玉米苞葉纖維性能研究

周 蓉，李春光，芮亞娟

(1.河南工程學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007； 2.紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450007；3.河南輕工職業(yè)學院 輕化工程系，河南 鄭州 450000)

玉米苞葉纖維性能研究

周 蓉1,2，李春光3，芮亞娟1

(1.河南工程學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007； 2.紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450007；3.河南輕工職業(yè)學院 輕化工程系，河南 鄭州 450000)

對采用不同脫膠工藝得到的玉米苞葉纖維進行纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)、熱學性能和力學性能研究.結(jié)果表明：脫膠后的纖維表面不平整，內(nèi)部有孔洞，采用“預處理+煮練”工藝處理后的纖維結(jié)構(gòu)較緊密；脫膠可以提高纖維的耐熱性，直接煮練后纖維大分子裂解開始溫度為230 ℃，“預處理+煮練”后纖維大分子裂解開始溫度為260 ℃；脫膠后纖維呈本白色；直接煮練后纖維平均長度為12.1 cm，線密度為12.06 tex，斷裂強度為9.04 cN/tex，斷裂伸長率為15.93%；“預處理+煮練”后纖維平均長度為9.3 cm，線密度為11.18 tex，斷裂強度為6.68 cN/tex，斷裂伸長率為14.16%，纖維柔軟，有一定的可紡性.

玉米苞葉；纖維結(jié)構(gòu)；熱學性能；力學性能

玉米苞葉是玉米果穗的外部包覆部分，纖維素含量高、結(jié)構(gòu)緊密[1].為更好地研究脫膠后纖維的可紡性能，對采用不同脫膠工藝得到的玉米苞葉纖維進行測試研究，以期后續(xù)可以更好地在紡織行業(yè)開發(fā)應用.

1 纖維脫膠

1.1 脫膠方法

經(jīng)測試，玉米苞葉的化學成分主要有纖維素54%～58%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，半纖維素8%～12%，木質(zhì)素18%～21%，以及少量蠟質(zhì)素和灰分等[2].由于玉米苞葉中纖維素、灰分、脂蠟質(zhì)等的含量與大麻相近，木質(zhì)素含量與棉稈皮相近，半纖維素含量與亞麻相近，故借鑒大麻、亞麻和棉稈皮的脫膠方法對玉米苞葉纖維進行脫膠處理.

1.2 脫膠工藝

為了研究玉米苞葉及其脫膠后的形態(tài)特征變化，在參考大量文獻和多種實驗探索的基礎上[3-5]，采用了直接煮練和“預處理+煮練”兩種工藝對玉米苞葉進行處理，優(yōu)化后采用以下工藝流程和參數(shù).

直接煮練工藝流程：試樣準備→水洗→煮煉→水洗→脫水→烘干.煮練工藝反復優(yōu)化后確定為NaOH溶液ρ(NaOH)=20 g/L、時間120 min、溫度90 ℃、脫膠率77%.

“預處理+煮練”工藝流程：試樣準備→預處理→水洗→煮練→水洗→打纖→酸洗→水洗→脫水→給油→脫水→自然晾干.其中，預處理優(yōu)化工藝確定為H2O2質(zhì)量濃度8 g/L、尿素質(zhì)量濃度8 g/L、時間30 min、溫度20 ℃；煮練脫膠工藝反復優(yōu)化后確定為NaOH溶液質(zhì)量濃度15 g/L、多聚磷酸鈉質(zhì)量分數(shù)3%、亞硫酸鈉質(zhì)量分數(shù)2%、硅酸鈉制裁量分數(shù)2%、草酸銨質(zhì)量分數(shù)2%、溫度80 ℃、時間90 min、脫膠率85%.

后續(xù)的纖維性能研究均采用在上述工藝條件下脫膠獲得的纖維，未經(jīng)其他處理.

2 纖維形態(tài)特征

2.1 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用化學工藝脫膠后的玉米苞葉纖維，顏色為稍微泛黃的本白色，光澤較好，纖維沒有完全分散，大多呈束纖維狀.其中，采用“預處理+煮練”脫膠處理的纖維顏色更白、光澤更好.采用捷克FEI Quanta 250型掃描電子顯微鏡對玉米苞葉及其脫膠后的纖維進行觀察，不同纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)分別見圖1至圖3.

