CN110699769B - 一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法 - Google Patents

一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法，本发明以苎麻纤维为原料，将苎麻纤维通过生物酶处理、有机溶剂溶解、微波辐射等方法将纤维素分离并提取；然后将纤维素溶于N‑甲基吗啉‑N‑氧化物的水溶液制得纺丝液，最后经过纺丝、水洗、上油、烘干等工序制得莱赛尔纤维。本发明从苎麻纤维提取纤维素，并成功用为莱赛尔纤维的原料；此方法大大地拓展了莱赛尔纤维的原料来源。本发明制备方法简单，原料来源广泛，具有较好的应用与推广前景。

Description

一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法
技术领域
本发明属于莱赛尔纤维技术领域，具体涉及一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法。
背景技术
为了解决再生纤维素纤维生产过程中产生的污染问题，同时提高纤维素的高效利用，经业内众多专家的共同努力，一种新溶剂法再生纤维素纤维生产技术被成功应用，即利用N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)溶解纤维素浆粕，通过纺丝工艺等制备再生纤维素纤维，即莱赛尔纤维。莱赛尔纤维具有高干湿强度、高模量、低伸长率、高吸湿性以及良好的抗静电性、柔软性、易染色、易生物降解等特点，其被称为21世纪最具发展前途的绿色纤维。
莱赛尔纤维的主要原料是纤维素浆粕，纤维素浆粕可以是棉粕、木粕或竹粕。目前，莱赛尔纤维的报道很多，比如：中国专利申请号200780053070.1公布了用于轮胎帘线的莱赛尔纤维和含有该莱赛尔纤维的轮胎帘线，该专利以α-纤维素为原料，制得的莱赛尔纤维比常规人造丝具有优越的强度，伸长度和模数；中国专利申请号01817363.2公布了纤维制造及其方法，该专利以纤维素浆粕为主要原料，制得的莱赛尔纤维具有较高的卷曲密度和较低的卷曲幅度，并且容易干燥，从查找文献的结果来看，大部分制备莱赛尔纤维都是以纤维素为主要原料。
相关研究表明，掺有半纤维素浆粕也可作为莱赛尔纤维的原料，半纤维素的含量对纤维的聚集态结构、原纤聚集束尺寸、纤维的染色等性能均产生一定的影响。张慧慧等采用不同分子质量的纤维素混合浆粕纺制了高强莱赛尔纤维，其可用于碳纤维原丝和轮胎帘子线(用于制备高强Lyocell纤维的纤维素混合浆粕的研究，《合成纤维》，2007，1：21-24)；李庆春等探讨了浆粕对莱赛尔纤维的适用性研究，结果发现：浆粕的甲纤含量低，半纤维素高时，在制备纺丝液时，半纤先溶于NMMO，造成NMMO溶液粘度上升，影响NMMO溶剂向浆粕内部渗透，使溶解时间长(Lyocell纤维适用浆粕初探，《广西化纤通讯》，2001，29(1)：6)。文献调研表明，不同的纤维素浆粕均对莱赛尔纤维的质量造成一定的影响；当前，莱赛尔纤维的主要原料以木浆为主，但是，木浆的制备工艺复杂，价格成本较高，寻找一种替代木浆的廉价原料是降低莱赛尔纤维成本的有效方法。
我国是世界上麻类资源最丰富的国家之一，主要有苎麻、剑麻、亚麻和黄洋麻等，其中，苎麻以其生长速度快、产量高、易存活等优点在我国广泛种植。苎麻纤维有其他纤维难以比拟的优势：具有良好的吸湿散湿与透气的功能，传热导热快、凉爽挺括、出汗不贴身、质地轻、强力大、防虫防霉、静电少、织物不易污染、色调柔和大方、粗犷、适宜人体皮肤的排泄和分泌。此外，苎麻纤维含有丰富的纤维素，其具有用作莱赛尔纤维原料的潜质。但是，由于苎麻纤维的结晶度和取向度高、平直无卷曲等特性，导致其柔软性较差、可纺性差和对皮肤有刺痒感，这些问题的存在使其优点不能充分地发挥出来，从而极大地限制了其在高端市场的应用。因此，需开发一种有效的方法使其在高端纤维领域发挥重要作用。
