉牵制送入除杂开纤机。

（2）除杂开纤。进入除杂开纤机的桑皮，通过除杂打手和振动式除杂筛筒的共同作用，在除杂打手不断打击、抛起、振动下，抖落掉黏附在纤维上的杂物，并受前方的牵引罗拉和输送罗拉牵制被送入水洗开纤机。杂物则通过除杂筛筒的网眼落入位于其下的尘室，掉落下的颗粒物被收集处理后再回用。

（3）水洗开纤。纤维层进入水洗开纤机后，在内网布和外网布的共同夹持下受到喷淋装置内外高压喷射水柱的交叉冲击和清洗，以充分去除果胶和杂物并分解纤维，然后经脱水压辊碾压脱除部分清洗水。被冲洗掉的颗粒物沉入水洗开纤机底部，由回收装置回收、处理后回用。

4.精练 通过作用温和的辅助精练处理即完成桑皮纤维制取。所制得的纤维进行传统脱胶后处理工序。精练液配方为氢氧化钠0.5%～0.7%（owf），亚硫酸钠0.1%～0.2%（owf），净洗剂0.2%～0.3%（owf）。精练工艺为浴比1：12，温度95～100℃，时间1.5～2h。

二、生物脱胶

1.传统的天然水沤微生物脱胶法 我国自历史上应用韧皮纤维以来，一直沿袭“天然水沤”脱胶法。所谓的“天然水沤”就是将砍下来的桑枝扎成小捆，或者将从桑枝上剥取下来的桑皮扎成束，浸泡于池塘、沟渠、湖泊或河流等天然水域中进行微生物厌氧发酵脱胶，利用水中各种微生物的联合作用将高分子化合物的胶质分解成为小分子的化合物，从而将纤维素提取出来的方法。

此种脱胶方法的缺点脱胶过程需要大量的水，限制了此类植物在缺水地区的加工。脱胶过程受季节、气候的影响很大，这种植物茎皮脱胶方法，是早期我国麻农采用的最传统的方法。目前除了在个别地区仍在使用以外，在其他地区已很少使用。

2.微生物脱胶法 针对环境污染的问题，人工培养细菌的新型微生物脱胶方法近来备受瞩目，国内外已有不少这方面的研究文章发表，但多数是针对苎麻、亚麻等。从研究结果来看，该法纤维素与木质素、半纤维素的分离效果不稳定，由于不同的水源具有不同的水质、水温和微生物种类，影响因素非常复杂，使得沤制过程难以控制，脱胶时间较长。不过微生物脱胶方法因为无需使用有害化学助剂而对环境污染较少。

微生物脱胶是利用微生物来分解胶质。微生物脱胶可以两种途径进行，一种途径是将某些脱胶细菌加在植物茎皮上，细菌利用植物茎皮中的胶质作为营养源而大量繁殖，细菌在繁殖过程中分泌出一种酶的物质来分解胶质。酶是由生物产生的一种蛋白质，能加速体内各种生物化学反应，被称为生物催化剂。酶的催化作用具有专一性，如果胶酶只能水解果胶，半纤维素酶只能水解半纤维素。脱胶菌在繁殖过程中产生的酶来分解胶质，使高分子量的果胶及半纤维素等物质分解为低分子量的组分溶于水中。另一种途径是将能脱胶的细菌培养到细菌的衰老期后产生大量的粗酶液，粗酶液可用来浸渍植物茎皮来进行脱胶。

生物脱胶有使用方便，脱胶温度温和、化学污染少的优点。目前菌种的酶活力还不够高，微生物脱胶后的植物茎皮还含有较多的胶质，脱胶质量不易控制，锅批与锅批之间脱胶质量相差较大，精干茎皮纤维产品质量稳定性非常差，并且生物脱胶过程中无法进行人为的控制，有可能存在脱胶不彻底的缺点，最终还要辅以化学脱胶才能达到后道工序的要求。

