CN106223131A - 以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，包括：将单细胞管纤维湿网采用罗拉对组I进行挤压脱液和多级牵伸处理使单细胞管纤维螺旋劈裂、展开成亚微米螺旋纤维，得到亚微米螺旋纤维浆粕；第四步：将所得的亚微米螺旋纤维浆粕循环进行清洗和自然无序化成网1～3次，使浆粕呈微碱性到中性；再采用罗拉对组II进行挤压脱液与纤维纠缠和多级牵伸与松弛处理，使亚微米螺旋纤维间相互纠缠；然后经烘干制得弹性纤维网。本发明的弹性纤维网的弹性好，回弹性优良，强度高。

Description

以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法及用途
技术领域
本发明涉及一种以椰壳纤维中螺旋纤维制备高弹性纤维网的方法，特别是一种利用碱液分离-机械牵伸法从椰壳单细胞管纤维中牵伸制备亚微米螺旋纤维及其集合成网的方法。
背景技术
纤维素是自然界取之不尽、用之不竭、绿色、无污染的可再生资源，地球上每年生长的植物纤维素高达数亿吨，超过了现有石油总储量，但利用量微乎其微。绝大部分为自然降解和作为燃料燃烧，这本身就是一种污染。据报道由环境污染和生态破坏造成的损失已占到GDP总值的15％，这意味着一边是9％的经济增长，一边是15％的损失率。在人类社会面临资源贫乏、能源危机、环境污染等诸多问题时，植物资源作为地球上分布广泛、来源丰富、可持续利用的纤维资源，具有巨大的开发利用潜力，受到全世界的普遍重视，并已成为可持续资源和新材料的利用与发展方向之一。而从植物纤维中提取制备纳米纤维素原纤作为拓展纤维资源的一种途径，得到人们的广泛关注。
椰子是热带地区主要的木本油料作物之一，海南地属亚热带和热带地区，椰子资源十分丰富。椰子一年均可产果，产果高峰期为9月至次年1月，产果寿命长达80年。每株椰树在80年树龄前的平均年产果实50～200个。海南栽培椰树已有2000年的历史，直到解放后才开始规模化种植。现年均产量可达2.2～2.4亿个，约占全国总产量的99％。作为椰子产业的附属物——椰壳纤维，若每个椰子产椰壳纤维200g/个，海南省每年的椰壳纤维资源可达4.4～4.8万吨。
椰壳纤维从椰壳中分离、除杂、去皮胶后获得的天然纤维素纤维，具有韧性强、防潮、透气、抑菌等特性。目前的主要用途有坐垫、绳索、刷子、室内装潢(少数民族或者外国人会用其做成各种形状置于室内)、制活性炭、燃料等，也被当做废弃物自然降解或焚烧。作为纺织用椰壳纤维主要产品是垫子、地毯、绳索、罗网、门垫等。然而，所有这些应用及产品都是以椰壳纤维本身制成的纺织品及应用。
除椰壳纤维的直接纺织应用外，人们较多关注的是天然纤维素纤维的纳米原纤的提取制备。由于天然纤维素纤维中的微原纤和基原纤都小于50nm，且结晶度很高，故又称为纳米纤维素晶须。但本发明主要关注椰壳纤维中单细胞管状纤维(简称管纤维)的分离提取制备技术。在此方面的研究报道，到目前为止未见相关报道，而只是在椰壳纤维的结构研究中有所表述。即对椰壳纤维作为一个整体来研究。如S.Renouard等人关注超声波处理对不同种类的纤维素纤维降解性能影响，实验得椰壳纤维对超声波反应更敏感，易于降解的报道(Sullivan Renouard，Christophe Hano et.al.Characterization of ultrasonic oncoil，flax and hemp fibers.Materials Letters，2014，129：137-141)只是为了证明超声波对不同纤维素纤维分离的效果，并未涉及椰壳纤维中管纤维的分离，根本未涉及其中的螺旋螺旋纤维。