化学脱胶处理对汉麻纤维结构和性能的影响

邓云红，尤玲玲，刘洪玲，于伟东，张 璐，巴依娜

（东华大学 纺织学院，上海 201620）

化学脱胶处理对汉麻纤维结构和性能的影响

邓云红，尤玲玲，刘洪玲，于伟东，张 璐，巴依娜

（东华大学 纺织学院，上海 201620）

研究不同质量浓度的碱处理对汉麻纤维的结构和性能的影响.采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、强伸仪和弯曲测试仪，对汉麻纤维脱胶前后的表面形态、结晶结构、拉伸及弯曲性能变化进行表征.研究结果表明，碱处理将纤维中的非纤维素物质逐渐去除，使汉麻纤维表面变得光滑，但碱液质量浓度过高会使纤维产生裂缝.随着碱液质量浓度的增加，纤维的羟基数量先减少后增加，因为在高质量浓度下碱液进入无定形区和结晶区边缘，使纤维产生更多无定形区，导致羟基数量增加.X射线衍射结果表明，纤维的结晶指数先增加后减少.经碱处理后，纤维的断裂强力逐渐增加，断裂伸长率先上升后降低，纤维的等效弯曲模量和抗弯刚度都逐渐降低.

汉麻；化学脱胶；表面形态；结晶指数；抗弯刚度

随着社会的发展，人们的消费理念发生转变，越来越注重绿色天然的产品.纺织品与人们的生活息息相关，因此，人们对它的要求也越来越高.汉麻纤维作为天然纤维，以其滑爽、透气、古朴、自然的独特风格倍受消费者欢迎.我国汉麻产量居世界首位，其主要用于制造绳索，直到汉麻纤维的细度得到改善后，其在服装上的应用才有所扩大［1］.

汉麻纤维的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素以及其他胶质等.木质素的存在使得汉麻纤维较硬，影响了其应用，所以在脱胶处理过程中要尽可能多地去除木质素.木质素含量少的纤维光泽好，洁白柔软且有弹性，可纺性、染色性好，能满足纺织印染的加工要求［2］.

经化学脱胶处理的汉麻纤维在纤维的结构和性能方面，如结晶度、单纤维强度、单纤维弯曲刚度等都会发生一定的变化［3-6］.本文探讨汉麻纤维的化学脱胶技术，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）方法表征汉麻纤维化学脱胶前后成分和结构的变化，并借助单纤维强伸仪和单纤维弯曲测量系统测试汉麻纤维的拉伸和弯曲性能，为脱胶效果的评定提供理论依据.

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

汉麻纤维由山西绿洲纺织有限公司提供，化学试剂包括NaOH、硫酸、磷酸三钠和亚硫酸钠，均为国产分析纯.

1.2 试验过程

将3 g干燥的汉麻纤维于50℃下在质量分数为1%的稀硫酸中浸泡2 h，以去除部分杂质，充分水洗后，将纤维分别置于质量浓度为7，10，13，20 g／L的NaOH溶液中（溶液中同时加入磷酸三钠和亚硫酸钠作为助剂加强纤维的脱胶效果），在80和100℃的温度条件下分别处理1，2，3 h.所有试验过程都采用20∶1的质量浴比.

1.3 化学成分分析

汉麻纤维的主要化学成分测试参照GB 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》.根据试验获得汉麻纤维中果胶、半纤维素、纤维素及木质素等的含量.

1.4 扫描电子显微镜（SEM）测试

将汉麻纤维有序排放在扫描电子显微镜的载物台上，喷金处理后采用JSM-5600V型扫描电子显微镜观察.设定测试距离为10 mm，工作电压为10 k V，观察纤维放大500倍后的纵截面形态.

1.5 纤维拉伸性能测试

将测试试样放在温度为（20±2）℃、相对湿度为（65±2）%的恒温恒湿室中调湿2 d，再采用XQ-2型强伸仪测试汉麻纤维的强度.每个样品测量100根束纤维.仪器测试参数：强力范围为0～100 c N，夹持距离为10 mm，拉伸速度为100 mm／min，伸长率范围为0～10%.

