新型工艺对汉麻纤维性能的影响

来源:用户上传      作者: 李闲闲 罗玉成 赵宇航 管路遥 魏丽乔

　　摘要：本文采用UV-辐射、冷冻骤热、生物酶处理和高温高压联合处理的新型工艺，对汉麻纤维进行脱胶处理，研究了其工艺条件对汉麻纤维残胶率、力学性能等的影响。利用扫描电镜（SEM）进行表面形貌观测、红外光谱法（FTIR）进行结构分析，热重分析仪（TG）进行热稳定性表征。结果表明：经上述新型工艺处理后汉麻纤维木质素含量由14.13%降低到0.71%，残胶率由43.12%降为2.26%，汉麻纤维表面胶质和杂质基本去除，纤维表面光滑，白度增加，纤维变细且均匀，力学性能优良，柔顺性好，热稳定性提高。且化学试剂用量减少1/3，有利于节能减排。
　　关键词：汉麻；高温高压；脱胶；残胶率
　　中图分类号：TS123
　　文献标志码：A
　　The Effect of New of Process on Hemp Properties
　　Abstract： In this paper， a new combined process that consists of UV-freezing-heating， enzyme-treatment and HTHP treatment was adopted for the degumming of hemp fiber， and the influence of different process conditions on residual gum rate and mechanical property was investigated. Hemp fibers before and after degumming were characterized by using SEM， FTIR and TG， the changes of overall performance and structure and chemical composition before and after degumming of hemp fiber were analyzed. It showed that the lignin content reduced to 0.71% from 14.13%， the residual gum rate reduced to 2.26% from 43.12%. The fiber has smooth surface， increased whiteness， reduced diameter but improved evenness as well as better mechanical property， compliance and thermal stability. . Chemical reagent dosage has reduced by about 1/3， which means energy conservation and emissions reduction.
　　Key words： hemp fiber； HTHP； degumming； residual gum rate
　　传统汉麻脱胶工艺一般采用天然水微生物脱胶、机械脱胶、化学脱胶等方法，天然水微生物脱胶周期长，效率低、劳动强度大，质量不稳定；而机械脱胶方法脱胶不彻底，一般用作预处理；化学脱胶则需要大量的水和化学药品，对环境不友好。因此亟待探索出一条污染少、能耗低、性价比高、可以大幅改善汉麻纤维性能和可纺性的工艺路线。
　　本文拟采用高温高压新型脱胶工艺对汉麻进行脱胶处理，并研究高温高压处理对汉麻脱胶及其性能的影响。
　　1 实验
　　1.1 主要实验材料
　　汉麻（河南固始产）；木质素酶（湖州美欣达生物科技有限公司），乳化剂（湖州美欣达生物科技有限公司），氢氧化钠（NaOH），双氧水（H2O2，30%），硫酸，硫酸镁，碳酸钠，三聚磷酸钠，亚硫酸钠，硫化钠等（化学试剂均为分析纯）。
　　1.2 主要实验仪器
　　高压蒸汽锅，DW-86L386型超低温保存箱，YG（B）003A型电子单纤维强力测试仪，JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜，FTIR-1730型傅里叶红外光谱仪，STA 409 PC型同步热分析仪（TG-DTA）。
