时间：2023-09-15 06:46:57
竹木纤维其实是竹纤维和木纤维的混合而成的！其中，竹纤维是从自然生长的竹子中提取出的纤维素纤维，继棉、麻、毛、丝后的第五大天然纤维。竹原纤维具有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性等特性，具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线功能。竹纤维内部特殊的超细微孔结构使其具有强劲的吸附能力，能吸附空气中甲醛、苯、甲苯、氨等有害物质，并消除不良异味。
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关键词：木棉纤维；精梳；纺纱工艺
1 木棉纤维的基本性能
木棉纤维是木棉树的果实纤维，是天然野生纤维素纤维。木棉纤维属单细胞纤维，与棉纤维相同，但棉纤维是种子纤维，由种子的表皮细胞生长而成的，纤维附着于种子上，而木棉纤维是果实纤维，附着于木棉蒴果壳体内壁，由内壁细胞发育、生长而成。木棉纤维在蒴果壳体内壁的附着力小，分离容易。棉花加工需经过轧棉工序，而木棉纤维初步加工则相对简便，只需手工将木棉种子剔出或装入箩筐中筛动，木棉种子即自行沉底，所获得的木棉纤维可以直接用作填充料或纺纱。
1.1 物理性能
木棉纤维纵向外观呈圆柱形，表面光滑，不显转曲，光泽好；截面为圆形或椭圆形，中段较粗，根端钝圆，梢端较细，两端封闭，截面细胞未破裂时呈气囊结构，破裂后纤维呈扁带状（图1）。细胞中充有空气，纤维的中空度高达80%～90%，是迄今为止中空度最高的天然纤维。胞壁薄，接近透明，因而相对密度小，单纤维密度仅为0.29g/cm3，而棉为1.53 g/cm3。纤维块体在水中可承受相当于自身20～36倍的负载重量而不致下沉，是最好的天然浮力材料。木棉表面有较多的蜡质使纤维光滑、不吸水、不易缠结、防虫。
木棉品种不同，纤维细度、长度等指标有一定差异，基本范围如下：木棉纤维长度8mm～34mm，纤维中段直径18μm～45μm，平均30μm～36μm，壁厚0.5μm～2μm，纤维细度0.9dtex～3.2dtex，约为棉纤维的1/2，是目前世界上最细的天然纤维，具有优良的柔软性，有“树羊绒”之称。木棉纤维的相对扭转刚度为71.5×10-4cN・cm2/tex2，比玻璃纤维的还大，扭转刚度大会引起加捻效率降低。因长度较短、强度低、抱合力较差，用棉或毛的纺纱方法难以单独纺纱，这是过去木棉纤维没有得到广泛应用的主要原因。
采用X射线衍射法测得木棉纤维的结晶度33%，而亚麻69%、棉54%。木棉纤维的聚合度在10000左右，和棉纤维相当。木棉纤维回潮率达10.73%，和丝光棉10.6%相当。木棉纤维的平均折射率为1.71761，比棉的1.59614略高。这导致木棉纤维光泽明亮，光滑的圆截面使光泽更强，可能影响纤维显深色性。
1.2 化学性能
木棉纤维含有约64%的纤维素，13%的木质素，8.6%的水分，1.4%～3.5%的灰分，4.7%～9.7%的水溶性物质和2.3%～2.5%的木聚糖以及0.8%的蜡质。纤维素含量比普通细绒棉差（普通细绒棉纤维素含量约为90%，且不含木质素）。
木棉纤维可用直接染料染色，但由于木棉纤维含有大量木质素和半纤维素，它们和纤维素互相纠缠以及分子间力作用导致了纤维素部分羟基被阻止，并且互相纠缠导致了染料分子不能顺利进入，使得其上染率仅为63%，而同样条件下棉的上染率为88%。木棉纤维溶解于30℃下的75%的硫酸、100℃下的65%的硝酸、部分溶解于100℃下的35%的盐酸。木棉纤维具有良好的化学性能，其耐酸性好，常温下稀酸弱酸对其没有影响，且木棉纤维耐碱性能良好，常温下NaOH对木棉没有影响。
2 木棉纤维的可纺性及纺纱实践
从纺纱的角度来说，木棉纤维比棉纤维的可纺性差，主要由于纤维素含量低，木质素含量高，且0.8%的蜡质使木棉纤维光滑，转曲少，抱合力差，缺乏弹性，且含杂高，长度短（手扯长度一般在15mm～20mm）、细度细，强度低，纤维相对扭转刚度大，加捻效率低，纺纱断头率高。本文以木棉纤维纺制18tex精梳纱为例设计工艺参数，纺纱工艺的设计既要考虑到木棉纤维材料所特有的性能特点，还需结合设备状况而定。
2.1 纤维选配及其品质指标
木棉纤维与普通细绒棉相比，存在着纤维主体长度偏短、单纤强力低、成熟度差异大、整齐度差、色泽不均匀、短绒及杂质含量高等缺点，因此在实际生产中要根据木棉的性能合理选择，以满足纱线棉结少、毛羽少、条干均匀等要求。表1为木棉纤维主要物理指标。
2.2 纺纱工艺流程
本文采用的纺纱工艺流程如下：FA002型自动抓棉机A006BS型自动混棉机FA106型豪猪开棉机A092AST型双棉箱给棉机FA141型成卷机FA201B型梳棉机FA302型并条机预并FA331型条卷机FA251A型精梳机FA302型并条机（二道） FA401型粗纱机FA502型细纱机AC338型络筒机。
2.3 各工序主要工艺参数和技术措施
2.3.1 清花工序
木棉纤维强力低、细度细、含杂高，清花工序采用“勤抓少抓、低速度、轻定量、轻打击、早落少碎、多排少损伤”的工艺原则。FA002抓棉机要少抓、勤抓提高抓棉机的运转率。FA106采用锯片打手，FA141采用梳针刀片打手，为避免纤维过多损伤而引起短绒率增加，各部件打手速度均降低25%左右以减少打击力度。适当加大尘棒间的隔距，加大落棉，从而提高除杂效果。棉卷定量偏轻控制，设计380g/m；同时采用自调匀整装置，保证棉卷纵横向的均匀，棉卷重量不匀率控制在1.0%以下，伸长率为1.5%。工艺参数见表2。
2.3.2 梳棉工序
针对木棉纤维强力低、短绒含量高的特点，梳棉工序贯彻“紧隔距、细梳理、多排杂、轻定量、适当速度”的工艺原则，刺辊和锡林应适当降速，减少打击对纤维的损伤力度，有利于降低短绒含量和减少棉结。锡林与刺辊的速比大，有利于纤维的转移，同时减少棉结。盖板速度适当提高，使盖板花总量增加，以提高盖板除杂效率，并减少棉结和短绒，改善棉网质量。木棉纤维抱合力差、棉网易坠和烂边，道夫速度应适当降低，有利于纤维成网以及顺利剥棉；由于木棉纤维细度细，锡林与盖板的隔距配置要考虑防止纤维缠绕针齿，锡林与道夫之间的隔距要小。锡林针布选用浅齿、密齿、小工作角、高锋利度、光洁度、耐磨度好的新型针布。其他针布均采用瑞士格拉夫针布，提高针布锋利度，加强纤维的分梳，提高棉网清晰度。经反复试验后确定其主要工艺参数见表3。
2.3.3 预并条工序
木棉纤维细且差异大、长度偏短、短绒含量高，并条机高速牵伸时易形成棉结。因此，生产中应采用“紧隔距、重加压、轻定量、低速度”的工艺原则。因为木棉纤维较棉纤维短很多，所以并条机的罗拉隔距比纺纯棉时要小，要考虑和木棉纤维的主体长度相匹配。降低罗拉速度以防止缠绕罗拉和胶辊，改善条干不匀率；采用口径偏小的喇叭口，使纤维抱合紧密，加强对纤维运动的控制。
2.3.4 精梳工序
木棉精梳条小卷准备的流程采用：预并条卷的准备工艺，并合较充分，小卷成形结构良好，较好地改善了纤维的伸直平行度，为精梳的分梳以及成纱条干均匀打下基础。小卷干定量设计为30g/m。
精梳工序是精梳纺纱系统中的关键工序，它采用对棉层两端握持梳理，使棉层中的短绒、棉结、小杂质等得到进一步清除，同时提高了纤维的伸直平行度和纤维的凝聚力，经精梳加工后的棉条质量有显著提高。由于木棉短纤维含量高，在综合考虑质量与成本之后，确定选择18%的精梳落棉率。主要工艺参数见表4。
2.3.5 并条工序
并条工序要充分发挥并合效应，虽然精梳纤维条的纤维伸直度较好，但由于精梳落棉率较低，棉条条干均匀度较差，并合的主要作用是使最终产品的粗细不匀得到改善，因而采取提高纤维伸直度的顺牵伸工艺。主要工艺参数见表5。
2.3.6 粗纱工序
木棉纤维在牵伸过程中牵伸力较大，粗纱工艺应采用“轻定量、重加压、适当捻系数、小钳口隔距、慢车速”的原则，改善粗纱条干均匀度和内在质量。主要工艺参数见表6。
2.3.7 细纱工序
细纱工序是成纱的最后一道工序，细纱的工艺配置非常重要。合理选用钢领、钢丝圈及皮辊等，对降低成纱毛羽，减少细纱断头都有重要作用。主要工艺参数见表7。
2.3.8 络筒工序
适当降低络纱速度，减少络纱张力，正确控制车间温湿度，减少飞花和静电的产生，采用金属槽筒，保持纱线通道光滑。
2.4 成纱质量测试结果
成纱质量测试结果如表8所示。由表8可以看出，本次纺纱的成纱质量较好。由于木棉纤维强度低且短绒含量高，如需纺制更高质量的纱线，可以采用与其他纤维混纺的形式纺纱。
3 结语
木棉纤维是新型纺纱原料，作为一种天然野生的纺织纤维，术棉纤维特有的绿色环保性能，使其具有较好的服用优势和较高的附加值，顺应了消费者追求健康舒适、回归自然、绿色环保的时代潮流。但由于其自身物理机械性能的特殊性，纺纱工艺设计、纺纱技术等有待不断探索完善，以纺出更细的、成纱质量更好的纱线，满足织制轻薄柔软织物的需要，促进产品质量的不断提高。
参考文献：
[1] 张冶，穆征.木棉纤维性能及其可纺性的探讨[J].南通纺织职业技术学院学报，2007（3）.
