新型工藝對漢麻纖維性能的影響

李閑閑+羅玉成+趙宇航+管路遙+魏麗喬

摘要：本文采用UV-輻射、冷凍驟熱、生物酶處理和高溫高壓聯(lián)合處理的新型工藝，對漢麻纖維進(jìn)行脫膠處理，研究了其工藝條件對漢麻纖維殘膠率、力學(xué)性能等的影響。利用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行表面形貌觀測、紅外光譜法（FTIR）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，熱重分析儀（TG）進(jìn)行熱穩(wěn)定性表征。結(jié)果表明：經(jīng)上述新型工藝處理后漢麻纖維木質(zhì)素含量由14.13%降低到0.71%，殘膠率由43.12%降為2.26%，漢麻纖維表面膠質(zhì)和雜質(zhì)基本去除，纖維表面光滑，白度增加，纖維變細(xì)且均勻，力學(xué)性能優(yōu)良，柔順性好，熱穩(wěn)定性提高。且化學(xué)試劑用量減少1/3，有利于節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：漢麻；高溫高壓；脫膠；殘膠率

中圖分類號：TS123

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

The Effect of New of Process on Hemp Properties

Abstract： In this paper， a new combined process that consists of UV-freezing-heating， enzyme-treatment and HTHP treatment was adopted for the degumming of hemp fiber， and the influence of different process conditions on residual gum rate and mechanical property was investigated. Hemp fibers before and after degumming were characterized by using SEM， FTIR and TG， the changes of overall performance and structure and chemical composition before and after degumming of hemp fiber were analyzed. It showed that the lignin content reduced to 0.71% from 14.13%， the residual gum rate reduced to 2.26% from 43.12%. The fiber has smooth surface， increased whiteness， reduced diameter but improved evenness as well as better mechanical property， compliance and thermal stability. . Chemical reagent dosage has reduced by about 1/3， which means energy conservation and emissions reduction.

Key words： hemp fiber； HTHP； degumming； residual gum rate

傳統(tǒng)漢麻脫膠工藝一般采用天然水微生物脫膠、機(jī)械脫膠、化學(xué)脫膠等方法，天然水微生物脫膠周期長，效率低、勞動強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定；而機(jī)械脫膠方法脫膠不徹底，一般用作預(yù)處理；化學(xué)脫膠則需要大量的水和化學(xué)藥品，對環(huán)境不友好。因此亟待探索出一條污染少、能耗低、性價比高、可以大幅改善漢麻纖維性能和可紡性的工藝路線。

本文擬采用高溫高壓新型脫膠工藝對漢麻進(jìn)行脫膠處理，并研究高溫高壓處理對漢麻脫膠及其性能的影響。

1 實驗

1.1 主要實驗材料

漢麻（河南固始產(chǎn)）；木質(zhì)素酶（湖州美欣達(dá)生物科技有限公司），乳化劑（湖州美欣達(dá)生物科技有限公司），氫氧化鈉（NaOH），雙氧水（H2O2，30%），硫酸，硫酸鎂，碳酸鈉，三聚磷酸鈉，亞硫酸鈉，硫化鈉等（化學(xué)試劑均為分析純）。

1.2 主要實驗儀器

高壓蒸汽鍋，DW-86L386型超低溫保存箱，YG（B）003A型電子單纖維強(qiáng)力測試儀，JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，F(xiàn)TIR-1730型傅里葉紅外光譜儀，STA 409 PC型同步熱分析儀（TG-DTA）。

1.3 實驗方法

脫膠工藝采用以下步驟：

（1）UV-輻射：將漢麻纖維放入NaOH（6g/L）、H2O2（6g/L）和助劑的溶液中，紫外輻射20min；

（2）冷凍驟熱：紫外輻射后的漢麻纖維放入冷凍箱20 min，-55℃，然后放入沸水中驟熱20min，再將漢麻纖維洗至pH值=7；

（3）將冷凍驟熱后的纖維放入 8g/L的木質(zhì)素酶溶液中，40℃，pH值=5，時間2h；

（4）在燒杯中加入2g/L的硫酸鎂、2g/L的硫化鈉、2g/L的多聚磷酸鈉、0.8g/L的亞硫酸鈉和0.2g/L的硅酸鈉，制備混合溶液；

（5）將上述經(jīng)過一系列處理后的漢麻纖維浸泡在混合溶液中，分組加入不同濃度的NaOH和H2O2，放入高壓蒸汽鍋中，分別設(shè)定不同的壓力和時間進(jìn)行實驗。

1.4 表征方法

（1）采用GB 5889—86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》測定漢麻纖維的化學(xué)成分含量；

