CN112616316A - 用于纺织和浆质量纤维的生产的韧皮材料的脱胶和洗刷 - Google Patents
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Abstract
一种用于脱胶韧皮纤维的方法，该方法包括将韧皮纤维源浸泡在盐溶液中。韧皮纤维源可以被浸泡于浓度在小于千分之1至约千分之200之间的范围内的盐溶液中。盐浓度可以在浸泡韧皮纤维源时变化，或者通过将韧皮纤维在不同离子浓度的水溶液之间交替而变化。在一种实施方式中，韧皮纤维源被浸泡在海水中，其中，盐浓度通过利用潮汐使盐度交替而变化。该韧皮纤维源可以是***。
Description
背景技术
从植物像***、亚麻和剑麻中收获的纤维素韧皮纤维由除纤维素以外的大部分不期望的包括下述的材料构成：木质素、果胶和半纤维素，统称为胶质。用作将纤维素纤维粘合在一起的天然胶粘剂的胶质为植物提供结构刚度。为了纤维素和纤维制造目的，胶质是不期望的。它的存在不利于制造装置和产品质量，并且损害原始韧皮到可销售的纤维素纤维的有效转化。
处理韧皮衍生的纤维素纤维需要通过化学和机械手段——也称为脱胶——来去除胶质。化学处理试图以非纤维素分子为目标，对构成纤维本身的纤维素聚合物的损害最小化。机械处理意图增强化学传输以及将胶质与其纤维素结构物理地分离。历史上地并且通常地，韧皮纤维脱胶利用天然过程和环境条件以提取原始纤维素纤维并将其与植物的其余部分分离——称为浸渍。浸渍采用各种形式，但通常利用天然的微生物活性和化学活性来脱胶。对于田间浸渍，将割去的茎秆暴露在田间一段时间。在水浸渍中，茎秆被放置在池塘或溪流中。
两个方法都无法保证稳定生产可销售的纺织纤维，给市场带来不确定性。最近，在2019年4月4日的华尔街日报(Wall Street Journal)的D3页上，在纽约时装技术学院的纺织研究的教授兼***杰弗里·席尔伯曼(Jeffrey Silberman)表示，需要特殊类型的处理设备来将***变成纤维，并且该类型的机械仍然稀缺。引用他的话来说：“据我所知，纽约州没有用于其的处理设备。我尚未找到可以处理***的纺纱(spin，纺织、纺制)厂。”
通过常规的田间浸渍和水浸渍获得的纤维由于生物处理的副产物和污染而产出银灰着色的纤维。酶促法和其他化学方法产生略微地黄色的纤维或金色至白色的纤维。
工业规模质量控制的脱胶涉及化学试剂和催化剂的配制以专门地针对胶质并且可能生成有问题的废品以及难以处理的纤维。
本领域需要一种过程，其流出物易于重复使用，或可还原成具有对水质的最小化影响的于环境无害(inert，中性、无效的、无作用的、)的形式。成功的过程执行应在广泛的控制参数范围内产出质量一致的适合的纤维素纤维。
发明内容
本发明通过提供一种用于脱胶韧皮纤维(去除结构性非纤维素材料)的方法来满足本领域中这些需求中的一个或更多个需求，所述方法包括将韧皮纤维源浸泡在盐溶液或离子溶液中。该韧皮纤维源可以是***。
在一种实施方式中，韧皮纤维源被浸泡于浓度在约千分之1至最高达约千分之200之间的范围内的盐溶液中。当韧皮纤维源在盐溶液中浸泡时，盐溶液的离子浓度可能会变化。该步骤可以在无需电解溶液的情况下进行。
在一种实施方式中，韧皮纤维源被浸泡在海水中。在另一实施方式中，将水源浸泡在微咸水中。盐浓度可以是随时间变化的；例如，要么可以使用天然(潮汐)要么可以使用人造(交替盐浴)来使离子浓度波动。由于港湾(estuaries：河口、河口湾、三角湾)中的水中的离子浓度或盐浓度随潮汐涨落而变化，因此将韧皮纤维源浸没在港湾中持续一系列潮汐循环可以提供盐度变化。