[2] 肖红，于伟东.施楣梧.木棉纤维的基本结构和性能[J].纺织学报，2005（4）.
[3] 肖红，于伟东.施楣梧.木棉纤维的特征与应用前景[J].东华大学学报（自然科学版），2005（2）.
[4] 姚穆.纺织材料学[M].中国纺织出版社，1996.
[5] 孙景侠，王府梅，刘维等.木棉棉混纺纱性能的测试分析[J].棉纺织技术，2005（6）.
以广西钦廉林场6年生9个种源的大花序桉为材料，通过解析木法，测量其木材的纤维长度、纤维宽度、纤维腔径，比较9个种源6年生大花序桉的木材纤维特性。结果表明，种源间纤维长度、宽度、长宽比存在显著差异;种源的纤维形态(宽度除外)与树高、胸径生长性状相关关系不显著，据此可对各性状进行独立选择，可望培育出木材性状好又速生的种源;树高、纤维宽度与种源地的经纬度因子存在显著的相关性;9个大花序桉种源作为中大径材培育有更大的发展空间。
关键词:
大花序桉;种源;纤维特性;遗传变异
大花序桉(EucalyptuscloezianaF.Muell)，原产澳大利亚，为桃金娘科(Myrtaceae)桉树属(Eucalyptus)昆士兰桉亚属的树种［1］。大花序桉生长快速，材性优良，是很好的锯材树种，在原产国广泛用于杆材和建筑材。中国自1972年引种以来，已在广西、广东、福建等省广泛栽培，效果较好［2～4］。广西把该树种作为中大径材树种进行培育，先后对其进行了引种驯化［2～5］、苗木繁育［6～7］及材性［8～10］等一系列相关研究。材性研究是林木育种的一个重要内容。Dickinson等［11］研究得出，其幼龄林木材平均密度0.642g/cm3，变化范围在0.489～0.732g/cm3;蒋玮［12］对8年生大花序桉纤维特性研究显示，木材基本密度为0.673g/cm3，纤维长度0.84mm，壁厚3.37μm，预测其木材较难细纤维化，成浆弹性好而塑性差。姜笑梅等［13］对16年生大花序桉的木材解剖、物理力学性质进行不同树干高度、不同径向位置的研究。杨中宁、项东云［14］研究了大花序桉纤维特性，发现纤维长度、长宽比由髓心向外随树龄增加而增加，腔径比则相反。本研究项目以6年生9个种源的大花序桉为材料，通过解析木法，测量其木材的纤维长度、纤维宽度、管胞宽度与管胞腔径，对9个种源间木材纤维特性的差异进行研究，为大花序桉幼龄材木材遗传的综合评价、定向培育和木材合理利用提供科学依据。
1材料和方法
1.1研究区概况与试验材料试材采自广西钦州市东郊附近钦廉林场试验地，其中心坐标为108°37'E，21°57'N。林地坡度＜25℃，土壤肥力中等，年均气温22℃，年均相对湿度82%，年均降雨量约2113mm，属海洋性的热带季风气候。试验林于2004年造林，遗传材料由澳大利亚CSIRO种子中心提供，9个种源参试，详见表1。试验采用随机区组设计，单株小区，30次重复，小区间不设隔离株。
1.2方法
1.2.1调查方法/试验方法2010年5月采伐样木，每个种源砍伐5株样木，共45株，所采样木为平均优势木。采集方法依照木材物理力学试材采集方法［15］进行，选定样木，标定出北向，每个种源选取1株样木伐倒后采集全树，分别在树干0.0m、1.3m、3.3m、5.3m、7.3m、9.3m处锯取约5cm厚的圆盘各1个，其余样木伐倒后，分别在树高1.3m处各取5cm圆盘1个。用电刨刨平圆盘，以其表面年轮清晰可见为准。数出每个圆盘年轮数，标记。沿圆盘的南北向过髓心锯取宽约2cm的木条，在木条的北向位置上由树皮向髓心方向依次取1个年轮为1个木样，再把小木样分别劈成火柴杆大小的试样，置入试管。木材解剖用常规方法进行，采用醋酸过氧化氢法离析木材，用数码显微图像电脑分析系统(尼康80I)对木材纤维尺寸进行测定。纤维长度在4倍物镜下测定，管胞宽度、腔径在40倍物镜下测定，每个试样测60次，具体方法参照文献［16］。管胞双壁厚=管胞宽度－管胞腔径。
1.2.2数据分析对45株样木的全树纤维指标进行统计，用Excel软件处理各指标的平均值、标准差和变异系数，采用SPSS19.0软件对各指标进行方差分析、多重比较、性状间的相关性分析。
2结果与分析
2.1纤维特性的变异分析6年生9个大花序桉种源的木材纤维测量结果见表2，由表2可知，(1)纤维长度均值为936.01μm，变幅为560.50～1205.24μm，纤维长度最大的种源为19155，其次为种源19488、20722，最小的种源为19157，纤维长度最大的种源比最小的种源高17.22%。(2)纤维宽度均值为21.02μm，变幅为16.00～26.06μm，最大的种源为19488，其次为种源20725、20720，纤维宽度最小的种源为19157，最大的种源比最小的种源高10.81%。(3)双壁厚均值为9.67μm，变幅为5.29～13.89μm，最大的种源为20722，其次为种源19155、20720，最小的种源为20730，最大的种源比最小的种源高16.32%。(4)长宽比均值为44.73，变幅为28.21～61.69，最大种源为19155，最小的种源为19157，最大的种源比最小的种源高11.95%。(5)腔径比均值为0.54，变幅为0.31～0.73，腔径比最大的种源为20730，其次为种源20725、20729，最小的种源为20722，最大的种源比最小的种源高15.03%。(6)壁腔比均值0.92，变幅为0.37～2.22，壁腔比值最大的种源为20722，其次为19155、19157，最小的种源为20725，最大的种源比最小的高31.86%。除了种源20722、19155、19157的壁腔比大于1外，其余种源壁腔比小于1，但都接近1。除双壁厚、腔径比和壁腔外，其余5个性状的变异系数均小于10%，这说明纤维性状表现较稳定，在进行遗传控制时可考虑这些性状。纤维工业原料对木材纤维有一定要求，通常木材具有中级长度纤维(900～1600μm)，长宽比不低于35，壁腔比小于1［17～20］，就能满足纤维工业原料的要求。从种源间纤维特征指标变化来看，6年生的9个大花序桉种源木材能满足纤维原料要求。纤维长度、宽度、双壁厚、长宽比、腔径比、壁腔比等形态特征的方差分析见表3。由表3可知，大花序桉种源间木材纤维长度差异极显著(F＞F0.05=4.857)，纤维宽度、长宽比差异显著(F＞F0.05=2.787;F＞F0.05=2.461)，其余3个指标种源间差异不显著。邓肯多重比较显示(见表4)，纤维长度的差异主要存在于种源19157与19155、19488、20720、20722、20725、20727、20730这7个种源间，前者的纤维长度显著小于后面7个种源，但与20729种源差异不显著。此外，除了种源19157、20729外，其余7个种源间的纤维长度差异不显著。纤维宽度的差异主要在于种源19157与19488、20720、20725之间，前者的纤维宽度显著小于后面3个种源，其余5个种源间差异不显著。种源19155与19157间、种源20722与20725间纤维长宽比差异显著，其余5个种源间差异不显著。
