离子液体在罗布麻化学脱胶中的应用

杨 锋 锐，　马 英 冲，　赵 玉 萍，　刘 禹 霖

( 1.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连　116034；2.大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连　116034 )

离子液体在罗布麻化学脱胶中的应用

杨 锋 锐1，马 英 冲2，赵 玉 萍1，刘 禹 霖2

( 1.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连116034；2.大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连116034 )

摘要:为减少传统化学脱胶所造成的环境污染，采用1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体水溶液对罗布麻进行处理，再用碱煮法对罗布麻进行脱胶，对脱胶所得纤维的残胶率和物理性能进行测定，并用红外光谱仪和扫描电镜对不同脱胶处理所得纤维的化学成分和表面形态进行分析。离子液体处理最优工艺条件：1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐质量分数80%，处理时间6 h，温度130 ℃，浴比1∶20；碱煮条件：NaOH质量浓度10 g/L，Na3P3O10质量分数2%，处理温度95 ℃，时间2 h，浴比1∶20。实验结果表明，采用离子液体对罗布麻进行处理并用碱煮法对罗布麻脱胶，可明显降低脱胶过程中碱的用量，且脱胶处理所得纤维残胶率低，可纺性好。

关键词:罗布麻；离子液体；脱胶；纤维

0引言

罗布麻俗称奶子草、野麻，是中国特产的一种野生植物，主要分布于新疆、青海地区，产量相当可观。罗布麻纤维属于韧皮纤维，由于脱胶后的纤维具有丝的光泽、麻的挺括、棉的柔软，并且具有医疗保健作用，被纺织部门誉为“野生纤维之冠”[1]。从20世纪50年代开始，国内对其资源的调查研究时有问及，但由于缺乏制麻、脱胶等加工方面的先进技术，不能直接提供工业生产所需的批量原料，使得大量的纤维资源没有得到真正的开发利用。近年来随着人们对绿色环保健康纺织品认识的提高，麻纺织产品需求量不断增大，提高罗布麻纤维在纺织生产中的应用、罗布麻绿色脱胶也成为人们关注的课题[2-3]。

脱胶是韧皮纤维利用的基础，不同的脱胶方法对脱胶后纤维的可纺性有重要影响，对环境造成的污染程度也不同。目前，工业上普遍使用的脱胶方法为化学脱胶，但化学脱胶法，无论是在脱胶预处理阶段，还是在碱煮工艺中，均需使用大量的酸、碱等化学试剂，因此容易造成较严重的环境污染[4]。为了克服现有技术中单一化学脱胶对环境污染严重的问题，并提高纤维脱胶效果，课题组研究了采用绿色可回收离子液体(IL)对罗布麻处理，再采用碱煮法对罗布麻进行了脱胶处理。

目前，能够溶解纤维素的离子液体有40多种，已经证实对纤维素的溶解比较有效的有咪唑类、吡啶类和三乙基季铵离子等，阴离子有甲酸、乙酸、卤素和磺酸等，其中氯离子、甲酸盐和乙酸盐等溶解纤维素效果比较好。本课题使用离子液体对半纤维素和木质素进行溶解，阳离子使用咪唑类阳离子，阴离子使用乙酸离子。乙酸类的离子液体对木质纤维素材料的处理结果得到很多实验的肯定，如在处理小黑麦秆、水稻麦秆和甘蔗渣中木质素含量明显下降[5-6]。本文探讨了离子液体-化学联合工艺对罗布麻纤维脱胶效果的影响，并用傅里叶红外光谱仪和扫描电镜分析了离子液体-化学联合脱胶前后罗布麻纤维化学成分和表面形态的变化。

1实验

1.1材料和试剂

纤维材料：罗布麻原麻，产自青海省柴达木盆地，将罗布麻剪成5cm左右用于实验。

主要化学试剂：1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐；苯、无水乙醇、草酸铵、多聚磷酸钠、氢氧化钠和硫酸，分析纯。

1.2主要仪器设备

ZDHW型调温电热套，SZCL-4B型智能磁力加热搅拌器，SHB-l型循环水式多用真空泵，DL-101-1 型电热鼓风干燥箱，YG001A型单纤维强力仪，SpectrumOne-B型傅里叶红外光谱仪，JSM-5610LV扫描电镜。

1.3实验方案

1.3.1离子液体预处理工艺及条件

试样→预酸处理(1g/LH2SO4，50 ℃，2h)→水洗→离子液体处理(1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐 80%，处理时间6h，温度130 ℃，浴比1∶20)→水洗→烘干。

