電Fenton 法制備工業(yè)大麻纖維及其可紡性研究

孫 穎李端鑫于 洋胡 悅于春雨

（1.齊齊哈爾大學，黑龍江齊齊哈爾，161000；2.亞麻加工技術教育部工程研究中心，黑龍江齊齊哈爾，161000）

工業(yè)大麻又名漢麻、火麻、線麻，為了與毒品大麻相區(qū)分，把四氫大麻酚含量（致幻成分）低于0.3%的大麻稱作工業(yè)大麻，可用于紡織、食品、醫(yī)藥、復合材料等行業(yè)。工業(yè)大麻纖維具有許多優(yōu)良的性能，良好的吸濕和透氣性能，抗菌性能，高抗張強度性能，抗輻射性能和生物降解性能［1-5］。工業(yè)大麻纖維未能成為重要的紡織原料之一的主要原因在于其復雜的脫膠過程。作為紡織品開發(fā)中最重要的一點，工業(yè)大麻纖維脫膠過程的簡化和脫膠廢液安全排放是需要攻克的難關。

近年來，電Fenton 氧化技術引起了人們的極大興趣。該技術可以成功去除工業(yè)廢水中的各種污染物。它是在原本Fenton 法的基礎上，利用電流的運動及陰、陽極與溶液之間發(fā)生反應循環(huán)加速處理過程［6-9］。在電Fenton 體系中為了獲得更高的H2O2產率，具有更好的氧化性，研發(fā)合適的陰極電極材料是關鍵。

目前，一些學者將電Fenton 氧化技術用于氧化降解廢水中有機污染物，并取得了很大進展，但是該技術用于纖維脫膠還沒人探究。本研究選用常見的電極材料和新型電極材料——石墨和泡沫鎳作為陰極電極材料，并進行優(yōu)選；系統(tǒng)分析電Fenton 法制備工業(yè)大麻纖維性能。本課題對工業(yè)大麻的脫膠研究及再利用具有一定的現(xiàn)實意義，為電Fenton 氧化技術在處理纖維脫膠提供參考。

1 試驗部分

1.1 原料與試劑

原料為纖維長度6 cm 的工業(yè)大麻纖維（黑龍江?。?/p>

試劑有七水合硫酸亞鐵（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、質量分數(shù)30%雙氧水（分析純）、質量分數(shù)98%硫酸（分析純）、硅酸鈉（分析純）、三聚磷酸鈉（分析純）、柔軟劑（分析純）、石墨（直徑5 mm，長度150 mm）和泡沫鎳（長300 mm，寬

200 mm）。

儀器有WYJ-3 型可調直流穩(wěn)壓電源、HH-4型電熱恒溫水浴鍋、DHU 型清梳聯(lián)合試驗機、DHU A301 型試驗并條機、細紗小樣機、數(shù)字式小樣粗紗機、YGB-002 型纖維細度儀、LLY-06E 型電子單纖維強力儀、掃描電子顯微鏡和YG171B型紗線毛羽測試儀。

1.2 脫膠工藝流程

工業(yè)大麻脫膠工藝流程：預處理→堿預處理→水洗→電Fenton 氧化技術處理→水洗→堿煮→水洗→柔軟劑處理。

經過單因素及正交試驗確定脫膠工藝配方如下。

（1）預處理。稱取一定質量的工業(yè)大麻纖維，浴比1∶100，將工業(yè)大麻纖維在室溫中于10 g/L肥皂水中漚麻24 h 后，清洗并于50 ℃烘箱中烘至恒重。主要目的：洗去附于纖維表面的灰塵等雜物。

（2）堿預處理。稱取一定質量預處理后的工業(yè)大麻纖維，剪成（6.0±0.2）cm，置于燒杯中。處理條件：浴比1∶10，處理溫度60 ℃，處理時間10 min，NaOH 濃度4 g/L。熱水洗滌數(shù)次再用冷水洗凈至測試洗滌溶液pH 值為中性，50 ℃烘箱中烘至恒重。主要目的：使纖維表面的脂蠟質、果膠等膠質成分分解成小分子物質，隨著水洗過程逐步去除，并通過短時間的堿液處理使纖維膨脹，更便于后續(xù)處理。

（3）電Fenton 氧化技術處理。處理條件：浴比1∶10，pH 值6.0，處理溫度80 ℃，處理時間60 min，電壓5 V～35 V，陰極電極為石墨、泡沫鎳，F(xiàn)eSO4?7H2O 濃度5 g/L，H2O2濃度5 g/L，三聚磷酸鈉濃度2 g/L，硅酸鈉濃度為2 g/L。熱水洗滌數(shù)次再用冷水洗凈至洗滌溶液pH 值為中性，50 ℃烘箱中烘至恒重。主要目的：在保留纖維素成分的前提下，進一步快速分解纖維表面的膠質成分。