2.2生长性状与纤维特性的相关分析木材各性状间的相关关系与遗传改良方案的制定、改良方法的选择有较大关系。大花序桉9个种源生长指标与纤维特性之间的相关分析见表5。由表5可知，树高与纤维宽度达到极显著水平，相关系数为0.873，纤维长度为中强度正相关，与长宽比、腔径比、双壁厚、壁腔比之间为弱相关。胸径与纤维长度、宽度、长宽比、腔径比呈中等或中等以下的正相关，与双壁厚、壁腔比呈中等强度以下的负相关。纤维长度与长宽比的相关系数为0.780，达到显著水平，与宽度、双壁厚之间呈中等的正相关，与腔径比、壁腔比之间为弱相关。长宽比与双壁厚、壁腔比之间为中等强度的正相关，与腔径比为中等强度以下的负相关。腔径比与双壁厚、壁腔比的相关系数分别为－0.818、－0.992，均达到极显著水平，双壁厚与壁腔比的相关系数为0.789，达到显著水平。
2.3地理因子、降雨量与纤维特性的相关分析种源地理纬度、经度和海拔3个因子与大花序桉木材树高、胸径及纤维长度等8个性状指标相关系数分析见表6。由表6可知，种源地的纬度、经度与树高、纤维宽度间存在极显著的正相关，即随着纬度和经度的升高，树高、纤维宽度也随之增大。种源地的纬度、经度与其余6个指标间不存在显著相关性。海拔与各性状之间不存在显著相关性。因此，经度与纬度2个因子是引种重要的参考依据。
3结论与讨论
(1)大花序桉种源间木材纤维性状变异丰富。种源间木材纤维长度差异极显著，宽度和长宽比差异显著，其余指标差异均不显著。这与解林坤［21］对粗皮桉(Eucalyptuspellita)家系材性的研究结论近似。在种源水平上进行纤维长度、宽度和长宽比等纤维性状的选择，可望获得良好的效果。(2)大花序桉木材纤维性状(宽度除外)与树高、胸径生长性状相关关系不显著。阚荣飞等［8，10，22］对18年生11个种源大花序桉的木材物理和力学性质进行研究，发现大花序桉生长性状与木材的物理力学性状(抗弯弹性模量和冲击韧性除外)相关关系不显著。这表明大花序桉木材的各性状在遗传上可能是相互独立的，受不同遗传因素的控制，这些性状可以独立选择，进而可获得木材性状好又速生的种源。(3)大花序桉种源树高和纤维宽度存在显著的地理位置差异，表现为随着纬度和经度的升高而增大，各性状与海拔因子相关性不显著。因此，经度与纬度2个因子是引种重要的参考依据。(4)杨中宁等［14，23］对大花序桉种源幼龄材材性进行研究，发现随着树龄的增加，其木材纤维长宽比、双壁厚、壁腔比有增大趋势，而腔径比有减小的趋势，这种变化趋势不利于培育纤维原料。种源20722生长到第2年，壁腔比为1.04，已经大于1;生长到第6年，大花序桉除了种源20725(0.87)、20730(0.88)［14］，其余种源壁腔比均大于1。从本项目的研究结果看，可以认为参试的9个大花序桉种源在树龄超过6年生后就不适合作为纤维原料，但可作为结构用材。结合阚荣飞等对大花序桉木材物理性质的研究结果，可以认为9个大花序桉种源作为中大径材培育有更大的发展空间。
1发酵抑制物解除策
抑制物解除的基本策略按照处理对象的不同，可以分为3种：木质纤维素物料脱毒、抑制物耐受菌筛选和过程控制优化。
1.1木质纤维素物料脱毒木质纤维素物料脱毒是指针对酸解、碱解、汽爆等预处理后的物料，通过一定手段，去除抑制物的过程。目前木质纤维素物料脱毒策略大体上可以分为物理法、化学法和生物法预处理3大类。物理法是直接去除水解液中的有毒物质，而化学法和生物法在于将有毒物质转化为无毒物质。目前，文献已报道的物理法包括水洗法、蒸发法、吸附法、萃取法、离子交换法、电渗析法等。水洗法常用于去除汽爆预处理产生的可溶性发酵抑制物[9]。蒸发法是一种简单地去除预处理水解液中乙酸和糠醛等挥发性抑制物的方法[10]。萃取法则是利用糖类与抑制物在萃取剂中溶解性的不同，用溶剂将抑制物从发酵溶液中分离出来，如采用乙酸乙酯萃取可以去除木质纤维素水解液中56%的乙酸和所有的糠醛、香草醛和4-羟苯甲酸[11]。吸附法主要利用树脂和活性炭具有的较强的吸附能力，去除水解液中的抑制物。一般地，脱毒的效果依次为阴离子交换树脂>中性树脂>阳离子交换树脂[12]。在碱性条件下，阴离子交换树脂能有效地去除阴离子和中性抑制物。活性炭对抑制物的去除效果受抑制物性质、水解液pH、处理温度和时间以及活性炭浓度的影响[13]。电渗析是将阴阳离子交换膜交替排列于正负电极之间，用特质的隔板将其隔开，组成淡化和浓缩两个系统，在直流电源的作用下，以电位差为推动力，利用膜材料的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶质的分离、浓缩、精制和提纯。双极性膜是一种新型的离子交换复合膜。它由阳离子交换层(N型膜)和阴离子交换层(P型膜)复合而成，在直流电场的作用下将水离解，在膜两层分别得到氢离子和氢氧根离子。双极性膜电渗技术目前已经应用于酸的生产和回收工艺[14-15]。化学法主要是通过加入化学试剂使水解液中的抑制物形成沉淀或者通过调节pH使抑制物解离以去除毒性化合物的方法。目前应用最广泛的是1945年Leonard和Hajny[16]报道的过量碱法(Overliming)，即先向预水解液中加入Ca(OH)2，调节pH到9−12，使抑制物沉淀，经过离心后再向得到的上清水解液中加入稀硫酸，调节pH到5.5。生物法是指利用酶或者微生物的降解作用以达到改变抑制物结构、降低毒性的方法[17]。生物法可分为酶处理和微生物处理。由于酶具有专一性，所以酶处理只能去除特定的抑制物。漆酶对酚类化合物的去除作用是明显的，但对于乙酸、糠醛和羟甲基糠醛无去除作用[18]。灰盖鬼伞担子菌CoprinuscinereusIFO8371生产的过氧化物酶在H2O2存在的情况下，可以将香豆酸、阿魏酸、4-羟基苯甲酸、香草醛、紫丁香醛、香草酸6种化合物转化成高分子量化合物，从而提高拜氏梭菌Clostridiumbeijerinckii利用木质纤维素水解液发酵丁醇的性能[19]。微生物脱毒指的是利用丝状软腐菌Trichodermareesei等微生物，去除水解液中乙酸、糠醛和安息香酸衍生物等的方法。例如，利用丝状软腐菌处理蒸汽爆破预处理过的柳树半纤维素水解液，乙醇的产率可以提升3−4倍[20]。不同抑制物去除方法的优缺点对比见表1。
