1 绪论
近些年来，国内外在麻类纤维制备主要侧重于以酶脱胶、生物脱胶等新型脱胶工艺，以及其他脱胶新技术工艺取代或部分取代传统化学脱胶工序，并已取得重大成就[1-3]。传统的苎麻化学脱胶多是两煮一漂和两煮一练的工艺流程[4-6](如图1.1所示)，其工艺存在生产效率低、用时长以及不能连续化生产等缺点。同时，煮练后洗脱开纤的整理技术的仍沿用机械开纤方式，但存在纤维缠绕严重、噪声大、麻束凌乱、纤维纠结等问题[7-9]；采用的洗、漂等后部整理技术仍沿用化学脱胶的生产流程，但存在着用工多、水耗多等问题[10-12]。通过对上述脱胶工艺的分析和前期预试验研究，本文根据射流冲击的特性，提出了常压碱煮-射流冲击苎麻分纤脱胶工艺技术。
1.1 苎麻的介绍
苎麻属于多年生宿根性草本植物，具有较强适应性、优良的纤维品质等特点，主要应用于以纺织行业，因此在我国有较大面积种植[13-15]，苎麻植株形态如图1.2和图1.3所示。为了更好地了解苎麻纤维研究价值，国内外专家学者[16-17]对苎麻纤维微观结构进行了观察分析表明，纤维特殊的微观结构使具有如下独特的优点[18-19]：（1）苎麻纤维细胞中有较厚的细胞壁结构，同时具有较多层次的细胞壁，使苎麻纤维纤维纤维断裂强力较大，但纤维的延展性较差，比棉花等农作物的断裂强力还要高；（2）苎麻纤维细胞具有中腔内部结构，致使纤维中具有良好地透气性，散热性较好，质地轻盈，同时，纤维本身具有消毒杀菌作用，具有良好地医用价值；（3）苎麻纤维长度比棉花、亚麻、大麻还要长，而且纤维端呈尖锐状，接触皮肤有刺痒感，不能作为直接接触皮肤的纺织面料；（4）苎麻纤维相比于其他作物的纺织纤维，外观光泽较明亮、洁白。
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1.2 苎麻脱胶工艺技术的研究现状
为了合理的利用苎麻作为这一天然纤维素资源，将苎麻纤维具有可纺性，通过对苎麻纤维原料组分分析需进行脱胶（脱去非纤维胶质成分）以及脱胶后的分纤、漂洗等技术，其中涉及化学、物理学、纺织学等诸多学科，近年来，国内外对苎麻脱胶技术工艺和脱胶后的分纤技术进行了多方面的研究。
1.2.1 常规和新型脱胶工艺
苎麻脱胶工艺多采用化学、物理、机械、生物等脱胶法，除了单独使用外还可以各种脱胶技术综合交叉使用，诸如，常规脱胶技术工艺多采用化学脱胶法、物理机械脱胶法及生物脱胶法等，新型脱胶工艺多采用酶脱胶法、微生物脱胶法等。现在多采用传统的化学脱胶方法[24]，又称为碱煮法，其工艺流程为：原麻-浸酸-漂洗-碱煮-漂洗-碱煮-水洗-敲麻-浸酸-漂洗-烘干-精干麻。为了减少碱煮工艺流程，在化学脱胶过程中添加助剂[5]，有利于去除半纤维素，化学助剂的加入缩短了化学脱胶工艺，提高了精干麻的生产效率。由于该脱胶方法采用较多的化学药品，在碱煮过程中损伤苎麻纤维，降低精干麻品质，脱胶后需用大量的水漂洗残余胶质，造成水资源的大量浪费，浪费了人力物力。化学-酶联合脱胶法[25]其工艺为：原麻-浸酸-漂洗-煮练-水洗-加酶-水洗-烘干-精干麻。该脱胶工艺在化学脱胶工艺的基础上，加入酶的作用处理胶质，即，先通过化学处理预处理掉纤维表面的胶质成分，再用酶进一步处理纤维内的胶质成分，已达到完全脱胶的目的。该脱胶方法减少了碱煮工艺和打麻程序，生产效率有所提高，节省人力，随苎麻纤维的损伤较小。但是，由于脱胶酶只作用于单一的胶质成分，脱胶酶的活性还受到环境条件的制约，其使用途径难以掌控，推广到工业生产中受到限制[26]。
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2 液压动态冲击苎麻分纤脱胶试验
