大麻韧皮UV-冷冻-骤热脱胶工艺的探讨

张城云 ，罗玉成 ，魏丽乔 ，

（1.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，山西 太原030024；2.太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原030024；3.中国麻纺行业协会，北京100742）

脱胶工艺一直是关乎工业大麻纤维加工质量的关键技术。工业上常用的化学脱胶方法是碱煮脱胶法，该方法脱胶能耗高，耗水量大，酸碱对环境污染严重，且对麻纤维的质量有较大的影响[4-7]。目前国内工业生产中使用的脱胶方法是化学脱胶。化学脱胶的主要部分是碱煮处理，单纯的碱煮处理，碱的用量高，能耗高，对环境的污染严重，脱胶后的工业大麻纤维品质不好，所以要在碱煮工艺前进行预处理。预处理的作用：一是预处理可以去除部分胶质，降低后面脱胶处理的负担。二是预处理可以起到润湿纤维的作用，使麻纤维溶胀从而变得比较松散，提高煮练碱液在煮练工艺中的渗透作用，提高脱胶效果[3]。常见的预处理有：预水处理，预酸处理，预氯处理，预氧处理，超声波处理。本实验采用了UV-辐照预处理和冷冻骤热预处理工艺[1-2]对汉麻纤维进行预处理。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料、试剂与仪器

工业大麻韧皮纤维（甘肃工业大麻纤维 化学成分：纤维素-57.29%，半纤维素-16.64%，木质素-7.56%，果胶质-7.43%，脂蜡质及水溶物-11.09%，含胶率-40.83%。）、氢氧化钠、双氧水（30%，分析纯）、硫酸镁、碳酸钠、三聚磷酸钠等；UV辐射装置，低温冷冻箱，蒸锅，索氏提取器等。

1.2 实验方法

本实验的UV-冷冻-骤热脱胶工艺流程如下：

首先对工业大麻纤维进行预水处理，把工业大麻纤维加入去离子水中，浴比20g/L，预水温度100℃，时间 2h。

UV-辐照处理：

将预水处理后的工业大麻纤维放入含有双氧水、氢氧化钠、2g/L的硫酸镁、2.4g/L硅酸钠的混合溶液中，浴比 50g/L，双氧水的浓度分别是 6g/L、8g/L、10g/L、12g/L、14g/L、16g/L，氢氧化钠的浓度分别是6g/L、8g/L、10g/L、12g/L、14g/L、16g/L。UV-辐照的紫外波长是298 nm，辐照时间分别是20 min、30 min、40 min、50min、60min。

冷冻-骤热处理：

将预水处理后湿的工业大麻纤维直接放入冷冻冰箱里，冷冻温度分别为-20℃、-40℃、-55℃、-75℃，冷冻时间为30min。把冷冻处理后的工业大麻纤维迅速取出，放入预热好的蒸锅中蒸，骤热温度分别为 80℃、100℃、120℃、140℃，时间为 30min。

碱煮处理：将工业大麻纤维放入含有12g/L H2O2，12g/L NaOH，2.4g/L MgSO4，2.4g/L Na2SiO3和4.8g/L Na5P3O10的混合溶液中，浴比为50g/L，加热到100℃后，保持温度2h；最后用50℃水冲洗工业大麻纤维至洗液pH值为7，烘干梳理。

1.3 检测方法：

1.3.1采用GB-5889-86《苎麻理化学成分分析方法》测定工业大麻化学成分的含量。

1.3.2采用GB/T-18147-2-2000《大麻纤维试验方法第2部分：残胶率试验方法》测定工业大麻纤维的残胶率。

图1 双氧水浓度对大麻残胶率的影响Fig.1 Effect of hydrogen peroxide concentration on the residual gum content

2 结果和讨论

2.1 UV-辐照处理中双氧水浓度对工业大麻纤维残胶率的影响

图1是在氢氧化钠为12g/L、辐照时间为40min和不同双氧水浓度条件下，UV-辐照处理后烘干的工业大麻纤维残胶率曲线图。如图所示：残胶率随着双氧水质量浓度的增加而降低，双氧水质量浓度为12g/L时，工业大麻纤维的残胶率最低为22.4%，当双氧水质量浓度再增加时，残胶率没有降低反而增加。分析认为：双氧水与工业大麻纤维中的胶质和着色物质发生氧化降解，从而去除胶质和漂白纤维，使残胶率降低。但是双氧水不仅能与胶质发生氧化降解，在一定的浓度等条件下可以与纤维素中β-(1-4)糖苷键发生氧化反应，使纤维素链断裂，生成非纤维素物质，使残胶率增加。通过分析双氧水的质量浓度12g/L为宜。

2.2 UV-辐照处理中氢氧化钠的浓度对工业大麻纤维残胶率的影响

在双氧水质量浓度为12g/L，辐照时间为40min条件下，UV-辐照处理后，干燥工业大麻纤维的残胶率与氢氧化钠质量浓度的关系见图2。从图中看出，工业大麻纤维的残胶率随着氢氧化钠质量浓度的增加而降低。通过实验分析认为：碱液中的OH－与胶质中的木质素作用发生亲和反应使其降解，并且氢氧化钠能溶解和水解胶质中不稳定的果胶和半纤维素，进而使残胶率降低。又因为胶质中的半纤维素和部分木质素呈无定形聚集态，容易使OH－穿过胶质渗透到纤维素中与β-糖苷键作用发生碱性水解，使纤维素结构被破坏，降低纤维的断裂强力，所以氢氧化钠的浓度不宜太大。通过对纤维强力的测定分析发现氢氧化钠的质量浓度高于12g/L以后，工业大麻纤维的纤维强力损失严重，综合分析认为氢氧化钠的质量浓度12g/L比较适宜。

