山麻桿韌皮纖維結(jié)構(gòu)與性能分析

姜為青 趙 磊 姚桂香 卜啟虎 宋銀銀

（1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城，224005；2.江蘇悅達(dá)棉紡有限公司，江蘇鹽城，224000；3.泰興市凱萊時(shí)裝有限公司，江蘇泰州，225471）

山麻桿具有頑強(qiáng)的生命力，通常在海拔100 m～800 m的低山區(qū)河谷兩岸或等地進(jìn)行栽培；山麻桿一般分布在河南、陜西、江蘇、安徽、浙江、湖北、湖南、廣西、四川等地方。據(jù)相關(guān)資料，山麻桿韌皮纖維中所含的纖維素達(dá)40%左右[1]，從中可以斷定山麻桿的韌皮中含有一定數(shù)量的纖維，其吸濕、力學(xué)等性能可能與亞麻、黃麻等其他麻類纖維較相似，可作為紡織品的原料，但目前對山麻桿韌皮纖維的研究非常少[2]。本研究通過物理化學(xué)及生物酶脫膠的方法進(jìn)行山麻桿韌皮纖維的精細(xì)化提取，分析其成分，研究山麻桿韌皮纖維主要性能。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 原料與準(zhǔn)備

選用寧夏和氏璧生物科技有限公司的果膠酶作為酶脫膠的主要用劑，選用濟(jì)南鑫隆化工有限公司的NaOH作為堿脫膠的主要用劑。山麻桿韌皮纖維取自于大豐某農(nóng)場，電子天平、玻璃杯等均由江蘇省生態(tài)紡織研發(fā)中心提供。

1.2 提取方法與工藝

預(yù)處理工藝路線[3?4]：山麻桿韌皮自然、機(jī)械處理→開松→去離子水浸漬→酸浸漬→低濃度堿煮→酸洗→水洗→晾干。酸浸漬工藝：H2SO43.5 g/L，浸酸時(shí)間2.5 h，處理溫度60℃，浴比1∶30。低濃度堿煮工藝：Na OH 10 g/L，堿預(yù)處理時(shí)間3 h，處理溫度60℃，浴比1∶30，硅酸鈉1.4 g/L，三聚磷酸鈉0.9 g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.8 g/L，乳化劑OP 1.4 g/L，JFC 1.3 g/L。

化學(xué)堿脫膠工藝路線[5?6]：預(yù)備處理山麻桿韌皮纖維→開松→高濃度堿煮→水洗→開纖→水洗→脫水→抖松→給油→脫油→干燥。高濃度堿煮工藝：Na OH 30 g/L，處理時(shí)間3.5 h，處理溫度80℃，浴比1∶30，硅酸鈉1.7 g/L，三聚磷酸鈉1.0 g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.95 g/L，乳化劑OP 1.35 g/L，JFC 1.25 g/L。

生物酶脫膠工藝路線：預(yù)備處理山麻桿韌皮纖維→開松→生物酶煮→水洗→開纖→水洗→脫水→抖松→給油→脫油→干燥。生物酶煮工藝：生物酶11 g/L，處理時(shí)間4 h，處理溫度55℃，浴比1∶30。

1.3 性能表征

按照GB/T 6100—2007《棉纖維線密度試驗(yàn)方法中段稱重法》測試山麻桿韌皮纖維線密度；參照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》測試山麻桿韌皮纖維的拉伸性能；采用熱重分析法表征山麻桿韌皮纖維的熱學(xué)性能；采用紅外光譜分析山麻桿韌皮纖維的分子結(jié)構(gòu)；參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5889—1989《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》測試和分析山麻桿韌皮纖維的化學(xué)成分；采用電子顯微鏡觀測山麻桿韌皮纖維的縱橫向形態(tài)。按照FZ/T 73023—2006《抗菌針織品》測試山麻桿韌皮纖維的抑菌率。