发明内容
本发明的目的是克服以往技术的不足，提供一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法。
一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法，所述方法如下步骤：
(1)生物酶处理：将脱胶后的苎麻纤维打碎成粉体，采用复合生物酶制剂在水溶液中进行生物酶处理，所述复合生物酶制剂包括：木素过氧化物酶、木聚糖酶和漆酶；酶处理温度为：20～25℃，酶处理时间为：8～10小时；处理完成后，过滤，将滤渣收集并干燥。
优选地，所述木素过氧化物酶、木聚糖酶和漆酶三者的浓度(mg/L)比为：1︰1～2︰1～2；所述苎麻纤维粉体(g)与复合生物酶制剂水溶液(mL)的比值为：1︰(20～30)。
(2)有机溶剂处理：将步骤(1)处理的样品溶于硝酸-乙醇的混合溶液，在95～100℃下装有回流装置的水浴中加热回流，加热回流时间3～6小时；待样品变白色，回流结束；然后分别用热水和无水乙醇洗涤。
优选地，所述步骤(1)处理的样品(g)与硝酸-乙醇的混合溶液(mL)的比为：1︰10～20；所述硝酸-乙醇的混合溶液的配制方法为：取5000mL无水乙醇于烧杯中，向烧杯中加入1000mL95～98％的浓硝酸，加入浓硝酸的方法为：分多次加入，每次加50mL，加入后搅拌均匀3～6分钟，20次加完。
(3)微波处理：将步骤(2)处理的样品溶于10～15％的氢氧化钠水溶液，置于微波环境中，微波功率为110～150W，处理时间为10～15min；处理结束后用清水洗涤样品至中性；优选地，所述步骤(2)处理的样品(g)与氢氧化钠水溶液(mL)的比例为1︰20～30。
(4)麻浆莱赛尔纤维的纺丝液的制备：将质量分数为45～55％的N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)的水溶液减压蒸馏至95～99％的NMMO的水溶液，再将其与步骤(3)处理后的纤维均匀混合，在反应釜中于100～110℃真空搅拌溶解3～5小时，制得质量分数为10～15％的均匀透明的纺丝液。
(5)麻浆莱赛尔纤维的纺丝：将步骤(4)处理后的纺丝液加入螺杆挤压机，在90～130℃下进一步溶解，然后过滤，进入纺丝系统，其中，气隙长度为8～10cm，纺丝速度为20～30m/min，喷丝板孔径为50～70μm，孔毛细管长500～700μm；喷出的丝线在空气中呈垂直拉伸，进入凝固浴槽，凝固成形，凝固浴浓度为10～15％的NMMO的水溶液，凝固浴温度为0～10℃。
(6)纤维的水洗：将步骤(5)处理后的纤维浸入70～85℃的热水中，时间为3～5分钟，浴比1g︰(20～25)mL。
(7)纤维的上油：将步骤(6)处理后的纤维浸入3～4g/L的油浴溶液，油浴温度为80～85℃，时间为3～5分钟，浴比1g︰(15～20)mL。
(8)纤维的烘干：将步骤(7)处理后的纤维经过烘干处理后得到麻浆莱赛尔纤维。
本发明具有如下显著优点：
(1)莱赛尔纤维的主要原料通常采用木浆纤维素，本发明从苎麻纤维提取纤维素，并成功用为莱赛尔纤维的原料；此方法大大地拓展了莱赛尔纤维的原料来源。
(2)苎麻具有生长速度快、产量高、易存活等优点，此外，其含有较高的纤维素，是一种理想的纤维素供应来源，本发明采用生物酶处理、有机溶剂溶解、微波辐射等方法成功将纤维素分离并提取。