为了获取麻纤维表面的冲击压力对纤维分纤脱胶的作用效果，通过设计试制液压动态冲击试验装置的进行分纤脱胶试验，研究了冲击压力、冲击频率等对苎麻分纤分纤脱胶的影响，获取的试验参数为设计试制射流冲击冲洗试验装置提供基本参数依据。
2.1 液压动态冲击苎麻分纤脱胶试验
当作用纤维表面的冲击不变时，随冲击次数的增加，测定的残胶率呈逐渐下降的趋势；当冲击次数不变时，测定的残胶率随着冲击力增加也呈逐渐下降的趋势。冲击次数为25次时，虽然随着冲击压力增加，残胶率下降，但测定的残胶率最好值仍然较高；冲击次数为50次和75次时，冲击压力在0.25 MPa时开始稳定；残胶率值在4.6~5.0%范围内变化。此时，增加冲击压力和冲击次数并不能有效去除胶质，反而损伤苎麻纤维。即冲击次数在25次和50次时，冲击压力占主导因素；冲击次数在50次和75次时，冲击次数占主导因素。为了减轻对苎麻纤维表面的损伤，选择作用于纤维表面的冲击压力在0.15~0.25 MPa范围内。
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2.2 本章小结
本章主要通过对液压动态冲击试验装置的试验研究，分析了冲击压力和冲击次数对苎麻脱胶的影响，获取的试验参数为设计试制射流冲击冲洗试验装置提供基本参数依据。结果表明，当冲击次数和冲击力的增加，残胶率呈逐渐下降的趋势。增加冲击压力和冲击次数并不能有效去除胶质，反而损伤苎麻纤维。为了减轻对苎麻纤维表面的损伤，选择作用于纤维表面的冲击压力在0.15~0.25 MPa范围内。
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3 温度水射流冲击冲洗试验装置的试制.......13
3.1 温度水射流冲击冲洗装置喷嘴的选型............13
3.1.1 喷嘴的选择.......13
3.1.2 喷嘴结构参数的确定.........15
3.2 射流冲击冲洗装置与单喷嘴射流冲击苎麻分纤脱胶试验.......18
3.3 本章小结......21
4 基于有限元法温度水射流冲击分纤脱胶数值模拟.....22
4.1 射流的基本特性............22
4.2 温度水射流数学模型的建立..........25
4.3 基于有限元法对温度水射流冲击苎麻分纤脱胶的数值模拟............28
5 射流冲击苎麻分纤脱胶的试验研究...........41
5.1 材料与方法...........41
5.2 结果与分析...........43
5.2.1 单因素试验.......43
5.2.2 正交试验...........45
5.2.3 不同浴比碱煮后的温度水射流冲击分纤脱胶试验......48
5.3 本章小结......49
5 射流冲击苎麻分纤脱胶的试验研究
为了获取常压碱煮-温度水射流冲击苎麻分纤脱胶工艺技术的最佳技术参数，以数值模拟获取得到最佳的喷距和两喷嘴间距为不变量，研究了温度、压力和时间对苎麻分纤脱胶的影响机理，并以残胶率为技术指标，设计了三因素三水平的有交互作用的正交试验，通过试验数据的方差分析，获取了温度水射流冲击苎麻分纤脱胶的最佳的工艺参数，以此最佳的工艺参数为基准，进行了不同浴比下的脱胶试验，从而获取了常压碱煮-温度水射流冲击苎麻分纤脱胶工艺技术的最佳技术参数。
5.1 材料与方法