L.Q.N.Tran等人采用机械抽取和热水浸泡的方式获得膨胀的椰壳纤维，使管纤维在椰壳纤维中的截面形态变得更清晰，并由此研究了椰壳管纤维的直径、横截面和以及管纤维的直径的变化和可能的长度(L.Q.N.Tian，T.Nguyen Minthet.al.Investigation of microstructure and tensile properties of porousnatural coil fibre for use in composite materials.Industrial Crops andProducts.2015，65：437-445)，而未涉及管纤维分离。显然，这些都是通过电镜照片观测管纤维的大小和形态，并未能将管纤维从椰壳纤维中逐一分离开来，更无通过牵伸方法获得亚微米粗细的如弹簧结构的晶带纤维。自然也就无法涉及将亚微米螺旋纤维制备成高弹纤维网的方法。
发明内容
本发明的目的在于提出并实施一种以椰壳纤维中螺旋纤维制备高弹性纤维网的方法，将管纤维牵伸获得亚微米螺旋纤维，然后制备高弹性纤维网，可以获得比木棉纤维更细且更柔软的大中腔天然纤维素纤维，并使原来粗、长、硬的多细胞椰壳纤维变为超细、软的椰壳管纤维，所制得的亚微米弹簧弹性好，可直接用于高弹、高膨松纤维网的制备。
为了达到上述目的，本发明的采用了如下技术方案：
一种以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，包括：
第一步：将椰壳开松，获得纤维团，将纤维团煮练、洗涤并挤压去水，得到椰壳纤维；
第二步：将所得的椰壳纤维按固液浴比为1∶20～1∶40置于温度60～98℃的含NaOH和H2O2的混合溶液中，所述的含NaOH和H2O2的混合溶液中NaOH的浓度为10～60g/L，H2O2的浓度为80～200ml/L，溶剂为去离子水，在60～98℃下搅拌并同步超声波震荡0.2～2小时后，循环进行真空抽滤、加去离子水洗涤和真空抽滤1～4次，使滤液呈微碱性到中性，得单细胞管纤维湿网；
第三步：将所得的单细胞管纤维湿网采用罗拉对组I进行挤压脱液和多级牵伸处理使单细胞管纤维螺旋劈裂、展开成亚微米螺旋纤维，得到亚微米螺旋纤维浆粕；
第四步：将所得的亚微米螺旋纤维浆粕循环进行清洗和自然无序化成网1～3次，使浆粕呈微碱性到中性；再采用罗拉对组II进行挤压脱液与纤维纠缠和多级牵伸与松弛处理，使亚微米螺旋纤维间相互纠缠；然后经烘干制得弹性纤维网。
优选地，所述的第一步中的煮练、洗涤并挤压去水循环进行，循环次数为1～3次。
优选地，所述的煮练为将纤维团在60～98℃水中煮练0.2～2小时。
更优选地，所述的洗涤为放水洗涤或换槽洗涤。
优选地，所述第二步中的搅拌并同步超声波震荡的搅拌速度为400-1000rpm，超声波功率在100W～800W，所述的超声波震荡为间歇处理，每震荡10sec～3min后停顿20sec～6min。
优选地，所述的罗拉对组I由3～5对罗拉组成，所述的3～5对罗拉构成2～4级牵伸区。
优选地，所述的罗拉对组I的总牵伸倍数为4～12倍。(所述的总牵伸倍数是指最后输出罗拉对线速度与最前输入罗拉对线速度之比)
优选地，所述的罗拉对组II由2～4对罗拉组成，所述的2～4对罗拉构成1～3级牵伸区与1级松弛区。
优选地，所述的罗拉对组II的总牵伸倍数为0.8～2倍。(所述的总牵伸倍数是指最后输出罗拉对线速度与最前输入罗拉对线速度之比)
优选地，所述的亚微米螺旋纤维为由带状晶体构成的呈螺旋弹簧状的纤维，所述的带状晶体的厚度在0.20～0.85μm、宽度在1.2～2.5μm。
本发明还提供了上述方法所制备的弹性纤维网在作为过滤膜或生物医用材料，或作为复合或层合非织造布的基材制备隔热保暖材料或吸油清污材料，作为增弹增强材料与纤维素基质复合制备纯纤维素弹性复合膜，或作为增弹增强材料与其它高聚物基质复合制备弹性复合膜中的用途。
本发明所述的微碱性是指pH为8-9。
本发明所述的单细胞管纤维是指由多细胞构成的椰壳纤维中分离出的单细胞管状纤维。
