基于废弃莲杆的多功能再生纤维素纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及纺织纤维制备领域，尤其涉及基于废弃莲杆的多功能再生纤维素纤维及其制备方法。

背景技术

目前，莲纤维的提取方法按照提取工艺的不同可以分为物理法和生物化学法，物理法此法得到的莲纤维柔软细长，颜色乳白泛黄，并略带清香，但是生产效率低。每生产一米的莲纤维布料，需要35000根新鲜的荷叶茎，一个熟练的工人一天抽出的莲纤维仅约100克。莲纤维的开发还停留在初级阶段，现有的化学法制备莲纤维也处于实验室研究阶段，制备工艺存在脱胶时间长，耗能大，污染大的缺点，并且经过化学处理莲纤维强度不稳定。

纤维素是自然界中最丰富的天然聚合物，中国专利CN105821518A将莲纤维素溶于强酸溶液中，通过超声分散得到莲纤维素晶须悬浮液，将蚕蛹蛋白溶液和莲纤维素晶须悬浮液混合，经湿法纺丝技术得到蚕蛹蛋白/莲纤维素复合纤维，该方法选用强酸为溶剂甲醇或乙醇为纺丝凝固浴，在生产过程中容易产生大量有含酸或有机的化学废液，易造成环境污染。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供基于废弃莲杆的多功能再生纤维素纤维及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：基于废弃莲杆的多功能再生纤维素纤维及其制备方法，包括以下步骤：包括以下步骤：

1)是选取莲杆、莲蓬壳和莲子清水洗除表面的污垢和杂质，烘干；

2)用碱煮法处理步骤1)得到的莲杆，通过碱煮法处理，此步骤目的是去除莲杆外皮，木质素、果胶等杂质。通过碱煮法剥皮得到莲纤维；

3)将步骤2)得到的纤维用离子液体溶解，得到再生纤维素溶液；

4)将步骤1)得到莲子去壳磨粉，通过碱提酸沉法得莲子蛋白粉末4℃储藏；

5)将步骤1)得到的莲蓬壳磨粉后用超声提取法得到莲蓬提取物；

6)将步骤4)得到的莲子蛋白和步骤5)得到的莲蓬提取物按比例混合，研磨后加入步骤3)所得再生纤维素溶液后超声，再搅拌，完全分散后得到再生纤维素纺丝液；

7)将步骤5)得到的再生纤维素纺丝液进行湿法纺丝，得到多功能再生纤维素纤维；

8)将步骤6)得到的初生再生纤维素长丝浸泡于去离子水中以除去残留的离子液体，烘干后得到多功能再生纤维素纤维长丝。

作为上述技术方案的补充和完善，本发明还包含以下特征。

所述步骤1)中，莲杆、莲蓬壳和莲子选取为新鲜或晒干的原料。

所述步骤2)中，具体步骤，第一次碱煮3g/l的氢氧化钠95℃加热3h后剥皮，去离子水清洗至中性，然后1ml/l的无机酸(优选硫酸)50℃加热1h后去离子水清洗，然后用15g/l氢氧化钠90℃加热1.5～2h后去离子水清洗，最后用1～1.5g/100ml(优选1.2g/100ml)次氯酸钠与0.5～0.8ml/100ml(优选0.6ml/100ml)冰乙酸70℃加热2～3h再用去离子水洗至中性，烘干得到纤维。

所述步骤3)中，步骤(2)中莲纤维经粉碎机粉碎加入离子液中，离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐；加入二甲基亚砜(dmso)提高溶解度，降低粘度；加入0.005wt％～0.01wt％羟甲基纤维素提高稳定性。溶解条件为：在70～100℃(优选90℃)的油浴环境中溶解2～6h。

所述步骤4)中，得到莲子去壳磨粉(150～180目)，按照1：(20～30)料液比，调ph11,温度40～50℃，搅拌提取2～3h过滤或离心，取上清液，调ph4.5，离心得到沉淀，去离子水洗涤至ph7.0，冷冻干燥，得莲子蛋白粉末4℃储藏。