三、碱煮脱胶

通过对桑皮成分的化学分析可知，桑皮中的纤维素和胶质对烧碱作用的稳定性差异很大。化学脱胶的基本原理就是利用桑皮中纤维素和胶质成分对碱、无机酸和氧化剂作用的稳定性的不同，以化学方法去除茎皮中的胶质成分，保留纤维素成分。在化学脱胶工艺中以碱剂为主，辅以氧化剂、其他助剂和一定的机械作用，以达到工业上脱胶质量的要求，获得优良的精干茎皮纤维质量。

目前比较常用的脱胶工艺过程有如下几种：一煮法工艺、二煮法工艺、二煮一练法工艺、二煮一漂工艺、二煮一漂一练工艺。一煮法工艺最简单，只适于纺粗特纱；二煮法其特点是工艺比较简单，化工原料耗用不多，桑皮纤维质量有所提高，适于纺粗特纱用；二煮一练法工艺生产的桑皮纤维质量较好，适于纺中细特纱；二煮一漂工艺生产的桑皮纤维质量较好，适于纺中细特纱，处理时间大大缩短；二煮一漂一练方法的特点是在碱液煮练或在精炼后增加一道漂白工序，可降低桑皮纤维中木质素的含量，有利于提高纤维的白度、柔软性和可纺性，桑皮纤维质量好，适用于纺细特纱，但工艺流程长，生产成本高。

除了上述工艺外，还可采用二煮二漂及二次打纤等工艺，以加强对胶质的去除，提高桑皮纤维的质量。但过长的工艺流程，无疑增加了生产成本，降低了生产效率。总而言之，现行的桑皮纤维脱胶工艺生产的桑皮纤维虽能满足粗纺要求，但还存在着工艺流程长、工序多、劳动强度高、噪声大、对环境污染严重等缺陷。

四、闪爆脱胶

蒸汽爆碎简称“汽爆”，又称“闪爆”。蒸汽爆碎技术由美国学者W.H.Mason于1928年发明，当时为间歇法生产，主要是用于生产人造纤维板。从20世纪70年代开始，此项技术也被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品。80年代后，此项技术有很大的发展，使用领域也逐步扩大，出现了连续蒸汽爆碎法生产技术及设备，即加拿大Stake Technology公司开发的连续蒸汽爆碎法工艺及设备，并产生许多专利。80年代后期，Stake Technology公司，将此项技术应用于制浆造纸领域。它与加拿大魁北克大学共同研究，先后对杨木及非木材纤维原料进行了大量的蒸汽爆碎试验，取得了很好的效果。在此基础上，开发研制了蒸汽爆碎制浆技术和设备，并在制浆废液用于生产动物饲料技术方面也有深入的研究。现已发展成为一项重要的工业过程平台技术。蒸汽爆碎技术为进一步推广经济清洁的和提升改造传统的污染产业提供了可能。蒸汽爆碎一种预处理方法。原料用蒸汽加热至180～235℃，维压一定时间，在突然减压喷放时，产生二次蒸汽，体积猛增，受机械力的作用，其固体物料结构被破坏。在桑皮纤维的脱胶过程中可以采用闪爆法迫使纤维素和果胶大程度的分离。

蒸汽爆碎的几个优点可归纳如下。

（1）可应用于各种植物生物质，预处理条件容易调节控制。

（2）半纤维素、木质素和纤维素三种组分会在三个不同的流程中分离，分别为水溶组分、碱溶组分和碱不溶组分。

（3）纤维素的酶解转化率可达到理论最大值。

（4）经过蒸汽爆碎处理后的木质素仍能够用于其他化学产品的转化。

五、超临界二氧化碳萃取

超临界流体（SCF）是指物体处于其临界温度（T_c）和临界压力（P_c）以上状态时，向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液体的性质，同时还保留气体的性能。

超临界流体兼具气体和液体的优点，其密度接近于液体，溶解能力较强，而黏度与气体相近，扩散系数远大于一般的液体，有利于传质。另外，超临界流体具有零表面张力，很容易渗透扩散到被萃取物的微孔内。因此，超临界流体具有良好的溶解和传质特性，能与萃取物很快地达到传质平衡，实现物质的有效分离。

超临界流体萃取分离的原理 超临界流体萃取分离过程是利用其溶解能力与密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下，流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子质量大小的不同成分萃取出来。然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离的两个过程合为一体。