　　1.3 实验方法
　　脱胶工艺采用以下步骤：
　　（1）UV-辐射：将汉麻纤维放入NaOH（6g/L）、H2O2（6g/L）和助剂的溶液中，紫外辐射20min；
　　（2）冷冻骤热：紫外辐射后的汉麻纤维放入冷冻箱20 min，-55℃，然后放入沸水中骤热20min，再将汉麻纤维洗至pH值=7；
　　（3）将冷冻骤热后的纤维放入 8g/L的木质素酶溶液中，40℃，pH值=5，时间2h；
　　（4）在烧杯中加入2g/L的硫酸镁、2g/L的硫化钠、2g/L的多聚磷酸钠、0.8g/L的亚硫酸钠和0.2g/L的硅酸钠，制备混合溶液；
　　（5）将上述经过一系列处理后的汉麻纤维浸泡在混合溶液中，分组加入不同浓度的NaOH和H2O2，放入高压蒸汽锅中，分别设定不同的压力和时间进行实验。
　　1.4 表征方法
　　（1）采用GB 5889―86《苎麻化学成分定量分析方法》测定汉麻纤维的化学成分含量；
　　（2）采用GB/T 18147.2―2008《大麻纤维试验方法第2部分：残胶率试验方法》测定汉麻纤维的残胶率；
　　（3）采用GB/T 18147.3―2000《大麻纤维试验方法第3部分：长度试验方法》测定汉麻纤维的长度；
　　（4）采用GB/T 18147.4―2000《大麻纤维试验方法第4部分：细度试验方法》测定汉麻纤维的细度； 　　（5）采用GB/T 18147.5―2000《大麻纤维试验方法第5部分：断裂强度试验方法》测定汉麻纤维的断裂强度。
　　2 结果与讨论
　　2.1 不同工艺条件对纤维残胶率的影响
　　在高温高压条件下，水蒸汽进入纤维原料并渗入纤维内部的空隙，水溶物质溶解，半纤维素降解成可溶性糖，木质素软化和部分降解，与纤维素间的连接强度降低；其余溶液中的碱分子在热的作用下慢慢扩散、渗透进入植物内部与胶质反应，在高温高压状态下保持一定量的碱浓度，把胶质从纤维和纤维的结合中脱离出来；当水蒸汽渗入纤维各孔隙中时与纤维素分子链上的部分氢基形成氢键，此时高温、高压、含水的条件加剧对纤维素内部氢键的破坏，游离出新的氢基，增加了纤维素的吸附能力，使溶液中的溶剂更易于渗入到纤维内部，减少纤维损伤并提高汉麻纤维的脱胶效果；同时高温蒸汽进入纤维内部时纤维发生膨化，纤维内分子排列变得疏松，更加容易弯曲，提高了纤维的柔软性。
　　由表1、表2对比可知，在压力、时间及H2O2含量一定的条件下，随着NaOH含量的增加，汉麻纤维的残胶率先减少后增加，即都在NaOH含量为 8g/L时，汉麻纤维的残胶率最低；当压力、H2O2含量及NaOH含量一定时，可以明显看到30min下的脱胶效果较20min的更好；当压力、时间及NaOH含量一定时，随着H2O2含量的增加，汉麻纤维残胶率在减小。压力为0.1MPa下的残胶率相比压力为0.15 MPa下的残胶率更大，虽然两个压力下的温度不同，但温度相差不大，可认为压力的作用占主导地位。因此，在满足汉麻纤维的残胶率在2%～4%之间，使纤维之间有胶质粘连，避免短纤维，同时又需要残胶率尽量低，增加可纺性等综合考虑下，高温高压脱胶的优化工艺条件如表3所示。
　　2.2 汉麻纤维力学性能分析
　　汉麻制品在纺织时，有拉伸、压缩、剪切、摩擦性的工艺过程，其中的多种因素将直接影响制品的力学性能；而纤维中木质素含量、残胶率大小等都对纤维的力学性能也会产生直接的影响。在上述优化工艺条件下测得处理后的汉麻纤维的力学性能如表4所示。
　　由表4可知，经高温高压处理后汉麻的木质素由14.23%降低到0.71%，残胶率由43.12%降低到2.26%，且断裂强度等参数均符合纺织后整理的工艺需求；此外，经过该工艺处理后，纤维的平均直径变小、线条较均匀，有利于力学性能的提高。
　　2.3 形貌分析（图1）
　　汉麻纤维上有天然色素，使其外观不够洁白，影响后期染色或印花色泽的鲜艳度，胶质的存在又使得纤维坚硬、粗糙。由图1（a）、（b）可知，原麻纤维色泽暗黄，表面有许多杂质和斑点，且纤维平行紧密排列成许多细长的片条状，粗细不一，彼此缠绕成团聚状，而且触感坚硬不柔顺。原麻表面胶质含量较高，覆盖层较厚，且覆盖比较致密均匀，并沿着纤维纵向呈连续带状分布。