1.2抑制物耐受菌选育物理、化学或生物等脱毒方法只能部分去除纤维素水解液中的抑制物，无法完全克服抑制物对宿主细胞的毒害作用，并且生物脱毒的费用一般占到总投入的30%−40%，几乎是木质纤维素生物转化过程中投入最大的一项工序，使得诸如丁醇等发酵产物进一步降低了自己在同类产品中的竞争力[21]。因此，从发酵微生物本身出发选育高耐受的菌株，则成为解决底物抑制物问题的另一种有效方法。根据育种方式的不同，可以分为传统诱变、代谢工程和合成生物学。传统诱变是指通过一些强烈的化学诱变因子，如甲基磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NTC)、丙烯醇等，以及紫外线等物理诱变条件对出发菌进行诱变以获取抑制物耐受菌株的方法。由于单一的诱变方法具有菌种性状不稳定、突变方向随机等缺点，最近几年的研究多集中于复合诱变和菌种驯化。复合诱变是指利用多种诱变剂同时或者依次对出发菌进行处理。诱变剂的复合处理有一定的协同诱变效应，能增强诱变效果，并能将多种优良性状集中于同一菌株[22]。驯化是指让细胞长期在某一环境下生长，使其能够适应并具有良好性状的进化过程。驯化是在对机理知识理解不足的情况下获得具有目标特性菌株的有效方法。丁明珠等以酿酒酵母为出发菌种，通过紫外诱变结合驯化的方法筛选出1株对于糠醛、苯酚和乙酸都有很强耐受能力的菌株[23]。Keating等[24]利用糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酸溶液对酿酒酵母进行驯化，得到了一株在纤维素水解液中具有良好发酵效果的酵母菌株。Liu等[25]也利用驯化的方法得到了能耐受糠醛的酵母菌株，从而实现了对纤维素水解液中糠醛抑制物的原位脱毒。分子生物学技术的发展，使得产溶剂梭菌代谢工程改造成为了可能，外源基因和调控因子的引入，使代谢工程有别与传统意义上的菌种改造。利用重组技术调控细胞中酶反应、优化代谢物的转化与转运，可以有效增强宿主细胞对于抑制物的耐受能力。杨雪雪[26]对酿酒酵母同源二倍体单基因缺失株文库进行筛选，经过初筛、复筛、验证等步骤，得到了163个糠醛抗性相关基因，并成功构造出双倍体单基因缺失株siz1/siz1，dep1/dep1，sap30/sap30和单倍体单基因缺失株siz1，dep1，sap30菌株，其对10mmol/L糠醛的抗性比各自相应的野生型菌株要高出100倍。Li等[27]利用酵母全基因组表达谱芯片，研究了酿酒酵母在转录组水平上对糠醛和醋酸的代谢响应，发现增强HMG1基因可以提高胞内糠醛的转化效率，从而增强菌体的耐受能力。Gorsich等[28]通过对酿酒酵母单基因突变体库的筛选找到62种与糠醛耐受性相关的基因。过表达其中的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因ZWF1后，酿酒酵母可以在高浓度的糠醛下生长，这可能是因为过表达ZWF1使得葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的活性增加，为糠醛还原酶或依赖NADPH的胁迫应激酶类提供了更多的还原动力(NADPH)，进而提高了菌体耐受性。目前为止，所得到的各种抑制物耐受菌大多是通过驯化或者传统诱变筛选得到的。由于抑制物对于宿主细胞的抑制机理还不明确，很难通过定向设计获得具有高耐受性的菌种。因此，深入了解水解液中抑制物与细胞的相互作用关系，揭示细胞的脱毒机制，进而定向改造菌株，是当前代谢工程亟待解决的问题。
2新型抑制物解除工艺传统预处理方法
[29-31]、菌种改造[24]等方法，对于突破木质纤维素抑制物瓶颈、实现木质素产业化生产是必不可少的[32]。但它们只专注于单一的技术突破，忽略了木质纤维素本身所具有的结构特点[33]。实际上，木质纤维素独特的组成特点，可以为我们提供新的研究思路[34]；基于此，陈洪章课题组提出了“源头降低抑制物——纤维素木质素分级转化”炼制模式，为木质纤维素的开发和利用，探索出了一条全新的工艺路线；并在此基础上，进一步提出了“原位脱毒——发酵促进剂设计技术”，它们共同组成了当前最新型的抑制物解除工艺。
2.1源头降低木质纤维素抑制物的分级转化炼制工艺木质纤维素原料具有结构复杂、不均一的多级结构。从细胞组成上，可以分为纤维状的纤维细胞和杂细胞(包括导管、薄壁细胞、表皮细胞等)。纤维细胞木质素含量较高，具有较发达的次生壁，因此厚度较大。薄壁细胞腔大、壁薄、长度短，其成分主要为纤维素[35]。由于结构和形态上的差异，这两类细胞所要求的预处理条件也是不同的[21]。纤维细胞，细胞壁木质化程度高，结构致密，受热过程中传质热阻力大，且不易被撕裂；薄壁细胞，壁薄而腔大，即有利于传质传热，有利于水蒸气闪蒸对其物理撕裂。因此，针对不同组织细胞分别优化处理条件，开发出了二段汽爆分梳技术。其具体的工艺过程如下：1)将汽爆压力控制在0.5−1.0MPa、维压1−10min，对秸秆原料进行第一段蒸汽爆理。2)通过气流分级装置，将第一段汽爆物料进行分级，得到薄壁组织和纤维组织。薄壁组织可以直接用于纤维素发酵。3)将分梳得到的纤维组织在压力为1−1.5MPa、维压时间为1−10min条件下进行二段蒸汽爆理。二段汽爆分梳工艺，不同于传统所指的二段汽爆工艺，前者采用较温和的汽爆条件进行第一段汽爆，通过气流分梳装置将第一段物料(薄壁细胞)分级，得到薄壁组织和纤维组织，再将纤维组织在适当的条件下进行第二段汽爆。该工艺可以实现纤维素组分的有效分离，即能保证纤维组织达到较好的预处理效果，提高纤维原料的酶解效果，又能避免薄壁细胞的过度降解，从源头控制了抑制物的产生，减少了脱毒单元操作的引入，简化了工艺。在二段汽爆以后，将汽爆后的秸秆渣送入1.2m3酸水解罐中，同时加入0.3%−0.5%的稀硫酸，物料和稀硫酸的体积比控制在1∶5−1∶7，在110−120℃的温度下水解0.5−1.0h，然后利用螺旋挤压机将水解液中的液体和固体分开，分别得到水解液和水解渣。水解液主要成分为非半纤维素，水解渣中主要为木质素和纤维素。继而采用2%的碱液提取残渣中的木质素，提取率可达96%，随后利用逐级酸性沉淀(pH5−2)分级木质素的方法，可以制得小于6kDa，6−10kDa，10−20kDa和大于20kDa等不同分子量范围的木质素，用于不同功能原料的开发。本课题组的研究发现，汽爆秸秆酶解液中并不存在糠醛、5-羟甲基糠醛与乙酸的抑制问题，而汽爆秸秆木质素降解物才是抑制丁醇发酵的主要原因[36]。由于从源头去除了木质素对于半纤维素和纤维素发酵的干扰，发酵液中的抑制物种类较少，浓度较低，经过简单脱毒(5%−10%的活性炭吸附室温下处理8−12h)，即可用于正常的丁醇发酵。基于以上重大技术突破，组建出与其技术相配套的自主加工的工业化装置系统，完成了年产600t秸秆丁醇中试实验。所建立的技术工艺在中国吉林省松原市成功用于“30万t/年秸秆炼制”产业化生产。该生产线将为秸秆作为工业原料生产能源、材料和化学品提供新的思路和产业化示范。该工艺有以下几个特点：1)可以从源头降低抑制物的产生，简化了操作工序，降低了预处理的成本。2)通过组分分离，保证了发酵底物的纯度，提高了溶质的传质速率和酶的接触面积，提高了发酵效率。3)实现了秸秆全组分高价化经济全利用，通过经济分摊，增加了木质纤维素的经济竞争力。本实验室所提出的“源头降低抑制物——纤维素木质素分级转化”炼制模式，为木质纤维素发酵抑制物的解除及木质纤维素开发利用提供了全新的技术路线。
