化學(xué)脫膠處理對漢麻纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響

鄧云紅，尤玲玲，劉洪玲，于偉東，張 璐，巴依娜

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620）

化學(xué)脫膠處理對漢麻纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響

鄧云紅，尤玲玲，劉洪玲，于偉東，張 璐，巴依娜

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620）

研究不同質(zhì)量濃度的堿處理對漢麻纖維的結(jié)構(gòu)和性能的影響.采用掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線衍射（XRD）、強(qiáng)伸儀和彎曲測試儀，對漢麻纖維脫膠前后的表面形態(tài)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、拉伸及彎曲性能變化進(jìn)行表征.研究結(jié)果表明，堿處理將纖維中的非纖維素物質(zhì)逐漸去除，使?jié)h麻纖維表面變得光滑，但堿液質(zhì)量濃度過高會使纖維產(chǎn)生裂縫.隨著堿液質(zhì)量濃度的增加，纖維的羥基數(shù)量先減少后增加，因為在高質(zhì)量濃度下堿液進(jìn)入無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)邊緣，使纖維產(chǎn)生更多無定形區(qū)，導(dǎo)致羥基數(shù)量增加.X射線衍射結(jié)果表明，纖維的結(jié)晶指數(shù)先增加后減少.經(jīng)堿處理后，纖維的斷裂強(qiáng)力逐漸增加，斷裂伸長率先上升后降低，纖維的等效彎曲模量和抗彎剛度都逐漸降低.

漢麻；化學(xué)脫膠；表面形態(tài)；結(jié)晶指數(shù)；抗彎剛度

隨著社會的發(fā)展，人們的消費(fèi)理念發(fā)生轉(zhuǎn)變，越來越注重綠色天然的產(chǎn)品.紡織品與人們的生活息息相關(guān)，因此，人們對它的要求也越來越高.漢麻纖維作為天然纖維，以其滑爽、透氣、古樸、自然的獨(dú)特風(fēng)格倍受消費(fèi)者歡迎.我國漢麻產(chǎn)量居世界首位，其主要用于制造繩索，直到漢麻纖維的細(xì)度得到改善后，其在服裝上的應(yīng)用才有所擴(kuò)大［1］.

漢麻纖維的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及其他膠質(zhì)等.木質(zhì)素的存在使得漢麻纖維較硬，影響了其應(yīng)用，所以在脫膠處理過程中要盡可能多地去除木質(zhì)素.木質(zhì)素含量少的纖維光澤好，潔白柔軟且有彈性，可紡性、染色性好，能滿足紡織印染的加工要求［2］.

經(jīng)化學(xué)脫膠處理的漢麻纖維在纖維的結(jié)構(gòu)和性能方面，如結(jié)晶度、單纖維強(qiáng)度、單纖維彎曲剛度等都會發(fā)生一定的變化［3-6］.本文探討漢麻纖維的化學(xué)脫膠技術(shù)，利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線衍射（XRD）方法表征漢麻纖維化學(xué)脫膠前后成分和結(jié)構(gòu)的變化，并借助單纖維強(qiáng)伸儀和單纖維彎曲測量系統(tǒng)測試漢麻纖維的拉伸和彎曲性能，為脫膠效果的評定提供理論依據(jù).

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

漢麻纖維由山西綠洲紡織有限公司提供，化學(xué)試劑包括NaOH、硫酸、磷酸三鈉和亞硫酸鈉，均為國產(chǎn)分析純.

1.2 試驗過程

將3 g干燥的漢麻纖維于50℃下在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的稀硫酸中浸泡2 h，以去除部分雜質(zhì)，充分水洗后，將纖維分別置于質(zhì)量濃度為7，10，13，20 g／L的NaOH溶液中（溶液中同時加入磷酸三鈉和亞硫酸鈉作為助劑加強(qiáng)纖維的脫膠效果），在80和100℃的溫度條件下分別處理1，2，3 h.所有試驗過程都采用20∶1的質(zhì)量浴比.

1.3 化學(xué)成分分析

漢麻纖維的主要化學(xué)成分測試參照GB 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》.根據(jù)試驗獲得漢麻纖維中果膠、半纖維素、纖維素及木質(zhì)素等的含量.

1.4 掃描電子顯微鏡（SEM）測試

將漢麻纖維有序排放在掃描電子顯微鏡的載物臺上，噴金處理后采用JSM-5600V型掃描電子顯微鏡觀察.設(shè)定測試距離為10 mm，工作電壓為10 k V，觀察纖維放大500倍后的縱截面形態(tài).