本发明的基本原理是靶向性溶胀与溶解单细胞管纤维间的细胞间质且与超声波微气泡冲击扩大作用结合而高效、低损伤地解体细胞间质，并结合机械搅拌剪切作用而加快椰壳纤维的整体离解而获得单细胞管纤维，再通过牵拉成亚微米螺旋纤维，进一步制备高弹性纤维网。本发明提供了以椰壳纤维中螺旋纤维制备高弹性纤维网的方法，特别是一种利用漂白-多级牵伸及铺网法制备高弹性纤维网的方法。这将有助于椰壳纤维的深加工和精细化的循环利用，为废弃椰壳纤维在保暖及高弹纤维的应用提供新途径，是纤维素纤维资源的可持续发展的捷径和高效的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的弹性纤维网的弹性好，回弹性优良，强度高。
2)本发明的螺旋纤维的伸长大，长径比增加，达到纺织范围，可以直接用来纺纱或成网，这种方法在专利或者文章中都未见报道，具有创新性；
3)本发明的螺旋纤维的弹性好，回弹性优良，即使经过反复压缩，依然能够保持良好的弹性，所以可直接用于高弹、高膨松纤维网。
附图说明
图1是由椰壳纤维分离牵伸得的螺旋纤维所制备的高弹性纤维网的实物照片；
图2是由椰壳纤维分离牵伸得的螺旋纤维的高弹纤维网的光学显微镜(OM)照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，具体步骤为：
(1)开松除杂、煮练膨润和清洗去杂：通过机械打击、揉搓和扯拉将椰壳开松，除去颗粒物杂质，获得松散的纤维团；将所得的纤维团进行煮练、洗涤并挤压去水，所述的煮练、洗涤并挤压去水的具体步骤包括将纤维团置于烧杯内，完全浸没于水中，置于60℃水浴锅中进行煮练膨润2小时，煮练的同时以800rpm的转速搅拌，煮练后采用多级罗拉装置对纤维团进行挤压去水，用水洗涤，再挤压去水；所述的煮练、洗涤并挤压去水循环进行3次，以去除去除纤维间基质，之后，置于80℃烘箱中烘干到恒重，得到纤维表面无可见粘附杂质但湿态的洁净椰壳纤维(含部分管纤维)；
(2)双氧水-氢氧化钠的混合液漂白：将步骤(1)得到的洁净椰壳纤维按固液浴比为1∶30置于温度80℃的含NaOH和H2O2的混合溶液中，所述的含NaOH和H2O2的混合溶液中NaOH的浓度为10g/L，H2O2的浓度为80ml/L，溶剂为去离子水，置于超声波清洗仪中，在80℃下搅拌并同步超声波震荡2小时，搅拌速度为800rpm，超声波功率在600W，所述的超声波震荡为间歇处理，每震荡3min后停顿1min，循环进行真空抽滤、加去离子水洗涤和真空抽滤3次，使滤液呈中性，得单细胞管纤维湿网(为高溶胀和分离的乳白色椰壳纤维及稍多的管纤维混合絮体)。
(3)挤压脱液和牵拉成亚微米螺旋纤维：将所得的单细胞管纤维湿网采用罗拉对组I进行挤压脱液和多级牵伸处理使单细胞管纤维螺旋劈裂、展开成亚微米螺旋纤维，得到亚微米螺旋纤维浆粕；所述的罗拉对组I由3对罗拉组成，所述的3对罗拉构成2级牵伸区，罗拉对组I的牵伸倍数为5倍。
(4)清洗无序均匀化与牵拉回弹稳定化成网：将所得的亚微米螺旋纤维浆粕循环进行用去离子水清洗和过滤使其自然无序化成网1次，使浆粕呈中性；再采用罗拉对组II进行挤压脱液与纤维纠缠和多级牵伸与松弛处理，使亚微米螺旋纤维间相互纠缠稳定；所述的罗拉对组II由3对罗拉组成，所述的3对罗拉构成1级牵伸区与2级松弛区，罗拉对组II的牵伸倍数为1.2倍。所以步骤(3)和步骤(4)的总牵伸倍数为6.0倍，然后经80℃烘干制得弹性纤维网，如图1和图2所示。
本实施例所得的高弹纤维网的弹性伸长率在50～60％，弹性回复率在93～95％，强度可达1.2～2.0cN/dtex。
实施例2
一种以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，具体步骤为：
(1)开松除杂、煮练膨润和清洗去杂：通过机械打击、揉搓和扯拉将椰壳开松，除去颗粒物杂质，获得松散的纤维团；将所得的纤维团进行煮练、洗涤并挤压去水，所述的煮练、洗涤并挤压去水的具体步骤包括将纤维团置于烧杯内，完全浸没于水中，置于80℃水浴锅中进行煮练膨润1.5小时，煮练的同时以600rpm的转速搅拌，煮练后采用多级罗拉装置对纤维团进行挤压去水，用水洗涤，再挤压去水；所述的煮练、洗涤并挤压去水循环进行2次，之后，置于80℃烘箱中烘干到恒重，得到纤维表面无可见粘附杂质但湿态的洁净椰壳纤维(含部分管纤维)；