所述步骤5)中，莲蓬壳磨粉(150～180目)75％乙醇按照1:25料液比50℃超声处理2h，功率为30～8000W(优选180W)、频率为20～120kHz(优选40kHz)的超声波，过滤后取滤液真空干燥得到莲蓬提取物。

所述步骤6)中，莲子蛋白与莲蓬提取物按比例1：1混合后研磨，每毫升步骤(3)再生纤维素溶液加入0.01～0.02g得到的莲子蛋白、莲蓬混合提取物，超声1～2h，再搅拌8～12h，完全分散后得到再生纤维素纺丝液；

所述步骤7)中，湿法纺丝的凝固浴为40～65℃的去离子水，纺丝条件为：注射器规格为20～100ml，泵流速即纺丝液推进速度为40～100ml/h，纺丝针头直径为0.45～1.2mm，辊一的速度20～50mm/s，辊二与辊一的速度比为1～3:1；卷绕辊与辊二的速度相同。

所述步骤8)中，得到的初生再生纤维素长丝浸泡于去40～60℃离子水中至少2～4h，用于将残留的离子液体完全浸出，然后烘干，得到基于废弃莲杆的多功能再生纤维素纤维。

本发明还提供了一种多功能再生纤维素纤维，其特征在于：包括蛋白质、多酚类物质和莲纤维素，断裂强度为100～300Mpa，断裂伸长率为5％～17％。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明选用咪唑类离子液体进行莲杆纤维溶解，溶解性高、稳定性好、难挥发、易回收等。再生纤维进行湿法纺丝时只需水作为凝固浴，相对于传统再生纤维溶剂，更加绿色环保经济，离子液是纤维素的良溶剂，其主要是利用其中的阴离子有效破坏纤维素分子间氢键使纤维素溶解而不会发生降解，且由于离子液体高级性作用，在将纺丝液中加入适量莲蓬、莲子提取物时不需要加入分散剂与交联剂，只需加热搅拌就能均匀分散混合，方法操作简单，高效经济，为纤维素溶解的绿色溶剂。

(2)本发明选取莲杆为原料提取纤维素，原料来源广泛。加入从莲蓬、莲子提取中有效成分，莲子中含有丰富的蛋白质和氨基酸，莲蓬中富含多酚类物质，莲蓬中也存在部分生物碱类化合物。本发明将莲子中含有丰富的蛋白质、莲蓬中富含的多酚类物质和莲纤维素相结合制备富含氨基酸具有抗菌的莲再生纤维素复合纤维，莲纤维素的吸水透气的类麻性能该纤维还含有氨基酸的亲肤舒适保健的功效，以及抗氧化，抑菌等性能。

(3)本发明方法以废弃莲杆为原料，提取纤维素，从莲蓬壳与莲子中提取有效成分。无论是新鲜的莲杆或莲蓬，或是晒干的莲杆或莲蓬都可以作为原料，避免了机械回收或化学提取中由于莲杆纤维短强力低造成提取纱线应用受限的缺点，最大程度上实现废物利用与可循环发展。

(4)通过对废弃莲杆的回收、前处理、溶解、配置多功能纺丝液、湿法纺丝制备的具有氨基酸，抗菌性能的长丝微观形貌良好，具有优异的力学性能、服用性能，适用于工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例；

图1为本发明实施例1制备的再生纤维素的SEM图；

图2为本发明图1的局部放大SEM图；

图3为本发明实施例1制备的再生纤维素三维超景深图；

图4为本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1)选取莲杆、莲蓬壳和莲子清水洗除表面的污垢和杂质，烘干；

2)用碱煮法处理步骤1)得到的莲杆，具体步骤，第一次碱煮3g/l的氢氧化钠95℃加热3h后剥皮，去离子水清洗至中性，然后1ml/l的硫酸50℃加热1h后去离子水清洗，然后用15g/l氢氧化钠90℃加热2h后去离子水清洗，最后用1.2g/100ml次氯酸钠与0.6ml/100ml冰乙酸70℃加热2h再用去离子水洗至中性，烘干得到莲纤维；