1.5 纖維拉伸性能測試

將測試試樣放在溫度為（20±2）℃、相對濕度為（65±2）%的恒溫恒濕室中調(diào)濕2 d，再采用XQ-2型強(qiáng)伸儀測試漢麻纖維的強(qiáng)度.每個樣品測量100根束纖維.儀器測試參數(shù)：強(qiáng)力范圍為0～100 c N，夾持距離為10 mm，拉伸速度為100 mm／min，伸長率范圍為0～10%.

1.6 紅外光譜分析

采用Thermo Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀對試驗材料進(jìn)行紅外光譜分析，測試范圍為650～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為64次，分辨率為1 cm-1.

1.7 X射線衍射分析

采用D／Max-2550 PC型X射線衍射儀對試驗樣品進(jìn)行X衍射測試并分析.銅靶，衍射波波長為0.154 2 nm，2θ為5°～60°.測試后纖維結(jié)晶指數(shù)（CI）采用Empirical公式［7］估算，計算式如下：

其中：I002為最大衍射強(qiáng)度，它的晶格峰值為2θ在22°～23°；Iam為非結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度，該衍射強(qiáng)度為2θ在18°～19°的最小值.

1.8 彎曲模量測試

纖維彎曲模量測試儀由東華大學(xué)紡織材料技術(shù)團(tuán)隊研發(fā).試驗樣品在測試前用乙醚和乙醇清洗，然后置于標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境（溫度為（20±2）℃、相對濕度為（65±2）%）中調(diào)溫調(diào)濕24 h，再進(jìn)行測試.單纖維試樣由金屬片夾緊，隨著金屬臺的上升，試樣與頂部的金屬薄片接觸發(fā)生彎曲，由傳感器將數(shù)據(jù)輸出.

彎曲剛度反映纖維的彎曲性能，它的大小影響纖維的刺癢感.根據(jù)單纖維彎曲試驗儀的試驗原理，臨界載荷Pcr的表達(dá)式［8-9］為

其中：EB為纖維的彎曲模量；I為慣性矩；L為纖維長度；EBI為抗彎剛度.

根據(jù)式（3）即可計算纖維的彎曲模量.

2 結(jié)果與討論

2.1 漢麻原麻化學(xué)成分

經(jīng)測定，干剝漢麻原麻纖維的化學(xué)成分如表1所示.

表1 漢麻纖維成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of ingredients of hemp fiber%

2.2 電子顯微鏡測試分析

漢麻在不同質(zhì)量濃度NaOH溶液中于100℃下堿煮2 h得到的纖維掃描電鏡圖如圖1所示.由圖1可知，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，纖維表面的半纖維素、果膠和木質(zhì)素等非纖維素物質(zhì)被逐漸去除，纖維變得光滑，同時纖維的線密度也逐漸降低；當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度達(dá)到一定值后，隨著NaOH溶液對纖維表面膠質(zhì)、木質(zhì)素的去除更加徹底，纖維表面產(chǎn)生較深的裂縫，如圖1（d）所示.

圖1 不同質(zhì)量濃度NaOH處理后的漢麻纖維的SEM圖Fig.1 SEM photomicrographs of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

2.3 纖維拉伸性能

100℃條件下堿煮2 h后得到的纖維強(qiáng)伸性能如圖2所示.由圖2可知，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，漢麻纖維的斷裂強(qiáng)度呈逐漸增加的趨勢.這是因為隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，膠質(zhì)等被部分去除，纖維素分子鏈得以舒展，堆砌結(jié)構(gòu)得以重排，所以纖維的斷裂強(qiáng)度增加.由圖2還可以看出，當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度低于13 g／L時，纖維中的非纖維素雜質(zhì)被去除，纖維更加柔軟不易斷，其斷裂伸長率增加.但當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度大于13 g／L時，漢麻纖維中的果膠、木質(zhì)素等雜質(zhì)被過分去除，漢麻纖維的脫膠程度過高，纖維素分子鏈得以舒展，纖維拉伸至斷裂時，纖維素大分子滑移量相對較小，所以纖維的斷裂伸長率下降.

圖2 NaOH質(zhì)量濃度與纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率的關(guān)系Fig.2 The relationship between alkali mass concentration and the breaking strength or the breaking elongation of hemp fibers

2.4 堿處理對漢麻纖維紅外光譜的影響

不同NaOH質(zhì)量濃度處理后的漢麻纖維的紅外光譜圖如圖3所示.由圖3可知，堿處理后纖維在波數(shù)為1 368和1 363 cm-1附近處的紅外譜帶變小，這主要是由于半纖維素成分的去除所致.半纖維素在纖維素和木質(zhì)素之間形成交聯(lián)，從而在纖維素微原纖和木質(zhì)素之間形成剪切應(yīng)力，半纖維素的去除可能導(dǎo)致拉伸負(fù)荷下剪切應(yīng)力的減小.1 736 cm-1處的吸收峰為半纖維素的特征吸收峰，1 630和1 510 cm-1處為木質(zhì)素的特征吸收峰，1 320和1 160 cm-1處的吸收峰減弱，表明堿處理可去除麻纖維表面的部分木質(zhì)素、半纖維素、聚木糖等低分子雜質(zhì).