（4）堿氧一浴法脫膠。處理條件：浴比1∶10，處 理 溫 度80 ℃，處 理 時 間40 min，H2O2濃 度20 g/L，NaOH 濃度10 g/L。熱水洗滌數(shù)次再用冷水洗凈至測試洗滌溶液pH 值為中性，50 ℃烘箱中烘至恒重。主要目的：提高纖維白度，并在保留一定程度膠質以便紡紗的條件下使纖維的非纖維素成分得到基本分解。

（5）柔軟劑處理。處理條件：浴比1∶50，處理溫度40 ℃，處理時間30 min，柔軟劑濃度5 g/L。洗滌數(shù)次后放置盆中，加濕養(yǎng)生以便后續(xù)紡紗。主要目的：使脫膠后的纖維更柔軟，以便后續(xù)紡紗環(huán)節(jié)的順利進行。

1.3 電Fenton 體系氧化制備工業(yè)大麻纖維機理

電Fenton 體系氧化制備工業(yè)大麻纖維機理如圖1 所示。

圖1 電Fenton 體系氧化制備工業(yè)大麻纖維機理圖

在反應過程中，纖維表面膠質降解主要依靠溶液中的芬頓反應（式1）和陽極表面的直接氧化（式2）。通過在酸性條件下還原陰極中的氧氣，在電解過程中溶液里會連續(xù)生成H2O2（式2）。添加的H2O2和電化學生成的H2O2與添加到溶液中的亞鐵離子（Fe2+）通過經典的Fenton 反應（式1）生成羥基自由基（·OH）?！H 自由基是一種強大的氧化劑，具有很高的氧化潛力，并且與有機的膠質物質成分結合在一起可使膠質中非纖維素成分的大分子結構分解成小分子結構，小分子結構溶于溶液中，當脫膠工藝結束后膠質小分子結構可隨溶液一同排放，達到脫膠目的。

Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OHˉ （1）

O2+2H++2e-→H2O2（2）

1.4 紡紗工藝流程及參數(shù)

清梳聯(lián)試驗參數(shù)：工業(yè)大麻纖維和棉按照混紡比1∶1 喂入清梳聯(lián)合機，出條速度6 m/min。

頭并工藝參數(shù)：喂入生條4 根，總牽伸3 倍，后區(qū)牽伸1.25 倍，出條速度6 m/min。

二并工藝參數(shù)：喂入條子6 根，總牽伸4 倍，后區(qū)牽伸1.25 倍，出條速度6 m/min。

粗紗小樣機工藝參數(shù)：總牽伸6 倍，后區(qū)牽伸1.25 倍，車速1 000 r/min。

細紗小樣機工藝參數(shù)：線密度40 tex，錠速6 000 r/min，捻系數(shù)398，后區(qū)牽伸1.5 倍。

2 性能檢測

精干麻纖維殘膠率含量測試參照GB/T 5889—1986《苧麻化學成分定量分析方法》進行分析。通過顯微鏡測試纖維直徑，不同部位測試20次，取平均值。通過LLY-06E 型電子單纖維強力儀測試纖維斷裂強力，拉伸隔距20 mm，拉伸速率20 mm/min，測試3 次取平均值。通過YQ-Z-48A型白度顏色測定機測試纖維白度，不同點測試10次取平均值。通過直尺測試纖維長度，每組取3根纖維測試，取平均值。

通過Y331A 型紗線捻度機測試混紡紗線捻度，測試3 次取平均值。通過YG061 型電子單紗強力儀測試混紡紗線強伸性能，測試3 次取平均值。通過CT200 型條干均勻度測試分析儀測試混紡紗線條干CV及粗細節(jié)，測試3 次取平均值。通過YG171B 型紗線毛羽測試儀測試混紡紗毛羽，采用微機處理，一次同時測出1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、7 mm、10 mm、12 mm 毛羽數(shù)值，測試次數(shù)為10 次，取平均值。

取整理前后的工業(yè)大麻纖維，在掃描電子顯微鏡上進行工業(yè)大麻纖維的形貌觀察。

3 結果與討論

3.1 不同材料的陰極電極及電壓對脫膠影響

依據(jù)1.2 的脫膠工藝進行脫膠。改變不同電壓，測試精干麻纖維的直徑、強伸性能、殘膠率、白度和纖維長度，結果如表1 所示。

表1 不同材料的陰極電極及電壓對工業(yè)大麻纖維的效果影響

由表1 可知：

（1）石墨為陰極時，隨著電壓的升高，纖維直徑越來越小，脫膠效果越好；泡沫鎳為陰極時，電壓為35 V 時纖維直徑最小，其次是15 V～20 V 時直徑較小。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維為了使直徑更小，電壓合理范圍是15 V～35 V。

（2）電壓為20 V 時，不論是石墨為陰極還是泡沫鎳為陰極，工業(yè)大麻纖維的斷裂伸長率都最大。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維電壓合理值是20 V。