1.6 红外光谱分析

采用Thermo Nicolet 5700型傅里叶红外光谱仪对试验材料进行红外光谱分析，测试范围为650～4 000 cm-1，扫描次数为64次，分辨率为1 cm-1.

1.7 X射线衍射分析

采用D／Max-2550 PC型X射线衍射仪对试验样品进行X衍射测试并分析.铜靶，衍射波波长为0.154 2 nm，2θ为5°～60°.测试后纤维结晶指数（CI）采用Empirical公式［7］估算，计算式如下：

其中：I002为最大衍射强度，它的晶格峰值为2θ在22°～23°；Iam为非结晶区的衍射强度，该衍射强度为2θ在18°～19°的最小值.

1.8 弯曲模量测试

纤维弯曲模量测试仪由东华大学纺织材料技术团队研发.试验样品在测试前用乙醚和乙醇清洗，然后置于标准大气环境（温度为（20±2）℃、相对湿度为（65±2）%）中调温调湿24 h，再进行测试.单纤维试样由金属片夹紧，随着金属台的上升，试样与顶部的金属薄片接触发生弯曲，由传感器将数据输出.

弯曲刚度反映纤维的弯曲性能，它的大小影响纤维的刺痒感.根据单纤维弯曲试验仪的试验原理，临界载荷Pcr的表达式［8-9］为

其中：EB为纤维的弯曲模量；I为惯性矩；L为纤维长度；EBI为抗弯刚度.

根据式（3）即可计算纤维的弯曲模量.

2 结果与讨论

2.1 汉麻原麻化学成分

经测定，干剥汉麻原麻纤维的化学成分如表1所示.

表1 汉麻纤维成分质量分数Table 1 Mass fraction of ingredients of hemp fiber%

2.2 电子显微镜测试分析

汉麻在不同质量浓度NaOH溶液中于100℃下碱煮2 h得到的纤维扫描电镜图如图1所示.由图1可知，随着NaOH质量浓度的增加，纤维表面的半纤维素、果胶和木质素等非纤维素物质被逐渐去除，纤维变得光滑，同时纤维的线密度也逐渐降低；当NaOH质量浓度达到一定值后，随着NaOH溶液对纤维表面胶质、木质素的去除更加彻底，纤维表面产生较深的裂缝，如图1（d）所示.

图1 不同质量浓度NaOH处理后的汉麻纤维的SEM图Fig.1 SEM photomicrographs of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

2.3 纤维拉伸性能

100℃条件下碱煮2 h后得到的纤维强伸性能如图2所示.由图2可知，随着NaOH质量浓度的增加，汉麻纤维的断裂强度呈逐渐增加的趋势.这是因为随着NaOH质量浓度的增加，胶质等被部分去除，纤维素分子链得以舒展，堆砌结构得以重排，所以纤维的断裂强度增加.由图2还可以看出，当NaOH质量浓度低于13 g／L时，纤维中的非纤维素杂质被去除，纤维更加柔软不易断，其断裂伸长率增加.但当NaOH质量浓度大于13 g／L时，汉麻纤维中的果胶、木质素等杂质被过分去除，汉麻纤维的脱胶程度过高，纤维素分子链得以舒展，纤维拉伸至断裂时，纤维素大分子滑移量相对较小，所以纤维的断裂伸长率下降.

图2 NaOH质量浓度与纤维断裂强度和断裂伸长率的关系Fig.2 The relationship between alkali mass concentration and the breaking strength or the breaking elongation of hemp fibers

2.4 碱处理对汉麻纤维红外光谱的影响

不同NaOH质量浓度处理后的汉麻纤维的红外光谱图如图3所示.由图3可知，碱处理后纤维在波数为1 368和1 363 cm-1附近处的红外谱带变小，这主要是由于半纤维素成分的去除所致.半纤维素在纤维素和木质素之间形成交联，从而在纤维素微原纤和木质素之间形成剪切应力，半纤维素的去除可能导致拉伸负荷下剪切应力的减小.1 736 cm-1处的吸收峰为半纤维素的特征吸收峰，1 630和1 510 cm-1处为木质素的特征吸收峰，1 320和1 160 cm-1处的吸收峰减弱，表明碱处理可去除麻纤维表面的部分木质素、半纤维素、聚木糖等低分子杂质.