圖1 未脫膠的玉米苞葉形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.1 Morphological structure of corn husks fibers without degumming

圖2 直接煮練脫膠后的纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.2 Morphological structure of corn husks fibers after the direct scouring

圖3 “預處理+煮練”脫膠后的纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.3 Morphological structure of corn husks fibers after the pretreatment and scouring

從圖1、圖2和圖3的纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)可以看到：未脫膠的玉米苞葉呈層疊狀，纖維結(jié)構(gòu)較松散，橫截面有明顯的孔洞，纖維間縫隙大，纖維的外沿有明顯的表面覆蓋膠質(zhì)層；采用直接煮練脫膠工藝處理后的纖維縱向外觀有明顯的孔洞，表面不平整，橫向截面有較多空隙，但比未脫膠的玉米苞葉空隙??；采用“預處理+煮練”工藝處理后的纖維結(jié)構(gòu)更加緊湊，空隙和孔洞小而少，說明脫膠后膠質(zhì)明顯減少，纖維更加靠近，結(jié)構(gòu)緊密，采用“預處理+煮練”工藝的纖維脫膠程度高于直接脫膠.

2.2 纖維長度和線密度

采用逐根測量法對纖維長度進行測試.選擇用直接煮練和“預處理+煮練”兩種脫膠方案得到的各200根束纖維進行測試.隨機選取纖維，用直尺逐根測量纖維的長度.將纖維按2 cm分組計根數(shù)，纖維的長度分布見表1.

表1 纖維脫膠后的長度分布Tab.1 Distribution of fiber length after degumming

纖維線密度采用中段切斷稱重法測試.切斷長度為50 mm，每組80根，稱質(zhì)量后計算得到纖維線密度，采用2次試驗求取平均值.

式中：T為線密度，dtex；m為中段纖維質(zhì)量，mg；L為中段纖維長度，50 mm；n為纖維根數(shù)，n=80.

表2 脫膠后束纖維長度和線密度Tab.2 Length and linear density of fiber after degumming

纖維長度、線密度測試結(jié)果見表2.

從表1與表2可以看出：直接煮練后得到的纖維平均長度較大，但離散度較大，平均線密度較大；采用“預處理+煮練”得到的纖維平均長度略小，但離散度和纖維平均線密度較?。粌煞N脫膠方案結(jié)果均是6～12 cm纖維根數(shù)較多.對比常用麻類纖維的長度與線密度[3]可知，脫膠后的玉米苞葉纖維線密度偏大，稍短.

3 纖維的熱學性能

為了更好地了解玉米苞葉的熱學性能，采用德國耐馳STA449F3型熱分析儀，分別對未脫膠的玉米苞葉、直接煮練脫膠的纖維及“預處理+煮練”脫膠后的纖維進行了測試，得到的熱重分析見圖4至圖6.

圖4 玉米苞葉原纖維(未脫膠)的熱重分析Fig.4 The thermogravimetric analysis diagram of corn husks raw fibers(without degumming)

圖5 直接煮練后的纖維的熱重分析Fig.5 The thermogravimetric analysis diagram of corn husks fibers after the direct scouring

圖6 “預處理+煮練”后的纖維熱重分析Fig.6 The thermogravimetric analysis diagram of corn husks fibers after the pretreatment and scouring

