TW201422697A - 以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明是提供一種「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，係將天然木漿與氧化甲基瑪琳(NMMO)溶劑以適當比例調配成漿液，去除水分後形成黏液(dope)，並以乾噴濕式紡絲法(dry-jet wet spinning)紡絲，再經凝固再生、水洗、撚絲、裁切及乾燥而製得天然纖維素纖維人工水苔。

Description

以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法
本發明關於一種「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，其屬於綠色環保製程製造天然纖維素纖維之應用技術領域，主要是將紡絲後之天然纖維素纖維，經撚絲、裁切及乾燥而製成天然纖維素纖維人工水苔，其PH值介於6.0~7.22之間，且EC值趨近於0mS/cm所含之鹽類離子極少，故屬於中性及純淨之介質，而與天然水苔相較下更適合作為蘭花之栽培介質。
天然水苔(Sphagnum moss)是台灣蘭花生產之主要栽培介質，其是一種低等植物，如線條狀生長於多濕的溫帶林中，柔軟如棉而富彈性，其吸水及乾燥後情形有如海綿，目前台灣使用的天然水苔大部分由智利、紐西蘭及大陸等地進口，估計每年消費量約1,100公噸，近年來，天然水苔由於大量採集，同時受水災及自然生態變化影響，導致產量逐漸減少、成本提高，且採收時部分天然水苔因與土壤混合生長，而遭受嚴重的鐮孢菌(Fusarium oxysporum)感染，以致使得品質不甚穩定，並影響日後蘭花種植之品質。
因此，利用紡紗技術生產合成或半合成纖維所製成之人工水苔乃因應而生，其具有產製效率高、品質均一及無病蟲害帶原等優點，並已有逐漸取代天然水苔之趨勢；然而，目前合成或半合成纖維人工水苔均屬於聚酯類(Polyester)或聚醯氨類(Polyamide)聚合物，所採用之製程為嫘縈(viscose rayon)、銅氨縲縈(Cuprammonium rayon)、醋酸纖維(Acetate)等傳統紡絲製程，其嫘縈粘液係使用濕式紡絲來生產，故所需流程十分繁雜，且紡絲速度亦慢而耗時甚久，並導致大量生產之成本較高，此外，在製程中所排放的物質污染性高，極易造成環境之污染，再者，該聚酯類(Polyester)或聚醯氨類(Polyamide)聚合物纖維因屬於不可溶解性纖維，常隨著人工水苔栽培介質的用量越來越多下，促使其廢棄量亦隨之增加，反而再次對環境形成污染源，完全不能符合長期性環保之要求。
有鑑於上述合成或半合成纖維人工水苔之缺失，本發明之發明人乃應用自己先前所研發成功之天然纖維素纖維製法之技術(已分別獲得台灣發明專利第I330208號及美國發明專利第US8092732號在案)，再加以創新完成本發明，並經實驗證明其各項性能均能符合蘭花栽培介質之要求，且在大量生 產速度上，亦比現有合成或半合成纖維人工水苔之生產速度更快。
本發明之主要目的在提供一種「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，係將天然木漿與氧化甲基瑪琳(NMMO)溶劑以適當比例調配成漿液，並摻入抗聚合度衰退安定劑，經溶解後去除水分形成紡絲之黏液(dope)，再以乾噴濕式紡絲法(dry-jet wet spinning)，將黏液從紡口中擠壓出來，並進入凝固浴中凝固再生成絲，經水洗後進行撚絲，最後經由裁切及乾燥即製得天然纖維素纖維人工水苔；其中，撚絲是採用側邊餵紗之中空錠子方式，將數條天然纖維素纖維絲束合撚(twist)起來，並在進行合撚時同步加入一條包覆絲(cover filament)，而將整個絲束充分纏繞包覆，可防止後續進行裁切時發生退撚之狀態，此外，該中空錠子採用定齒皮帶與高速馬達進行連結傳動，除可避免高速運轉時產生滑溜外，更可提高量產天然纖維素纖維人工水苔之速度，進而達成快速量產與降低整體量產製造之成本，使其更具有市場競爭性。
本發明之另一目的係在提供一種「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，其製程之溶劑可做充 分循環使用，且摻入之抗聚合度衰退安定劑具有減少衰退及簡化精製之功效，而使得溶劑之損耗率低，回收率可達99.5%以上，故不會造成環境污染。
