劍麻纖維脫膠處理的探究

朱夢(mèng)婷 ，謝錦鵬 ，方凱煬 ，曹新旺★

（1. 武漢紡織大學(xué) a. 紡織科學(xué)與工程學(xué)院；b. 省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200； 2. 武漢工商學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430065 ）

劍麻，又名菠蘿麻，龍舌蘭科龍舌蘭屬，是一種多年生熱帶硬質(zhì)葉纖維作物。劍麻纖維本身具有較好的光澤，強(qiáng)度大，濕態(tài)強(qiáng)度比干態(tài)強(qiáng)度高11%-16%，再加上有較好的耐鹽堿以及耐摩擦性能，以及在干濕環(huán)境之下伸縮性都較小等優(yōu)點(diǎn)[1]，主要被用來(lái)制造海軍艦艇纜繩、飛機(jī)汽車輪胎內(nèi)層、機(jī)器的傳送帶以及起重機(jī)吊繩鋼索中的繩心等。目前國(guó)家各地興建的大型水電站所使用的護(hù)網(wǎng)、防雨布、捕魚網(wǎng)和編制的麻袋等用品也應(yīng)用到了劍麻纖維[2]。劍麻的短纖及其加工產(chǎn)品則被制作成人造絲、高級(jí)紙張、刷子以及作為少數(shù)的絕緣制品和爆炸品的填充物等[3]。

因此，作為劍麻使用的頭道工序，脫膠過(guò)程及脫膠效果尤其重要。本文選用生物—化學(xué)混合法進(jìn)行脫膠處理，然后對(duì)劍麻纖維從殘膠率、外觀形態(tài)、力學(xué)性能、紅外光譜和X射線衍射等進(jìn)行表征，以期獲得有良好性能的劍麻纖維。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

干劍麻葉（武漢紡織大學(xué)纖維園區(qū)內(nèi)采取曬制）；98%硫酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鈉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；檸檬酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；檸檬酸鈉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；麥克林公司的3萬(wàn)U/g生物果膠酶（生化試劑BR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

HH-ZK4數(shù)顯恒溫水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；SHA-C水浴振蕩器（常州市鴻科儀器廠）；WGL-45B電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；TESCAN VEGA 3型掃描電鏡（TESCAN 公司）；光學(xué)顯微鏡；單纖維強(qiáng)力機(jī)（溫州方圓紡織儀器有限公司）；D8 Advance型X-射線衍射分析儀（德國(guó)Bruker公司）；VerTex70型紅外光譜儀（德國(guó) Bruker 公司）。

1.3 工藝流程

樣品的撕段按劍麻葉的纖維方向撕開(kāi)，撕成厚度為0.5厘米的小段。將檸檬酸和檸檬酸鈉混合配置pH為4的酸性緩沖液，在酸性緩沖液中按浴比1：100浸泡樣品，然后加入適量果膠酶，在恒溫水浴振蕩器中震蕩處理24小時(shí)，溫度為40℃[4]。在果膠酶作用之后，取出樣品用純水洗凈，使用1ml/L的硫酸溶液在80℃的恒溫水浴鍋中處理1.5小時(shí)，浴比為1：30。預(yù)酸處理結(jié)束洗滌至中性后，置于20g/L的氫氧化鈉溶液中，浴比為1：30，80℃的恒溫水浴鍋中處理1.5小時(shí)。堿煮完成后取出洗滌至中性，使用烘干機(jī)在80℃的溫度中烘干，最后得到脫膠后的劍麻纖維。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 殘膠率

殘膠率是劍麻原料及劍麻纖維脫膠后紡織半成品與紡織質(zhì)量的重要指標(biāo)。這是脫膠方案的脫膠效率體現(xiàn)的主要依據(jù)[5]。殘膠率的高低與劍麻束的松散程度有著重要關(guān)系，它直接影響到劍麻單纖維的分離程度和后序梳紡加工[6]。直到現(xiàn)在，我國(guó)檢測(cè)劍麻纖維殘膠率的準(zhǔn)則是現(xiàn)行的國(guó)際準(zhǔn)則GB587-85，這個(gè)方法主要參考了我國(guó)麻紡織工業(yè)紡織生產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)[7]。殘膠率的計(jì)算公式為：

