大麻脫膠方法綜述

開吳珍

（紡織工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心，北京 100020）

大麻又名漢麻、火麻，一年生草本植物，我國的大麻主要有線麻和魁麻2大類，其中線麻為早熟品種，品種優(yōu)良，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，魁麻為晚熟品種，纖維粗硬，含膠量較高[1]。大麻纖維是各種麻纖維中最細(xì)軟的一種，細(xì)度僅為苧麻的1/3，化學(xué)成分主要為纖維素，其次為木質(zhì)素等。相對亞麻和苧麻，大麻纖維堅(jiān)韌、耐久、耐腐蝕性強(qiáng)、吸/排濕快、強(qiáng)度高，可開發(fā)多種環(huán)保型的紡織和非紡織制品，其中紡織纖維既可以與棉、麻、絲、毛及化纖混紡，也可以純紡，所得的紡織品風(fēng)格別致“挺而不硬、輕而不飄、爽而不皺”，懸垂性、抗靜電性、吸/排濕性都較好，穿著舒適。與棉織物穿著相比，體感溫度低5 ℃左右[2]。此外，大麻織物還具有抗霉抑菌、防腐防臭、防輻射、堅(jiān)牢耐用等其他紡織品不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且沒有亞麻、苧麻等織物穿著時的刺癢感。作為一種生態(tài)紡織原料，大麻纖維越來越受到人們的喜愛。

然而，要將大麻作為紡織原料，必須對原麻作適度脫膠得到精麻。大麻纖維由于單纖維過短（一般為12～25 mm）、纖維整齊度差、纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對于其他麻類低，木質(zhì)素、果膠和半纖維素的質(zhì)量分高達(dá)40%，增大了脫膠的難度，嚴(yán)重影響纖維的可紡性，可以說脫膠的好壞決定了纖維（束）的長度、細(xì)度和斷裂強(qiáng)度等，對穩(wěn)定和提高后道工序的產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。目前業(yè)界對大麻脫膠的研究主要基于3 類方法：化學(xué)脫膠法、生物脫膠法和物理脫膠法。

1 化學(xué)脫膠法

化學(xué)脫膠的基本原理是利用原麻中纖維素和膠質(zhì)成分對堿、無機(jī)酸和氧化劑作用的穩(wěn)定性不同，以化學(xué)方法去除原麻中的膠質(zhì)成分，保留纖維素成分。常用的工藝有：一煮法、二煮法、二煮一煉法、二煮一漂法、二煮一漂一煉法、二煮二漂法及二次打纖法等，視原麻品質(zhì)采用高溫高壓或常溫常壓條件。

化學(xué)方法是目前脫膠效果相對較好的方法，應(yīng)用較為廣泛，但工藝流程長，能耗高，對纖維損傷較大，污染嚴(yán)重，而且對木質(zhì)素的去除效果也不是很理想。針對這種情況，一些研究工作者在化學(xué)脫膠之前采取了一些預(yù)處理方法。

東華大學(xué)楊紅穗等[3]參考了苧麻快速脫膠的一些成果，主要對應(yīng)用預(yù)氧處理、預(yù)尿氧處理分別與一煮法和二煮法結(jié)合的大麻脫膠工藝進(jìn)行了探索，結(jié)果表明，預(yù)尿氧處理與一煮法結(jié)合的大麻快速化學(xué)脫膠方法在降低殘膠率和殘余木質(zhì)素方面非常有效。采用的脫膠工藝為：試樣預(yù)備→預(yù)處理→水洗→煮煉→水洗→酸洗→水洗→脫膠→干燥。