本發明之又一目的乃在提供一種「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，其製得之天然纖維素纖維人工水苔屬於可溶解性纖維，使用後丟棄不會對環境再次造成污染源，故能符合長期性環保之要求。
為進一步說明本發明之製作流程與功效，茲佐以圖示及各試驗實例詳細說明如后：
請參閱第一圖至第四圖所示，本發明「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，其步驟包含：
(a)將天然木漿與氧化甲基瑪琳(N-methylmorpholine N-oxide，簡稱NMMO)溶劑混合之漿液內，另摻入苯基噁唑(1,3-phenylene-bis 2-oxazoline，BOX)安定劑，使其相混合調配成一定比例之初漿液；其中，該選用天然木漿之纖維素是為α-纖維素含量在65%以上之長纖維或短纖維，且其纖維素聚合度(degree of polymerization，簡稱DP)為500~1200，該氧化甲基瑪琳(NMMO)之化學結構圖如第二圖所示。
(b)使用高速攪拌機，將步驟(a)之初漿液置入後，以50℃~70℃低溫進行高速攪碎，並藉由氧化甲基瑪琳(NMMO)對纖維素膨潤性大、溶解性高及溶解速率快等功效，來達成快速相互混合溶解。
(c)使用真空薄膜蒸發器蒸發多餘之水分，以80℃~120℃加熱，於5分鐘內排除水分至5%~13%，即可將纖維素溶解成紡絲之黏液(dope)。
(d)以計量泵(pump)將黏液送入紡絲機，再以乾噴濕式紡絲法(dry-jet wet spinning)，將黏液從紡絲機之紡口中擠壓出來形成纖維素絲束；
(e)噴出水霧使纖維素絲束經凝固浴凝固而再生成紡絲，再以潔淨之水漂洗。
(f)進行撚絲，如第三圖所示，係採用側邊餵紗之中空錠子10方式，將數條天然纖維素纖維絲束1合撚(twist)起來，餵入之每一天然纖維素纖維絲束1的丹尼數約為2,500d，合撚後的總丹尼數約為25,000d~30,000d，且在進行合撚時同步加入一條包覆絲(cover filament)2，而將整個天然纖維素纖維絲束1充分纏繞包覆，以防止經由夾絲輪40輸送至後續裁刀50進行裁切時發生退撚之狀態，其中，該中空錠子10由高速馬達20帶動，並以定齒皮帶30 進行兩者間之傳動連結，其轉速為1,800r.p.m~10,800r.p.m，並將撚絲之撚度控制在200TPM~1,200TPM之間，而具有調整裁切後天然纖維素纖維人工水苔3的鬆緊度，使其滿足不同吸水能力所應有之不同鬆緊度之需求。
(g)裁切，如第三圖所示，係依不同蘭花栽培介質所需之長度，而配合調整餵入夾絲輪40之頻率，再用鎢鋼裁刀50裁切成不同長度需求的天然纖維素纖維人工水苔3，該天然纖維素纖維人工水苔3之長度可控制在3cm~30 cm。
(h)最後，將裁切過之天然纖維素纖維人工水苔3送入滾筒乾燥機內進行乾燥，烘乾溫度為120℃~150℃，烘乾時間約30分鐘~60分鐘，即可製得天然纖維素纖維人工水苔3成品，其外觀形狀如第四圖中之左圖所示(另第四圖中之右圖係天然水苔之外觀圖示)。
其中，步驟(a)中氧化甲基瑪琳(NMMO)溶劑之濃度為45%~75%。
將本發明依上述步驟所完成之天然纖維素纖維人工水苔，進行各項試驗並與天然水苔比較分析如下：
一、〔水苔通氣與吸水性量測方法〕：
水苔的物性量測標準作業程序如下：
1.以3.5吋軟盆，底部排水口以膠帶或其他填塞工具加以密封，密閉性代表確定水分無法滲出。軟盆的容積(總體積)可以承置的水分總重量加以計算(Vp)。
2.將待測水苔放置於軟盆內，直到完全填滿。放入的水苔體積和軟盆體積(Vm)相同(Vm=Vp)。
3.緩慢的加入水分，直到水苔飽和不再吸收水分。水分不可過滿而溢出軟盆之外，也不能造成水苔浮起而流到軟盆外面。
4.靜置15分鐘，如果水面低下代表水苔需要持續加水，則再添加水分至水苔飽和，而維持軟盆表面水位整齊。
5.紀錄所加入的水重(Wadd)。
6.自軟盆底部撕去膠帶或移除填塞物，使水分自軟盆滴落，滴落的水分加以收集並稱重(Wdrop)，此水分滴落時間通常需要維持1小時以上。
7.自軟盆內取出水苔加以稱重(W1)。