(3)本发明的麻桨莱赛尔纤维干断裂强度介于48～49cN/tex之间，与采购的莱赛尔纤维接近，麻桨莱赛尔纤维干断裂伸长率介于15％～16％之间，略高于采购的莱赛尔纤维；麻桨莱赛尔纤维湿断裂强度介于31～33cN/tex之间，略低于采购的莱赛尔纤维，麻桨莱赛尔纤维湿断裂伸长率介于15％～16％之间，略高于采购的莱赛尔纤维。本发明以苎麻为原料制备的纤维素纤维是一个合格的莱赛尔纤维，其可以和市场上的莱赛尔纤维相媲美。
附图说明
图1本发明制备的莱赛尔纤维的电镜图
具体实施方式
以下所述实施例详细说明了本发明。
实施例1
在本实施例中，一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法，包括如下步骤：
(1)生物酶处理：将100g脱胶后的苎麻纤维打碎成粉体，采用2500mL含复合生物酶制剂的水溶液进行生物酶处理，所述复合生物酶制剂包括：100mg/L的木素过氧化物酶、150mg/L的木聚糖酶和150mg/L的漆酶；酶处理温度为：23℃，酶处理时间为：9小时；处理完成后，过滤，将滤渣收集并干燥。
(2)有机溶剂处理：将50g步骤(1)处理的样品溶于750mL硝酸-乙醇的混合溶液，在98℃下装有回流装置的水浴中加热回流，加热回流时间4.5小时；待样品变白色，回流结束；然后分别用热水和无水乙醇洗涤。
所述硝酸-乙醇的混合溶液的配制方法为：取5000mL无水乙醇于烧杯中，向烧杯中加入1000mL96％的浓硝酸，加入浓硝酸的方法为：分多次加入，每次加50mL，加入后搅拌均匀4分钟，20次加完。
(3)微波处理：将30g步骤(2)处理的样品溶于750mL12.5％的氢氧化钠水溶液，置于微波环境中，微波功率为130W，处理时间为12min；处理结束后用清水洗涤样品至中性。
(4)麻浆莱赛尔纤维的纺丝液的制备：将质量分数为50.3％的NMMO的水溶液减压蒸馏至96.5％的NMMO的水溶液，再将其与步骤(3)处理后的纤维均匀混合，在反应釜中于105℃真空搅拌溶解4小时，制得质量分数为13.7％的均匀透明的纺丝液。
(5)麻浆莱赛尔纤维的纺丝：将步骤(4)处理后的纺丝液加入螺杆挤压机，在115℃下进一步溶解，然后过滤，进入纺丝系统，其中，气隙长度为9cm，纺丝速度为25m/min，喷丝板孔径为60μm，孔毛细管长600μm；喷出的丝线在空气中呈垂直拉伸，进入凝固浴槽，凝固成形，凝固浴浓度为13％的NMMO的水溶液，凝固浴温度为4～5℃。
(6)纤维的水洗：将步骤(5)处理后的纤维浸入80±1℃的热水中，时间为4分钟，浴比1︰22。
(7)纤维的上油：将步骤(6)处理后的纤维浸入3.5g/L的油浴溶液，油浴温度为83±1℃，时间为4分钟，浴比1︰18。
(8)纤维的烘干：将步骤(7)处理后的纤维经过烘干处理后得到麻浆莱赛尔纤维a，麻浆莱赛尔纤维a的电镜如图1所示。
实施例2
在本实施例中，一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法，包括如下步骤：
(1)生物酶处理：将100g脱胶后的苎麻纤维打碎成粉体，采用2000mL含复合生物酶制剂的水溶液进行生物酶处理，所述复合生物酶制剂包括：100mg/L的木素过氧化物酶、100mg/L的木聚糖酶和100mg/L的漆酶；酶处理温度为：20℃，酶处理时间为：8小时；处理完成后，过滤，将滤渣收集并干燥。
(2)有机溶剂处理：将50g步骤(1)处理的样品溶于500mL硝酸-乙醇的混合溶液，在98℃下装有回流装置的水浴中加热回流，加热回流时间4.5小时；待样品变白色，回流结束；然后分别用热水和无水乙醇洗涤。
所述硝酸-乙醇的混合溶液的配制方法为：取5000mL无水乙醇于烧杯中，向烧杯中加入1000mL96％的浓硝酸，加入浓硝酸的方法为：分多次加入，每次加50mL，加入后搅拌均匀4分钟，20次加完。
(3)微波处理：将30g步骤(2)处理的样品溶于600mL10％的氢氧化钠水溶液，置于微波环境中，微波功率为130W，处理时间为12min；处理结束后用清水洗涤样品至中性。