图3 不同质量浓度NaOH处理后的汉麻纤维红外光谱图Fig.3 FTIR images of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

红外谱带在3 650～3 000 cm-1处被认为是—OH的拉伸区.在NaOH质量浓度为7 g／L，温度为100℃和处理2 h后的汉麻纤维红外光谱吸收谱带图如图4所示.采用Origin软件进行分峰处理，拟合成4个峰.4个峰的位置分别在3 440 cm-1处（分子间的羟基O（2）H…O （6）），3 349 cm-1处（分子间的羟基O（3）H…O （5）），3 277 cm-1处（分子内的羟基O（6）H…O（3′））和3 201 cm-1（O—H 拉伸振动）处［10］.

不同质量浓度的NaOH溶液处理后汉麻纤维的—OH谱带的红外光谱分峰结果如图5所示.从图5可以看出，4个峰的面积都随着NaOH质量浓度的增加呈现先减少后增加的趋势，并且在NaOH质量浓度为13 g／L时，各峰的面积最小.结晶区的排列比较紧密，NaOH溶液很难进入结晶区，其主要与纤维的无定形区及结晶区的边缘部分发生反应.当NaOH质量浓度小于13 g／L时，NaOH与纤维中的—OH发生反应，导致纤维中—OH数目减少.当NaOH质量浓度大于13 g／L时，NaOH会与结晶区末端的链段发生反应，导致OH链节打开，然后进入新的无定形区，从而产生了更多的无定形区，所以随着NaOH质量浓度的继续增加，—OH数目反而增加［11-12］.

图4 区域1处红外光谱的解卷积谱带Fig.4 Deconvolved FTIR spectra of the region 1

图5 不同质量浓度NaOH溶液处理后汉麻纤维的—OH谱带的红外光谱分峰结果Fig.5 Hydrogen bond characteristics of hemp fiber with FTIR spectra regions with treatment under different alkali mass concentration

2.5 碱处理对汉麻纤维结晶指数的影响

在100℃条件下用不同质量浓度的NaOH碱液煮2 h后汉麻纤维的X射线衍射谱图如图6所示.由图6可知，汉麻纤维的主要结晶峰在22°～23°，最小吸收强度在18°～19°.经分析及计算可得出4种NaOH质量浓度的碱液脱胶处理后汉麻纤维的结晶指数如图7所示.由图7可以看出，随着NaOH质量浓度的增加，汉麻纤维的结晶指数呈先增大后减小的趋势.碱处理后纤维的布拉格角度不变，衍射峰值减小，说明纤维素结晶晶型没有改变.当使用NaOH质量浓度小于10 g／L的碱液处理时，随着纤维表面的杂质逐渐被去除，纤维结晶度增加；当NaOH质量浓度超过10 g／L时，分子链间氢键的活泼羟基与碱液发生反应，引起结晶区氢键的破裂，导致结晶区减小，另一方面，NaOH质量浓度较大使得纤维发生膨胀，导致部分较小、较弱的有序区解体.因此，随着NaOH质量浓度的增大，处理后纤维的结晶度呈先增加后减小的趋势.

图6 不同质量浓度NaOH处理后的汉麻纤维的X射线衍射图Fig.6 X-ray diffraction image of hemp fiber with treatment under different alkali mass concentration

图7 不同质量浓度NaOH处理后汉麻纤维的结晶指数Fig.7 The crystallization index of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

2.6 碱处理对汉麻纤维弯曲性能的影响

不同质量浓度NaOH处理后汉麻纤维的载荷-轴向位移图如图8所示.由图8可以看出，在其他条件不变时，随着NaOH质量浓度的增加，纤维临界载荷逐渐减小.当NaOH质量浓度小于10 g／L时，纤维的临界载荷变化不明显；当NaOH质量浓度超过10 g／L，随着NaOH质量浓度的增加，处理后纤维的临界载荷变化较大，减小量超过50%.