图2 氢氧化钠浓度对大麻残胶率的影响Fig.2 Effect of sodium hydroxide concentration on the residual gum content

2.3 UV-辐照时间对工业大麻纤维残胶率的影响

图3 UV-辐照时间对大麻残胶率的影响Fig.3 Effect of UV-radiation time on the residual gum content

经过预水处理和不同UV-辐照时间处理后，干燥工业大麻纤维的残胶率曲线如图3所示：未经UV-辐照的残胶率为34.7%，UV-辐照30min时为27.1%，40min时为22.4%，残胶率随着UV-辐照时间的增加而降低，当UV-辐照时间大于40min时，残胶率变化趋于平缓。实验分析认为UV-辐照使溶液中的H2O2分解产生自由基[O]、HO2-和HO-，这些自由基具有强氧化性，与工业大麻纤维中非纤维成分和着色物质发生氧化降解，从而去除非纤维素和漂白纤维，随着UV-辐照时间增加持续的产生自由基与非纤维素发生氧化降解，使残胶率降低。实验中进行UV-辐照处理时既要考虑降低残胶率，又要注意减少纤维素的损伤。实验发现，UV-辐照时间越长对纤维损伤越大，断裂强力降低，所以应适当控制UV-辐照时间。UV-辐照50min比40min的纤维残胶率仅降低1%，但是纤维断裂强力却下降了9.5cN，因此辐照40min较为适宜。

2.4 冷冻-骤热处理中冷冻温度对工业大麻纤维残胶率的影响

图4为在骤热温度为120℃，不同冷冻温度条件下，冷冻-骤热处理后干燥工业大麻纤维的残胶率曲线。由图可见，工业大麻纤维的残胶率随着冷冻温度的降低而降低。由实验分析得知，在突然降温过程中，胶体中的不同化学成分在纤维上的纵向收缩程度不同，从而使胶体产生了纵向裂纹和破坏。温度越低对胶体产生的破坏越大，越容易后续处理脱除胶质。进行脱胶处理时在降低残胶率的同时要减少能耗，-75℃处理的纤维与-55℃的相比残胶率仅降低0.1%，但是能耗要高很多。本实验优选冷冻温度为-55℃。

图4 冷冻温度对大麻残胶率的影响Fig.4 Effect of freezing temperature on the residual gum content

图5 骤热温度对大麻残胶率的影响Fig.5 Effect of heating temperature on the residual gum content

2.5 冷冻-骤热处理中骤热温度对工业大麻纤维残胶率的影响

在冷冻温度-55℃，不同骤热温度下，工业大麻纤维经过冷冻-骤热处理后，干燥的工业大麻纤维残胶率的变化如图5。通过分析图5发现，工业大麻纤维的残胶率随着骤热温度的增加而降低。通过分析认为：冷冻后的工业大麻纤维，由低温环境迅速加入高温环境中，冷冻收缩的工业大麻纤维瞬间膨胀，不同的化学物质膨胀系数不同，造成工业大麻纤维与胶质的相对位移，并且胶质内部产生裂纹;已渗入纤维内部的和胶体之间的水分产生热蒸汽分子以气流的方式从密闭的孔隙中释放，使胶质产生进一步破坏和部分胶质剥离纤维，所以工业大麻纤维残胶率降低。骤热温度120℃时工业大麻纤维的残胶率仅比140℃时低0.3%，但是比140℃的能耗要小很多，所以骤热温度选120℃较为适宜。

2.6 UV-冷冻-骤热预处理对工业大麻纤维脱胶效果的影响

表6是UVFH处理后碱煮的工业大麻与直接碱煮法脱胶处理后工业大麻的主要成分含量变化。

通过对UVFH处理后碱煮的工业大麻纤维与直接碱煮的工业大麻纤维的化学成分和残胶率进行对比发现，UVFH处理有有利于胶质的脱除，降低了碱煮的负担。UVFH处理后进行一次碱煮就达到了脱胶的要求（残胶率4%以下，木质素含量0.8%以下[10]）。通过分析认为UV-辐照处理中由于双氧水、氢氧化钠和紫外线的作用，使胶质被氧化降解，从而胶质层变薄并被破坏，同时紫外线对胶质层表面产生刻蚀，增加胶质层的比表面积，有利于胶质与碱液的充分接触。冷冻-骤热处理过程中胶质层被破坏和产生裂纹，有利于后续碱煮处理中碱液对胶质的可及度，使胶质和碱液充分接触反应。

3 结论

UV-辐照、冷冻-骤热预处理有利于胶质的脱除，降低了后续碱煮处理的负担，进行一次碱煮就可以达到脱胶的要求，减少了化学试剂的用量，降低了能耗，减轻了脱胶工艺对环境的影响。

UV-辐照、冷冻-骤热预处理的最佳工艺参数为：氢氧化钠质量浓度12g/L，双氧水质量浓度12g/L，UV-辐照时间40min，冷冻温度-55℃，骤热温度120℃。采用本实验UVFH脱胶工艺处理后，大麻纤维残胶率和木质素量都有了明显的降低，经过脱胶处理后木质素含量由7.56%降低到0.75%，残胶率由40.83%降低到2.95%，符合纺织后整理的工艺需求；白度由16.4提高到59.2；纤维的平均直径数值变小，纤维变细且均匀，能够满足纺纱的要求。

[1] 魏丽乔,许并社,罗玉成.汉麻纤维冷冻辐射辅助脱胶工艺［P］.中国发明专利：ZL200810054986.5,2008.10.01.

[2] 许并社,李德茂,戴晋明,魏丽乔，等.大麻纤维脱胶煮练助剂及其制备方法和应用［P］.中国发明专利：ZL200910074395.9,2009.10.07.

[3] 魏述众.生物化学[M].北京:中国轻工业出版社,1996.

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