(4)麻浆莱赛尔纤维的纺丝液的制备：将质量分数为50.3％的NMMO的水溶液减压蒸馏至97.3％的NMMO的水溶液，再将其与步骤(3)处理后的纤维均匀混合，在反应釜中于105℃真空搅拌溶解4小时，制得质量分数为14.3％的均匀透明的纺丝液。
(5)麻浆莱赛尔纤维的纺丝：将步骤(4)处理后的纺丝液加入螺杆挤压机，在115℃下进一步溶解，然后过滤，进入纺丝系统，其中，气隙长度为8cm，纺丝速度为20m/min，喷丝板孔径为50μm，孔毛细管长500μm；喷出的丝线在空气中呈垂直拉伸，进入凝固浴槽，凝固成形，凝固浴浓度为10％的NMMO的水溶液，凝固浴温度为0～2℃。
(6)纤维的水洗：将步骤(5)处理后的纤维浸入80±1℃的热水中，时间为3分钟，浴比1︰20。
(7)纤维的上油：将步骤(6)处理后的纤维浸入3.5g/L的油浴溶液，油浴温度为83±1℃，时间为3分钟，浴比1︰15。
(8)纤维的烘干：将步骤(7)处理后的纤维经过烘干处理后得到麻浆莱赛尔纤维b。
实施例3
在本实施例中，一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法，包括如下步骤：
(1)生物酶处理：将100g脱胶后的苎麻纤维打碎成粉体，采用3000mL含复合生物酶制剂的水溶液进行生物酶处理，所述复合生物酶制剂包括：100mg/L的木素过氧化物酶、200mg/L的木聚糖酶和200mg/L的漆酶；酶处理温度为：25℃，酶处理时间为：10小时；处理完成后，过滤，将滤渣收集并干燥。
(2)有机溶剂处理：将50g步骤(1)处理的样品溶于1000mL硝酸-乙醇的混合溶液，在98℃下装有回流装置的水浴中加热回流，加热回流时间4.5小时；待样品变白色，回流结束；然后分别用热水和无水乙醇洗涤。
所述硝酸-乙醇的混合溶液的配制方法为：取5000mL无水乙醇于烧杯中，向烧杯中加入1000mL96％的浓硝酸，加入浓硝酸的方法为：分多次加入，每次加50mL，加入后搅拌均匀4分钟，20次加完。
(3)微波处理：将30g步骤(2)处理的样品溶于900mL15％的氢氧化钠水溶液，置于微波环境中，微波功率为150W，处理时间为15min；处理结束后用清水洗涤样品至中性。
(4)麻浆莱赛尔纤维的纺丝液的制备：将质量分数为50.3％的NMMO的水溶液减压蒸馏至98.3％的NMMO的水溶液，再将其与步骤(3)处理后的纤维均匀混合，在反应釜中于105℃真空搅拌溶解4小时，制得质量分数为14.8％的均匀透明的纺丝液。
(5)麻浆莱赛尔纤维的纺丝：将步骤(4)处理后的纺丝液加入螺杆挤压机，在115℃下进一步溶解，然后过滤，进入纺丝系统，其中，气隙长度为10cm，纺丝速度为30m/min，喷丝板孔径为70μm，孔毛细管长700μm；喷出的丝线在空气中呈垂直拉伸，进入凝固浴槽，凝固成形，凝固浴浓度为15％的NMMO的水溶液，凝固浴温度为6～7℃。
(6)纤维的水洗：将步骤(5)处理后的纤维浸入80±1℃的热水中，时间为4分钟，浴比1︰25。
(7)纤维的上油：将步骤(6)处理后的纤维浸入3.5g/L的油浴溶液，油浴温度为83±1℃，时间为4分钟，浴比1︰20。
(8)纤维的烘干：将步骤(7)处理后的纤维经过烘干处理后得到麻浆莱赛尔纤维c。
性能评价实例：
对本发明中上述具体实施例1～3制备得到的莱赛尔纤维a、b、c进行强力性能测试，测试方法参考GB/T-24218.3-2010《纺织品、非织造布试验方法第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定》，采用FAVIMAT-BOBOT2全自动单纤维万能测试仪测定试样的强力性能，测试试样不少于30根，取测试平均值。测试结果如表1所示，其中，苎麻莱赛尔纤维a、b、c简称纤维a、b、c，采购的莱赛尔纤维来自于绍兴丹澳纺织品有限公司。