（3）石墨為陰極時，在5 V～30 V 電壓下斷裂強力變化不大，35 V 時斷裂強力驟然變小；泡沫鎳為陰極時，在電壓為15 V 和20 V 下斷裂強力最大?？梢?，在15 V～20 V 電壓下，纖維斷裂強力更好，證明受到損傷最小。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維電壓合理值是15 V～20 V。

（4）電壓為15 V 時，不論是石墨為陰極還是泡沫鎳為陰極，工業(yè)大麻纖維的殘膠率都最小。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維電壓合理值是15 V。

（5）石墨為陰極時，在10 V～15 V 電壓下纖維白度最高，隨電壓的增大纖維白度降低；泡沫鎳為陰極時，在電壓為5 V 時白度最高，隨電壓增大，白度逐漸降低。由此可見，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維電壓合理值是5 V～15 V。

（6）無論是改變陰極電極或是改變電壓數(shù)值，纖維長度與初始長度6 cm 相比變化并不明顯。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維更換陰極電極或改變電壓對纖維長度影響不大。

綜上所述，為了使精干麻的殘膠率更低，斷裂強力和斷裂伸長率更大，直徑更小，白度更高，宜選用泡沫鎳氣體擴散電極為陰極，同時施加合理電壓為15 V。

3.2 混紡紗線基本性能

所紡出的混紡紗指標：紡紗號數(shù)40 tex，紗線捻度47.98 捻/10 cm，斷裂強度7.1 cN/tex，伸長率6.76%，條 干CV值12.8%，-50% 細 節(jié)266 個/km，+50%粗節(jié)245 個/km，+100%粗節(jié)73 個/km，+200%棉結610 個/km，1 mm 毛羽數(shù)624.8 根/10 m、2 mm 毛羽數(shù)234.9 根/10 m、3 mm毛羽數(shù)101.4根/10 m、4 mm 毛羽數(shù)27.6根/10 m、5 mm 毛 羽 數(shù)14.3 根/10 m、7 mm 毛 羽 數(shù)5.7 根/10 m、10 mm 毛羽數(shù)1.8根/10 m、12 mm毛羽數(shù)0.2根/10 m?；旒徏喚€的捻度較小，斷裂強度、斷裂伸長等單紗強力指標較小，這主要由于工業(yè)大麻與棉纖維的抱合力沒有那么強。因工業(yè)大麻較粗，與棉混紡時纖維間抱合不強，紡出的紗線毛羽較多，使得紗線條干均勻度儀判斷粗細節(jié)有一定程度的偏差，混紡紗線的條干CV升高。

3.3 纖維掃描電鏡

圖2 為經最佳工藝處理前后工業(yè)大麻纖維的掃描電鏡圖，放大2 000 倍。

圖2 處理前后工業(yè)大麻纖維掃描電鏡

由圖2 可看出，工業(yè)大麻原麻纖維的內部結構密切相關，并通過豐富的膠質連接在一起，纖維表面粗糙且不規(guī)則，纖維直徑大，纖維呈束狀。脫膠處理后的纖維呈現(xiàn)單纖維狀態(tài)，纖維素之間的氫鍵打開，導致接觸的非結晶區(qū)域增加，在纖維的這些區(qū)域之間，膠質和木質素等大分子成分被去除，纖維表面光滑且纖維間有良好的分離。結果表明，電Fenton 脫膠法對于工業(yè)大麻纖維的分離和脫膠是有效的。

3.4 混紡紗線檢測分析

圖3 為經解捻后平鋪在載玻片上的混紡紗，光學顯微鏡下放大20 倍。可以看出，工業(yè)大麻纖維的直徑和棉纖維直徑接近，且棉纖維有天然轉曲，工業(yè)大麻纖維表面光滑。纖維均被梳理平行伸直，圖3 中部分不平行的纖維是平鋪在載玻片過程中，人為因素導致的小部分纖維混亂。

圖3 工業(yè)大麻與棉混紡紗線形態(tài)結構圖

4 結論

（1）試驗結果表明，以泡沫鎳為陰極材料且施加電壓為15 V 時工業(yè)大麻纖維脫膠效果最好。最優(yōu)工藝下脫膠纖維殘膠率4.77%，斷裂強力41.79 cN，斷裂伸長率42.32%，直徑15.432 μm，白度25.70%，纖維長度5.82 cm。

（2）電Fenton 法處理后的工業(yè)大麻纖維外部許多細小的膠質顆粒在試驗過程中得到良好去除，節(jié)紋減少，直徑明顯變小。

（3）將脫膠后工業(yè)大麻纖維與棉混紡，混紡比為1∶1 時，可紡出具有一定強力的混紡紗，細度為40 tex，在顯微鏡下觀察混紡程度良好。

（4）在紡紗過程中，因工業(yè)大麻纖維過于粗硬，與棉的混紡程度較差，在紡紗前對其進行柔軟處理，以增加纖維強力及纖維間的抱合力，使紡紗性能更優(yōu)。

（5）采用這種方法使用試劑用量少且脫膠廢液的pH 值接近中性，更有利于后續(xù)廢水處理，具有較好的環(huán)保性。