圖3 不同質(zhì)量濃度NaOH處理后的漢麻纖維紅外光譜圖Fig.3 FTIR images of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

紅外譜帶在3 650～3 000 cm-1處被認(rèn)為是—OH的拉伸區(qū).在NaOH質(zhì)量濃度為7 g／L，溫度為100℃和處理2 h后的漢麻纖維紅外光譜吸收譜帶圖如圖4所示.采用Origin軟件進(jìn)行分峰處理，擬合成4個峰.4個峰的位置分別在3 440 cm-1處（分子間的羥基O（2）H…O （6）），3 349 cm-1處（分子間的羥基O（3）H…O （5）），3 277 cm-1處（分子內(nèi)的羥基O（6）H…O（3′））和3 201 cm-1（O—H 拉伸振動）處［10］.

不同質(zhì)量濃度的NaOH溶液處理后漢麻纖維的—OH譜帶的紅外光譜分峰結(jié)果如圖5所示.從圖5可以看出，4個峰的面積都隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，并且在NaOH質(zhì)量濃度為13 g／L時，各峰的面積最小.結(jié)晶區(qū)的排列比較緊密，NaOH溶液很難進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，其主要與纖維的無定形區(qū)及結(jié)晶區(qū)的邊緣部分發(fā)生反應(yīng).當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度小于13 g／L時，NaOH與纖維中的—OH發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致纖維中—OH數(shù)目減少.當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度大于13 g／L時，NaOH會與結(jié)晶區(qū)末端的鏈段發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致OH鏈節(jié)打開，然后進(jìn)入新的無定形區(qū)，從而產(chǎn)生了更多的無定形區(qū)，所以隨著NaOH質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，—OH數(shù)目反而增加［11-12］.

圖4 區(qū)域1處紅外光譜的解卷積譜帶Fig.4 Deconvolved FTIR spectra of the region 1

圖5 不同質(zhì)量濃度NaOH溶液處理后漢麻纖維的—OH譜帶的紅外光譜分峰結(jié)果Fig.5 Hydrogen bond characteristics of hemp fiber with FTIR spectra regions with treatment under different alkali mass concentration

2.5 堿處理對漢麻纖維結(jié)晶指數(shù)的影響

在100℃條件下用不同質(zhì)量濃度的NaOH堿液煮2 h后漢麻纖維的X射線衍射譜圖如圖6所示.由圖6可知，漢麻纖維的主要結(jié)晶峰在22°～23°，最小吸收強(qiáng)度在18°～19°.經(jīng)分析及計算可得出4種NaOH質(zhì)量濃度的堿液脫膠處理后漢麻纖維的結(jié)晶指數(shù)如圖7所示.由圖7可以看出，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，漢麻纖維的結(jié)晶指數(shù)呈先增大后減小的趨勢.堿處理后纖維的布拉格角度不變，衍射峰值減小，說明纖維素結(jié)晶晶型沒有改變.當(dāng)使用NaOH質(zhì)量濃度小于10 g／L的堿液處理時，隨著纖維表面的雜質(zhì)逐漸被去除，纖維結(jié)晶度增加；當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度超過10 g／L時，分子鏈間氫鍵的活潑羥基與堿液發(fā)生反應(yīng)，引起結(jié)晶區(qū)氫鍵的破裂，導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)減小，另一方面，NaOH質(zhì)量濃度較大使得纖維發(fā)生膨脹，導(dǎo)致部分較小、較弱的有序區(qū)解體.因此，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增大，處理后纖維的結(jié)晶度呈先增加后減小的趨勢.

圖6 不同質(zhì)量濃度NaOH處理后的漢麻纖維的X射線衍射圖Fig.6 X-ray diffraction image of hemp fiber with treatment under different alkali mass concentration

圖7 不同質(zhì)量濃度NaOH處理后漢麻纖維的結(jié)晶指數(shù)Fig.7 The crystallization index of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

2.6 堿處理對漢麻纖維彎曲性能的影響

不同質(zhì)量濃度NaOH處理后漢麻纖維的載荷-軸向位移圖如圖8所示.由圖8可以看出，在其他條件不變時，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，纖維臨界載荷逐漸減小.當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度小于10 g／L時，纖維的臨界載荷變化不明顯；當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度超過10 g／L，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，處理后纖維的臨界載荷變化較大，減小量超過50%.