（2）采用GB/T 18147.2—2008《大麻纖維試驗方法第2部分：殘膠率試驗方法》測定漢麻纖維的殘膠率；

（3）采用GB/T 18147.3—2000《大麻纖維試驗方法第3部分：長度試驗方法》測定漢麻纖維的長度；

（4）采用GB/T 18147.4—2000《大麻纖維試驗方法第4部分：細(xì)度試驗方法》測定漢麻纖維的細(xì)度；

（5）采用GB/T 18147.5—2000《大麻纖維試驗方法第5部分：斷裂強(qiáng)度試驗方法》測定漢麻纖維的斷裂強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工藝條件對纖維殘膠率的影響

在高溫高壓條件下，水蒸汽進(jìn)入纖維原料并滲入纖維內(nèi)部的空隙，水溶物質(zhì)溶解，半纖維素降解成可溶性糖，木質(zhì)素軟化和部分降解，與纖維素間的連接強(qiáng)度降低；其余溶液中的堿分子在熱的作用下慢慢擴(kuò)散、滲透進(jìn)入植物內(nèi)部與膠質(zhì)反應(yīng)，在高溫高壓狀態(tài)下保持一定量的堿濃度，把膠質(zhì)從纖維和纖維的結(jié)合中脫離出來；當(dāng)水蒸汽滲入纖維各孔隙中時與纖維素分子鏈上的部分氫基形成氫鍵，此時高溫、高壓、含水的條件加劇對纖維素內(nèi)部氫鍵的破壞，游離出新的氫基，增加了纖維素的吸附能力，使溶液中的溶劑更易于滲入到纖維內(nèi)部，減少纖維損傷并提高漢麻纖維的脫膠效果；同時高溫蒸汽進(jìn)入纖維內(nèi)部時纖維發(fā)生膨化，纖維內(nèi)分子排列變得疏松，更加容易彎曲，提高了纖維的柔軟性。

由表1、表2對比可知，在壓力、時間及H2O2含量一定的條件下，隨著NaOH含量的增加，漢麻纖維的殘膠率先減少后增加，即都在NaOH含量為 8g/L時，漢麻纖維的殘膠率最低；當(dāng)壓力、H2O2含量及NaOH含量一定時，可以明顯看到30min下的脫膠效果較20min的更好；當(dāng)壓力、時間及NaOH含量一定時，隨著H2O2含量的增加，漢麻纖維殘膠率在減小。壓力為0.1MPa下的殘膠率相比壓力為0.15 MPa下的殘膠率更大，雖然兩個壓力下的溫度不同，但溫度相差不大，可認(rèn)為壓力的作用占主導(dǎo)地位。因此，在滿足漢麻纖維的殘膠率在2%～4%之間，使纖維之間有膠質(zhì)粘連，避免短纖維，同時又需要?dú)埬z率盡量低，增加可紡性等綜合考慮下，高溫高壓脫膠的優(yōu)化工藝條件如表3所示。

2.2 漢麻纖維力學(xué)性能分析

漢麻制品在紡織時，有拉伸、壓縮、剪切、摩擦性的工藝過程，其中的多種因素將直接影響制品的力學(xué)性能；而纖維中木質(zhì)素含量、殘膠率大小等都對纖維的力學(xué)性能也會產(chǎn)生直接的影響。在上述優(yōu)化工藝條件下測得處理后的漢麻纖維的力學(xué)性能如表4所示。

由表4可知，經(jīng)高溫高壓處理后漢麻的木質(zhì)素由14.23%降低到0.71%，殘膠率由43.12%降低到2.26%，且斷裂強(qiáng)度等參數(shù)均符合紡織后整理的工藝需求；此外，經(jīng)過該工藝處理后，纖維的平均直徑變小、線條較均勻，有利于力學(xué)性能的提高。

2.3 形貌分析（圖1）

漢麻纖維上有天然色素，使其外觀不夠潔白，影響后期染色或印花色澤的鮮艷度，膠質(zhì)的存在又使得纖維堅硬、粗糙。由圖1（a）、（b）可知，原麻纖維色澤暗黃，表面有許多雜質(zhì)和斑點(diǎn)，且纖維平行緊密排列成許多細(xì)長的片條狀，粗細(xì)不一，彼此纏繞成團(tuán)聚狀，而且觸感堅硬不柔順。原麻表面膠質(zhì)含量較高，覆蓋層較厚，且覆蓋比較致密均勻，并沿著纖維縱向呈連續(xù)帶狀分布。

本實驗采取冷凍驟熱、高溫高壓以及綜合處理的方法破壞纖維束與周圍組織、韌皮部與木質(zhì)部、韌皮部與表皮之間的連接，并且在盡可能除去膠質(zhì)的同時減少對纖維細(xì)胞間膠質(zhì)的破壞，維持纖維束內(nèi)部纖維細(xì)胞間的固有形態(tài)與結(jié)構(gòu)。由圖1（c）、（d）可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)處理后漢麻纖維的白度有了明顯提高，纖維細(xì)膩發(fā)亮，分離成許多小束，彼此纏繞成團(tuán)，柔軟性很好，纖維表面的膠質(zhì)和雜質(zhì)基本去除，表面有較深的溝壑，增加了纖維的表面積，有利于染色助劑的附著及染色牢度的增強(qiáng)。