盐溶液可以使用胶质针对试剂进行修正。
该方法可以包括将韧皮纤维浸泡在含有碱的溶液中，以将木质素降解成水溶性形式，以用于由水去除。可以使用pH值约7至约14的碱的碱性盐溶液。
该方法可以包括将韧皮纤维源浸泡在含硫的溶液中(S的氧化数≤VI)以使木质素磺化，以用于从韧皮纤维源中由水去除。
韧皮纤维源可以被浸泡在氧化溶液中，以洗刷用于由水从韧皮纤维源中去除的木质素、果胶和半纤维素。
该方法可以包括使用清洁剂和表面活性剂漂洗韧皮纤维源，以进一步从韧皮纤维源中去除木质素、果胶和半纤维素。韧皮纤维源可以被机械地搅拌(agitate：摇动、搅动)。例如，韧皮纤维源可以被翻滚。
本发明也可以被认为是一种用于对来自***植物的***纤维进行脱胶的方法，该方法包括：将***植物浸泡在盐溶液中；将***植物浸泡在硫溶液中，以使木质素磺化，以用于从***植物中的***纤维中去除；以及使用清洁剂漂洗***纤维，以进一步从***纤维中去除木质素、果胶和半纤维素。
该方法可以包括将***纤维浸泡在氧化溶液中，以从***纤维中去除木质素、果胶和半纤维素以及它们的部分地被氧化的中间产物。例如，可以将***纤维浸泡在过氧化氢溶液中。过氧化氢和其他氧化源可以在原位(in situ：原处、原地、就地)生成，例如经由电解在原位生成。***纤维可以被浸泡于pH值在约6至约14之间的以及温度低于氧化溶液的沸点的氧化溶液中。该步骤可以在无需电解溶液的情况下进行。
在一种实施方式中，***纤维可以被浸泡于pH值在约6至约14之间的以及温度在环境温度(20至30℃)至约95℃之间的硫溶液中。
在一种实施方式中，将***植物浸泡在盐溶液中包括将***植物直接地浸泡到与天然的、潮汐地冲刷(flush，洗刷、冲洗、冲流)的沿海水域相连接的容器中或直接地在其内浸泡***植物，使得与***植物接近的溶液的离子组分以及相关联的碱度、酸度和密度随潮汐波动而变化。
所得的纤维适合于使用常规的纺织方法和机械来纺纱成纺织质量的纱线，其中，处理选自由下述构成的组：通过纺纱来制造纱线，通过编织来制造纱线，通过制毡来制造纱线，诸如通过针刺法来制造无纺织物，以及它们中的不止一种。消除由该方法固有产生的潜在有毒副产物不需要使用漂白或氧化，并允许韧皮材料保留其初始天然绿色的元素。如此经脱胶的纤维(含有叶绿素的纤维)保持其至少一些绿色并且是充分地不含木质素、果胶和半纤维素的，以及该纤维可以在常规纺织机械中被处理，其中，处理选自以下述构成的组：通过纺纱来制造纱线，通过编织来制造纱线，通过制毡来制造纱线，诸如通过针刺法来制造无纺织物，以及它们中的不止一种。韧皮纤维的绿色通常是由叶绿素赋予韧皮纤维。韧皮纤维可以是***。
韧皮纤维的绿色源在提取到溶剂中时可以示出指示一般叶绿素色素(叶绿素a、b和c)的光度吸收光谱。如在Jeffrey和Humphrey，“New Spectrophotometric Equationsfor Determining Chlorophylls a、b、c1、c2 in Higher Plants,Algae and NaturalPhytoplankton”，Biochem.Physiol.Pflanzen(BPP)Bd 167,S.191-194(1975)中所描述的，可以使用来自750、664、647和630nm波长的数据以直接地从适合的吸收光谱中计算叶绿素浓度。例如，将根据该方法的实施方式所生产的500mg经绿色着色的、经脱胶的***纤维的样品在100mL的去离子水中浸泡达12小时，并通过0.45μm的Supor膜过滤。来自依照Jeffrey和Humphrey(1975)的吸收光谱中的数据示出提取物中的总叶绿素为1.6mg/L，按质量计相当于纤维样品中至少0.03％的叶绿素。