3)将步骤2)得到的纤维经过液氮冷冻后，立即投入雷蒙磨粉机中磨成粉末，过150目网筛；

4)将步骤3)得到的纤维用离子液体溶解，得到再生纤维素溶液；称取3g1-丁基-3-甲基咪唑氯盐3g二甲基亚砜于密封瓶中，放入95℃油浴锅中至透明；称取0.2g步骤3)所得纤维粉末与0.04g羟甲基纤维素置于密封瓶，在油浴锅中95℃至纤维完全溶解，得到再生纤维素溶液；

5)将步骤1)得到莲子去壳磨粉，通过碱提酸沉法得莲子蛋白粉末；莲子去壳磨粉(过180目网筛)，按照1：25料液比，调ph11,温度45℃，搅拌提取2h过滤或离心，取上清液，调ph4.5，离心得到沉淀，去离子水洗涤至ph7.0，冷冻干燥，得莲子蛋白粉末4℃储藏。

6)将步骤1)得到的莲蓬壳磨粉后用超声提取法得到莲蓬提取物；莲蓬壳磨粉(过180目网筛)75％乙醇按照1:25料液比50℃超声处理2h，功率为180W、频率为40kHz的超声波，过滤后取滤液60℃真空干燥得到莲蓬提取物。

7)将步骤5)得到的莲子蛋白和步骤6)得到的莲蓬提取物按比例混合，制备再生纤维素纺丝液；莲子蛋白与莲蓬提取物按比例1：1混合后研磨，每毫升步骤(3)再生纤维素溶液加入0.01g得到的莲子蛋白、莲蓬混合提取物(1：1)，超声1h，再搅拌8～12h，完全分散后得到再生纤维素纺丝液；

8)将步骤7)得到的再生纤维素纺丝液进行湿法纺丝，得到多功能再生纤维素纤维；得到的再生纤维素溶液置于20ml推注射器，然后连接纺丝针头，于湿法纺丝装置中进行湿法纺丝，纺丝液推进速度为70ml/h，辊一速度为20mm/s，辊二与辊一的速度比为1.5:1，接收方式为滚筒接收，得到初生再生纤维素长丝；

9)将步骤8)得到的初生再生纤维素长丝浸泡于去50℃去离子水中2h,以除去残留的离子液体，烘干后得到多功能再生纤维素纤维长丝。

实施例2

对实施例2与实施例1的区别在于：在步骤7再生纤维素纺丝液中加入莲子蛋白质与莲蓬壳提取物的量不同，具体是：

1)选取莲杆、莲蓬壳和莲子清水洗除表面的污垢和杂质，烘干；

2)用碱煮法处理步骤1)得到的莲杆，具体步骤，第一次碱煮3g/l的氢氧化钠95℃加热3h后剥皮，去离子水清洗至中性，然后1ml/l的硫酸50℃加热1h后去离子水清洗，然后用15g/l氢氧化钠90℃加热2h后去离子水清洗，最后用1.2g/100ml次氯酸钠与0.6ml/100ml冰乙酸70℃加热2h再用去离子水洗至中性，烘干得到莲纤维；

3)将步骤2)得到的纤维经过液氮冷冻后，立即投入雷蒙磨粉机中磨成粉末，过150目网筛；

4)将步骤3)得到的纤维用离子液体溶解，得到再生纤维素溶液；称取3g1-丁基-3-甲基咪唑氯盐3g二甲基亚砜于密封瓶中，放入95℃油浴锅中至透明；称取0.2g步骤3)所得纤维粉末与0.04g羟甲基纤维素置于密封瓶，在油浴锅中95℃至纤维完全溶解，得到再生纤维素溶液；