超临界流体萃取的溶剂 超临界流体萃取过程能否有效地分离产物或除去杂质，关键是萃取中使用的溶剂必须具有良好的选择性。目前研究的超临界流体种类很多，主要有二氧化碳、水、甲苯、甲醇、乙烯、乙烷、丙烷、丙酮和氨等。近年来主要还是以使用二氧化碳超临界流体居多，因为二氧化碳的临界状态易达到，它的临界温度（T_c=30.98℃）接近室温，临界压力（P_c=7.377MPa）也不高，具有很好的扩散性能，较低的表面张力，且无毒、无味、不易燃、价廉、易精制等特点，这些特性对热敏性易氧化的天然产品更具吸引力。

在生产上一般采用化学脱胶法，这种方法本身存在很大的缺点：如需在强酸、强碱，甚至高温高压等激烈条件下进行，因而能耗高，所用化学品对环境污染严重，且对桑皮纤维的质量有较大的影响，另外耗水量大、脱胶时间长也是问题。由于超临界流体萃取在溶解、萃取、分离和质量传递、溶剂回收等方面均有较大的使用价值，适合无污染、低成本、高效绿色化工的发展方向。

六、微波—生物酶—化学辅助联合脱胶

桑皮纤维脱胶常常借助几种不同的工艺来进行，以减少工艺流程，节约能耗同时降低污染，本节以微波—生物酶—化学辅助联合脱胶为例进行介绍，其脱胶工艺流程为：桑皮纤维自然、机械处理→调湿→微波处理→机械捶打除杂→浸酸预处理→水洗→碱中和→酶处理→（超声波、微波辅助）碱煮→水洗→打纤→水洗→脱水→给油→抖松→干燥→原棉杂质分析机分离纤维束。

1.桑皮纤维自然、机械处理 经日晒处理后的桑皮纤维，胶质干化，其与纤维的粘着力已经大大降低，经过机械捶打，可以极大地减小胶质与纤维的结合程度，便于酶及化学试剂的吸附与渗透。部分胶质已脱离纤维，可直接去除。同时可以除去大部分的蜡质及部分外皮，大大减少脱胶压力。

2.调湿 标准大气压，温度（20±2）℃，相对湿度（65±3）%，处理时间2～5h。

由于水（H₂O）是一种极性分子，根据微波处理的原理，调湿后可大大提高微波处理的效率。

3.微波预处理 微波处理参数为微波功率0.5kW，处理时间0.5～1min，每隔1min要翻动一次。

利用微波技术加热介质材料时，介质材料吸收微波能量转化为热能，在微波电磁场每秒钟千百万次变化的作用下，待加热物质中极性分子随着交变的微波场不断改变排列方向，克服分子原有的热运动与分子间相互作用力的干扰和阻碍，产生类似摩擦的效应使物体内部发热，从而可以在较短的时间内均匀有效地加热物质，这是微波应用于桑皮脱胶预处理中的理论基础。用微波处理时，这种特殊的加热方式使水分子快速地渗透到桑皮纤维的内部，引起桑皮中非纤维类物质迅速溶胀，部分可溶于水的胶质溶解，部分不溶于水的胶质的剧烈振动，减少了桑皮纤维与胶质的粘着力，为后面的生物酶及化学处理打开了通道。

4.机械捶打除杂 经微波处理后的桑皮纤维，胶质干化，其与纤维的粘着力已经大大降低，经过机械捶打，可以极大的减小胶质与纤维的结合程度，便于酶及化学试剂的吸附与渗透。同时部分胶质已脱离纤维，可直接去除。

5.试样浸酸预处理 硫酸溶液1.5g/L，温度50～60℃，浴比1：（15～20），处理时间1h。

煮练前的浸酸预处理，采用硫酸可去除一部分果胶和杂质，减轻以后的煮练负担，提高煮练效率。由于酸在高温条件下会使纤维素发生水解，所以温度不能太高（一般不高于60℃）酸的浓度对纤维性能的影响较大，高浓度的酸会引起纤维水解。

