液电效应麻脱胶技术

赵益昕, 庞桂兵, 张赟阁, 卜繁岭, 王 帅, 王静思

(1.大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连 116034; 2.大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026)

液电效应麻脱胶技术

赵益昕1, 庞桂兵1, 张赟阁2, 卜繁岭1, 王 帅1, 王静思1

(1.大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连 116034; 2.大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026)

为了改善目前大规模采用的麻化学脱胶法效率低、污染大的缺点,将液相放电技术引入麻脱胶处理。实验研究了液电效应处理前后的亚麻的质量、力学性能、表面结构以及脱胶水介质的变化。结果表明,亚麻经液相放电技术处理后,亚麻的质量减轻,纤维强度增加,纤维表面变得光滑洁净。液相放电技术可有效去除亚麻纤维表面杂质和果胶,根据SEM图像分析,纤维束变为相互独立的单根纤维,提高了亚麻纤维的分离度,有利于提高亚麻纤维上染率,脱胶废水易于处理。

液电效应;麻;亚麻;脱胶;果胶

0 引 言

亚麻韧皮部外侧的初生纤维约含70%的纤维素和30%的非纤维素类胶质[1-2],这些胶质成分主要为果胶和半纤维素类物质,它们充斥在纤维分子之间,具有营养或黏结作用,部分或全部与纤维相连接,结合紧密。脱去这些非纤维类胶质成分,提取优质可纺纤维是麻纺织前处理过程中的关键阶段。麻脱胶方法主要有化学脱胶法、酶法、微生物法等[3-6]。其中,目前国内外应用最普遍的是化学脱胶法,化学脱胶法消耗原料和能耗多,对纤维损伤大,按照GB 8978—1996三级标准排放,COD为1 000 mg/L,严重污染环境[7-8];酶法脱胶活力太低,脱胶不彻底;微生物法脱胶也存在质量不稳定、耗时长等弊端[9]。液电加工技术是利用液相放电等离子体所引发的一系列物理、化学效应进行生产加工的技术。液相放电的过程中会产生冲击波[10-11]、紫外线[12]、强氧化性自由基[13]和强电场[14]4种作用效应,这些效应为液电技术带来广阔的应用前景,液电加工技术可采用自来水作为放电介质,具有耗能低、无污染等优点,液电加工技术现已成功运用到机械零件成形与清洗、水下目标探测、水处理、食品杀菌等诸多领域[15]。本实验将液电效应应用于麻脱胶工艺,实现纤维表面杂质及果胶去除、改善纤维表面的微孔隙结构等,探索绿色麻脱胶工艺。

1 液相放电实验设计

1.1 实验系统

液相放电电路组成如图1所示。其中,交流电源、可调变压器、升压整流、脉冲电容器构建成实验装置的充电系统。放电系统由脉冲电容、理想开关和放电间隙组成。电路原理如图2所示。

图1 液相放电电路组成Fig.1 Composition of liquid discharge circuit

图2 实验电路图Fig.2 Experimental circuit

实验装置实物如图3所示。

图3 实验装置实物图Fig.3 The picture of the experimental device

1.2 实验方案

进行试验性放电,确定合理放电间隙距离为35 mm,根据击穿效果和稳定性,选取如表1所示参数为实验电参数。表1中,一次电压为调压器调节后输入电压,二次电压为放电瞬间的放电端电压,放电声级表示放电能量大小。试验样品: 500 g原麻5组;放电条件:见表1;放电次数:4、10、18、28和40次。

表1 放电数据Tab.1 Discharge data

2 结果与分析

2.1 处理前后水质

观测放电处理后的水质情况,水质由清变浑,胶质杂质悬浮于水介质中,说明液相放电技术对麻脱效果明显,可以迅速将附着于亚麻表面的胶质击碎并脱离亚麻。5组实验前后的水质对比结果如表2所示。水介质的p H略微降低,说明液相放电技术相对传统的化学脱胶可以避免在加工过程中对水介质p H的影响;水介质浊度、色度和化学需氧量(COD)均有明显变化,4次放电后, COD从1.9 mg/L升至76.2 mg/L,浊度由6.49升至31.02,色度由7升至33。亚麻表面的污染物主要为果胶和亚麻中裹挟的泥沙等物质,当液电冲击波巨大的物理机械效应作用于亚麻表面时,击碎附着在亚麻表面的果胶和泥沙,使其进入水中。果胶作为有机物的主要来源,使COD迅速提高,而泥沙等污物被击碎为小颗粒混于水中。根据表2所示的水质变化趋势,超过4次放电后,随着放电次数的增加,浊度和色度基本没有显著变化,COD略有升高。