5)将步骤1)得到莲子去壳磨粉，通过碱提酸沉法得莲子蛋白粉末；莲子去壳磨粉(过180目网筛)，按照1：25料液比，调ph11,温度45℃，搅拌提取2h过滤或离心，取上清液，调ph4.5，离心得到沉淀，去离子水洗涤至ph7.0，冷冻干燥，得莲子蛋白粉末4℃储藏。

6)将步骤1)得到的莲蓬壳磨粉后用超声提取法得到莲蓬提取物；莲蓬壳磨粉(过180目网筛)75％乙醇按照1:25料液比50℃超声处理2h，功率为180W、频率为40kHz的超声波，过滤后取滤液60℃真空干燥得到莲蓬提取物。

7)将步骤5)得到的莲子蛋白和步骤6)得到的莲蓬提取物按比例混合，制备再生纤维素纺丝液；莲子蛋白与莲蓬提取物按比例1：1混合后研磨，每毫升步骤(3)再生纤维素溶液加入0.04g得到的莲子蛋白、莲蓬混合提取物(1：1)，超声1h，再搅拌8～12h，完全分散后得到再生纤维素纺丝液；

8)将步骤7)得到的再生纤维素纺丝液进行湿法纺丝，得到多功能再生纤维素纤维；得到的再生纤维素溶液置于20ml推注射器，然后连接纺丝针头，于湿法纺丝装置中进行湿法纺丝，纺丝液推进速度为70ml/h，辊一速度为20mm/s，辊二与辊一的速度比为1.5:1，接收方式为滚筒接收，得到初生再生纤维素长丝；

9)将步骤8)得到的初生再生纤维素长丝浸泡于去50℃去离子水中2h,以除去残留的离子液体，烘干后得到多功能再生纤维素纤维长丝。

实施例3

对实施例3与实施例1的区别在于：步骤二中调整碱煮方法处理莲杆，竿具体是：

1)选取莲杆、莲蓬壳和莲子清水洗除表面的污垢和杂质，烘干；

2)用碱煮法处理步骤1)得到的莲杆，具体步骤，第一次碱煮3g/l的氢氧化钠95℃加热3h后剥皮，去离子水清洗至中性，然后1ml/l的硫酸50℃加热1h后去离子水清洗，然后用13g/l氢氧化钠90℃加热2h后去离子水清洗，最后用1ml/l的硫酸50℃加热1h，再用去离子水洗至中性，烘干得到莲纤维；

3)将步骤2)得到的纤维经过液氮冷冻后，立即投入雷蒙磨粉机中磨成粉末，过150目网筛；

4)将步骤3)得到的纤维用离子液体溶解，得到再生纤维素溶液；称取3g1-丁基-3-甲基咪唑氯盐3g二甲基亚砜于密封瓶中，放入95℃油浴锅中至透明；称取0.2g步骤3)所得纤维粉末与0.04g羟甲基纤维素置于密封瓶，在油浴锅中95℃至纤维完全溶解，得到再生纤维素溶液；

5)将步骤1)得到莲子去壳磨粉，通过碱提酸沉法得莲子蛋白粉末；莲子去壳磨粉(过180目网筛)，按照1：25料液比，调ph11,温度45℃，搅拌提取2h过滤或离心，取上清液，调ph4.5，离心得到沉淀，去离子水洗涤至ph7.0，冷冻干燥，得莲子蛋白粉末4℃储藏。

6)将步骤1)得到的莲蓬壳磨粉后用超声提取法得到莲蓬提取物；莲蓬壳磨粉(过180目网筛)75％乙醇按照1:25料液比50℃超声处理2h，功率为180W、频率为40kHz的超声波，过滤后取滤液60℃真空干燥得到莲蓬提取物。

7)将步骤5)得到的莲子蛋白和步骤6)得到的莲蓬提取物按比例混合，制备再生纤维素纺丝液；莲子蛋白与莲蓬提取物按比例1：1混合后研磨，每毫升步骤(3)再生纤维素溶液加入0.01g得到的莲子蛋白、莲蓬混合提取物(1：1)，超声1h，再搅拌8～12h，完全分散后得到再生纤维素纺丝液；