2 結(jié)果與分析

2.1 山麻桿韌皮纖維的成分分析

山麻桿韌皮纖維原樣、堿脫膠處理和生物酶脫膠后各成分含量測試結(jié)果如表1所示。由表1可見，經(jīng)堿脫膠和酶脫膠后，山麻桿韌皮纖維的纖維素含量都有不同程度的提高，其中酶脫膠后纖維素含量提高最為顯著；半纖維素、木質(zhì)素、果膠物質(zhì)的含量明顯下降。成分的變化能極大地改善山麻桿韌皮纖維的可紡性。

表1 山麻桿韌皮纖維脫膠處理前后主要成分含量

2.2 山麻桿韌皮纖維脫膠形態(tài)分析

山麻桿韌皮纖維脫膠過程中纖維形態(tài)的變化如圖1所示。從圖1可以看出：山麻桿韌皮纖維堿脫膠和果膠酶脫膠后與原樣相比存在一定的差異，山麻桿韌皮纖維原樣的黃色較深，堿處理后山麻桿韌皮纖維的黃色褪去一些，但看上去纖維損傷較大，而果膠酶脫膠處理后山麻桿韌皮纖維的顏色顯淡黃色，且纖維損傷不大。堿脫膠后山麻桿韌皮纖維手感、粗細(xì)與黃麻等麻類纖維非常相似，生物酶脫膠后山麻桿韌皮纖維的顏色相比堿處理黃色還要淡出很多，但手感基本相似，這說明堿和生物酶脫膠均去除了大量的色素，生物酶還帶有輕微的漂白效果。

圖1 山麻桿韌皮纖維脫膠過程纖維形態(tài)變化圖

生物酶脫膠后的山麻桿韌皮纖維的縱橫向形態(tài)如圖2所示。從圖2可以看出：山麻桿韌皮纖維縱向呈條紋狀，有利于增加纖維之間的抱合力，而橫截面呈現(xiàn)橢圓形、不規(guī)則多邊形，有很小的中腔，這說明山麻桿韌皮纖維縱橫向形態(tài)與黃麻纖維也非常相似。

圖2 生物酶脫膠后的山麻桿韌皮縱向和橫向形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.3 線密度與力學(xué)性能測試結(jié)果

3種山麻桿韌皮纖維的樣品放在恒溫恒濕室（相對濕度65%，27℃）平衡24 h，纖維夾持長度3 cm，拉伸速度1.7 mm/min，測試20根纖維試樣取平均值。脫膠前后山麻桿韌皮纖維的線密度與力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 山麻桿韌皮纖維拉伸性能測試表

從表2可以看出，脫膠處理后山麻桿韌皮纖維的線密度明顯降低，已達(dá)到可紡指標(biāo)，且生物酶脫膠后效果更好；3種試樣中山麻桿韌皮纖維原樣的斷裂強(qiáng)度最小，脫膠處理后，山麻桿韌皮纖維的斷裂強(qiáng)度有所提高，斷裂伸長率有所降低。這說明脫膠過程提高了纖維內(nèi)部大分子的結(jié)晶度。

2.4 纖維熱學(xué)性能分析

脫膠處理前后山麻桿韌皮纖維的熱學(xué)性能如圖3所示。

圖3 不同處理山麻桿韌皮纖維的熱分析測試結(jié)果

從圖3發(fā)現(xiàn)，不管是經(jīng)過哪種脫膠處理，山麻桿韌皮纖維的初始熱分解溫度和最高熱分解溫度都有顯著提高，熱學(xué)性能均有很大程度的改善，其原因在于經(jīng)脫膠方法處理后，尤其是經(jīng)酶脫膠處理后，山麻桿韌皮纖維中的大部分非纖維素物質(zhì)被去除，致使山麻桿韌皮纖維的結(jié)晶度大大提升。脫膠處理后的山麻桿韌皮纖維具有良好的熱穩(wěn)定性，特別是經(jīng)果膠酶生物脫膠處理后的山麻桿韌皮纖維熱學(xué)性能更好。