(2)双氧水-氢氧化钠的混合液漂白：将步骤(1)得到的洁净椰壳纤维按固液浴比为1∶30置于温度70℃的含NaOH和H2O2的混合溶液中，所述的含NaOH和H2O2的混合溶液中NaOH的浓度为40g/L，H2O2的浓度为150ml/L，溶剂为去离子水，置于超声波清洗仪中，在70℃下搅拌并同步超声波震荡1.5小时，搅拌速度为600rpm，超声波功率在400W，所述的超声波震荡为间歇处理，每震荡2min后停顿3min，循环进行真空抽滤、加去离子水洗涤和真空抽滤1次，使滤液呈中性，得单细胞管纤维湿网(为高溶胀和分离的乳白色椰壳纤维及稍多的管纤维混合絮体)。
(3)挤压脱液和牵拉成亚微米螺旋纤维：将所得的单细胞管纤维湿网采用罗拉对组I进行挤压脱液和多级牵伸处理使单细胞管纤维螺旋劈裂、展开成亚微米螺旋纤维，得到亚微米螺旋纤维浆粕；所述的罗拉对组I由4对罗拉组成，所述的4对罗拉构成3级牵伸区，罗拉对组I的牵伸倍数为7.8倍。
(4)清洗无序均匀化与牵拉回弹稳定化成网：将所得的亚微米螺旋纤维浆粕循环进行用去离子水清洗和过滤使其自然无序化成网1次，使浆粕呈中性；再采用罗拉对组II进行挤压脱液与纤维纠缠和多级牵伸与松弛处理，使亚微米螺旋纤维间相互纠缠稳定；所述的罗拉对组II由3对罗拉组成，所述的3对罗拉构成1级牵伸区与2级松弛区，罗拉对组II的牵伸倍数为1.5，所以步骤(3)和步骤(4)的总牵伸倍数为11.7倍，然后经80℃烘干制得弹性纤维网。
本实施方式所得的螺旋纤维膜的弹性伸长率在25～35％，弹性回复率在95～98％，强度可达1.8～2.4cN/dtex。
实施例3
一种以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，具体步骤为：
(1)开松除杂、煮练膨润和清洗去杂：通过机械打击、揉搓和扯拉将椰壳开松，除去颗粒物杂质，获得松散的纤维团；将所得的纤维团进行煮练、洗涤并挤压去水，所述的煮练、洗涤并挤压去水的具体步骤包括将纤维团置于烧杯内，完全浸没于水中，置于98℃水浴锅中进行煮练膨润1小时，煮练的同时以400rpm的转速搅拌，煮练后采用多级罗拉装置对纤维团进行挤压去水，用水洗涤，再挤压去水；所述的煮练、洗涤并挤压去水循环进行3次，之后，置于80℃烘箱中烘干到恒重，得到纤维表面无可见粘附杂质但湿态的洁净椰壳纤维(含部分管纤维)；
(2)双氧水-氢氧化钠的混合液漂白：将步骤(1)得到的洁净椰壳纤维按固液浴比为1∶40置于温度90℃的含NaOH和H2O2的混合溶液中，所述的含NaOH和H2O2的混合溶液中NaOH的浓度为60g/L，H2O2的浓度为200ml/L，溶剂为去离子水，置于超声波清洗仪中，在90℃下搅拌并同步超声波震荡1小时，搅拌速度为400rpm，超声波功率在300W，所述的超声波震荡为间歇处理，每震荡3min后停顿4min，循环进行真空抽滤、加去离子水洗涤和真空抽滤1次，使滤液呈中性，得单细胞管纤维湿网(为高溶胀和分离的乳白色椰壳纤维及稍多的管纤维混合絮体)。
(3)挤压脱液和牵拉成亚微米螺旋纤维：将所得的单细胞管纤维湿网采用罗拉对组I进行挤压脱液和多级牵伸处理使单细胞管纤维螺旋劈裂、展开成亚微米螺旋纤维，得到亚微米螺旋纤维浆粕；所述的罗拉对组I由3对罗拉组成，所述的3对罗拉构成2级牵伸区，罗拉对组I的牵伸倍数为2.0倍。
(4)清洗无序均匀化与牵拉回弹稳定化成网：将所得的亚微米螺旋纤维浆粕循环进行用去离子水清洗和过滤使其自然无序化成网1次，使浆粕呈中性；再采用罗拉对组II进行挤压脱液与纤维纠缠和多级牵伸与松弛处理，使亚微米螺旋纤维间相互纠缠稳定；所述的罗拉对组II由4对罗拉组成，所述的4对罗拉构成1和3级为牵伸区与2级为松弛区，罗拉对组II的牵伸倍数为0.8。所以步骤(3)和步骤(4)的总牵伸倍数为1.6倍，然后经80℃烘干制得弹性纤维网。
本实施方式所得的螺旋纤维膜的弹性伸长率在95～105％，弹性回复率在90～93％，强度可达1.0～1.4cN/dtex。