附图说明
通过阅读本发明的实施例的详细说明以及对附图的检阅，将更好地理解本发明，其中：
图1是四个样品的黑白照片。
具体实施方式
本发明针对一种用于处理包括韧皮纤维的植物的方法，以去除木质素、果胶和半纤维素(统称为“胶质”)和其他不期望的材料。结果是部分地、大部分地、或完全地不含胶质的纤维素纤维，使得可以将其用于转化成可销售材料诸如纺织纤维的制造。韧皮纤维可以是***、亚麻或剑麻。黄麻纤维和其他纤维也被称为韧皮纤维。
该方法包括将作为韧皮纤维源的植物浸泡在盐溶液中。可以在浓盐水(brine：卤水、盐水)溶液中浸泡和搅拌韧皮纤维源。可以在碱性溶液中浸泡和搅拌韧皮纤维源。可以在pH值＞6的溶液中浸泡和搅拌韧皮纤维源，以及这通常无需电解溶液即可得以执行。在一种实施方式中，溶液由水和无机盐构成，其中，总盐度在小于千分之(ppt)1至约千分之200的范围内。盐度来源可以包括天然产生的那些盐度，诸如潮汐地冲刷的港湾、小湾(creek：小湾、小港)、沿海水域和海水中的盐度。可以使用天然淡水，但应考虑到被排放进淡水流域中的离子。通常地，淡水具有约0至约0.5ppt范围内的盐度，微咸水具有约0.5ppt至约30ppt范围内的盐度，以及海水具有约30ppt至约50ppt范围内的盐度。
将韧皮纤维源浸没在水溶液中，由于纤维素的润湿和毛细管作用，使得水和水性离子被吸收到纤维素纤维和胶质之间的间隙中并被吸收到纤维素基体中。这在纤维素结构上赋予压力，使其膨胀。纤维素基体内的溶液中的离子的存在改变了纤维素的润湿特性，改变了毛细管和孔隙压力，并且增强了间隙传输和膨胀。膨胀在韧皮结构上赋予机械应力，有助于使纤维本体暴露于试剂，增大底物(substrate，基质、作用物)表面面积，为后续步骤递送试剂，并增强纤维分离。相反地，离子浓度的降低使膨胀特性降低，增强溶解的材料从纤维素基体中的扩散输出(有效地冲刷它)，并在纤维基体上赋予应力，进一步增强分离。该过程可以通过附加的机械处理来增强。间隙压力梯度可以由通过盐或浓盐水的添加或稀释来定期增大和减少溶液中的离子浓度得以维持，并且将增强纤维分离以及增强胶质向试剂的暴露。潮汐地冲刷的港湾水源的使用，允许将天然地可用的且无干扰的海盐用作间隙压力源。在港湾中的潮汐地冲刷的水的使用，还通过冲刷从韧皮纤维中安全地去除胶质和/或其部分地被氧化的中间产物。
可以在升高的温度和压力情况下执行将韧皮纤维源暴露于离子浓度的变化，以增强扩散和反应速率，并增大间隙压力。
该方法还可以包括使存在于韧皮纤维中的木质素暴露于脱胶试剂。这可以包括碱，以将木质素解聚成较小的、重量较轻的、可溶性木质素产物。可以使用pH值为约7至约14的碱的碱性盐溶液。
该方法还可以包括将存在于韧皮纤维上的木质素磺化以产生可以通过使用水冲刷韧皮纤维而得以去除的水溶性产物。可以使用pH值为约7至约14的强碱和硫阴离子的中性至碱性溶液。中性至碱性溶液中的硫将与木质素中的环结构反应，以产出通过冲刷从植物材料中易于去除的磺化可溶性产物。提供足够的硫以考虑韧皮纤维源的木质素含量的范围(对于原始纤维，木质素按质量计通常为5至15％，而对于经浸渍或其他方式预处理的纤维则较少)。韧皮纤维源可以在环境压力至10个大气压范围内的压力处、在磺化溶液中被浸泡10分钟至若干小时。依照Clausius-Clapyeron关系，温度可以随压力而变化。