表2 脱胶前后水质变化情况Tab.2 Changes of water quality before and after degumming

2.2 处理前后亚麻质量

用处理前后麻质量的变化表示脱胶效果。对处理前后的5组亚麻进行烘干处理,m1为实验前亚麻质量,m2为实验后亚麻质量,η为实验后亚麻质量的减少率,所称质量数据如表3所示。

表3 处理前后亚麻质量变化Tab.3 Changes of flax mass before and after degumming

液电效应麻脱胶处理后,每组亚麻质量均减少,说明液电效应可以实现有效脱胶,但放电10次后的亚麻质量变化微小。说明达到一定的放电次数后亚麻脱胶效果趋于稳定,增加加工次数不能获得更好的加工效果,还可能会破坏亚麻表面组织结构,使亚麻丧失原本优良的可纺性。

2.3 处理前后亚麻纤维的力学性能

进行了亚麻单纤维强度测量,每组样品取10根亚麻纤维测量,获得平均值,如表4所示。随着放电次数的增加,亚麻纤维强度逐渐升高,原因是麻脱胶后纤维软化有助于提高亚麻的纤维强度。

2.4 处理前后亚麻纤维的表面结构

亚麻脱胶前后的SEM图,如图4所示。未经处理的原麻(图4(a)),纤维表面粗糙不平,含有大量胶质,亚麻相互粘连在一起。经过4次放电处理(图4(b)),相对于原麻表面有了大幅度改善,覆盖在原麻表面的胶质大部分已被清除,只有极少量的胶质残留。经过18次放电后(图4(d))亚麻表面更加平滑,亚麻纤维束出现较为明显的裂痕,有的亚麻纤维之间已经分离,由纤维束变为相互独立的单根纤维,提高了亚麻纤维的分离度,麻表面的胶质基本已被完全清除掉。再增加放电次数,麻的脱胶效果没有显著提升。

表4 处理前后亚麻纤维强度变化Tab.4 Strength of the fiber before and after degumming

图4 亚麻纤维表面SEM图Fig.4 SEM pictures of linen fiber

亚麻脱胶的困难之处主要在于亚麻纤维结构及组织的特殊性。亚麻韧皮组织中的纤维处于胶质的包围中,胶质将各单纤维黏结成片状,另外,在植物生长过程中,由于自然灾害和病虫害等的侵袭而形成的风斑、虫斑等表面缺陷,以及收获、剥制等操作不良而使一些麻壳、皮屑留在原麻中,导致麻脱胶处理困难,而不得不采用化学脱胶。采用液电加工进行麻脱胶,发挥了液电爆炸在短时间内能量急剧释放的物理和化学效应,冲击亚麻表面,实现果胶质及污物的有效去除。同时,由于纤维表面受到巨大的冲击波作用,纤维分离度提高的同时,纤维表面容易发生膨化,分子间排列变得疏松,使得染料大分子易于进入纤维内部,从而有利于提高亚麻上染率。

3 结 论

采用液电效应进行亚麻纤维脱胶,能达到理想的脱胶和清洗效果。经过处理后,亚麻纤维表面的杂质和果胶质不仅大幅减少,脱胶后的亚麻纤维强度也有所加强;脱胶废水中仅含有亚麻本身带有的污染物,废水容易处理;亚麻纤维被有效地开纤分裂,由纤维束变为相互独立的单根纤维,提高了亚麻纤维的分离度,有利于上染率的提高。液电效应脱胶技术为亚麻脱胶、清洗乃至进一步的纤维分离提供了一种全新的途径。

[1]寻民传.论苎麻脱胶的主攻对象[J].纺织学报,1984, 5(8):5-10.