8.潮濕的水苔放置烘箱內，以70-80℃，烘乾36小時以上，最後的乾燥的水苔重量為W2。
二、〔水苔物性的定義與計算方式〕：
1.總孔隙度(Total porosity,TP)：
代表在一定體積的水苔所能夠加入的水量(吸水量)，此數值代表此代表吸水能力，也可以用以評估通氣性能。
2.水苔納水能力(Container capacity,CC)：
代表一定容積的水苔可以吸收的水量
3.水苔含水率(Moisture content,MC)
4.空氣空隙率(Air space,AS)
5.吸水比(Water adsorptivity,WA)代表每一單位重量的水苔所能吸收的水分重量比例
三、〔水苔保水性比較分析〕：
水苔放置於已知重量的容器內，逐次加水至飽和狀態，稱重後再放入烘箱內進行乾燥作業，在一定的溫度與相對濕度環境條件下，於不同時間逐次量測其重量變化。在達到重量平衡狀態後，取出水苔以75℃，36小時烘乾後再測量其含水率。再以所有不同乾燥時間下的量測重量計算其含水率。以含水率為縱座標，乾燥時間為橫座標，即可繪製完成水苔乾燥特性曲線(如第五圖所示)。由特性曲線以計算乾燥速率，乾燥速率愈低保水性愈好。
再由第五圖之乾燥特性曲線可看出本發明之天然纖維素纖維人工水苔與天然水苔的保水特性。天然纖維素纖維人工水苔在最初飽和階段，含水率高達2000-2500%。7天的乾燥時間，含水率仍能維持於200-250%。天然水苔在飽和階段含水率為2000-3000%，7天的乾燥時間降低為200-300%。對於蝴蝶蘭之水苔栽培介質而言，其保水能力與保肥能力極為相關。
另由【表一】的水苔通氣性與吸水性等物理特 性資料可以發現，本發明之天然纖維素纖維人工水苔具有最佳的吸水性。每單位質量所能吸收的水份是天然水苔的1.1倍。對水苔納水能力(CC)的比對，本發明天然纖維素纖維人工水苔與天然水苔相近。乾燥後天然纖維素纖維人工水苔的總孔隙度為94.7也優於天然水苔的89.2。而在通氣性比較方面，天然纖維素纖維人工水苔的空氣空隙率為68.8，亦優於天然水苔的54.4。
故以通氣性而言，本發明之天然纖維素纖維人工水苔優於天然水苔。以吸水性而言，本發明之天然纖維素纖維人工水苔較佳，天然水苔較差。以單位質量的吸水能力而言，也是天然纖維素纖維人工水苔最大。在整體之保水性能方面，本發明之天然纖維素纖維人工水苔較好。
四、〔水苔pH值、EC值之比較分析〕：
隨機分別取3克之水苔分析，各重複取3次，加入100毫升去離子水，浸泡24小時後，測定pH值及EC值(pH值以DELTA 320 pH-meter、EC值以Suntex Sc-12 meter測定)。
由【表二】中之水苔pH值比較分析結果顯示，天然水苔之pH值介於3.2~4.8之間而屬於酸性，反觀，本發明之天然纖維素纖維人工水苔之pH值則介於6.0~7.2之間，因此，相較於天然水苔，本發明之天然纖維素纖維人工水苔為一種中性介質，其比屬於酸性之天然水苔更適合蘭花之生長。再由【表二】中之EC值比較分析結果顯示，本發明之天然纖維素纖維人工水苔之EC值比天然水苔低3倍以上，且趨近於0 mS/cm，表示其所含之鹽類離子極少，相較於天然水苔，本發明之天然纖維素纖維人工水苔是較為純淨的介質。
五、〔不同生長介質對蝴蝶蘭栽培試驗〕：
分別使用本發明之天然纖維素纖維人工水苔與天然水苔作為生長介質來進行栽培蝴蝶蘭，在正常之介質鬆緊度及肥培灌溉模式栽植下，測量栽培後6個月蝴蝶蘭之葉面積，由試驗結果顯示，以本發明之天然纖維素纖維人工水苔作為介質栽培之蝴蝶蘭葉面積，與以天然水苔栽培之表現相當(如第六圖、第七圖、第八圖及表三所示)，使用本發明之天然纖維素纖維人工水苔與使用天然水苔栽培的蝴蝶蘭大苗，其葉部與根部的比例並無顯著的不同，且本發明之天然纖維素纖維人工水苔通氣性良好，種植的蝴蝶蘭根系發育也良好。
綜上所陳，本發明之天然纖維素纖維人工水苔為一種中性介質，並無天然水苔所產生之介質酸化問題，且其EC值趨近於0 mS/cm，而為一純淨之介質，亦無天然水苔因來源不同所造成之品質不均及病蟲害帶原等缺失，此外，因製程中撚絲採側邊 餵紗之中空錠子方式，使得量產速度較習知合成或半合成纖維人工水苔更快，而能大幅降低整體量產之製造成本，更具有市場競爭性，確為具有高度產業利用性之創新發明，乃依法提出申請。
1‧‧‧天然纖維素纖維絲束
2‧‧‧包覆絲
3‧‧‧天然纖維素纖維人工水苔
