不同條件下野苧麻纖維的改性試驗(yàn)研究

鄧大軍，林春陽(yáng)，趙 輝

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不同條件下野苧麻纖維的改性試驗(yàn)研究

鄧大軍1，林春陽(yáng)2，趙 輝3*

（1.河南省野生動(dòng)物救護(hù)中心，河南 鄭州 450008；2.鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450052；3.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450008）

試驗(yàn)研究了PVC包覆改性、MMA接枝改性和KH-570偶聯(lián)改性3種方式對(duì)竺麻纖維改性效果，探討了不同改性方式下其吸濕率、降解性等因素影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，KH-570偶聯(lián)改性、PVC包覆改性和MMA接枝改性均有效降低了野竺麻纖維的吸水率，PVC包覆改性效果最好（10.42%），MMA接枝改性次之（10.56%），兩者低于未改性條件下4%~5%。在蒸餾水、厭氧污泥、好氧污泥浸泡試驗(yàn)中，未改性纖維的質(zhì)量損失率最大，質(zhì)量損失率最小的改性方式分別是MMA接枝改性（11.67%）、KH-570偶聯(lián)改性（21.23%），MMA接枝改性（22.73%）；高鹽濃度浸泡下，不同方式下的改性纖維降解率均低于8 %。MMA接枝改性能提高野苧麻（）纖維的耐微生物降解性，有效延長(zhǎng)了野苧麻纖維的使用壽命。

野苧麻纖維；接枝；偶聯(lián)；包覆

自1992年日本東京大學(xué)的山本良一提出了環(huán)境材料（Environment conscious materials，簡(jiǎn)稱Econ-materials）的概念后[1]，環(huán)境材料已經(jīng)成為新材料學(xué)科的重要研究方向之一。苧麻纖維作為性能比較優(yōu)越的天然纖維之一，其纖維用于制備復(fù)合材料的研究[2~5]越來(lái)越多。由于苧麻等天然纖維的極性大，吸濕性強(qiáng)，嚴(yán)重影響纖維和基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度，因此必須對(duì)纖維進(jìn)行表面處理。研究表明，材料改性的方法主要有物理改性和化學(xué)改性兩大類。物理改性有物理加工、表面刻蝕、堿處理等，化學(xué)改性有包覆、接枝共聚、界面偶合等[6]。天然纖維素材料改性已廣泛被國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者所報(bào)道。L.Uma Devi等人[7]用硅烷試劑偶聯(lián)處理菠蘿葉纖維，周興平等[8]用甲基丙烯酸甲醋與劍麻纖維發(fā)生接枝共聚反應(yīng)，張一甫[9]用PVC包覆處理苧麻落麻纖維，均有效降低了纖維的親水性。田根林[10]以三氯甲基硅烷為原料，常溫、常壓化學(xué)氣相沉積法使得竹材橫切面對(duì)液態(tài)水接觸角最大達(dá)到157°，滾動(dòng)角接近0。

野苧麻（）為亞灌木或多年生草本；莖高50~150 cm，中部以上與葉柄和花序軸密被短毛。葉對(duì)生，稀互生；葉片紙質(zhì)，扁五角形或扁圓卵形，其纖維的主要成分為纖維素，必須對(duì)其進(jìn)行以降低吸水性、增加其使用壽命等的改性處理。試驗(yàn)通過(guò)MMA接枝、KH-570偶聯(lián)、PVC包覆等方式改性野苧麻纖維，探討分析改性前后吸水率、降解性和親生物性等方面變化規(guī)律，天然纖維的改性效果。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用的野苧麻纖維來(lái)自大別山，平均單纖維長(zhǎng)度為100 mm，直徑50?。野竺麻纖維經(jīng)處理后干燥至恒重。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1預(yù)處理

將野苧麻纖維浸泡于2%的NaOH溶液中，室溫下處理4 h，烘干備用。

1.2.2改性方法

1.2.2.1 接枝改性

在三口燒瓶中放入經(jīng)80℃干燥的野苧麻纖維，加入一定濃度的引發(fā)劑（硝酸鈰銨）溶液，通入N2（約30 min）置換反應(yīng)裝置中的空氣，滴加甲基丙烯酸甲酯（MMA），在一定溫度、持續(xù)通入N2的條件下反應(yīng)3 h，取出野苧麻纖維，用水沖洗后，再用丙酮沖洗干凈，在80℃烘箱中烘干至恒重[5]。