[2]欧阳曙,姚纲.苎麻化学脱胶新技术的评述与应用[J].苎麻纺织科技,1993,16(1):30-32.

[3]张建春,张华鹏,郭玉海,等.大麻综合利用技术[M].北京:长城出版社,2006.

[4]俞春华,冯新星,贾长兰,等.高温脱胶对大麻纤维成分与结构的影响[J].纺织学报,2006,27(10):80-83.

[5]张金秋,张华,郝新敏,等.大麻纤维高温煮练时间与脱胶质量的关系[J].纺织学报,2006,27(2):81-83.

[6]WANG H M,POSTLE R,KESSLER R W.Removing pectin and lignin during chemical processing of hemp for textile applications[J].Textile Research Journal,2003,73(8):664-669.

[7]殷祥刚,滑钧凯,于伟东.闪爆处理对大麻脱胶及纤维性能的影响[J].中国麻业,2003,25(5):243-248.

[8]邵自强,廖双泉,李晓萌.棉纤维蒸汽闪爆改性及其化学反应性能[J].火炸药学报,2001(1):44-46.

[9]刘健,陈洪章,李佐虎.大麻纤维脱胶研究综述[J].中国麻业,2002,24(4):39-42.

[10]HEMMERT D,SHIRAKI K,YOKOYAMA T, et al.Optical diagnostics of shock waves generated by a pulsed streamer discharge in water[C]//GIESSELMANN M,NEUBER A.Digest of Technical Papers.PPC-2003.14th IEEE international pulsed power conference Vol 2.Dallas:IEEE,2003:232-235.

[11]SUNKA P,BABICKY V,CLUPEK M,et al.Generation of focused shock waves by multi-channel discharges in water[C]//GORDON L.Conference record of the twenty-fifth international power modulator symposium and 2002 high-voltage workshop. Hollywood:IEEE,2002:174-177.

[12]LUKES P,CLUPEK M,BABIDKY V,et al.Ultraviolet radiation from the pulsed corona discharge in water[J].Plasma Sources Science and Technology,2008,17(2):431-438

[13]MEDEDOVIC S,LOCKE B R.Primary chemical reactions in pulsed electrical discharge channels in water[J].Journal of Physics D:Applied Physics, 2007,40(24):7734-7746.

[14]NAKAMURA S,MINAMITANI Y,HANDA T, et al.Optical measurements of the electric field of pulsed streamer discharges in water[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009,16(4):1117-1123.

[15]王兵.液电效应及其应用[J].科技创新导报,2009, 22(8):52-53.

Hemp degumming technology using liquid electric effect

ZHAO Yixin1, PANG Guibing1, ZHANG Yunge2, BU Fanling1, WANG Shuai1, WANG Jingsi1
(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China; 2.Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

The liquid electrical explosion technology was used for the hemp degumming to overcome the shortcomings such as low efficiency and pollution in chemical degumming method.The changes in quality,mechanical properties,surface structure of the flax fiber and water medium before and after degumming were analyzed.The results showed that the flax weight was reduced,while fiber strength and fiber surface became smooth and clean after treated by liquid discharge technology,indicating that the liquid discharge technology could remove the flax fiber surface impurities and pectin effectively. The fiber bundle was separated into single fiber,and the separation degree and dyeing rate of flax fiber were improved according to SEM image analysis,while the degumming waste water could be treated easily.

liquid electrical effect;fiber;flax;degumming;pectin

TS123

A

1674-1404(2017)01-0046-04

2015-04-08.

国家自然科学基金项目(51275062);辽宁省优秀人才支持计划项目(LR2014014);辽宁省百千万人才工程项目(201569).

赵益昕(1989-),男,硕士研究生;通信作者:庞桂兵(1975-),男,教授.

赵益昕,庞桂兵,张赟阁,卜繁岭,王帅,王静思.液电效应麻脱胶技术[J].大连工业大学学报,2017,36(1):46-49.

ZHAO Yixin,PANG Guibing,ZHANG Yunge,BU Fanling,WANG Shuai,WANG Jingsi.Hemp degumming technology using liquid electric effect[J].Journal of Dalian Polytechnic University,2017,36(1):46-49.