1.3.2传统化学脱胶工艺及条件

试样→预酸处理(同“1.3.1”)→水洗→一煮(NaOH8g/L，Na3P3O102.5%，温度95 ℃，时间1.5h，浴比1∶20)→水洗→二煮(NaOH12g/L，Na3P3O102%，温度95 ℃，时间2.5h， 浴比1∶20)→水洗→烘干。

1.3.3离子液体-化学联合脱胶工艺及参数

试样→预酸处理(同“1.3.1”)→水洗→离子液体处理(1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐 80%，处理时间6h，温度130 ℃，浴比1∶20)→水洗—碱煮(NaOH10g/L，Na3P3O102%，温度95 ℃，时间2h，浴比1∶20)→水洗→烘干。

1.4测试与评价

1.4.1罗布麻纤维化学成分和残胶率

参照GB5889—1986苎麻化学成分分析方法，对罗布麻原麻化学成分进行测定。

将经过脱胶处理后的罗布麻纤维放入150mL20g/L的NaOH溶液中煮沸3h，计算纤维残胶率。

w=(m1-m0)/m1×100%

式中：w为试样的残胶率，%；m0为提取残胶后的试样干重，g；m1为试样的干重，g。

1.4.2纤维表面形态

利用扫描电镜，对不同脱胶方法所得罗布麻纤维表面形态结构进行表征。

1.4.3红外光谱测试

采用SpectrumOne-B型傅里叶红外光谱仪，对不同脱胶方法所得罗布麻纤维进行红外光谱检测。

1.4.4罗布麻纤维物理性能

采用YG001A型单纤维强力仪对脱胶后罗布纤维强力进行测试；采用中段切断称重法测得纤维细度；利用直尺在黑绒板上对脱胶后麻纤维长度进行测试。每个指标均进行30次测试，取其平均值作为实验结果。

2结果与讨论

2.1罗布麻化学成分

实验所用罗布麻原麻纤维及常见麻纤维(苎麻、亚麻和大麻)[7-8]化学成分见表1。从表1可以看出，实验所使用的罗布麻纤维胶质含量很高，且含有较多的木质素和半纤维素。一般麻纤维脱胶过程中，希望纤维素伴生物中果胶、木质素和半纤维素的质量分数越低越好，而罗布麻原麻的果胶、木质素和半纤维素值都较高，因此加大了罗布麻脱胶的难度[9-10]。由于罗布麻的单纤维长度较短，因此罗布麻在纺纱过程中使用的是工艺纤维，这就要求在整个罗布麻脱胶过程中，需要保证纤维具有一定的果胶含量，达到半脱胶效果。

表1罗布麻原麻及其他常用麻纤维化学组成的质量分数

Tab.1　　　　Component contents of apocynum venetum

2.2罗布麻纤维脱胶工艺

分别对罗布麻原麻进行脱胶处理，测试脱胶处理后纤维的残胶率，结果见表2。从表2可以看出，离子液体处理所得麻纤维的残胶率最高。与传统化学脱胶相比，离子液体-化学联合脱胶方法所得纤维的残胶率最低，更加符合纺织生产的要求。离子液体对原麻进行处理，是利用离子液体的强极性，破坏原麻中胶质之间的氢键来达到溶解胶质的目的，但是胶质之间还存在少量的脂键、醚键和C—C键，正是这部分键的存在，导致罗布麻离子液体处理后所得纤维的残胶较高。化学脱胶是利用纤维素和胶质对酸碱稳定性的不同来进行脱胶，而且其脱胶效果可以达到纺织生产要求，但是碱煮过程中碱的用量较大，会对环境造成较大的污染。离子液体-化学联合脱胶结合了两者的优点，脱胶效果稳定，并且优于化学脱胶，同时碱的使用量还明显减少，有利于环境保护。

表2　罗布麻精干麻残胶率的测试结果

2.3纤维表面形态比较

图1为不同处理方法所得罗布麻纤维表面形态结构扫描电镜照片。由图1(a)可以看出，罗布麻原麻纤维表面非常粗糙，有大量的胶质覆盖，这些胶质的存在，对罗布麻本身起到一个保护的作用。从图1(b)、(c)和(d)可以看出，离子液体处理、传统化学脱胶和离子液体-化学联合脱胶等方法，都有十分明显的脱胶效果，罗布麻纤维表面都变得十分的光滑，能大幅度地去除原麻纤维表面的胶质。3种脱胶方法所得罗布麻纤维在纤维表面无明显的区别，但是传统化学脱胶和离子液体-化学联合脱胶相比，联合脱胶中碱的用量明显减少，而且碱煮时间也大大地缩短，因此离子液体-化学联合脱胶要优于化学脱胶，且对环境的污染小。