8)将步骤7)得到的再生纤维素纺丝液进行湿法纺丝，得到多功能再生纤维素纤维；得到的再生纤维素溶液置于20ml推注射器，然后连接纺丝针头，于湿法纺丝装置中进行湿法纺丝，纺丝液推进速度为70ml/h，辊一速度为20mm/s，辊二与辊一的速度比为1.5:1，接收方式为滚筒接收，得到初生再生纤维素长丝；

9)将步骤8)得到的初生再生纤维素长丝浸泡于去50℃去离子水中2h,以除去残留的离子液体，烘干后得到多功能再生纤维素纤维长丝。

实施例4

对实施例4与实施例1的区别在于：步骤二用碱煮法处理步骤1)得到的莲杆没有在再生纤维素纺丝液中加入莲子蛋白质与莲蓬壳提取物，具体是：

1)选取莲杆、莲蓬壳和莲子清水洗除表面的污垢和杂质，烘干；

2)用碱煮法处理步骤1)得到的莲杆，具体步骤，第一次碱煮3g/l的氢氧化钠95℃加热3h后剥皮，去离子水清洗至中性，然后1ml/l的硫酸50℃加热1h后去离子水清洗，然后用15g/l氢氧化钠90℃加热2h后去离子水清洗，最后用1.2g/100ml次氯酸钠与0.6ml/100ml冰乙酸70℃加热2h再用去离子水洗至中性，烘干得到莲纤维；

3)将步骤2)得到的纤维经过液氮冷冻后，立即投入雷蒙磨粉机中磨成粉末，过150目网筛；

4)将步骤3)得到的纤维用离子液体溶解，得到再生纤维素溶液；称取3g1-丁基-3-甲基咪唑氯盐3g二甲基亚砜于密封瓶中，放入95℃油浴锅中至透明；称取0.2g步骤3)所得纤维粉末与0.04g羟甲基纤维素置于密封瓶，在油浴锅中95℃至纤维完全溶解，得到再生纤维素溶液；

5)将步骤4)得到的再生纤维素纺丝液进行湿法纺丝，得到多功能再生纤维素纤维；得到的再生纤维素溶液置于20ml推注器，然后连接纺丝针头，于湿法纺丝装置中进行湿法纺丝，纺丝液推进速度为70ml/h，辊一速度为20mm/s，辊二与辊一的速度比为1.5:1，接收方式为滚筒接收，得到初生再生纤维素长丝；

6)将步骤5)得到的初生再生纤维素长丝浸泡于去50℃去离子水中2h,以除去残留的离子液体，烘干后得到多功能再生纤维素纤维长丝。

表1

由表1可以看出，实施例1～3与实施例4相比，加入莲子蛋白质与莲蓬壳提取物的莲再生纤维素纤维拉伸强度比没有加入莲子蛋白质与莲蓬壳提取物的莲再生纤维素纤维拉伸强度大约18％。实施例2又比实施例1，3的拉伸强度稍大。因为莲蓬壳提取物中多糖类物质，这会使增大再生纤维素表聚合度，导致其力学性能提升。此外，实施例1与实施例3的莲再生纤维素长丝强度相差不大，说明从莲杆中提取纤维素过程对莲再生纤维素纤维的强度影响不大。

表2

对实施例1～4制备的莲再生纤维素纤维抗菌性能测试，通过表2可以看出加入莲子蛋白质与莲蓬壳提取物生纤维素莲纤维对金葡萄球菌、大肠杆菌、对白色念珠菌抑菌率均达到国家纺织品抗菌一等品标准。实施例2抗菌水平最高，可知莲子蛋白质与莲蓬壳提取物加入含量越高，再生纤维素莲纤维抗菌性能越好。

表3

对实施例2制备的对再生纤维素莲纤维氨基酸含量测试，通过表3可以看出含有丰高的氨基酸，其中几种为人体必需的氨基酸，因此莲再生纤维素纤维面料具肤、护肤、养肤的功能，提高人体免疫力，增强人体体质等功效。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。