式中：WC-殘膠率，%；W1-纖維干重，g；W2-脫膠后纖維干重，g。

1.4.2 形態(tài)分析

分析脫膠前后的纖維顏色變化，同時(shí)用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察脫膠前后的劍麻纖維。

1.4.3 力學(xué)性能測(cè)試

纖維和產(chǎn)品在加工和作為紡織品使用時(shí)必然會(huì)受到各種外部力量的影響。纖維是紡織品中最基本的成分之一，其機(jī)械性質(zhì)對(duì)紡織品及其性能具有很高的影響，因此力學(xué)性能是纖維選擇最重要的特性之一。采用單纖維強(qiáng)力機(jī)（溫州方圓紡織儀器有限公司）測(cè)試20組樣品得出平均值。

1.4.4 紅外光譜分析

將脫膠前后的劍麻研磨成粉末并均勻分散在KBr中，壓片后用傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行表征，掃描范圍為400～4000cm-1，掃描速度為4°/min。

1.4.5 X 射線衍射分析

為了研究脫膠前后劍麻纖維的結(jié)晶度，通過(guò)X射線衍射儀，使用單色CU Kα輻射（λ=1.5406?），范圍為2θ=10-40°級(jí)，掃描率5.0°/min。晶度指數(shù)(CrI)的計(jì)算依據(jù)Segal經(jīng)驗(yàn)公式[8]：

式中：I200纖維素(200)晶面( 2θ = 22.5°)的衍射強(qiáng)度；Iam纖維素?zé)o定型區(qū)( 2θ = 18°)的衍射強(qiáng)度。

2 分析與討論

2.1 殘膠率

劍麻纖維的主要成分為纖維素，另外含有木質(zhì)素、果膠、水分及其它雜質(zhì)等[9]，含量超過(guò)40%以上，顯然會(huì)影響劍麻的進(jìn)一步加工利用，因此對(duì)該劍麻纖維進(jìn)行脫膠除雜處理十分必要。

經(jīng)過(guò)果膠酶和化學(xué)處理法混合脫膠之后計(jì)算得出殘膠率為5.93%，纖維素含量為61.78%，由此可知，在經(jīng)過(guò)酶處理和化學(xué)試劑混合脫膠之后劍麻纖維的纖維素含量增加，果膠、木質(zhì)素、半纖維素等雜質(zhì)脫膠除雜較為明顯。

2.2 形態(tài)分析

經(jīng)過(guò)脫膠處理烘干之后，纖維由原來(lái)的黃綠色變成了白色，說(shuō)明纖維脫膠效果比較明顯。

圖1(a)是脫膠后的劍麻的纖維截面圖，從圖中可知，一般劍麻束纖維由50-150根單纖維組成，劍麻橫截面呈多邊形或近似橢圓形，有中腔，但中腔大小不一，劍麻纖維形態(tài)與黃麻纖維基本相似。圖1(b)顯示的是脫膠后劍麻的纖維縱向圖，劍麻纖維比較平直，能觀察到縱向條紋。

圖1 脫膠后的劍麻纖維的橫截面（a）和縱截面（b）的光學(xué)顯微鏡圖像

圖2顯示的是電子顯微鏡下脫膠處理前后的劍麻纖維縱面圖，由圖中可知，未處理的劍麻表面有一層很厚的膠質(zhì)，脫膠處理后能有效的除去劍麻纖維的非纖維素成分，同時(shí)將粗的纖維分解為更細(xì)的微纖?；旌戏ㄌ幚韺?duì)纖維損傷較小，纖維表面較為平潤(rùn)，原因是生物酶具有較強(qiáng)的專一性，果膠酶只對(duì)劍麻纖維中的果膠質(zhì)有一定的分解作用，而對(duì)木質(zhì)素和半纖維素及其它雜質(zhì)基本無(wú)影響，且酶反應(yīng)溫和，對(duì)纖維內(nèi)部作用較弱，后續(xù)化學(xué)反應(yīng)也對(duì)纖維內(nèi)部影響減小。