10‧‧‧中空錠子
20‧‧‧高速馬達
30‧‧‧定齒皮帶
40‧‧‧夾絲輪
50‧‧‧裁刀
第一圖：係本發明之製造流程圖。
第二圖：係本發明使用之氧化甲基瑪琳(N-methylmorpholineN-oxide，簡稱NMMO)化學結構圖。
第三圖：本發明中撚絲之作動示意圖。
第四圖：係本發明之天然纖維素纖維人工水苔與天然水苔之外觀示意圖，其中，左圖為天然纖維素纖維人工水苔外觀圖，右圖為天然水苔外觀圖。
第五圖：係不同水苔的乾燥特性曲線圖。
第六圖：係使用本發明之天然纖維素纖維人工水苔與天然水苔同時進行蝴蝶蘭栽培試驗之生長示意圖之一；其中，上圖為天然水苔之生長示意圖，下圖為天然纖維素纖維人工水苔之生長示意圖。
第七圖：係使用本發明之天然纖維素纖維人工水苔與天然水苔同時進行蝴蝶蘭栽培試驗之生長示意圖之二。其中，左圖為天然水苔之生長示意圖，右圖為天然纖維素纖維人工水苔之生長示意圖。
第八圖：係使用本發明之天然纖維素纖維人工水苔與天然水苔同時進行蝴蝶蘭栽培試驗之生長示意圖之三。其中，左圖為天然水苔之生長示意圖，右圖為天然纖維素纖維人工水苔之生長示意圖。

Claims (4)

  1. 一種「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，其步驟包含：(a)將天然木漿與氧化甲基瑪琳(N-methylmorpholine N-oxide，簡稱NMMO)溶劑混合成漿液，另摻入苯基噁唑(1,3-phenylene-bis 2-oxazoline，BOX)安定劑，使其相混合調配成一定比例之初漿液；其中，該選用天然木漿之纖維素是為α-纖維素含量在65%以上之長纖維或短纖維，且其纖維素聚合度(degree of polymerization，簡稱DP)為500~1200；(b)使用高速攪拌機，將步驟(a)之初漿液置入後，以50℃~70℃低溫進行高速攪碎，並藉由氧化甲基瑪琳(NMMO)對纖維素膨潤性大、溶解性高及溶解速率快等功效，來達成快速相互混合溶解；(c)使用真空薄膜蒸發器蒸發多餘之水分，以80℃~120℃加熱，於5分鐘內排除水分至5%~13%，即可將纖維素溶解成紡絲之黏液(dope)；(d)以計量泵(pump)將黏液送入紡絲機，再以乾噴濕式紡絲法(dry-jet wet spinning)，將黏液從紡絲機之紡口中擠壓出來形成纖維素絲束；(e)噴出水霧使纖維素絲束經凝固浴凝固而再生成紡絲，再以潔淨之水漂洗；(f)進行撚絲，採用側邊餵紗之中空錠子方式，將數條天然纖維素纖維絲束合撚(twist)起來，餵入之每一天然纖維素纖維絲束的丹尼數約為 2,500d，合撚後的總丹尼數約為25,000d~30,000d，且在進行合撚時同步加入一條包覆絲(cover filament)，而將整個天然纖維素纖維絲束充分纏繞包覆，以防止經由夾絲輪輸送至後續裁切時發生退撚之狀態；其中，該中空錠子由高速馬達帶動，並以定齒皮帶進行兩者間之傳動連結，其轉速為1,800r.p.m~10,800r.p.m，並將撚絲之撚度控制在200TPM~1,200TPM之間，而具有調整裁切後天然纖維素纖維人工水苔的鬆緊度，使其滿足不同吸水能力所應有之不同鬆緊度之需求；(g)裁切，依不同蘭花栽培介質所需之長度，配合調整餵入夾絲輪之頻率，再裁切成不同長度需求的天然纖維素纖維人工水苔，其長度可控制在3cm~30 cm；及(h)最後，將裁切過之天然纖維素纖維人工水苔送入滾筒乾燥機內進行乾燥，烘乾溫度為120℃~150℃，烘乾時間約30分鐘~60分鐘，即可製得天然纖維素纖維人工水苔成品。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，其中，該步驟(a)中氧化甲基瑪琳(NMMO)溶劑之濃度為45%~75%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，其中，該天然纖維素纖維人工水苔之pH值介於6.0~7.2之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之「以天然纖維素纖維製備人工水苔的方法」，其中，該天然纖維素纖維人工水苔之EC值比天然水苔低3倍以上。
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