2.4 紅外分析（圖 2）

由圖 2 可知，896cm-1處為C—無定形和結(jié)晶纖維素的H彎曲振動，這是纖維素結(jié)構(gòu)中β-糖苷鍵的特征峰，這一峰值保持不變，表明脫膠過程并沒有影響纖維的纖維素結(jié)構(gòu)；1384cm-1和1400 cm-1處代表的是—CH—和—CH2的彎曲振動峰，偏移到了1380cm-1和1401cm-1處，是纖維素和半纖維素的特征峰，該峰部分消失說明半纖維素的去除和纖維素物質(zhì)的保留；1510cm-1處代表的是苯環(huán)的伸縮振動峰，這是木質(zhì)素的特征峰，處理后漢麻纖維在該處的振動峰明顯減弱，表明脫膠時木質(zhì)素的去除比較徹底；1636cm-1處為C=O伸縮振動（木質(zhì)素），它是木質(zhì)素的特征吸收峰，脫膠處理后該峰也基本消失，木質(zhì)素的去除比較徹底；1741cm-1為半纖維素上的糖羰基，是半纖維素的特征峰，該峰完全消失，說明半纖維素完全去除；3416cm-1處是糖類—C—OH的OH伸縮振動峰，脫膠后，該峰基本消失，說明該處理對半纖維素的去除效果非常明顯。

2.5 熱穩(wěn)定性分析（圖3）

從圖3可以看出，原麻與高溫高壓處理后的漢麻相比，溫度在低于220 ℃時下降趨勢更加明顯，這是脫去漢麻纖維的束縛水和吸附水，說明原麻比處理后的漢麻含水量大。220～330 ℃處為果膠分解的過程，TG曲線下降較緩慢；330～400 ℃為纖維素、木質(zhì)素和半纖維素綜合分解的過程，TG曲線出現(xiàn)劇烈下降；在400℃以后為燒焦殘余物的氧化分解。由圖3可知，果膠含量的減少提高了漢麻的分解溫度，說明脫膠后的漢麻熱穩(wěn)定性提高了，由原麻的231℃提高到了279℃，脫膠后漢麻纖維的初始分解溫度提高了48℃，熱穩(wěn)定性得到改善。

2.6 化學(xué)試劑用量對脫膠率的影響

本實驗采用高溫高壓加化學(xué)試劑的綜合處理工藝，旨在改變傳統(tǒng)脫膠工藝化學(xué)試劑用量大、污染環(huán)境的弊端，試驗后其結(jié)果對比如表5所示。

由表5可知，高溫高壓處理工藝所用的化學(xué)試劑總量為14g/L，蒸汽閃爆-化學(xué)聯(lián)合脫膠所用的化學(xué)試劑總量為15g/L，二者所用化學(xué)試劑總量相近，但殘膠率比蒸汽閃爆-化學(xué)聯(lián)合脫膠低了7.74%；高溫高壓處理工藝的殘膠率為2.26%，冷凍驟熱-微波堿煮脫膠方法的殘膠率為2.95%，二者相近，但所用化學(xué)試劑總量比冷凍驟熱-微波堿煮脫膠方法減少了1/3。

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明：（1）高溫高壓脫膠處理工藝優(yōu)化條件為：0.15MPa，處理20min，NaOH濃度為 8g/L，H2O2濃度為 8g/L；（2）漢麻纖維木質(zhì)素含量由14.13%降低到了0.71%，殘膠率由43.12%降為2.26%，漢麻纖維表面膠質(zhì)和雜質(zhì)基本去除，纖維表面光滑；（3）本工藝處理后的漢麻纖維白度增加，柔順性好，熱穩(wěn)定性提高；（4）處理所用的化學(xué)試劑總量較少，比相同化學(xué)試劑用量的工藝得到的殘膠降低7.74%，比相同殘膠率工藝所用的化學(xué)試劑用量減少1/3。從以上分析來看，UV-輻射、冷凍驟熱、生物酶處理加高溫高壓聯(lián)合處理工藝可謂一種污染較少、耗能較低、性價比較高的環(huán)保工藝。

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作者簡介：李閑閑，女，1988年生，碩士在讀，主要研究方向為漢麻纖維的脫膠技術(shù)。

通訊作者：魏麗喬，教授，weiliqiaoty@163.com。

作者單位：李閑閑、趙宇航、管路遙、魏麗喬，太原理工大學(xué)新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實驗室、太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；羅玉成，中國麻紡行業(yè)協(xié)會。