6.碱中和 氢氧化钠溶液2.5g/L，常温常压，处理时间0.5h。

对浸酸预处理中残留在纤维上的酸进行中和，同时为碱性果胶酶的处理提供一个可靠的碱性环境。

7.碱性果胶酶处理 碱性果胶酶主要包括原果胶酶、裂解酶和果胶水解酶，多为液态浓缩型。配制2%～5%的碱性果胶酶溶液，温度55℃，常压，pH=9.0，浴比1：20，处理时间3h。

碱性果胶酶能有效分解去除果胶质及其他共生物杂质，是一种比较理想的生物精练和煮练酶，脱胶效率高，可减少碱、酸（中和）和水（清洗）的用量；不损伤纤维，不影响纤维强力，低能耗、低水耗，降低废水中TDS、COD、BOD指数，减少环境污染，减轻污水处理压力，降低污水治理费用；同时，作业环境安全，对环境、操作人员及设备无害。

8.（超声波、微波辅助）碱煮 氢氧化钠溶液10g/L，在1000mL氢氧化钠溶液中分别加入30～50g三聚磷酸钠与30～80g水玻璃，配制成碱煮液，温度100℃，常压，浴比1：15，处理时间2～4h。

上述碱煮过程在TXD-2024R型超声波清洗机中进行，频率20kHz，功率1kW。利用超声波的空化效应作用于桑皮的宏观与微观结构，从而大大提高桑皮纤维的脱胶效率，并极大地减少碱的浓度、用量及作用时间，从而达到节能、环保、高效的目的。

高温碱煮的作用主要是去除木质素，在此过程中木质素大分子发生分解，变成能溶于水的小分子物质。另外，酸处理过程中没有被溶解的果胶在碱煮过程中也一并去除，因此煮练的作用非常重要。由于纤维素在一般情况下对碱稳定，但在强碱高温条件下也会发生水解。碱的浓度对纤维的各项性能也有较大的影响，浓度过大，纤维脱胶较好，但对纤维损伤严重；浓度过小，脱胶不干净，梳理困难，难以成纱。所以，煮练过程对碱温度、浓度要严格控制。在煮练液中同时加入多聚磷酸钠、水玻璃等助剂，三聚磷酸钠是一种煮练助剂，可增强煮练时的去污效果；硅酸钠具有较强的吸附性能，可以吸附杂质，避免分解后的杂质二次污染纤维；同时也有较强的络合能力，能软化硬水，可与煮练液中的多价金属离子（钙、镁、铁等）生成较稳定的络合物，从而加速煮练过程的进行，并能稳定和提高脱胶质量，脱胶后的纤维具有强度高、短纤少、分离好、制成率高等优点。

9.水洗 将碱液滤除，用蒸馏水反复浸泡搓洗2～5次，使最终残液为中性或弱碱性。防止在烘干过程中，残留的试剂对桑皮纤维素过度处理，损伤纤维。

10.打纤（每次碱煮之后） 打纤又称为敲麻、拷麻，是煮练后处理的重要工序之一。经过煮练工序后，胶质的绝大部分已被溶解，但还有一部分黏附在纤维上，纤维被粘连在一起不能分离成单纤维。打纤可以利用打击混合水洗作用，去除纤维上残留的胶杂质，降低残胶，并使纤维松散。

11.给油 经脱胶后未经烘干的桑皮纤维还含有少量残胶，若将其直接干燥，纤维会相互并结变得脆硬。所以脱胶后的桑皮纤维在干燥之前必须进行给油处理。经过工艺优化改进，整个工艺过程耗时大幅减少。制得的桑皮工艺纤维为束状纤维，呈细条网状，纤维束长度比单纤维长，白度较好，手感较柔软。经适当开松处理后，可作纺织材料使用。

12.烘干 经水洗后的桑皮纤维滤除多余水分，自然晾晒2～3天，然后放到烘箱烘干。采用Y802型八篮烘箱，温度（105±3）℃，常压，处理时间1h。

在烘干过程中，每隔20min翻动一次。

13.原棉杂质分析机分离纤维束 烘干后桑皮纤维多数还成束状，通过原棉杂质分析机处理，使得束状纤维分离为单纤维状态。