圖2 脫膠前（a）和脫膠后（b）的劍麻纖維縱截面掃描電鏡圖像

2.3 力學(xué)性能分析

經(jīng)過(guò)單纖維強(qiáng)力機(jī)測(cè)得制得的脫膠后劍麻纖維的平均斷裂強(qiáng)力為265.5cN/tex、斷裂伸長(zhǎng)率為44.5%。對(duì)比于原麻的特性[10]，脫膠處理后，由于化學(xué)成分和微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，使得纖維的彈性模量和強(qiáng)力下降，柔軟性得到了改善，纖維的斷裂伸長(zhǎng)也增加了。由此得知，若脫膠處理濃度過(guò)大，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)對(duì)纖維產(chǎn)生較大的損傷而使強(qiáng)力大大的下降，影響后續(xù)處理中的成紗質(zhì)量。

2.4 紅外光譜分析

圖3顯示的脫膠處理前后的劍麻纖維的紅外光譜圖。在1738 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰對(duì)應(yīng)乙酰C=O的伸縮振動(dòng)，是屬于半纖維素的特征峰，該峰的消失意味著半纖維素被大量脫除。1549 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是由芳香環(huán)骨架振動(dòng)引起的，1435 cm-1處的吸收峰則對(duì)應(yīng)的甲基和亞甲基的彎曲振動(dòng)，以及1624 cm-1和1321 cm-1處對(duì)應(yīng)的是木質(zhì)素中的C=O鍵伸縮振動(dòng)引起的，這四個(gè)峰屬于木質(zhì)素的特征峰在脫膠處理之后都變緩或是消失，意味著脫膠處理之后劍麻纖維中的木質(zhì)素被有效去除。綜上可以說(shuō)明劍麻纖維在生物-化學(xué)混合法脫膠之后，除去了部分木質(zhì)素、半纖維素等非纖維素成分。主要是由于果膠酶的專一性，可以很好的除去纖維中的果膠物同時(shí)使得纖維開(kāi)松，使得后續(xù)化學(xué)處理過(guò)程中雜質(zhì)去除更加容易，最終脫膠效果較好。

圖3 脫膠前后的劍麻纖維的紅外光譜對(duì)比

2.5 X-射線衍射分析

圖4是脫膠處理前后的劍麻纖維的X射線衍射圖，可以看出脫膠前后在2θ為17°、22°和35°左右都出現(xiàn)了峰，分別對(duì)應(yīng)著纖維素的(110)、(200)和(040)晶面，呈現(xiàn)出典型的纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)，所以脫膠處理前后劍麻纖維的晶型并沒(méi)有發(fā)生改變。經(jīng)過(guò)公式計(jì)算可得，未處理劍麻纖維的結(jié)晶度為40.16%，脫膠處理后劍麻纖維的結(jié)晶度提升到了61.14%。劍麻纖維的結(jié)晶度在經(jīng)過(guò)一系列處理之后有了明顯的提高，這是由于半纖維素和木質(zhì)素等主要是無(wú)定形區(qū)，這些物質(zhì)被脫除之后，纖維素內(nèi)部結(jié)晶區(qū)比例得到了提升。

圖4 脫膠前后的劍麻纖維的X射線對(duì)比

3 結(jié)論與反思

經(jīng)過(guò)生物-化學(xué)混合法脫膠之后，劍麻纖維中的果膠、木質(zhì)素、半纖維素等去除效果較為明顯，且對(duì)纖維損傷較小，未改變纖維的基本晶型，只是由于生物酶具有專一性且反應(yīng)溫和，前期處理效果不是很明顯，對(duì)后期化學(xué)處理也帶來(lái)了一些影響，整體脫膠效率一般。假若先使用化學(xué)法再用生物酶法，或者在酶處理前加一步機(jī)械開(kāi)松處理，脫膠效果可能會(huì)得到更好的提升，這將是以后的探索方向之一。