張誠云等[4]采用UV 輻照-冷凍-驟熱（UVFH）工藝對漢麻纖維進(jìn)行預(yù)處理，通過對比UVFH處理后堿煮與直接堿煮的工業(yè)大麻纖維化學(xué)成分和殘膠率發(fā)現(xiàn)，UVFH 處理有利于膠質(zhì)的脫除，降低了堿煮的負(fù)擔(dān)。分析認(rèn)為UV 輻照處理中由于雙氧水、氫氧化鈉的作用，使膠質(zhì)被氧化降解，從而使膠質(zhì)層變薄并被破壞，同時紫外線對膠質(zhì)層表面產(chǎn)生刻蝕，膠質(zhì)層被破壞并產(chǎn)生裂紋，增加膠質(zhì)層的比表面積，有利于后續(xù)堿煮處理中堿液對膠質(zhì)的滲透，使膠質(zhì)和堿液充分接觸反應(yīng)。最佳工藝參數(shù)為雙氧水12 g/L、氫氧化鈉12 g/L、UV輻照40 min、-55 ℃冷凍、120 ℃驟熱；UV輻照-冷凍-驟熱脫膠后，工業(yè)大麻纖維殘膠率為2.95%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.75%。

歐陽兆鋒等[5]采用石墨烯溶液作為功能整理劑，通過水浴堿氧一浴法對大麻原麻進(jìn)行脫膠改性整理，工藝流程為：大麻原麻→預(yù)處理（H2SO4）→水洗→堿氧一?。ㄓ谜麴s水和石墨烯溶液作為對比）→水洗→酸洗→水洗→打纖→抖纖→烘干→大麻纖維。對比2種方法處理結(jié)果表明，石墨烯溶液處理可以降低大麻纖維的殘膠率，水浴處理大麻纖維的殘膠率8.85%，石墨烯溶液處理的殘膠率7.43%。

這些預(yù)處理方法雖然在一定程度上改善了化學(xué)脫膠的效果，但仍存在工藝參數(shù)不易控制、能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重、耗水量大以及對纖維損傷較大等問題。

2 生物脫膠法

生物脫膠方法分為微生物脫膠和酶生物脫膠。生物脫膠就是大麻初加工采用的天然漚制法，有冷水浸、熱水浸、露浸、堆積發(fā)酵、青莖曬等方法，主要是在纖維上培養(yǎng)特定的細(xì)菌，而這種細(xì)菌主要是靠纖維上的膠質(zhì)進(jìn)行生長繁殖，產(chǎn)生大量的酶，這種酶又可以使膠質(zhì)發(fā)生分解，最終達(dá)到脫膠的目的。其中雨露脫膠是相對節(jié)能環(huán)保的方法，盧國超[6]對比了雨露脫膠、汽蒸脫膠（不浸水）、溫水漚麻脫膠3種方法，得出結(jié)論：雨露脫膠的出麻率最高，效果跟鋪麻、翻麻等因素息息相關(guān)。

天然雨露漚麻中起降解作用的真菌生長較慢，導(dǎo)致漚麻周期較長，在此過程中纖維降解菌等雜菌會共同生長從而影響纖維質(zhì)量。針對這種情況，楊慶麗[7]試圖篩選一株可用于大麻雨露脫膠的微生物（鏈格孢屬），在田間實(shí)驗(yàn)將此微生物直接接種到大麻莖上，并對漚麻周期、得麻率和纖維強(qiáng)力等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，相比天然漚麻，周期縮短了23.07%，出麻率及纖維強(qiáng)力分別提高了1.73%及17.01%。

酶生物脫膠是利用生物酶對原麻進(jìn)行脫膠，先在培養(yǎng)基中將特定細(xì)菌培養(yǎng)到衰老期，之后進(jìn)行過濾或離心處理，得到想要的酶液，酶液既可以浸漬原麻，也可以濃縮提純。該方法無需專用設(shè)備，減少了環(huán)境污染，增加了纖維平均長度，麻粒、毛羽明顯減少，細(xì)紗品質(zhì)提高，其主要影響因素是酶用量和大麻品質(zhì)[8]。