图8 不同质量浓度NaOH处理后纤维的载荷-轴向位移图Fig.8 Load-axial displacement diagram of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

根据单纤维弯曲测试结果，得不同质量浓度NaOH处理后纤维临界载荷Pcr与D4／L2关系的线性拟合结果如图9所示.根据式（3）和图9计算得到的汉麻纤维等效弯曲模量和抗弯刚度如表2所示.由表2可以看出，随着NaOH质量浓度的增加，汉麻纤维等效弯曲模量和抗弯刚度都逐渐减小；当NaOH质量浓度达到20 g／L时，等效弯曲模量和抗弯刚度均最小，相对于NaOH质量浓度为13 g／L时，虽然纤维直径只发生了细微变化，但其等效弯曲模量和抗弯刚度分别下降77%和80%；经NaOH质量浓度为10 g／L的碱液处理后，纤维的抗弯刚度约为质量浓度为7 g／L的处理后纤维的一半.

图9 不同质量浓度NaOH处理后汉麻纤维临界载荷Ρcr与D4／L2的关系Fig.9 Relationship of critical force Pcr with D4／L2 of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

表2 不同质量浓度NaOH处理后汉麻纤维的直径、等效弯曲模量和抗弯刚度的变化Table 2 Variation of diameter，equivalent flexural modulus and flexural rigidity of hemp fibers with treatment under different alkali mass concentration

3 结 语

本文研究了不同NaOH质量浓度的碱处理对汉麻纤维结构和性能的影响.研究表明，碱处理可将纤维中的半纤维素和木质素等逐渐去除，使得汉麻纤维表面变得光滑，但NaOH质量浓度过高，则会使纤维产生劈裂.随着NaOH质量浓度的增加，纤维表面的非纤维素物质被去除，纤维素分子链得以舒展，堆砌结构得以重排，所以纤维的断裂强力逐渐增加，而纤维的断裂伸长率则先增加后降低.低NaOH质量浓度时，碱液与纤维中的—OH反应，导致纤维的—OH含量下降；当NaOH质量浓度过高，碱液与结晶区末端的链段发生反应，导致—OH的打开使纤维无定形区增加，从而使纤维中—OH含量增加.当NaOH质量浓度小于10 g／L时，纤维表面的杂质逐渐去除，纤维结晶度增加；当NaOH质量浓度超过10 g／L时，分子链间氢键的活泼羟基与碱液反应，引起结晶区氢键的破裂，从而导致结晶区减小，同时纤维发生膨胀导致部分较小、较弱的有序区解体.因此，随着NaOH质量浓度的增加，处理后纤维的结晶度呈先增加后减少的趋势.另外，碱处理去除了纤维中的胶质、木质素等物质，使纤维的等效弯曲模量和抗弯刚度都逐渐降低，汉麻纤维变得更细、更软.

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Effect of Chemical Degumming on the Structure and Properties of Hemp Fiber

DENGYun-hong，YOULing-ling，LIUHong-ling，YUWei-dong，ZHANGLu，BAYi-na

（College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The effect of the structure and properties of hemp fiber treated by different alkali mass concentration was studied.The changes of the surface morphology，crystallization structure，tensile and bending property of hemp fiber were indicated by scanning electron microscope（SEM），Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR），X-ray diffraction （XRD），tensile tester and bending instrument.The research results showed that with the alkali treatment，the non-cellulosic materials removed from surface to make the fiber smooth，but high alkali mass concentration caused many cracks along the axis of fiber.The amount of hydrogen bonding decreased firstly and then increased with the increase of the alkali mass concentration.At high mass concentration，alkali solution entered the amorphous region and the edge of crystallization region which leaded to the amount of hydrogen bonding increasing because of the increase of amorphous region area.The fiber crystallization index increased firstly and then decreased by the analysis of X-ray diffraction.With the alkali treatment，the fiber breaking strength gradually increased，and the breaking elongation increased firstly and then decreased，while the fiber equivalent flexural modulus and flexural rigidity gradually declined.

hemp；chemical degumming；surface morphology；crystallization index；flexural rigidity

TS 102.3

A

2013-05-20

邓云红（1988—），女，湖南武冈人，硕士研究生，研究方向为麻纤维脱胶程度表征.E-mail：dyhyyjiayou＠sina.com

刘洪玲（联系人），女，副教授，E-mail：hlliu＠dhu.edu.cn

1671-0444（2014）03-0270-06