图1纤维外观形态结构比较(500×)

Fig.1Comparisonoffiberstructureandmorphology

(500×)

图2　罗布麻纤维的红外光谱

2.4红外光谱分析

图2为罗布麻原麻和3种不同处理方法所得麻纤维的红外光谱图。从图2可以看出，3种不同处理方法所得麻纤维的红外光谱图几乎完全相同，3 338和1 643cm-1分别为O—H的伸缩振动峰和弯曲振动峰，2 900和1 425cm-1分别为C—H的伸缩振动峰和弯曲振动峰，1 030cm-1为C—O—C的伸缩振动峰。这些特征峰都是纤维素的特征，3种处理方法所得麻纤维主体都是纤维素。原麻中1 727.7cm-1为半纤维的特征峰[11]，该特征峰在b、c和d中都几乎消失，表明大量的半纤维在经过3种方法处理后基本去除。1 618.7和1 535.8cm-1为木质素芳环振动吸收峰，1 535.8cm-1在b、c和d中几乎消失，1 618.7cm-1处吸收峰在b中有小幅度的降低，在c和d中有较大幅度的降低，说明木质素在经过3种方法处理后部分去除。因此，离子液体-化学联合脱胶对胶质有着很强的脱除效果。

2.5纤维物理性能测试与分析

表3为采用不同处理方法所得罗布麻纤维的物理性能检测结果。从表3可知，离子液体脱胶后罗布麻纤维强力最高，但是该种方法所得麻纤维较粗，且含有较多胶质，与实际生产还有较大差距。离子液体-化学联合脱胶比传统化学脱胶所得纤维细，且强度高12.8%。纤维强力提高的原因可能是，在离子液体-化学联合脱胶中，碱煮过程中使用的碱量较少，碱煮时间较短，碱对罗布麻纤维的破坏较小，故使其强力比传统化学脱胶提高。3种不同处理方法所得麻纤维的细度相差不大，但是离子液体处理和离子液体-化学联合脱胶所得纤维的长度比化学脱胶所得纤维的长度要长。这是由于在化学脱胶过程中，大量的酸碱作用，容易造成其纤维素的破坏，导致其纤维长度变短，强力较低。

表3　罗布麻纤维物理性能比较

3结论

(1)根据麻纤维的化学成分，选择合适的离子液体，用于罗布麻纤维脱胶处理，方法可行。

(2)离子液体-化学联合脱胶所得罗布麻纤维的长度、细度和强度都优于传统化学脱胶，纤维可纺性好，且该脱胶方法在一定程度上可减少碱的用量，对环境保护有积极意义。

(3)罗布麻离子液体-化学联合脱胶的最优工艺条件如下。离子液体处理条件：1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐质量分数80%，处理时间6h，温度130 ℃，浴比1∶20；碱煮条件：NaOH用量10g/L，Na3P3O10用量2%，处理温度95 ℃，时间2h,浴比1∶20。

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Applicationofionicliquidinchemicaldegummingofapocynumvenetum

YANGFengrui1,MAYingchong2,ZHAOYuping1,LIUYulin2

( 1.SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China；2.SchoolofLightIndustryandChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

Abstract:To reduce the environmental pollution caused by chemical degumming, 1-butyl-3-methyl imidazole acetate was used to treat the apocynum venetum fiber followed by alkalic degummed. The residual gum content and physical property were measured and the apocynum venetum fibers before and after degumming were characterized by scanning electron micrographs and fourier transform infrared spectroscopy. The optimally degumming for apocynum venetum fiber should be carried out at 80% ionic liquid with, liquor ratio of 1∶20, 90 ℃ for 4 h, and then in the alkalic solution containing 10 g/L NaOH , 2% Na3P3O10, with liquor ratio of 1∶20 at 95 ℃ for 2 h. The result suggested that the alkali content could be reduced and the residual gum content was lowed and the fiber had good spinnability when pretreatment with ionic liquid was used.

Key words:apocynum venetum; ionic liquid; degumming; fiber

收稿日期:2015-06-02.

作者简介:杨锋锐(1990-)，男，硕士研究生；通信作者，赵玉萍(1963-)，女，教授.

中图分类号:TS123

文献标志码:A

文章编号:1674-1404(2016)03-0221-05