2.5 纖維紅外光譜分析

脫膠處理前后山麻桿韌皮纖維的紅外光譜如圖4所示。

圖4 脫膠處理前后山麻桿韌皮纖維的紅外光譜圖

從圖4發(fā)現(xiàn)，山麻桿韌皮纖維原樣中幾個(gè)重要特征吸收峰（O—H振動(dòng)的特征吸收峰在2918 cm-1～2920 cm-1左右，C—O伸縮振動(dòng)吸收產(chǎn)生的吸收峰在787 cm-1～789 cm-1左右，C—O—C振動(dòng)的特征吸收峰在1058 cm-1～1060 cm-1附近）均為纖維素Ⅰ特征吸收峰所處的位置，這說明脫膠處理沒有破壞山麻桿韌皮纖維的纖維素Ⅰ分子結(jié)構(gòu)。木質(zhì)素顯示的特征吸收峰（1538 cm-1～1541 cm-1）、半纖維素顯示的特征吸 收 峰（1534 cm-1～1536 cm-1、1582 cm-1～1586 cm-1）比在山麻桿韌皮纖維原樣中都有所變?nèi)跎踔料В锩该撃z處理后山麻桿韌皮纖維的木質(zhì)素和半纖維素減弱最多。因此可知：堿脫膠和生物酶脫膠均能達(dá)到去除非纖維素物質(zhì)的效果，其中生物酶脫膠的效果更好。這結(jié)果與掃描電鏡測試結(jié)果一致。對比3條曲線發(fā)現(xiàn)，在山麻桿韌皮纖維原樣中—OH伸縮振動(dòng)特征吸收峰在2916 cm-1～2920 cm-1，堿脫膠 和 生物 酶 脫膠處理后山麻桿韌皮纖維—OH伸縮振動(dòng)特征吸收峰降低到2912 cm-1～2914 cm-1附近，這說明—OH的伸縮振動(dòng)特征吸收峰從高波數(shù)轉(zhuǎn)化到低波數(shù)，這就驗(yàn)證了脫膠處理后—OH（自由基團(tuán)）顯著減少，其原因在于脫膠處理后纖維大分子鏈排列重構(gòu)，大分子鏈之間的氫鍵結(jié)合增多。

2.6 纖維抗菌性能測試

脫膠處理前后山麻桿韌皮纖維原樣、堿脫膠處理和生物酶脫膠處理所得山麻桿韌皮纖維的抑菌率分別為57.24%、73.12%和83.58%。可以看出，山麻桿韌皮纖維具有天然抗菌效果，脫膠處理能顯著提高山麻桿韌皮纖維的抗菌性，且與堿脫膠處理相比，生物酶脫膠處理后山麻桿韌皮纖維的抗菌性提升更顯著。這對開發(fā)天然抗菌纖維織物具有很好的開發(fā)思路。

3 結(jié)論

（1）山麻桿韌皮纖維脫膠后，主要成分為纖維素，其他成分的比例與麻類纖維非常相似，纖維縱向有條紋，而纖維橫向（橫截面）呈橢圓形、不規(guī)則多邊形，有很小的中腔。

（2）經(jīng)過堿脫膠處理和生物酶脫膠處理后，山麻桿韌皮纖維細(xì)度有明顯的降低，斷裂強(qiáng)度有所提高，已達(dá)到可紡指標(biāo)，且生物酶脫膠效果更好。

（3）脫膠處理后的山麻桿韌皮纖維具有良好的熱穩(wěn)定性，特別是經(jīng)果膠酶生物脫膠處理后的纖維熱學(xué)性能更好；紅外光譜測試說明堿脫膠和生物酶脫膠均能達(dá)到去除非纖維素物質(zhì)的效果，且生物酶脫膠的效果更好，脫膠處理后—OH（自由基團(tuán)）顯著減少。

（4）與原樣相比，堿脫膠處理后山麻桿韌皮纖維抑菌率達(dá)到73.12%，而生物酶脫膠處理后山麻桿韌皮纖維抑菌率達(dá)到83.58%，這說明山麻桿韌皮纖維具有很好的天然抗菌效果。