劍麻纖維脫膠處理的探究

朱夢婷 ，謝錦鵬 ，方凱煬 ，曹新旺★

（1. 武漢紡織大學 a. 紡織科學與工程學院；b. 省部共建紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430200； 2. 武漢工商學院 應用技術學院，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葉纖維作物。劍麻纖維本身具有較好的光澤，強度大，濕態強度比干態強度高11%-16%，再加上有較好的耐鹽堿以及耐摩擦性能，以及在干濕環境之下伸縮性都較小等優點[1]，主要被用來制造海軍艦艇纜繩、飛機汽車輪胎內層、機器的傳送帶以及起重機吊繩鋼索中的繩心等。目前國家各地興建的大型水電站所使用的護網、防雨布、捕魚網和編制的麻袋等用品也應用到了劍麻纖維[2]。劍麻的短纖及其加工產品則被制作成人造絲、高級紙張、刷子以及作為少數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，脫膠過程及脫膠效果尤其重要。本文選用生物—化學混合法進行脫膠處理，然后對劍麻纖維從殘膠率、外觀形態、力學性能、紅外光譜和X射線衍射等進行表征，以期獲得有良好性能的劍麻纖維。

1 實驗

1.1 實驗材料

干劍麻葉（武漢紡織大學纖維園區內采取曬制）；98%硫酸（國藥集團化學試劑有限公司）；氫氧化鈉（國藥集團化學試劑有限公司）；檸檬酸（國藥集團化學試劑有限公司）；檸檬酸鈉（國藥集團化學試劑有限公司）；麥克林公司的3萬U/g生物果膠酶（生化試劑BR，國藥集團化學試劑有限公司）等。

1.2 實驗器材

HH-ZK4數顯恒溫水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責任公司）；SHA-C水浴振蕩器（常州市鴻科儀器廠）；WGL-45B電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；TESCAN VEGA 3型掃描電鏡（TESCAN 公司）；光學顯微鏡；單纖維強力機（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Bruker公司）；VerTex70型紅外光譜儀（德國 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，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，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，浴比為1：30。預酸處理結束洗滌至中性后，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。堿煮完成后取出洗滌至中性，使用烘干機在80℃的溫度中烘干，最后得到脫膠后的劍麻纖維。

1.4 測試與表征

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量的重要指標。這是脫膠方案的脫膠效率體現的主要依據[5]。殘膠率的高低與劍麻束的松散程度有著重要關系，它直接影響到劍麻單纖維的分離程度和后序梳紡加工[6]。直到現在，我國檢測劍麻纖維殘膠率的準則是現行的國際準則GB587-85，這個方法主要參考了我國麻紡織工業紡織生產質量指標[7]。殘膠率的計算公式為：

式中：WC-殘膠率，%；W1-纖維干重，g；W2-脫膠后纖維干重，g。

1.4.2 形態分析

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

1.4.3 力學性能測試

纖維和產品在加工和作為紡織品使用時必然會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，其機械性質對紡織品及其性能具有很高的影響，因此力學性能是纖維選擇最重要的特性之一。采用單纖維強力機（溫州方圓紡織儀器有限公司）測試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晶度，通過X射線衍射儀，使用單色CU Kα輻射（λ=1.5406?），范圍為2θ=10-40°級，掃描率5.0°/min。晶度指數(CrI)的計算依據Segal經驗公式[8]：

式中：I200纖維素(200)晶面( 2θ = 22.5°)的衍射強度；Iam纖維素無定型區( 2θ = 18°)的衍射強度。

2 分析與討論

2.1 殘膠率

劍麻纖維的主要成分為纖維素，另外含有木質素、果膠、水分及其它雜質等[9]，含量超過40%以上，顯然會影響劍麻的進一步加工利用，因此對該劍麻纖維進行脫膠除雜處理十分必要。

經過果膠酶和化學處理法混合脫膠之后計算得出殘膠率為5.93%，纖維素含量為61.78%，由此可知，在經過酶處理和化學試劑混合脫膠之后劍麻纖維的纖維素含量增加，果膠、木質素、半纖維素等雜質脫膠除雜較為明顯。

2.2 形態分析

經過脫膠處理烘干之后，纖維由原來的黃綠色變成了白色，說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，脫膠處理后能有效的除去劍麻纖維的非纖維素成分，同時將粗的纖維分解為更細的微纖。混合法處理對纖維損傷較小，纖維表面較為平潤，原因是生物酶具有較強的專一性，果膠酶只對劍麻纖維中的果膠質有一定的分解作用，而對木質素和半纖維素及其它雜質基本無影響，且酶反應溫和，對纖維內部作用較弱，后續化學反應也對纖維內部影響減小。

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 力學性能分析

經過單纖維強力機測得制得的脫膠后劍麻纖維的平均斷裂強力為265.5cN/tex、斷裂伸長率為44.5%。對比于原麻的特性[10]，脫膠處理后，由于化學成分和微細結構的變化，使得纖維的彈性模量和強力下降，柔軟性得到了改善，纖維的斷裂伸長也增加了。由此得知，若脫膠處理濃度過大，時間過長，也會對纖維產生較大的損傷而使強力大大的下降，影響后續處理中的成紗質量。

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處出現的吸收峰對應乙酰C=O的伸縮振動，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處出現的吸收峰是由芳香環骨架振動引起的，1435 cm-1處的吸收峰則對應的甲基和亞甲基的彎曲振動，以及1624 cm-1和1321 cm-1處對應的是木質素中的C=O鍵伸縮振動引起的，這四個峰屬于木質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素被有效去除。綜上可以說明劍麻纖維在生物-化學混合法脫膠之后，除去了部分木質素、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使得纖維開松，使得后續化學處理過程中雜質去除更加容易，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°左右都出現了峰，分別對應著纖維素的(110)、(200)和(040)晶面，呈現出典型的纖維素Ⅰ型結構，所以脫膠處理前后劍麻纖維的晶型并沒有發生改變。經過公式計算可得，未處理劍麻纖維的結晶度為40.16%，脫膠處理后劍麻纖維的結晶度提升到了61.14%。劍麻纖維的結晶度在經過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素等主要是無定形區，這些物質被脫除之后，纖維素內部結晶區比例得到了提升。

圖4 脫膠前后的劍麻纖維的X射線對比

3 結論與反思

經過生物-化學混合法脫膠之后，劍麻纖維中的果膠、木質素、半纖維素等去除效果較為明顯，且對纖維損傷較小，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溫和，前期處理效果不是很明顯，對后期化學處理也帶來了一些影響，整體脫膠效率一般。假若先使用化學法再用生物酶法，或者在酶處理前加一步機械開松處理，脫膠效果可能會得到更好的提升，這將是以后的探索方向之一。