對比圖4、圖5、圖6中的熱失重曲線可以看出，玉米苞葉原纖維和經(jīng)過不同脫膠方式處理的纖維曲線形態(tài)基本一致，熱失重性能比較接近.3種纖維的主失重溫度略有差異，玉米苞葉原纖維在308 ℃附近，直接煮練后纖維在310 ℃附近，“預處理+煮練”后纖維的主失重溫度在312 ℃附近.纖維的熱重曲線圖中出現(xiàn)了2個失重階：第1個失重階均發(fā)生在70 ℃左右，其質(zhì)量損失主要為纖維所含的水分和小分子助劑，玉米苞葉原纖維為8.22%，直接煮練后的纖維為8.7%，“預處理+煮練”后的纖維為8.67%；第2個失重階開始隨著溫度升高，失重曲線由緩至急，失重的主要原因是高溫時纖維自身的分解，后續(xù)又逐漸趨于平緩.3種纖維第2階段有所差異：玉米苞葉原纖維開始失重發(fā)生在200 ℃左右，在200～365 ℃出現(xiàn)顯著的失重臺階，纖維的失重率達到53.2%，在365～598 ℃時失重率為8.5%，最終的質(zhì)量殘留率約為30%；直接煮練后的纖維開始失重發(fā)生在230 ℃左右，在230～365 ℃時出現(xiàn)顯著的失重臺階，纖維的失重率達到73.2%，在365～598 ℃時失重率為11.2%，最終的質(zhì)量殘留率約為7.1%；“預處理+煮練”后的纖維開始失重發(fā)生在260 ℃左右，在260～365 ℃時出現(xiàn)顯著的失重臺階，纖維的失重率達到60%左右，在365～598 ℃時失重率為10.6%，最終的質(zhì)量殘留率約為20.7%.綜上，玉米苞葉纖維脫膠前后的最大失重溫度范圍、最大失重速率溫度接近，但失重初始溫度有所變化.纖維在經(jīng)過脫膠處理后，大分子排列更加有序，耐熱性有所升高，第2個失重階的發(fā)生溫度升高.在纖維加工過程中，要注意不超過第2個失重階的開始溫度.

纖維的差式掃描量熱分析(DSC)曲線表明：3種纖維的熔融曲線有一定差異，未脫膠的玉米苞葉原纖維有1個明顯的吸熱峰、1個較小的吸熱峰和1個較小的放熱峰；采用“預處理+煮練”工藝的玉米苞葉纖維有1個明顯的吸熱峰、1個較小的放熱峰和2個較小的吸熱峰；直接煮練后的玉米苞葉纖維有2個比較明顯的吸熱峰、1個較小的放熱峰.未脫膠的玉米苞葉原纖維的顯著吸熱峰值出現(xiàn)在80.97 ℃，采用“預處理+煮練”工藝的玉米苞葉纖維的顯著吸熱峰值出現(xiàn)在74.79 ℃，直接煮練后的玉米苞葉纖維的2個比較明顯的吸熱峰值分別出現(xiàn)在81.2 ℃和350.28 ℃.上述吸熱峰出現(xiàn)在低溫時主要是由于玉米苞葉受熱后纖維中的水分和其他小分子流失，吸熱值和纖維脫膠與否及脫膠工藝有關(guān)：直接煮練脫膠纖維>“預處理+煮練”脫膠工藝的纖維>未脫膠原纖維，說明脫膠后的纖維膠質(zhì)少、水分更容易流失.3種纖維均在250～350 ℃出現(xiàn)小的吸熱峰和放熱峰，說明在這個過程中纖維大分子出現(xiàn)裂解，未脫膠的原纖維曲線變化較為緩和.

4 纖維的力學性能

由于煮練脫膠工藝采用了堿處理，引起了纖維素聚合度的降低，使纖維強力降低.采用LLY-06BD型電子式單纖維強力儀對纖維的拉伸性質(zhì)進行測試.實驗條件：夾持距離為10 mm，拉伸速度為10 mm/min，預加張力為0.30 cN，溫度為20 ℃，65%RH，實驗次數(shù)為20.測試結(jié)果見表3.

表3 玉米苞葉纖維的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of corn husks fibers

從表3可以看出，采用不同的脫膠方法，纖維的拉伸性能有較大的差異，直接煮練得到的纖維斷裂強度較大，但初始模量偏大，纖維較粗硬，采用“預處理+煮練”工藝得到的纖維手感較柔軟.脫膠后的玉米苞葉纖維和其他麻類纖維相比強度較低，但斷裂伸長率明顯較高，纖維的綜合力學性能尚可.后續(xù)實驗表明，采用“預處理+煮練”工藝處理的玉米苞葉纖維可以通過混紡開發(fā)粗特紗線，生產(chǎn)相應的紡織產(chǎn)品.