2.2基于木质纤维素发酵特点的过程强化工艺从发酵微生物本身出发，通过增加发酵液殊的物质，来提高微生物细胞对抑制物的耐受能力；或者选育出能够耐受木质纤维素水解液中各种抑制物，并具有较高发酵性能的微生物，以达到脱毒的目的，这种方法通常被称为抑制物的原位脱毒。在木质纤维素发酵过程中，往往微量级别(mg/L)的“特殊物质”，就可以实现目标产物发酵效率的成倍增长，具有巨大的开发价值。这些“特殊物质”称为发酵促进剂，大多数属于电子穿梭化合物，即具有多种氧化态和还原态的物质。它们在细菌代谢过程中扮演着重要的角色。外源添加这种电子穿梭化合物，可以改变胞内的电子流向，提高电子传递速率，进而理性调控生物胞内的能量状态和生理状态，提高菌体的耐受性和目标产物的合成能力。常见的电子穿梭化合物，包括中性红、亚甲基蓝、联苄吡啶、二磺酸蒽醌、Fe(OH)3和甲基紫精等。二磺酸蒽醌常用作腐殖酸的类似物，用于研究醌类物质在电子传递中的作用。外源添加还原性的二黄酸蒽醌可以改变Clostridiumbeijerinckii的代谢模式，提高H2的产量。Fe(OH)3是最常用的氢氧化物，在厌氧发酵中是良好的电子载体；甲基紫精同铁氧化还原蛋白的电势相似，可以参与一系列生化反应过程中的电子传递过程，通过铁氧化还原蛋白-NAD还原酶增强NAD(P)+的电子流。1979年，Hongo等[37]首次提出了“电子能方法”(Electroenergizing)的概念，他们向黄色短杆菌Brevibacteriumflavum菌发酵液中添加中性红(电子载体)，发现谷氨酸的产量明显提高，而且从阴极传递的电子几乎全部被宿主细胞吸收。遗憾的是，他们并没有深入研究这些电子如何进入生化代谢途径。Yarlagadda等[38]通过外源添加甲基紫精，使得Clostridiumsp.BC1的乙醇和丁醇产量分别提高了28倍和12倍，同时菌体对于丁醇等物质的耐受性明显提升。Liu等[39]认为这些物质与胞内的NADPH/NADP+和NADH/NAD+总比例有着直接的联系，NADPH/NADP+和NADH/NAD+总比例是主导胞内代谢状态的最主要因素。生物信息数据库KEGG中包括855和1064个氧化还原反应，分别有106和88种以NAD+和NADP+为辅因子的酶催化反应(到2012年10月为止)，几乎涉及所有细胞骨架类化合物的构建(如氨基酸、脂类和核酸)。通过改变胞内NADH的水平可以实现胞内代谢流的调控，提高目标产物的产量，增强菌体的抑制物耐受性。遗憾的是，目前对于发酵促进剂的研究，主要集中于抑制物耐受机理的阐明，实验过程中多采用合成培养基，而实际生产方面的应用几乎没有开展。基于此，我们率先开展了电子载体物质、氧化还原物质与木质纤维素抑制物原位脱毒关联性的研究，利用秸秆水解液进行了实验验证，取得了良好的发酵结果；首次提出了“发酵促进剂设计技术”理念，综合运用前体工程、理论化学、计算化学和计算机辅助模拟等手段，构建出促进剂开发平台技术，为传统的发酵工艺提出了新的研究思路。其主要内容为：首先，运用组合化学手段，对已有的发酵促进剂进行归类分析，获取其决定作用的“母核”，然后运用虚拟组合库进行大通量筛选。虚拟组合库主要出自3个来源：一种是基于分子片段的直接枚举而产生的新的分子库；一种是基于反合成分析原理的片段化及重组而产生的新分子库；另一种是基于分子构象叠合和遗传算法中的杂交原理的分子重组而产生的新的分子。目前，已经成功完成了系列产品的研发，即将进行实际发酵的生产验证。
3展望
发酵抑制物制约着木质纤维素的发酵效率，是木质纤维素生物炼制的主要瓶颈。现有的物理法、化学法、生物法等方法，只适用于特定抑制物的去除，而且投入成本较高，难以实现木质纤维素的大规模发酵。随着抑制物耐受机理研究的日益深入和以合成生物学为代表的菌种改造技术的成熟，抑制物耐受菌株的理性构建将成为可能，同时发展“高效、清洁、低成本”的抑制物解除工艺，必将助力于木质纤维素的大规模生产。笔者认为，充分结合原料的结构特点，发展“分级转化”炼制模式，从源头降低抑制物的产生，将是今后木质纤维原料预处理的发展趋势。“分级转化”炼制模式为木质纤维素的产业化提供了全新的思路和工艺“范本”，将对生物质炼制产业的发展起到推动作用。
关键词：天然木质纤维 五碳糖 生物转化
中图分类号：TS262.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（c）-0044-01
目前，发酵法生产的燃料乙醇是公认的较为理想的清洁新能源转化方式。巴西、美国、欧盟等国家纷纷提高乙醇在燃油中的添加量，提高新的能源在燃料中的组成比例。我国同样面临能源紧缺和能源安全问题，在众多粮食作物的副产品及众多非粮作物中，富含大量的木质纤维产物，而这些木质纤维又是由五、六碳糖构成，因此，如何高效利用农副产品废料、和天然木质纤维原料降解转化生产清洁能源就成了科研工作面对的巨大挑战。
1 木质纤维和五碳糖
木质纤维是大量存在于自然界中的碳水化合物，在木质纤维作物中，纤维素的存在方式是晶体束形式，由半纤维素及木质素复形成的外壳包裹，这种外壳能够保护植物细胞[1]。目前能够人工纯培养的微生物多数能够转化产出乙醇的微生物可以高效利用六碳糖，其中葡萄糖是最容易被利用的碳源，葡萄糖首先由糖酵解途径或ED途径转化为丙酮酸，丙酮酸通过丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶转化成为乙醇。
木质纤维中的五碳糖的转化以木糖转化为主，野生型酿酒酵母无法利用木糖转化生产乙醇，因为其体内因缺少能够将木糖转化为乙醇合成关键中间产物木酮糖的酶系。因此，木糖转化为木酮糖步骤是实现木糖转化乙醇的关键环节。真菌中木糖能够在木糖还原酶和木糖醇脱氢酶的催化下转化为木酮糖，细菌中木糖能够在木糖异构酶的催化下转化为木酮糖[2]。当木糖在生物体内转化为木酮糖后，木酮糖激酶将木酮糖磷酸化为5-磷酸木酮糖，经过转醛醇酶及转酮醇酶的共同作用，5-磷酸木酮糖将进而被转化为甘油醛-3-磷酸及葡萄糖-6-磷酸，然后转入磷酸戊糖途径经丙酮酸脱羧转化为乙醇[3]。
对现有菌种的改造，目前的研究主要通过两种方法实现：一种是向酵母等高效利用六碳糖的菌种中导入五碳糖代谢途径；第二种是向混合糖利用能力强，但目的产物产量低的菌种中导入增强代谢通路转化的关键基因。
2 五碳糖菌株改造方法
在这里介绍几种目前改造菌株较为常用的技术。在五碳糖转化的研究中，通常使用能够高效生产乙醇的微生物作为菌株改造的目标，包括酵母菌、运动发酵单胞菌这样的菌株，都能以六碳糖作为底物转化生产乙醇，但无法高效利用五碳糖，因此需要导入五碳糖转化通路，构建工程菌株[4]。对于能够转化混合糖的菌株，如大肠杆菌，由于缺少丙酮酸脱羧酶，且乙醇脱氢酶Ⅱ活性低，因此它们转化产出乙醇效率则相对较低。这就需要向菌株中导入增大乙醇产出代谢通路的关键酶。目前，多数以大肠杆菌为研究目标的基因工程改造工作都是以质粒作为基因载体，但质粒的遗传稳定性较差，在保藏过程中经常出现丢失等问题，不易于获得乙醇高产菌株。另外一种常用技术是原生质体融合技术，该技术通过将两个遗传性状不同的细胞融合重组产生一个新细胞，使两亲本株基因融合并产生基因重组并获得新的性状的一种技术[5]。原生质体融合技术可在不同种属间开展，通过不同的生物体细胞融合，达到改造细胞遗传性状的目的，并赋予酵母菌代谢五碳糖的能力。