韧皮纤维也可以被浸泡在氧化溶液中，以漂白纤维并洗刷余留的胶质。氧化剂可以被直接地添加到溶液中或者在原位中生成(例如通过电解)。在一些实施方式中可以包括添加氧化稳定剂。所需的水温和浸泡时间取决于所使用的氧化剂。使用强碱和缓冲剂的组合制成pH值在约8至约12范围内的水溶液。作为比例的非限制性示例，将50mL的3％H2O2添加至2g/L NaOH和1g/L NaHCO3的溶液。***纤维在溶液沸点以下的温度处被浸泡约0.1至约1小时。由于一些天然地存在的重金属(Fe、Mg)会干扰胶质的H2O2氧化(例如参见Fenton试剂)，因此可以使用添加螯合剂以防止或最小化它们的干扰。
还可以添加额外的步骤以进一步使韧皮纤维脱胶。例如，清洁剂可以用于漂洗和去除韧皮纤维中任何余留的可溶性的、部分地可溶性的、或不可溶的(但可移动的)胶质。果胶酶或其他天然酶(要么直接添加，要么通过在原位中生物生产)可以被用作非必需成分，以协助从韧皮纤维中去除胶质。这些步骤可以包括机械搅拌。机械搅拌可以是翻滚、搅动或其他搅拌。
使韧皮纤维脱胶的步骤可以根据水源的化学和物理条件而变化。用于浸泡韧皮纤维的潜在水源包括大多数天然水以及城市用水和纯净水。由于该方法利用盐溶液，因此可以有利地使用天然盐水源。
原水(非城市用水或其他未经处理的水、盐水、微咸水或淡水)可以用于一个或更多个步骤。一些天然水源包含可以作为用于上述一个或更多个步骤的试剂而得以利用的成分。例如，可以从湿地得到的水含有天然丰富的硫(即，具有小于或等于VI的氧化数)，其可以被用于磺化木质素。在配制期望的试剂组分时，可以考虑水源内天然地可以得到的反应物或试剂成分的存在。例如，可以使用天然地可以得到的螯合剂来代替人工地添加的那些螯合剂。水源的天然盐度可以在所有步骤中加以考虑，并且其天然盐度变化(由于潮汐或其他因素)可以作为用于物理和化学处理的焓源来使用。天然地可以得到的碱性水源也可以用于某些处理，其中，溶液的pH值在约8至约12的范围内。
此外，该方法的某些步骤可以由于若干原因而变化。例如，韧皮纤维可以被预先处理或去皮，因此需要较少的侵蚀性处理。如果操作者确定一个或更多个步骤的结果被认为是不充分的，则可以重复某些步骤(使用或不使用更具侵蚀性的试剂)。在一些实施例中，植物茎秆可能仍是完整的(即韧皮未与整个植物分离)，需要额外的步骤/重复以去除额外的胶质。另一方面，一些韧皮纤维源可能已经被部分地处理(“浸渍”)以及需要较少的侵蚀性处理，从而允许省去一个或更多个步骤。由于对于该方法可用的可变控制，也可能期望特定质量的材料。
脱胶过程的流出物可以是下述的溶液及混合物：胶质、其部分地被氧化的中间产物、以及其氧化副产物、由于搅拌而损失的残留纤维素纤维、以及无机盐、残留试剂、清洁剂、和螯合剂。按照标准的城市用水处理方案，流出物的后处理包括附加的氧化(通过添加氧化剂和/或在原位中生成氧化剂)或生物活性。残留的纤维、木质素和经磺化的木质素可以作为可销售的材料从流出物中回收。适合的、脱毒的流出物可以作为农业用土壤的营养添加剂来使用。无机离子可以被添加到流出物，以调整离子比率和盐度来与流出物将被排放到其中的地表水的离子比率和盐度相匹配。流出物的碱度或酸度可以通过使用适合的酸或碱的滴定来中和。
通过上述过程获得的纤维是高质量的、分离的、柔软的、可纺纱的纤维。韧皮纤维充分地不含木质素、果胶和半纤维素，使得该纤维可以在常规纺织机械中被处理。这样的处理可以包括：通过纺纱、编织、制毡来制造纱线；以及诸如通过针刺法来制造无纺织物。