5 結(jié)論

(1)采用電鏡觀測脫膠前后的纖維，未脫膠的玉米苞葉結(jié)構(gòu)呈層疊狀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較松散，橫截面有明顯的孔洞，纖維間縫隙大，纖維的外沿有明顯的膠質(zhì)層；采用直接煮練脫膠后的纖維縱向外觀有明顯的孔洞，表面不平整，橫向截面有較多空隙，但比未脫膠的玉米苞葉空隙?。徊捎谩邦A處理+煮練”工藝處理后的纖維結(jié)構(gòu)緊密，空隙和孔洞小而且少.

(2)熱重分析表明，脫膠前后的玉米苞葉纖維的熱重曲線基本一致，熱失重性能比較接近.纖維經(jīng)過脫膠處理后，大分子排列更加有序，耐熱性有所提高.直接煮練后的纖維大分子裂解開始溫度為230 ℃，“預處理+煮練”后的纖維大分子裂解開始溫度為260 ℃，耐熱性更好，在纖維加工過程中須控制不超過此溫度.DSC分析表明，3種纖維的熔融曲線有一定差異，吸熱值和纖維脫膠與否及脫膠工藝有關(guān)，脫膠后的纖維膠質(zhì)少，水分更容易流失.

(3)不同脫膠方法處理的纖維力學性能和外觀有一定差異.直接煮練得到的束纖維外觀呈本白色，平均長度為12.1 cm，線密度為12.06 tex，斷裂強度為9.04 cN/tex，斷裂伸長率為15.93%；“預處理+煮練”得到的束纖維平均長度為9.3 cm，線密度為11.18 tex，斷裂強度為6.68 cN/tex，斷裂伸長率為14.16%，纖維顏色更白，光澤較好，柔軟性好，有較好的可紡性.

(4)脫膠得到的玉米苞葉纖維的結(jié)構(gòu)和性能與麻類纖維比較接近，在長度、線密度等可紡性能上稍差于麻類纖維，但斷裂伸長率較高，有一定的柔韌性和拉伸彈性.

[1] ZHOU R,YANG M X,ZHANG H X. Research on pretreatment technology for corn husk degumming[J].Polymers & Polymer Composites，2014,22(10):687-691.

[2] YANG M X,ZHOU R.Research on degumming experiment of corn bracts [J].Advanced Materials Research,2012(7):1242-1247.

[3] 李飛．棉稈皮纖維的脫膠工藝及結(jié)構(gòu)性能研究[D].鄭州：中原工學院，2008:9-28.

[4] 李明，丁紹敏.桑樹皮工藝纖維化學脫膠工藝的優(yōu)化[J].廣西紡織科技，2008，37(4):1-3.

[5] 楊明霞，周蓉.玉米苞葉的煮練工藝優(yōu)化[J].化工新型材料,2015,43(5):193-196.

Studyonthepropertiesofcornhuskfibers

ZHOURong1,2，LIChunguang3,RUIYajuan1

(1.CollegeofTextileEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou450007,China;2.HenanCollaborativeInnovationCenterofTextileandGarmentIndustry,Zhengzhou450007,China;3.DepartmentofLightChemicalEngineering,HenanVocationalCollegeofLightIndustry,Zhengzhou450000,China)

The fiber morphological structure, thermal and mechanical properties of corn husks fibers obtained by different degumming process were studied. The results show that the surface of the fiber after degumming is not smooth and has holes inside, the structure of the fiber treated by pretreatment and scouring is more compact; the degumming can improve the heat resistance of the fiber, after the direct scouring, the starting temperature of the macromolecular cracking was 230 ℃, and after pretreatment and scouring, the cracking of the macromolecule begins at 260 ℃; after degumming, the fibers were white; after direct scouring, the average length of fiber was 12.1 cm, the linear density was 12.06 tex, the breaking strength was 9.04 cN/tex, and the elongation at break was 15.93%; after pretreatment and scouring, the average length of the fiber was 9.3 cm, the linear density was 11.18 tex, the breaking strength was 6.68 cN/tex, the elongation at break was 14.16%, the fiber is soft and has certain spinnability.

corn husk； fiber structure； thermal properties； mechanical properties

TS102

A

1674-330X(2017)04-0001-04

2017-07-16

河南省科技廳科技攻關(guān)計劃項目(122102210244)

周蓉(1962-)，女，河南鄭州人，教授，主要研究方向為紡織品設計及紡織工藝.