3 转化产物中的数据获得方法
培养基中葡萄糖含量的测定方法较多，当以葡萄糖作为单一碳源时，发酵液中葡萄糖含量测定方法通常采用3，5-二硝基水杨酸比色法。在碱性条件下，当葡萄糖与3，5-二硝基水杨酸共热时，葡萄糖被氧化成产生糖酸等化合物，3，5-二硝基水杨酸发生还原反应，产物3-氨基-5-硝基水杨酸呈棕红色。葡萄糖的含量与产物中棕红色物质成比例关系，这时，可在520 nm波长下测棕红色物质吸光值，再根据吸光值标准曲线计算样品中葡萄糖含量。
测定发酵液中木糖含量时，同样利用3，5-二硝基水杨酸比色法。当培养基为葡萄糖与混合糖按比例配置时，可利用葡萄糖试剂盒检测混合糖发酵液中葡萄糖的含量，在采用比色法测定总还原糖吸光度值，绘制比色法的葡萄糖标准曲线，之后对发酵液中葡萄糖含量加以换算，用总还原糖吸光值减去葡萄糖的部分，就可以获得混合糖中的木糖吸光值，然后绘制的木糖的标线，计算出木糖的含量。
发酵液中目的产物含量可以通过多种方法获得，以乙醇为例，乙醇含量可以通过重铬酸钾比色法获得，也可以利用高效液相色谱和气相色谱法获得，同时，目前市场上也有多种试剂盒用来测定发酵液中的乙醇含量[6]。其中，高效液相色谱被广大科研工作者广泛认可。
4 结语
目前很多研究工作的重点为通过对五碳糖菌株的改造，以期望得到具有高效转化五碳糖途径的工程菌株。在这些研究过程中，人们往往只是通过定向基因导入，替代或敲除等技术单纯的改变细胞的某一代谢途径，而无法做到从整体上来调控细胞的代谢平衡。因此，对于目前的研究现状，还有很多工作等待着科研工作者去完成。
参考文献
[1] 许玫英，郭俊，岑英华，等.染料的生物降解研究[J].微生物学通报，2006，33（1）：138-143.
[2] 路鹏，江滔，李国学.木质纤维素乙醇发酵研究中的关键点及解决方案[J].农业工程学报，2006，22（9）：237，240.
[3] 李祖明，李鸿玉，历重先，等.纤维素酶转化木质纤维素生物质生产乙醇的研究进展[J].农业工程技术（新能源产业），2008（2）：28.
[4] 张强，冀伟，王一东.五碳糖和六碳糖共发酵生产酒精菌株选育的研究进展[J].化工进展，2013（1）.
[5] 汤斌，周逢云，张庆庆，等.Candida shehatae的纯化及其利用木糖和葡萄糖发酵的特性研究[J].食品科学，2009，30（3）：159-162.
塞拉尼斯集团是全球领先的化工技术和特种材料公司，Clarifoil公司借助醋酸纤维业务生产的二醋酸纤维素醋片，多年来致力于二醋酸纤维素薄膜产品的研发和创新。其实，Clarifoil是上世纪40年代就已经面世的一种材料，因其具有透明度高、透气性好、弹性强等特征，英格兰德比塞拉尼斯工厂的技术员们从未停止对这项产品进行创新，不断发掘它的新用途，适用范围不仅涵盖3D眼镜和热吸塑食品容器，也包括高档包装和标签。Clarifoil公司市场部经理池萍介绍说：“Clarifoil的客户覆盖全球众多高档食品、化妆品及制药领域的印刷企业、纸箱企业、零售商、包装购买企业、出版社及设计单位等。”
Clarifoil是一种厚度为14～500微米的透明及彩色薄膜，分为亮光、哑光、半哑光表面等几种类型。人们第一眼看到Clarifoil的直观感受是色彩丰富且亮度高，有的看起来像绸缎，有的还有镜面效果，触摸起来非常细滑。这种兼顾视觉呈现和手感效果的薄膜可以令高档包装更美观、更有特色。
Clarifoil系列产品拥有不同特性。比如主要应用于冰淇淋、甜食、饼干、风味小吃等包装上的珠光膜，Clarifoil公司将其改良成为一种混合了不同颜色的透明复合膜，覆膜后仍可以看到原来底纸的颜色，同时复合膜又为包装产品添加了绝佳的光泽和颜色效果。此外，如果客户希望产品覆膜后有丝质的效果，可以选择Clarifoil公司提供的半哑光膜，其特点是具有缎面效果，可用来设计香水及高端化妆品、酒类产品的包装。最重要的是，所有Clarifoil公司出品的复合膜都拥有先进的防划痕、防标记性能，大大满足了当前高档商品对于包装完全透明且表面光滑的需求，这也使得其他薄膜企业难以望其项背。
Clarifoil能为客户带来多种价值。一方面，因其本身的木浆材质性能，Clarifoil产品可以在完成覆膜工序之后直接印刷，且吸墨性和油墨附着力都非常强，完全解决了手工贴标时会沾到油墨的后顾之忧。跟纸张一样，Clarifoil产品表面可以直接进行烫印、上胶等处理。另一方面，Clarifoil采用木浆纤维素等天然可再生资源制造而成，基材木浆中不含濒危硬木材，采自经营性林场，具有可循环使用和可堆肥的优点，可以完全降解。目前，Clarifoil在北美和欧洲市场的应用已经非常广泛，又因其可与食品接触的安全性，且透明度及透气性较好，国外的一些海鲜品包装、高档蛋糕包装都开始采用这种包装材料。
不过，Clarifoil进入中国市场不过短短十年时间，池萍说：“目前我们的客户主要是为国外一些高档产品提供包装的企业。”任何一种新产品进入市场，都会经过一个导入期，消费者需要一个认知过程，最后才能认可并忠实于产品。“只要大趋势没有问题，Clarifoil的推广和普及就不会有问题。”池萍对中国的市场前景信心满满。
所谓的大趋势，在池萍看来就是市场对绿色包装的持续需求。目前，国际社会对减少全球碳排放量达成了有效共识，绿色环保、可循环持续发展的思路已经深深影响到包括高档奢侈品以及包装产业在内的绝大多数工业领域。据池萍介绍，随着环保理念的不断深入，国内很多大企业也开始逐步采用Clarifoil作为产品的包装材料，比如一些酒类企业、高端电子产品企业等。
【关键词】纤维增强塑料筋;土木工程;应用;研究
前言：近年来，伴随着经济的发展，对我国的建筑行业发展起到了很大的促进作用，人们针对建筑材料的关注程度也越来越高，针对传统的土木工程建设过程中的种种问题和不足进行了改善，并引进了新的材料。在钢筋混凝土方面，较大的强度是传统钢筋混凝土的重要优势，然而它却同时存在着一些使用过程中的不足，例如使用面积过大造成空间设计的困难和极易腐蚀等现象。伴随着土木工程行业的不断发展，近年来人们研制出纤维增强塑料筋来替代传统的钢筋混凝土，取得了一定程度的进展。
一、纤维增强塑料筋
纤维增强塑料筋作为一种复合型材料是由增强和基体材料组成的，高性能纤维是其最主要的组成成分，合成树脂是基体材料的组成成分，有机和无机纤维是高性能纤维的重要部分，而在有机纤维和无机纤维当中分别由多种纤维来组成。在当今建筑行业的发展过程中，各种复合材料是使用最广泛材料，例如芳纶纤维增强复合材料、钢纤维增强复合材料等[1]。
二、纤维增强塑料筋在桥梁建设工程中的应用