韧皮纤维可以保留绿色。可以通过将韧皮纤维提取到溶剂中、示出指示一般叶绿素色素(叶绿素a、b和c)的光度吸收光谱来确定颜色。如在Jeffrey和Humphrey，“NewSpectrophotometric Equations for Determining Chlorophylls a、b、c1、c2in HigherPlants,Algae and Natural Phytoplankton”，Biochem.Physiol.Pflanzen(BPP)Bd 167,S.191-194(1975)中所描述的，可以使用来自750、664、647和630nm波长的数据以直接地从适合的吸收光谱中计算叶绿素浓度。例如，将根据该方法的实施方式所生产的500mg经绿色着色的、经脱胶的、可纺纱的***纤维的样品在100mL的去离子水中浸泡达12小时，并通过0.45μm的Supor膜过滤。来自依照Jeffrey和Humphrey(1975)的吸收光谱中的数据示出提取物中的总叶绿素为1.6mg/L，按质量计相当于纤维样品中至少0.03％的叶绿素。使用Jeffrey和Humphrey(1975)的方法进行估算得出以下结果：
| 波长(nm) | 750 | 664 | 647 | 630 |
| 吸收 | 0.015 | 0.047 | 0.059 | 0.058 |
当对韧皮纤维源进行处理而没有漂白或氧化时，实质上消除了潜在的有毒副产物的产生，并且可以保留绿色。
图1是四个样品的黑白照片。这些样品从左到右是：
原始绿色***(未脱胶)
经脱胶的***纤维，其示出余留的略微的绿色(实际样品用于提取叶绿素，用于UV-VIS扫描)
经脱胶的纤维(不同种类-初始纤维为绿色)略微地深绿
经脱胶的纤维-无绿色(初始纤维不是绿色的)
在阅读了前面的描述之后，本领域技术人员将想到某些修改和改进。举例来说，本文所公开的方法不限于上述顺序。在某些实施方式中，可以省略、重复、组合或以不同顺序执行以上步骤。例如，有限的资源可能需要组合步骤，或在另一步骤中重复使用来自一个步骤的流出物。在一些实施方式中，可以修改步骤顺序、参数和迭代以增强或减弱特定纤维的性质或组分，或者使最终产物相对于未处理的韧皮的性质统一。应当理解的是，为了简洁和可读性，所有这样的修改和改进已经被省略，但是适当地在所附权利要求的范围内。
Claims (25)
1.一种用于脱胶韧皮纤维的方法，所述方法包括：将韧皮纤维源浸没在水溶液中；以及改变其中浸没有所述韧皮纤维源的所述水溶液的离子浓度，使得所述溶液的变化的离子浓度在所述韧皮纤维源内施加变化的间隙压力，以帮助从所述韧皮纤维源中的纤维素纤维中释放胶质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述溶液的离子浓度具有选自由下述构成的组的效应：将试剂递送到所述韧皮纤维源；从所述韧皮纤维冲刷胶质和经反应的副产物；在所述韧皮纤维源上赋予结构应力；增大作为反应底物的胶质的表面面积；分离不含胶质的韧皮纤维；以及它们中的不止一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述韧皮纤维源浸泡在离子溶液中，无需电解所述离子溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子溶液是浓度在小于千分之1至约千分之200范围内的盐溶液。