根据常压碱煮预处理和温度水射流冲击苎麻分纤脱胶工艺路线，以数值模拟获取得到最佳的喷距和两喷嘴间距为依据，分别研究试制了碱煮装置和温度水射流冲击冲洗装置。按照工艺流程：苎麻原麻-常压碱煮-温度水射流冲击冲洗-烘干-精干麻-测试，分别开展了温度、压力和时间单因素试验，试验分析了单因素对脱胶效果的影响范围，在此基础上设计了有交互作用的三因素三水平的正交试验。（1）常压碱煮预处理试验原麻进行常压碱煮处理工艺参数为NaOH浓度为6~8 g/L，浴比为1:10，一个大气压，温度100 ℃，碱炼时间设定为4 h。（2）单因素试验以残胶率为技术指标，对常压碱煮预处理后的原麻在高温射流冲击冲洗装置中进行温度、时间和压力单因素探索试验，获取各单因素的合理范围，为正交试验的取值提供参考依据。（3）正交试验根据单因素的合理范围值，设计交互作用的三因素三水平的正交试验，以残胶率为考核指标，试验数据采用正交试验方差分析的方法，获取了温度水射流冲击苎麻分纤脱胶最佳的技术参数，以此工艺参数为基准，开展了不同浴比下的脱胶试验，从而获取常压碱煮-温度水射流冲击苎麻分纤脱胶技术工艺的最佳工艺路线。
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结论
本文以碱煮后的苎麻纤维为研究对象，通过试验、理论及有限元法数值模拟仿真相结合的方法对苎麻茎秆分离过程进行了研究分析。研究试制了苎麻分纤洗脱残留胶质的液压动态冲击试验装置分析了冲击压力对苎麻纤维分纤脱胶的影响；以该装置试验参数为依据，设计试制了温度水射流冲击冲洗试验装置，开展了单喷嘴下温度水射流冲击纤维分纤脱胶试验，研究分析了喷距变化对射流冲击苎麻分纤脱胶作用的影响；为了揭示不同喷距下温度水射流冲击对纤维分纤和脱胶的作用机理，以单喷嘴试验参数为依据，采用流体力学和传热学等理论，运用FLUENT软件分别模拟了单喷嘴不同喷距和双喷嘴不同喷嘴间距射流冲击壁面的麻纤维表面温度场、压力场分布以及有效的作用区域，获取了最佳喷距以及双喷嘴间的最佳间距；以数值模拟获取的最佳喷距和双喷嘴间的最佳间距为不变量，开展了常压碱煮预处理的原麻进行射流冲击分纤脱胶试验，研究了温度、压力和时间三因素对苎麻分纤脱胶的影响机理，获取三因素的合理范围值，并以残胶率为技术指标，设计了三因素三水平的有交互作用的正交试验，通过试验数据的方差分析，获取了常压碱煮-温度水射流冲击苎麻分纤脱胶技术工艺技术最佳的工艺参数。本论文取得的结论如下：
第一，通过液压动态冲击分纤洗脱胶质的试验，研究了冲击压力对苎麻分纤分纤洗脱胶质的影响，获取了作用于纤维表面的冲击压力合理范围值为0.15~0.25 MPa。
第二，根据液压动态冲击纤维表面的压力范围值，根据理论计算选取了喷嘴出口直径D=2 mm，型号为20NPD22Z的涡流泵，电机功率为2.2 KW，装置管道直径为25 mm和调压阀，研究试制了高温射流冲击装置；选择水温度为363 K和冲洗作用时间为10 min，以进口压强和喷距为调节变量开展了单喷嘴下射流冲击纤维分纤脱胶试验，分析研究了喷距变化对射流冲击苎麻分纤脱胶作用的影响，当喷距为30 mm、进口压强为1.23MPa时，测得平均残胶率最低。
第三，为了揭示不同喷距下温度水射流冲击对纤维分纤和洗脱的作用机理，以单喷嘴试验参数为依据，采用流体力学和传热学等理论，利用欧拉多相流模型中的VOF模型、传热模型以及RNG k 模型，运用FLUENT软件建立了单喷嘴和双喷嘴与冲击壁面的有限元模型，数值模拟了单喷嘴不同喷距和双喷嘴不同喷嘴间距射流冲击壁面的麻纤维表面温度场和压力场分布以及有效作用区域，获取了单喷嘴和双喷嘴的最佳喷距以及双喷嘴间的最佳间距。
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参考文献（略）