土木工程当中，桥梁的建设是其中重要的组成部分，在传统的桥梁建设当中，载重的能力较弱，桥梁以单行线为主，石料是桥梁建设的主要材料，古代的桥梁还可以建立台阶。伴随着时代的发展，桥梁的建设逐渐采用了新的建筑材料，增强了桥梁的载重能力，同时桥梁的跨度也不断增加，桥梁的基础建设需要钢筋混凝土来起到重要的支撑作用，然而钢筋混凝土由于体积和重量过于庞大使得其无法满足桥梁建设和设计的跨度不断提高的现状，此时就急需一种新的建筑材料来代替传统的钢筋混凝土，并且完善钢筋混凝土易受腐蚀的现状。纤维增强塑料筋在此时被研制出并应用到了桥梁的建设当中，以其小密度、大强度和耐腐蚀的优势极好的取代了钢筋混凝土的使用，它既能够满足桥梁的建设需要，还很好的解决了桥梁自重过大的问题。在水中和土壤当中使用纤维增强塑料筋能够有效降低腐蚀，增强桥梁的寿命。在不断的发展过程中，新型的纤维塑料筋要具备更好的应用优势，它的质量更轻，强度更大，使得劳动成本、布筋劳动强度和施工荷载都得到了很好的降低。在实际的生活当中，应用纤维增强塑料筋建设的桥梁例子很多，例如，美国的DEL351桥，它作为美国第一座使用新型纤维塑料筋的桥梁取得了极大的成功。成功的桥梁建设例子表明，在今后的桥梁建设过程中，要采用科学合理的设计，运用纤维增强塑料筋来替代钢筋混凝土，能够有效降低腐蚀率[2]。
三、纤维增强塑料筋在岩土工程建设中的应用
作为一种新技术类型，岩土工程是土木工程发展过程中的一个分支。在土木工程建设的过程中，相关的岩石和土的知识与技术都要由岩土工程来进行解决，由此就可以看出土木工程当中岩土工程的重要地位。土木工程的施工过程中有一个非常重要的问题，就是容易造成滑坡等自然灾害的产生，造成这些现象的原因很大程度上是钢筋混凝土经过长时间的腐蚀而造成的，同时，不同的岩体还存在着不同的腐蚀性，会造成钢锚锚固工程的失效[3]。伴随着土木工程研究和科学技术的飞速发展，纤维塑料增强筋被应用到了岩土工程当中，它自身较高的耐腐蚀性有效的降低了自然灾害的发生，增强了工程建筑的使用寿命。近年来，国外的岩石工程中对于纤维塑料增强筋的使用非常热衷，以此来代替金属锚杆，有效的降低了刚锚杆被极差的地质条件所腐蚀的问题。
四、纤维增强塑料筋在预防灾害过程中的应用
伴随着社会经济的不断发展和进步，大型土木工程逐渐出现并开始施工，自然灾害是破坏工程的最主要因素，要加强对灾害的预防，才能够促进土木工程的不断发展和进步，例如，预防滑坡的产生和道路护坡的固定等，现阶段在进行自然灾害预防的工作中主要采用的方法是预应力锚固支护技术，这种技术同样存在着易被腐蚀的威胁[4]。在纤维塑料技术得到广泛发展和应用的今天，在预防自然灾害的过程中应大量采用纤维所料增强筋技术，来减少钢筋锈蚀的危害。有效使用纤维所料增强筋技术，以使工程后期的维护工作更加便利，有效节省人力和物力，减少工程成本，还能够对工程起到非常好的保护作用。例如，三峡水电站的成功蓄水后，在经过长久的浸泡和腐蚀过后很容易发生山体或边坡滑移，这种灾害的威胁将是巨大的，因此，有效采用预应力FRP筋来减少被腐蚀的威胁是十分必要的。
结论：伴随着经济的发展，我国的土木工程发展迅速，在不断的发展过程中，纤维增强塑料被有效提出和应用，有效的减少了传统的钢筋混凝土易被腐蚀的缺点，促进了工程施工的安全性，同时还解决了桥梁建筑过程中的建筑难题，纤维增强塑料筋以其质量轻和高强度的特点能够满足现代土木工程的需求，我国应增强对纤维增强塑料筋的研究和运用，不断促进我国土木工程的进步和发展。
参考文献：
[1]张作诚. 碳纤维筋增强混凝土的试验研究及力学性能分析[D].河海大学，2005.
[2]刘喜. 全螺纹玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）空心锚杆的应用及力学性能实验研究[D].贵州大学，2008.
[3]毕巧巍. 玄武岩纤维混凝土的微结构及BFRP筋纤维混凝土梁斜截面承载力试验研究[D].大连理工大学，2012.
近些年来,随着各种高得率浆的快速发展,高得率浆已广泛用于生产新闻纸、多层纸板、卫生纸,或作为化学浆的部分替代物用于涂布和未涂布印刷纸、书写纸及其他特种纸等[1-2]。由于环保和经济的原因,国内外造纸厂逐渐认识到白水封闭循环回用的重要性,随着白水封闭循环程度的不断提高,白水中纤维和细小纤维的含量与形态差异必然会对纸机运行和纸张性质产生一定的影响,国内外各研究机构也加强了对白水封闭循环过程的纤维及细小纤维研究[3-5]。
文献[6]应用循环白水方法研究了高得率浆细小纤维及其对纸张性能的影响。结果表明,高得率浆中细小纤维含量在20%以上;用循环白水比用清水制得的纸张物理强度提高9·3% ~93·4%、光学性能提高1% ~10%。m·rundlof[7]等人的研究表明,白水中的细小纤维与原料中的细小纤维在种类上有所不同,且两种细小纤维的表面化学组成也不同,白水中细小纤维的表面吸附有较多的有机抽出物,两种细小纤维其他的化学组成区别不大。但他们并未对浆料与白水中纤维和细小纤维的形态做系统的分析研究。
近年来随着测量技术的不断发展,已经可以用仪器自动快速地测定造纸纤维的各种形态。因此纤维形态的测定在造纸行业的科研和生产中的应用越来越广泛。本研究使用先进的纤维形态分析仪分析浆料和白水中纤维和细小纤维的形态,并进行了对比,以说明白水中纤维和细小纤维在形态上与浆料中纤维和细小纤维的差别,以及白水在回用过程中对纸张性能的影响。
1 实 验
1·1 原料及药品
ctmp浆由华南某浆厂提供(主要为杉木,打浆度为30°sr),阳离子聚丙烯酰胺(cpam)和阴离子膨润土以及工厂纸机网下白水都取自湖南某造纸厂。
1·2实验仪器
dfr-04动态滤水仪,德国btgmütek公司生产;morficompact纤维形态分析仪,法国techpap公司生产,如图1所示。
1·3 实验方法
1·3·1 动态滤水实验首先,将1000 ml浓度1%的浆料倒入dfr中,在搅拌速度500 r/min时加入cpam,过10 s后将搅拌速度提高到750 r/min,再过15 s后将搅拌速度下降到500 r/min,接着加入阴离子膨润土,再过20 s后打开dfr的出水口收集前150 ml滤液。
1·3·2 纤维形态分析由于对纤维和细小纤维的划分没有统一的规定,本实验规定长度在200μm~10mm,宽度在5~75μm的为纤维;长度小于200μm的为细小纤维。最后分别取一定量dfr上的留着浆料和dfr下的白水以及工厂纸机网下白水到纤维形态分析仪中分析纤维形态。
2 结果与讨论
由表1可以得知,动态滤水仪下的白水纤维与工厂纸机网下白水纤维的平均特性基本一致,这是因为实验用的动态滤水仪滤网的孔径与纸机上滤网的孔径一致,且采用的浆料、填料以及各种化学助剂也都相同。从动态滤水仪滤出的白水纤维基本上可以代表工厂纸机网下的白水纤维。
2·1 浆料与白水中纤维的长度与宽度分析纤维长度与宽度是评价纸浆质量的重要指标之一。
