堿處理對黃麻纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響

楊志胡 張鎮(zhèn)杰

（1廣東省建筑材料研究院有限公司；2北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院）

0 前言

麻由麻類植物中提取，天然的麻纖維包括黃麻、苧麻、亞麻、大麻、劍麻等品種，韌皮纖維作物主要有苧麻、黃麻、青麻、大麻、亞麻、羅布麻和槿麻等[1]。據(jù)資料顯示，世界黃麻纖維年總產(chǎn)量約為 230～285萬噸，而我國長江流域以南的黃麻產(chǎn)量僅次于棉花[2]，居世界第三。黃麻高度可長達(dá)3.5m，顯脆性；其含木質(zhì)素量也高，導(dǎo)致延伸率低，對水分，酸的抵抗力也低。我國黃麻的產(chǎn)量雖然很高，但由于韌皮纖維的特性，大部分黃麻只被用于一些粗加工產(chǎn)品的制作，例如麻袋麻繩、土布袋、工業(yè)紙漿、再生紙漿等加工工藝制作[2]。

黃麻纖維較突出的地方是作為待用的改性材料，價格最為低廉，不僅表現(xiàn)在優(yōu)異的抑菌方面，還包含天然麻纖維所代表的吸音好、緩沖強(qiáng)、降噪大、耐隔熱、密度低、人體親和性好等優(yōu)點(diǎn)，且資源屬于可再生，是環(huán)境友好型的綠色材料。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及儀器

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 樣品制備過程

在室溫下，用氫氧化鈉配制系列梯度為2%～18%、間隔為4%的氫氧化鈉溶液，浸泡4g黃麻纖維，時間分別是0.5h、1h、2h，浸泡過程中每隔一定時間用玻璃棒進(jìn)行攪拌，浸泡完畢后，用蒸餾水洗滌至中性，然后用玻璃棒擠干分散開，放置真空干燥箱干燥24h備用。通過下列性能測試挑選出最優(yōu)的堿處理實(shí)驗(yàn)方案。

1.2.2 測試過程

⑴FT-IR

測試方法：把改性前后的纖維制樣成粉末，采用KBr壓片制樣，利用FTIR傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測試。波長范圍400～4600㎝-1。

⑵黃麻纖維的吸水率測試

測試方法：采用TGA-50熱失重分析儀，設(shè)定相同的實(shí)驗(yàn)條件來測試不同處理方式的黃麻纖維的含水量。測得黃麻纖維的失重率即可計(jì)算纖維的水分含量。

⑶TGA

測試方法：采用TGA-50熱失重分析儀，對黃麻纖維處理前后的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 紅外光譜分析

項(xiàng)目包括：未處理、0.5h（堿處理濃度 2%、10%）、2h（堿處理濃度2%、6%、18%）的黃麻纖維。

本實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見圖1、圖2所示。

圖1 黃麻堿處理改性的IR對比圖

由圖2的紅外結(jié)果表明，黃麻纖維經(jīng)過氫氧化鈉堿處理后，基團(tuán)結(jié)構(gòu)被打散。對比未改性時譜圖中3500～3800特征吸收峰，堿處理后峰面積增大，說明堿性使得基團(tuán)增多。黃麻纖維與氫氧化鈉的反應(yīng)為親核取代反應(yīng)（見式⑴），表面有大量羥基的黃麻纖維在堿的作用下產(chǎn)生—親核基團(tuán)，降低纖維中的水含量，從而降低失重率。天津工業(yè)大學(xué)期刊發(fā)表的《堿處理對竹纖維及竹纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料性能的影響》中提到，竹纖維與PP的粘附功與竹纖維極性比密切相關(guān)，竹纖維極性比越小，粘附功越大；隨著堿濃度增大，竹纖維與PP間粘附功與竹纖維/PP復(fù)合材料剪切性能呈現(xiàn)相同的趨勢，并且都在堿濃度為20%時達(dá)到峰值[3]?？梢?，堿處理對應(yīng)本實(shí)驗(yàn)的黃麻纖維的最佳值設(shè)置參數(shù)為10%。

圖2 黃麻堿處理改性的IR對比圖

CELL－OH+NaOH→CELL－O-Na++H2O[4]

測試結(jié)果如圖2所示，從波數(shù)范圍3500～3800區(qū)間可見，未處理的黃麻纖維含有許多雜峰，處理過的纖維經(jīng)測試均有效除去雜峰，因此證明堿處理是有一定的效果的。

2.2 堿處理?xiàng)l件對吸水率的影響

本實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見圖3所示。

圖3 堿處理?xiàng)l件對吸水率的影響

堿處理過后的表面層纖維會暈開，接觸表面變大；且新進(jìn)入的羥基提高了纖維的吸濕性；改性過后的黃麻部分羥基被取代，纖維的親水性驟降。堿處理時黃麻纖維吸水速率最快，一段時間后吸水率變化不明顯，平衡時吸水率為14.801%。由于失重率即可表明該纖維的水分含量，失重率越低，水分含量越低。若吸水率下降，纖維就從親水轉(zhuǎn)為親油，可增強(qiáng)與聚合物樹脂共混的效果，能夠有效提高之間的相容性。堿處理減弱材料的吸濕性，可避免吸水導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

2.3 堿處理?xiàng)l件對熱失重的影響

本次纖維的熱重分析主要依據(jù)GB/T 31984-2015進(jìn)行檢測，纖維的樣品處理與紅外測試的一致，TGA的升溫速率設(shè)定為10℃/min。

本實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見圖4所示。

圖4 不同含量堿處理熱重分析

據(jù)圖4分析可得，黃麻堿處理的最佳項(xiàng)為10%氫氧化鈉浸泡2小時，失重率為85.20%。其余數(shù)據(jù)分別為：未處理（97.52%）、2%0.5H（86.65%）、18%2H（85.24%）。華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)《熱重分析曲線圖標(biāo)目的編輯加工》[5]里對玉米秸稈顆粒的失重率研究中，玉米秸稈顆粒從室溫至350℃左右開始為水分析出階段，該階段的質(zhì)量損失率為7%～8.5%[6]，由于350℃左右質(zhì)量損失了7%～8.5%，則剩余部分應(yīng)占初始質(zhì)量的 91.5%～93%，剛好與該實(shí)驗(yàn)圖示結(jié)果相符。按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的85.20%對比分析，本實(shí)驗(yàn)10%氫氧化鈉浸泡2小時效果優(yōu)于2%氫氧化鈉浸泡0.5小時，增加了黃麻纖維表面的羥基數(shù)；與18%氫氧化鈉浸泡2小時的相比，可以節(jié)省固體氫氧化鈉的用量。

3 小結(jié)

通過設(shè)計(jì)不同的堿處理液濃度，以及浸泡處理時間，對黃麻纖維進(jìn)行堿處理，最終得出以下結(jié)論：

⑴通過紅外光譜分析，經(jīng)過堿處理的纖維均有效除去雜峰，證明堿處理有一定的效果。

⑵通過對黃麻纖維吸水率分析，經(jīng)過堿處理的黃麻纖維吸水率下降，纖維從親水轉(zhuǎn)為親油，可增強(qiáng)與聚合物樹脂共混的效果，能夠有效提高之間的相容性。

⑶綜合紅外光譜分析、吸水率分析、熱重分析等各項(xiàng)測試得出，選用10%的氫氧化鈉溶液浸泡黃麻纖維2h，是堿處理的最佳條件。