Claims (10)

1.一种以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，包括：
第一步：将椰壳开松，获得纤维团，将纤维团煮练，洗涤，经挤压去水，得到椰壳纤维；
第二步：将所得的椰壳纤维按固液浴比为1∶20～1∶40置于温度60～98℃的含NaOH和H2O2的混合溶液中，所述的含NaOH和H2O2的混合溶液中NaOH的浓度为10～60g/L，H2O2的浓度为80～200ml/L，溶剂为去离子水，在60～98℃下搅拌并同步超声波震荡0.2～2小时后，循环进行真空抽滤、加去离子水洗涤和真空抽滤1～4次，使滤液呈微碱性到中性，得单细胞管纤维湿网；
第三步：将所得的单细胞管纤维湿网采用罗拉对组I进行挤压脱液和多级牵伸处理使单细胞管纤维螺旋劈裂、展开成亚微米螺旋纤维，得到亚微米螺旋纤维浆粕；
第四步：将所得的亚微米螺旋纤维浆粕循环进行清洗和自然无序化成网1～3次，使浆粕呈微碱性到中性；再采用罗拉对组II进行挤压脱液与纤维纠缠和多级牵伸与松弛处理，使亚微米螺旋纤维间相互纠缠；然后经烘干制得弹性纤维网。
2.如权利要求1所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，所述的第一步中的煮练和洗涤循环进行，循环次数为1～3次。
3.如权利要求1所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，所述的煮练为将纤维团在60～98℃水中煮练0.2～2小时。
4.如权利要求1所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，所述第二步中的搅拌并同步超声波震荡的搅拌速度为400-1000rpm，超声波功率在100W～800W，所述的超声波震荡为间歇处理，每震荡10sec～3min后停顿20sec～6min。
5.如权利要求1所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，所述的罗拉对组I由3～5对罗拉组成，所述的3～5对罗拉构成2～4级牵伸区。
6.如权利要求1所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，所述的罗拉对组I的总牵伸倍数为4～12倍。
7.如权利要求1所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，所述的罗拉对组II由2～4对罗拉组成，所述的2～4对罗拉构成1～2级牵伸区与1级松弛区。
8.如权利要求1所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，所述的罗拉对组II的总牵伸倍数为0.8～2倍。
9.如权利要求1所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法，其特征在于，所述的亚微米螺旋纤维为由带状晶体构成的呈螺旋弹簧状的纤维，所述的带状晶体的厚度在0.20～0.85μm、宽度在1.2～2.5μm。
10.权利要求1-9中任一项所述的以椰壳纤维中螺旋纤维制备弹性纤维网的方法所制备的弹性纤维网在作为过滤膜或生物医用材料，或作为复合或层合非织造布的基材制备隔热保暖材料或吸油清污材料，作为增弹增强材料与纤维素基质复合制备纯纤维素弹性复合膜，或作为增弹增强材料与其它高聚物基质复合制备弹性复合膜中的用途。
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谢文雅: "椰壳管状纤维与纳米原纤的分离提取", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *

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