圖8 不同質(zhì)量濃度NaOH處理后纖維的載荷-軸向位移圖Fig.8 Load-axial displacement diagram of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

根據(jù)單纖維彎曲測試結(jié)果，得不同質(zhì)量濃度NaOH處理后纖維臨界載荷Pcr與D4／L2關(guān)系的線性擬合結(jié)果如圖9所示.根據(jù)式（3）和圖9計算得到的漢麻纖維等效彎曲模量和抗彎剛度如表2所示.由表2可以看出，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，漢麻纖維等效彎曲模量和抗彎剛度都逐漸減??；當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度達(dá)到20 g／L時，等效彎曲模量和抗彎剛度均最小，相對于NaOH質(zhì)量濃度為13 g／L時，雖然纖維直徑只發(fā)生了細(xì)微變化，但其等效彎曲模量和抗彎剛度分別下降77%和80%；經(jīng)NaOH質(zhì)量濃度為10 g／L的堿液處理后，纖維的抗彎剛度約為質(zhì)量濃度為7 g／L的處理后纖維的一半.

圖9 不同質(zhì)量濃度NaOH處理后漢麻纖維臨界載荷Ρcr與D4／L2的關(guān)系Fig.9 Relationship of critical force Pcr with D4／L2 of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

表2 不同質(zhì)量濃度NaOH處理后漢麻纖維的直徑、等效彎曲模量和抗彎剛度的變化Table 2 Variation of diameter，equivalent flexural modulus and flexural rigidity of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

3 結(jié) 語

本文研究了不同NaOH質(zhì)量濃度的堿處理對漢麻纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響.研究表明，堿處理可將纖維中的半纖維素和木質(zhì)素等逐漸去除，使得漢麻纖維表面變得光滑，但NaOH質(zhì)量濃度過高，則會使纖維產(chǎn)生劈裂.隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，纖維表面的非纖維素物質(zhì)被去除，纖維素分子鏈得以舒展，堆砌結(jié)構(gòu)得以重排，所以纖維的斷裂強(qiáng)力逐漸增加，而纖維的斷裂伸長率則先增加后降低.低NaOH質(zhì)量濃度時，堿液與纖維中的—OH反應(yīng)，導(dǎo)致纖維的—OH含量下降；當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度過高，堿液與結(jié)晶區(qū)末端的鏈段發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致—OH的打開使纖維無定形區(qū)增加，從而使纖維中—OH含量增加.當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度小于10 g／L時，纖維表面的雜質(zhì)逐漸去除，纖維結(jié)晶度增加；當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度超過10 g／L時，分子鏈間氫鍵的活潑羥基與堿液反應(yīng)，引起結(jié)晶區(qū)氫鍵的破裂，從而導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)減小，同時纖維發(fā)生膨脹導(dǎo)致部分較小、較弱的有序區(qū)解體.因此，隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，處理后纖維的結(jié)晶度呈先增加后減少的趨勢.另外，堿處理去除了纖維中的膠質(zhì)、木質(zhì)素等物質(zhì)，使纖維的等效彎曲模量和抗彎剛度都逐漸降低，漢麻纖維變得更細(xì)、更軟.

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Effect of Chemical Degumming on the Structure and Properties of Hemp Fiber

DENGYun-hong，YOULing-ling，LIUHong-ling，YUWei-dong，ZHANGLu，BAYi-na

（College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The effect of the structure and properties of hemp fiber treated by different alkali mass concentration was studied.The changes of the surface morphology，crystallization structure，tensile and bending property of hemp fiber were indicated by scanning electron microscope（SEM），F(xiàn)ourier transform infrared spectroscopy （FTIR），X-ray diffraction （XRD），tensile tester and bending instrument.The research results showed that with the alkali treatment，the non-cellulosic materials removed from surface to make the fiber smooth，but high alkali mass concentration caused many cracks along the axis of fiber.The amount of hydrogen bonding decreased firstly and then increased with the increase of the alkali mass concentration.At high mass concentration，alkali solution entered the amorphous region and the edge of crystallization region which leaded to the amount of hydrogen bonding increasing because of the increase of amorphous region area.The fiber crystallization index increased firstly and then decreased by the analysis of X-ray diffraction.With the alkali treatment，the fiber breaking strength gradually increased，and the breaking elongation increased firstly and then decreased，while the fiber equivalent flexural modulus and flexural rigidity gradually declined.

hemp；chemical degumming；surface morphology；crystallization index；flexural rigidity

TS 102.3

A

2013-05-20

鄧云紅（1988—），女，湖南武岡人，碩士研究生，研究方向為麻纖維脫膠程度表征.E-mail：dyhyyjiayou＠sina.com

劉洪玲（聯(lián)系人），女，副教授，E-mail：hlliu＠dhu.edu.cn

1671-0444（2014）03-0270-06