　　本实验采取冷冻骤热、高温高压以及综合处理的方法破坏纤维束与周围组织、韧皮部与木质部、韧皮部与表皮之间的连接，并且在尽可能除去胶质的同时减少对纤维细胞间胶质的破坏，维持纤维束内部纤维细胞间的固有形态与结构。由图1（c）、（d）可发现，经处理后汉麻纤维的白度有了明显提高，纤维细腻发亮，分离成许多小束，彼此缠绕成团，柔软性很好，纤维表面的胶质和杂质基本去除，表面有较深的沟壑，增加了纤维的表面积，有利于染色助剂的附着及染色牢度的增强。
　　2.4 红外分析（图 2）
　　由图 2 可知，896cm-1处为C―无定形和结晶纤维素的H弯曲振动，这是纤维素结构中β-糖苷键的特征峰，这一峰值保持不变，表明脱胶过程并没有影响纤维的纤维素结构；1384cm-1和1400 cm-1处代表的是―CH―和―CH2的弯曲振动峰，偏移到了1380cm-1和1401cm-1处，是纤维素和半纤维素的特征峰，该峰部分消失说明半纤维素的去除和纤维素物质的保留；1510cm-1处代表的是苯环的伸缩振动峰，这是木质素的特征峰，处理后汉麻纤维在该处的振动峰明显减弱，表明脱胶时木质素的去除比较彻底；1636cm-1处为C=O伸缩振动（木质素），它是木质素的特征吸收峰，脱胶处理后该峰也基本消失，木质素的去除比较彻底；1741cm-1为半纤维素上的糖羰基，是半纤维素的特征峰，该峰完全消失，说明半纤维素完全去除；3416cm-1处是糖类―C―OH的OH伸缩振动峰，脱胶后，该峰基本消失，说明该处理对半纤维素的去除效果非常明显。
　　2.5 热稳定性分析（图3）
　　从图3可以看出，原麻与高温高压处理后的汉麻相比，温度在低于220 ℃时下降趋势更加明显，这是脱去汉麻纤维的束缚水和吸附水，说明原麻比处理后的汉麻含水量大。220～330 ℃处为果胶分解的过程，TG曲线下降较缓慢；330～400 ℃为纤维素、木质素和半纤维素综合分解的过程，TG曲线出现剧烈下降；在400℃以后为烧焦残余物的氧化分解。由图3可知，果胶含量的减少提高了汉麻的分解温度，说明脱胶后的汉麻热稳定性提高了，由原麻的231℃提高到了279℃，脱胶后汉麻纤维的初始分解温度提高了48℃，热稳定性得到改善。
　　2.6 化学试剂用量对脱胶率的影响 　　本实验采用高温高压加化学试剂的综合处理工艺，旨在改变传统脱胶工艺化学试剂用量大、污染环境的弊端，试验后其结果对比如表5所示。
　　由表5可知，高温高压处理工艺所用的化学试剂总量为14g/L，蒸汽闪爆-化学联合脱胶所用的化学试剂总量为15g/L，二者所用化学试剂总量相近，但残胶率比蒸汽闪爆-化学联合脱胶低了7.74%；高温高压处理工艺的残胶率为2.26%，冷冻骤热-微波碱煮脱胶方法的残胶率为2.95%，二者相近，但所用化学试剂总量比冷冻骤热-微波碱煮脱胶方法减少了1/3。
　　 3 结论
　　实验结果表明：（1）高温高压脱胶处理工艺优化条件为：0.15MPa，处理20min，NaOH浓度为 8g/L，H2O2浓度为 8g/L；（2）汉麻纤维木质素含量由14.13%降低到了0.71%，残胶率由43.12%降为2.26%，汉麻纤维表面胶质和杂质基本去除，纤维表面光滑；（3）本工艺处理后的汉麻纤维白度增加，柔顺性好，热稳定性提高；（4）处理所用的化学试剂总量较少，比相同化学试剂用量的工艺得到的残胶降低7.74%，比相同残胶率工艺所用的化学试剂用量减少1/3。从以上分析来看，UV-辐射、冷冻骤热、生物酶处理加高温高压联合处理工艺可谓一种污染较少、耗能较低、性价比较高的环保工艺。
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　　作者简介：李闲闲，女，1988年生，硕士在读，主要研究方向为汉麻纤维的脱胶技术。
　　通讯作者：魏丽乔，教授，weiliqiaoty@163.com。
　　作者单位：李闲闲、赵宇航、管路遥、魏丽乔，太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室、太原理工大学材料科学与工程学院；罗玉成，中国麻纺行业协会。
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