1.2.2.2 偶聯(lián)處理

量取適量去離子水，用乙酸調(diào)整pH至4~5，加入一定質(zhì)量濃度的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）偶聯(lián)劑，攪拌至偶聯(lián)劑完全溶解，使用前用5%的氨水將溶液的pH值調(diào)整到8~10。取野苧麻纖維浸入上述處理液中[5]，浸漬30 min，烘干處理至恒重。

1.2.2.3 包覆處理

稱取一定量的三氯甲烷，加熱到80℃左右，在不斷攪拌下按2%的濃度加入PVC粉料，攪拌至PVC完全溶解，冷卻到室溫。將烘干至恒重的苧麻纖維浸15 min后取出，放入80℃烘箱中，取出放在干燥器中備用[5]。

1.2.3測(cè)試方法

1.2.3.1 吸濕率

將纖維置于20℃，相對(duì)濕度80%的恒溫恒濕箱中，每20 min用分析天平準(zhǔn)確稱重1次；l h后，每40 min稱重1次；3 h后，每60 min稱重1次；5 h后，每120 min稱重1次；8 h后，3~4 h稱重1次，到兩次樣重之差小于等于0.001 g為止[5]。

1.2.3.2 降解性

將改性后的野苧麻纖維分別放入不同濃度下的蒸餾水、厭氧污水、好氧污水、高鹽廢水中浸泡，經(jīng)過(guò)30 d的浸泡處理，測(cè)定其質(zhì)量損失率。

2 分析與結(jié)論

2.1 吸濕率

將未改性的纖維和經(jīng)過(guò)各種改性后的纖維進(jìn)行吸濕率測(cè)定，結(jié)果如圖1-1所示。

由圖1-1可知，在120 min內(nèi)，處理后的野苧麻纖維吸水率呈上升趨勢(shì)，未改性材料的上升趨勢(shì)略大于改性材料；500 min后，試驗(yàn)材料的吸濕能力逐漸接近飽和，其中未改性纖維的吸水率（14.52%）高于KH-570偶聯(lián)改性（12.08%）、MMA接枝（10.42%）、PVC包覆（10.56%），處理后野苧麻纖維的平衡吸水率下降了4~5個(gè)百分點(diǎn)。由此可知，KH-570偶聯(lián)、PVC包覆和CM接枝均能有效降低野苧麻纖維的吸水率。相對(duì)于未改性野苧麻纖維，3種處理中PVC包覆改性效果最好，主要原因是PVC可以完全溶解在三氯甲烷中，并被野苧麻纖維均勻的吸附在表面，造成野苧麻纖維表面羥基減少，親水性下降；MMA接枝效果稍差，接枝反應(yīng)能夠很好地接枝到野苧麻纖維外表，減少了周表羥基數(shù)量，降低了材料的親水性。

圖1-1野苧麻纖維改性前后的吸水率

2.2 降解性

將野苧麻纖維在蒸餾水、厭氧污水、好氧污水、高鹽廢水中浸泡30 d后，野苧麻纖維的降解情況如圖1-2至圖1-5所示。

圖1-2 未改性野苧麻纖維的降解情況

圖1-3 KH-570改性纖維降解情況

圖 1-4 PVC改性纖維降解情況

圖1-5 PMMA改性纖維降解情況

由圖1-2分析可知，經(jīng)過(guò)蒸餾水30 d浸泡后，未改性野苧麻纖維質(zhì)量損失率最大（29.37%），損失率較小是MMA接枝改性纖維（11.67%）。由于污泥中微生物的作用，厭氧污水中，野苧麻纖維的降解速率都有不同程度的提高，其中MMA接枝改性和KH-570偶聯(lián)纖維損失率較小，損失率分別為22.01%和21.23%。污泥中微生物作用，使得在好氧污水中的野苧麻纖維的降解速率大幅度提高，MMA接枝的纖維的降解率為最小，約在22.73%左右。高鹽溶液中，不同種類的纖維都具有較小的降解率，改性纖維降解率低于7.9%。

由此可知，未改性野苧麻纖維在不同環(huán)境中降解速度差異很大，其排序?yàn)閰捬跷鬯竞醚跷鬯菊麴s水＞高鹽廢水。在好氧條件下，KH-570偶聯(lián)纖維和MMA接枝纖維降解速率顯著并不差異；好氧條件下，MMA接枝改性纖維降解速率高于蒸餾水和厭氧條件。相比其他水環(huán)境，高鹽濃度下的降解速率明顯緩慢，其可能由于高鹽廢水中離子濃度高，不利于野苧麻纖維水解，故降解速率低。因此，設(shè)計(jì)或運(yùn)行中應(yīng)注意野苧麻纖維在不同水環(huán)境條件下的降解差異性，根據(jù)實(shí)際工藝情況進(jìn)行針對(duì)性選擇和管理。