微生物脫膠和生物酶脫膠的專一性強(qiáng)，且工藝簡單、綠色環(huán)保，是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，但能夠產(chǎn)生酶的特定細(xì)菌種類較少，產(chǎn)酶量和酶活性較低，成本很高，而且脫膠不徹底，造成纖維質(zhì)量不統(tǒng)一且不達(dá)標(biāo)，所以工業(yè)上應(yīng)用受限制，需與其他脫膠方法聯(lián)合使用。

3 物理脫膠法

物理脫膠主要指超聲波脫膠、蒸汽爆破脫膠、機(jī)械脫膠和等離子體等方法。此類方法簡便快捷、無污染，對纖維損傷小，但脫膠不徹底，所以一般情況下僅作為一種預(yù)處理方法，需要和其他方法配合使用。

超聲波脫膠主要是利用一定頻率的超聲波在一定溫度的水中產(chǎn)生特有的“空化效應(yīng)”，對浸在水中的大麻表面形成強(qiáng)大的沖擊和破壞力，去除表面的各種雜質(zhì)。蔣國華[9]通過實(shí)驗(yàn)證明，水溫為50 ℃左右時，產(chǎn)生的“空化效應(yīng)”最為強(qiáng)烈，對非纖維素的破壞最強(qiáng)，使大麻中的果膠、相對分子質(zhì)量較小的半纖維素等溶解，膠質(zhì)去除率高。

蒸汽爆破脫膠即閃爆法，是利用高溫高壓狀態(tài)下的液態(tài)水和水蒸氣作用于纖維原料，并通過瞬間施壓過程實(shí)現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化。研究表明，“閃爆”后的大麻纖維經(jīng)水洗處理后，纖維素的比率顯著增加，木質(zhì)素等非纖維素成分明顯減少，而且脫膠效果好，纖維的上染性能明顯改善[10]。

機(jī)械脫膠即利用大麻的特殊結(jié)構(gòu)，采用旋輥或羅拉等方法對原麻麻片進(jìn)行加工，原麻中的脆性膠質(zhì)受到施加的載荷時會發(fā)生破碎，使膠質(zhì)脫離纖維，可有效去除大麻原麻中30%的膠質(zhì)。該工藝流程短、實(shí)驗(yàn)條件簡單、無廢水廢氣、清潔環(huán)保、成本低[11]。

業(yè)界對于超聲波法、閃爆法和機(jī)械法的研究相對較多，而等離子體氧化法在大麻纖維脫膠方面的報(bào)道則較少。王迎等[12]首先把大麻纖維切碎，基于水溶液輝光放電等離子體的氧化性和酸性，通過正交實(shí)驗(yàn)得到等離子體降解大麻的最佳條件：大麻210 mg/L、功率100 W、時間20 min，可使大麻纖維中的膠質(zhì)去除，木質(zhì)素降解，半纖維素水解，效果很好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 等離子體處理前后大麻纖維主要化學(xué)成分

大麻脫膠殘液的COD 值為1 500～2 000 mg/L，是目前工業(yè)排放廢水的1/6，表明水溶液輝光放電是一種環(huán)保的大麻脫膠方法。

3 類脫膠技術(shù)都有自身的優(yōu)點(diǎn)，但同時還存在各自的問題。化學(xué)脫膠工藝復(fù)雜，因使用了大量的化學(xué)試劑，環(huán)境污染嚴(yán)重；生物法雖然減少了化學(xué)品和水的用量，降低了環(huán)境污染，工藝也簡單方便，但存在產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、脫膠不徹底和成本高等問題；物理脫膠方法具有化學(xué)試劑用量少、環(huán)保、對纖維損傷小的特點(diǎn)，但不能有效地去除雜質(zhì)，其中，閃爆法和等離子體氧化法目前還基本處在研發(fā)階段，超聲法和機(jī)械法主要作為輔助手段，應(yīng)用不多。許多研究人員根據(jù)每種方法的特點(diǎn)，將不同脫膠方法相結(jié)合，揚(yáng)長避短，相互補(bǔ)充，進(jìn)行了各種探索和嘗試。