5.根据权利要求4所述的方法，包括改变其中浸没有所述韧皮纤维源的水浸泡溶液的离子浓度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，浸没韧皮纤维源包括将所述韧皮纤维源浸泡在海水中。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，浸没韧皮纤维源包括将所述韧皮纤维源浸泡在微咸水中。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，改变所述水溶液的浓度包括将所述韧皮纤维源暴露于具有随时间变化的盐度的水。
9.根据权利要求1所述的方法，包括：将所述韧皮纤维源浸泡在硫溶液中以使木质素磺化，以用于从所述韧皮纤维源中的韧皮纤维中去除。
10.根据权利要求1所述的方法，包括：将所述韧皮纤维源浸泡在氧化溶液中以从所述韧皮纤维源中的韧皮纤维中去除木质素、果胶和半纤维素。
11.根据权利要求1所述的方法，包括：使用水漂洗所述韧皮纤维源，以进一步从所述韧皮纤维源中的韧皮纤维中去除木质素、果胶和半纤维素。
12.根据权利要求1所述的方法，包括：使用清洁剂和水漂洗所述韧皮纤维源，以进一步从所述韧皮纤维源中的韧皮纤维中去除木质素、果胶和半纤维素。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述韧皮纤维源是***。
14.一种用于从***植物中的纤维素纤维中去除木质素、果胶和半纤维素的方法，所述方法包括：
将所述***植物浸泡在盐溶液中；
将所述***植物浸泡在硫溶液中以使木质素磺化，以用于从所述***植物中去除；以及
用水溶液漂洗所述***植物以进一步从所述***植物中的纤维素纤维中去除木质素、果胶和半纤维素及它们的部分地被氧化的中间产物。
15.根据权利要求14所述的方法，包括：将所述***植物浸泡在氧化溶液中以从所述纤维素纤维中去除木质素、果胶和半纤维素。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述***植物浸泡在氧化溶液中包括将所述***植物浸泡在过氧化氢溶液中。
17.根据权利要求16所述的方法，包括利用电解生成过氧化氢作为所述氧化溶液。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，将***植物浸泡在氧化溶液中包括：将所述***植物浸泡于pH值在约6至约12之间的以及温度低于所述氧化溶液的沸点的所述氧化溶液中。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述***植物浸泡在硫溶液中包括：将所述***植物浸泡于pH值在约6至约12之间的以及温度在约20℃至约90℃之间的硫酸盐溶液中。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述***植物浸泡在盐溶液中包括：将所述***植物浸泡在潮汐地冲刷的水中，使得与所述***植物接近的溶液的盐度随着潮汐波动而变化。
21.一种具有绿色的韧皮纤维，所述韧皮纤维充分地不含木质素、果胶和半纤维素，使得所述纤维能够在常规纺织机械中被处理。
22.根据权利要求21所述的韧皮纤维，其中，所述韧皮纤维具有由叶绿素赋予所述韧皮纤维的绿色。
23.根据权利要求21所述的韧皮纤维，其中，在常规纺织机械中的处理选自由下述构成的组：纺纱；编织；制毡；制造无纺织物，诸如通过针刺法；以及它们中的不止一种。
24.根据权利要求21所述的韧皮纤维，其中，所述韧皮纤维是***。
25.根据权利要求21所述的韧皮纤维，其中，所述韧皮纤维的绿色能够被提取，并且具有指示所述提取物中存在叶绿素的吸收光谱。
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