浆料与白水中的纤维形态分析如表1所示,浆料纤维的数均长度和重均长度分别为0·607 mm和0·922 mm,而白水纤维的长度要小很多,其数均长度和重均长度分别为0·326 mm和0·372 mm;但两种纤维的宽度却相差不大,分别为40·4μm和33·6μm。
从图2和图3纤维长度的分布来看,浆料中的纤维长度主要分布在0·20~1·25 mm的范围内,其中有57·1%的纤维长度在0·20~0·50 mm内;而白水中的纤维长度主要分布在0·20~0·50 mm的范围内,占总纤维的92·1%。从图4和图5纤维宽度的分布来看,两者的宽度分布基本一致,都主要分布在27~67μm的范围内。因此,可以得知浆料纤维的数均长度基本是白水纤维的2倍,其重均长度是白水纤维的3倍,但白水中纤维的含量很低,所以,将白水中的纤维回用不会影响最终纸张的强度。
2·2 浆料与白水中纤维卷曲与扭结的分析盘磨机械浆和预热机械浆等在高浓磨浆过程中,由于热和高频脉冲的作用以及磨齿的搓捻等作用,纤维承受了很高的热应力和机械应力而发生弯曲扭结。
所谓纤维卷曲,是指纤维平直方向的弯曲。在一定程度上,纤维卷曲指数增加,成纸的抗张强度、耐破度、环压强度下降,而纸的透气度、松厚度、过滤速度和光散射系数等增加。纤维卷曲指数一般测量统计每根纤维的卷曲状态来表示纤维卷曲的程度,并按式(1)计算。
式中:cg———纤维卷曲指数a———纤维末端对末端的直线长度, mml———纤维的真实长度, mm纤维的扭结是指由于纤维细胞壁受损而产生的生硬的转折。扭结程度高的纤维在纸张的抗张强度、撕裂强度等性能方面会受到较大的削弱。纤维的扭结率表示发生扭结的纤维数占总纤维数的比值,而纤维的平均扭结角一般测量统计每根纤维扭结角的平均值,并按式(2)计算。
cl=∑ni=1δcin(2)式中:cl———纤维平均扭结角, (°)ci———每根纤维的扭结角, (°)n———发生扭结的纤维总数通过对浆料与白水中纤维的测定统计(见表1)可知,浆料纤维的平均扭结角和扭结率都略大于白水纤维的;而浆料与白水中纤维的卷曲指数几乎相近,从图6、图7浆料和白水纤维的卷曲指数分布来看,两者的卷曲指数分布也基本相同,绝大部分都分布在0~25%。可以得知两者的卷曲与扭结特性差别不大,所以,白水中的纤维在卷曲与扭结特性方面不会对纸张性能产生影响。
2·3 浆料与白水中纤维的帚化与切断分析高得率浆在磨浆过程中,纤维吸水润胀产生细纤维化,并发生分裂帚化、表面分丝起毛,而且由于受到剪切力和纤维之间相互摩擦作用造成纤维横向断裂,从而使纤维被切断。纤维的分丝帚化有利于纤维的结合,提高纸张的强度、紧度和匀度等性能,但纤维的过度切断会降低纸张的强度,特别是撕裂度。
纤维帚化率可按式(3)计算。纤维的切断率可按式(4)计算。
纤维帚化率=∑ni=1f∑ni=1(f+f)×100%(3)式中:f———纤维分丝长度, mmf———纤维长度, mmn———纤维总数纤维切断率=纤维切断末端总数1/2纤维末端总数×100% (4)从表1可以看出,白水纤维的帚化率为2·694%,要比浆料纤维的高一些;而白水纤维的切断率为57·9%,比浆料纤维的切断率60·6%要低一些。
2·4 浆料与白水中细小纤维的分析由于高得率浆生产的固有特点,相当一部分纤维在磨浆过程中变为细小纤维,而细小纤维的含量在造纸过程中的作用很大,不但会影响到纸机的运行过程,比如留着、滤水、白水回收系统、助剂功效、干燥速率等,还会影响到纸张的多种性能,如纸张结构、物理强度性能、光学性能、印刷性能等[8]。
纤维形态分析仪还能分别以长度和面积对细小纤维进行测定统计,如表2所示。当以长度统计时,规定长度小于200μm为细小纤维,测定结果表明浆料中细小纤维的含量为78·1%,而白水中细小纤维含量则达到了95·9%。从图8和图9的长度分布来看,两者的长度分布基本一致且平均长度也几乎相等。
由于细小纤维的表面积比纤维的大很多,而且细小纤维素分子的葡萄糖基上可游离出大量的羟基,故在抄纸过程中促进了纤维间的氢键结合,有利于提高纸张强度。因此,仅仅统计细小纤维的长度及分布是不够的,最重要的是统计细小纤维的面积及分布。当以面积统计时,浆料细小纤维含量为22·4%,而白水细小纤维含量却达到了72·8%,从图10和图11的面积分布来看,白水细小纤维的面积分布比较集中,在278~3594μm2范围内的面积均比浆料细小纤维的含量高,而且白水细小纤维的平均面积为984μm2,比浆料细小纤维的大。这可能是由于浆料经过cpam和膨润土絮凝后,细小纤维发生了微絮凝作用使得表面积有所增大。白水细小纤维在面积上的特性表明,回用白水中的细小纤维有利于纸张纤维间的结合,有利于提高纸页强度等性能。
表2 浆料与白水中细小纤维的含量与特性细小纤维含量/%以长度统计以面积统计细小纤维平均长度/μm细小纤维平均面积/μm2浆料78·1 22·4 43 920白水95·9 72·8 44 984图11 白水细小纤维面积分布图
3 结 论
利用纤维形态分析仪分析比较了ctmp浆料及其白水中纤维的形态,并得到以下结论。
3·1 浆料纤维的数均长度基本是白水纤维的2倍,其重均长度是白水纤维的3倍,浆料纤维的宽度及其分布与白水纤维的基本一致。
3·2 浆料纤维的扭结角和扭结率都略大于白水纤维的;而浆料与白水中纤维的卷曲指数几乎相近,两者的卷曲指数分布也基本相同。
3·3 白水中细小纤维的含量明显比浆料中细小纤维的高,而且白水中细小纤维的平均面积也更大些,当回用白水纤维时,这些特性都有利于纸张纤维间的结合。
参 考 文 献
[1] 周亚军,张栋基,李甘霖.漂白高得率化学机械浆综述[j].中国造纸, 2005, 24(5): 51.
[2] reisr, nielsen g. aspen bctmp: proven performance[j]. solu-tions, 2001(11): 28.
[3] 张红杰,胡惠仁,倪永浩.高得率浆中dcs的性质及其对填料留着的影响[j].中国造纸, 2007, 26(10): 1.
[4] 文 飚,何北海,刘焕彬.新闻纸厂白水封闭循环的研究(ⅰ)—白水封闭后湿部各参数间的关系及封闭程度的表征[j].中国造纸, 2001, 20(3): 11.
[5] 文 飚,何北海,刘焕彬,等.新闻纸厂白水封闭循环的研究(ⅱ)—白水封闭对湿部状况和纸页强度的影响及其优化[j].中国造纸, 2001, 20(5): 37.
[6] 施英乔,莉 娜.莱斯凯兰.高得率浆中细小纤维行为的研究[j].国际造纸, 1998, 17(6): 25.
[7] rundlofm, htunm, et. a.l mechanical pulp fines of poor quality-characteristics and influence ofwhite water[j]. journal ofpulp andpaperscience, 2000, 26(9): 308.