4 不同脫膠方法結(jié)合

4.1 機(jī)械法+化學(xué)法

曲麗君博士[13]在機(jī)械脫膠方法的基礎(chǔ)上，輔以化學(xué)脫膠法，得到品質(zhì)優(yōu)良的精干麻。研究表明，采用旋輥式物理機(jī)械脫膠法，大麻的脫膠效果與彈性模量的大小有直接關(guān)系，彈性模量越小，去除的膠質(zhì)越多，脫膠效果越好；施加在大麻上的外力應(yīng)小于大麻纖維的斷裂應(yīng)力，保證纖維不受損傷；原麻麻片在橫向拉伸和單次剪切作用時效果不理想，在縱向拉伸力或重復(fù)碾壓作用下去除膠質(zhì)的效果較理想。

所采用的化學(xué)脫膠法將傳統(tǒng)的煮煉、漂白2 道工序結(jié)合在一起，利用堿和雙氧水相互作用（堿既起到去除大麻中的膠質(zhì)、半纖維素、木質(zhì)素及其他雜質(zhì)的作用，又為雙氧水的分解提供了有利環(huán)境），使堿與雙氧水的作用達(dá)到最大功效。雙氧水在酸性介質(zhì)中很穩(wěn)定，而在堿性介質(zhì)中可以被堿活化，雙氧水分子發(fā)生離解，可以漂白大麻纖維，尤為重要的是可以氧化木質(zhì)素，木質(zhì)素被氧化后可以溶解于堿氧一浴中，從而有助于去除木質(zhì)素和其他雜質(zhì)。同時采用了新的脫膠助劑硫酸鎂和強(qiáng)堿浴雙氧水穩(wěn)定劑，對堿氧一浴脫膠反應(yīng)起到了很好的穩(wěn)定和保護(hù)纖維素的作用，需要對升溫速度和升溫過程進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)表明：NaOH 質(zhì)量濃度為10.5 g/L，H2O2用量為9.8 g/L，處理127 min 時，大麻精干麻的脫膠效果相對最優(yōu)。此大麻脫膠漂白工藝流程短、工序少、成本低；制成的精干麻殘膠和木質(zhì)素較少；麻纖維長、整齊度好、手感柔軟、色澤好、無刺癢感，適合做中高檔麻紡織品；在后整理中可以無需精煉、漂白工序，節(jié)約成本，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性。

4.2 化學(xué)法+閃爆法

郝新敏等[14]進(jìn)行了大麻纖維高溫蒸煮-閃爆聯(lián)合脫膠新工藝研究，討論了高溫蒸煮-閃爆聯(lián)合處理?xiàng)l件對漢麻纖維性能及組分分離效果的影響。用SEM、FTIR對大麻纖維脫膠前后的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：漢麻纖維經(jīng)高溫蒸煮-閃爆聯(lián)合處理后，半纖維素和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對原麻分別下降了81.18%和86.68%，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至93.26%，達(dá)到漢麻纖維脫膠的目的；工藝中高溫蒸煮溫度、堿用量、閃爆前處理、閃爆壓力及溫度、保壓時間及閃爆次數(shù)等是影響漢麻纖維分離的重要因素，并且高溫蒸煮及預(yù)浸處理對漢麻纖維的溶脹作用有利于降低閃爆條件。