表1麻桨莱赛尔纤维a、b、c和采购的莱赛尔纤维的力学性能
Figure BDA0002276441990000061
Figure BDA0002276441990000071
从表1可见，麻桨莱赛尔纤维干断裂强度介于48～49cN/tex之间，与采购的莱赛尔纤维接近，麻桨莱赛尔纤维干断裂伸长率介于15％～16％之间，略高于采购的莱赛尔纤维；麻桨莱赛尔纤维湿断裂强度介于31～33cN/tex之间，略低于采购的莱赛尔纤维，麻桨莱赛尔纤维湿断裂伸长率介于15％～16％之间，略高于采购的莱赛尔纤维。从力学性能的测试结果来看，以麻桨为原料的莱赛尔纤维的力学性能与采购的莱赛尔纤维比较接近，由此可见，本发明制备的纤维素纤维是一种合格的莱赛尔纤维。

Claims (1)

1.一种以苎麻纤维为原料制备莱赛尔纤维的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)生物酶处理：将脱胶后的苎麻纤维打碎成粉体，采用复合生物酶制剂在水溶液中进行生物酶处理，所述复合生物酶制剂包括：木素过氧化物酶、木聚糖酶和漆酶；酶处理温度为：20～25℃，酶处理时间为：8～10小时；处理完成后，过滤，将滤渣收集并干燥；
(2)有机溶剂处理：将步骤(1)处理的样品溶于硝酸-乙醇的混合溶液，在95～100℃下装有回流装置的水浴中加热回流，加热回流时间3～6小时；待样品变白色，回流结束；然后分别用热水和无水乙醇洗涤；所述硝酸-乙醇的混合溶液的配制方法为：取5000mL无水乙醇于烧杯中，向烧杯中加入1000mL95～98％的浓硝酸，加入浓硝酸的方法为：分多次加入，每次加50mL，加入后搅拌均匀3～6分钟，20次加完；
(3)微波处理：将步骤(2)处理的样品溶于10～15％的氢氧化钠水溶液，置于微波环境中，微波功率为110～150W，处理时间为10～15min；处理结束后用清水洗涤样品至中性；
(4)麻浆莱赛尔纤维的纺丝液的制备：将质量分数为45～55％的NMMO的水溶液减压蒸馏至95～99％的NMMO的水溶液，再将其与步骤(3)处理后的样品均匀混合，在反应釜中于100～110℃真空搅拌溶解3～5小时，制得质量分数为10～15％的纺丝液；
(5)麻浆莱赛尔纤维的纺丝：将步骤(4)处理后的纺丝液加入螺杆挤压机，在90～130℃下进一步溶解，然后过滤，进入纺丝系统，其中，气隙长度为8～10cm，纺丝速度为20～30m/min，喷丝板孔径为50～70μm，孔毛细管长500～700μm；喷出的丝线在空气中呈垂直拉伸，进入凝固浴槽，凝固成形，凝固浴浓度为10～15％的NMMO的水溶液，凝固浴温度为0～10℃；
(6)纤维的水洗：将步骤(5)处理后的纤维浸入70～85℃的热水中，时间为3～5分钟，浴比为1g︰(20～25)mL；
(7)纤维的上油：将步骤(6)处理后的纤维浸入3～4g/L的油浴溶液，油浴温度为80～85℃，时间为3～5分钟，浴比为1g︰(15～20)mL；
(8)纤维的烘干：将步骤(7)处理后的纤维经过烘干处理后得到麻浆莱赛尔纤维；
其中，所述步骤(1)中木素过氧化物酶、木聚糖酶和漆酶三者的浓度比为：1mg/L︰(1～2)mg/L︰(1～2)mg/L；所述苎麻纤维粉体与复合生物酶制剂水溶液的比值为：1g︰(20～30)mL；
其中，所述步骤(2)中步骤(1)处理的样品与硝酸-乙醇的混合溶液的比为：1g︰(10～20)mL；
其中，所述步骤(3)中步骤(2)处理的样品与氢氧化钠水溶液的比例为1g︰(20～30)mL。
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