綜合分析表明，MMA接枝改性能較好地提高野苧麻纖維的耐微生物降解性，其降解速率明顯降低，壽命明顯延長(zhǎng)。在好氧條件下，MMA接枝改性纖維對(duì)比于未改性野苧麻纖維質(zhì)量損失減少了54.23%，改性效果顯著。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)野苧麻纖維與KH-570偶聯(lián)、PVC包覆和CM接枝3種方式的改性，試驗(yàn)研究了改性材料的親水性、降解性、親生物性等。

KH-570偶聯(lián)、PMMA包覆和CM接枝均有效地降低了野苧麻纖維的吸水率。

PMMA包覆改性的吸水率效果最好（8.46%）， CM接枝次之（8.92%），兩者低于未改性值4%~5 %。

蒸餾水、厭氧污泥、好氧污泥處理中，野苧麻未改性纖維質(zhì)量損失率均最大，損失率最小的分別是CM接枝改性（4.35%）、CM接枝（22.32%）、KH-570偶聯(lián)（25%）。

高鹽溶液浸泡條件下，改性纖維降解率均低于8%。

[1]王鵬飛. 苧麻纖維增強(qiáng)環(huán)境意識(shí)復(fù)合材料的制備[J]. 纖維復(fù)合材料，1999（4）：25-29.

[2]王鵬飛. 苧麻布增強(qiáng)UP復(fù)合材料的研制[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2000（2）：18-20.

[3]王俊勃. 苧麻纖維增強(qiáng)酚醛復(fù)合材料的研究[J]. 纖維復(fù)合材料的研究，2001（1）：13-15.

[4]肖加余. 苧麻落麻纖維增聚合物復(fù)合材料研究[J]. 工程塑料應(yīng)用，2001（2）：12-15.

[5]張長(zhǎng)安. 苧麻落麻纖維增聚丙烯復(fù)合材料研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2001（6）：16-17.

[6]魯博，張林文，曾竟成，等. 大然纖維復(fù)合材料[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[7] Devi L U， Bhagawan S S，Thomas S.J . Appl Polym Sci，1997，64：1739-1748.

[8]周興平，解孝林， Li R K. PP/PMMA接枝劍麻纖維復(fù)合材料（I）劍麻纖維PMMA接枝聚合反應(yīng)[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2004，20（2）：57-60.

[9]張一甫，張長(zhǎng)安，孟弋潔. 竺麻落麻纖維的PVC包覆處理研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2002（4）：19-21.

[10]田根林，余雁，王戈，等. 竹材表面超疏水改性的初步研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）：166-169.

（責(zé)任編輯：王文彬）

Ramie Fiber Modification Trials Under Different Conditions

DENG Da-jun1, LIN Chun-yang2,ZHAO Hui3

( 1. Henan wildlife rescue center，Zhengzhou 450008,China； 2. Zhengzhou municipal engineering survey and Design Research Institute, Zhengzhou 450052,China；3. Henan Academy of forestry, Zhengzhou 450008,China）

The test studied three ways of modification effect for ramie fiber, included PVC coated, MMA graft and silane coupling.Also the diverse factors for modification were explored under the situations of hydrophilicity, biodegradability and parasitotropism. The results showed that: All modified ways for KH-570 silane coupling, PVC coated, and MMA graft could reduce bibulous rate of ramie fiber effectively, which PVC coated was best (10.42 %), while bibulous rate of MMA graft was 10.56 %. Both of all were lower than the bibulous rate of unmodified (4-5 %). Then soaked in conditions of distilled water, anaerobic sludge and anaerobic sludge, the mass loss unmodified were largest, loss of minimum were MMA grafting, MMA grafting and KH-570 coupling, with the mass loss rate were 11.67 %,21.23 % and 22.73%,respectively. With the situation of high salt concentration, the modified fiber degraded significantly that all of the degradation rate were lower than 8%. The biological properties of ramie fiber were effectively enhanced by modification way of MMA grafted, in aspects of hydrophilicity, biodegradability. Under the condition of MMA grafting, microbial growth and purifying effect, the service life of the fiber was prolonged efficacious.

ramie fiber; graft; coupling; coated

S 781.6

A

1003-2630（2016）03-0001-03

2016-07-12

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201304109）；河南省林業(yè)科學(xué)研究院基本業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2015JB01001）。

鄧大軍（1976-），男，河南開(kāi)封人，高工，主要從事城市園林方面的研究。

趙輝（1979-），男，河南鄭州人，工程師，主要從事園林植物栽培方面研究。