4.3 微生物法+蒸汽爆破法

蔡俠等[15]研究了微生物和蒸汽爆破聯(lián)合脫膠技術(shù)，縮短了大麻的脫膠時間，提高了纖維質(zhì)量。在原有的微生物脫膠工藝和預(yù)設(shè)蒸汽爆破參數(shù)條件下，對蒸汽爆破階段的不同參數(shù)進(jìn)行單因子和正交實(shí)驗(yàn)。脫膠后大麻纖維的組分測定和性能檢測結(jié)果顯示，微生物蒸汽爆破聯(lián)合脫膠技術(shù)較好的工藝參數(shù)為：脫膠微生物對大麻在35 ℃、180 r/min下振蕩培養(yǎng)6 h；蒸汽爆破壓力2.5 MPa，保壓120 s。經(jīng)此工藝處理后的大麻纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77.01%，果膠、半纖維素和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原麻分別降低了89.15%、33.75%和30.64%，膠質(zhì)去除效果較好，纖維分裂度和斷裂強(qiáng)力分別達(dá)到689 m/g和80 N。

4.4 微生物法+化學(xué)法

微生物脫膠技術(shù)可以降低大麻的殘膠率，但是難以達(dá)到紡織要求。譚曉明[16]認(rèn)為結(jié)合一定的化學(xué)處理工藝能夠進(jìn)一步提高大麻的脫膠效果，其研究的微生物-化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：（1）預(yù)處理工藝，主要作用是去除部分果膠質(zhì)，減輕后續(xù)脫膠工藝的負(fù)擔(dān)；（2）潤濕纖維，使原麻纖維溶脹而變得較松散，在之后的煮煉工藝中提高煮煉劑的滲透作用；（3）在后處理工藝中選擇合適的助劑以及堿用量。脫膠工藝流程為：試樣準(zhǔn)備→預(yù)酸處理（硫酸2.0 g/L，50 ℃預(yù)酸2 h，浴比1∶25）→微生物脫膠（高效脫膠菌株接種量10%，浴比1∶25，35 ℃脫膠48 h）→化學(xué)煮煉（NaOH 3%，Na2SiO33%，Na3PO40.3%，Na2SO32%，常壓，浴比1∶25，100 ℃，1.5 h）。通過上述聯(lián)合脫膠，大麻的失重率、殘膠率和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為32.6%、2.5%和4.74%，具有較好的脫膠效果，而且COD 值比化學(xué)脫膠法降低了83.5%，在一定程度上減輕了對水質(zhì)的污染。

4.5 多種聯(lián)合脫膠法

李閑閑[17]將幾種脫膠方法聯(lián)合使用（具體見如下實(shí)驗(yàn)流程圖），首先以超聲波+水煮和浸酸進(jìn)行預(yù)處理，以確保脫膠質(zhì)量，然后使用紫外輻射和冷凍驟熱聯(lián)合預(yù)脫膠，此階段纖維表面仍然有較為頑固的膠質(zhì)存在，但明顯減少，且纖維表面已出現(xiàn)細(xì)微溝槽，有利于功能助劑的附著；在此基礎(chǔ)上采用木質(zhì)素酶和高溫高壓法處理大麻纖維，與一般的化學(xué)工藝相比，H2O2和NaOH的用量減少了36%，節(jié)約了成本，減少了對環(huán)境的污染。

經(jīng)上述工藝處理后的纖維：（1）表面膠質(zhì)和雜質(zhì)基本去除，纖維的白度和柔軟性都有了極大的改善，表面有較深的溝壑，增加了纖維表面積，有利于染色助劑的附著及染色牢度的提高；（2）纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到97.5%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由14.32%降到0.71%，殘膠率由43.12%降到2.26%，白度由16.4增加到76.3，熱穩(wěn)定性提高了48 ℃，大麻纖維柔性大大提高，斷裂強(qiáng)力也符合可紡要求。此外，這種方法不僅可以處理河南固始麻，對東北粗麻和細(xì)麻都有理想的脫膠效果。

5 結(jié)語

業(yè)界對大麻脫膠技術(shù)的研究還在不斷地實(shí)驗(yàn)和探索當(dāng)中，期待工藝流程更短、環(huán)境更友好、脫膠效果更佳的成熟技術(shù)誕生，以推動大麻行業(yè)的快速發(fā)展。