玉米苞叶纤维性能研究

周 蓉，李春光，芮亚娟

(1.河南工程学院 纺织学院， 河南 郑州 450007； 2.纺织服装产业河南省协同创新中心，河南 郑州 450007；3.河南轻工职业学院 轻化工程系，河南 郑州 450000)

玉米苞叶纤维性能研究

周 蓉1,2，李春光3，芮亚娟1

(1.河南工程学院 纺织学院， 河南 郑州 450007； 2.纺织服装产业河南省协同创新中心，河南 郑州 450007；3.河南轻工职业学院 轻化工程系，河南 郑州 450000)

对采用不同脱胶工艺得到的玉米苞叶纤维进行纤维形态结构、热学性能和力学性能研究.结果表明：脱胶后的纤维表面不平整，内部有孔洞，采用“预处理+煮练”工艺处理后的纤维结构较紧密；脱胶可以提高纤维的耐热性，直接煮练后纤维大分子裂解开始温度为230 ℃，“预处理+煮练”后纤维大分子裂解开始温度为260 ℃；脱胶后纤维呈本白色；直接煮练后纤维平均长度为12.1 cm，线密度为12.06 tex，断裂强度为9.04 cN/tex，断裂伸长率为15.93%；“预处理+煮练”后纤维平均长度为9.3 cm，线密度为11.18 tex，断裂强度为6.68 cN/tex，断裂伸长率为14.16%，纤维柔软，有一定的可纺性.

玉米苞叶；纤维结构；热学性能；力学性能

玉米苞叶是玉米果穗的外部包覆部分，纤维素含量高、结构紧密[1].为更好地研究脱胶后纤维的可纺性能，对采用不同脱胶工艺得到的玉米苞叶纤维进行测试研究，以期后续可以更好地在纺织行业开发应用.

1 纤维脱胶

1.1 脱胶方法

经测试，玉米苞叶的化学成分主要有纤维素54%～58%(质量分数，下同)，半纤维素8%～12%，木质素18%～21%，以及少量蜡质素和灰分等[2].由于玉米苞叶中纤维素、灰分、脂蜡质等的含量与大麻相近，木质素含量与棉秆皮相近，半纤维素含量与亚麻相近，故借鉴大麻、亚麻和棉秆皮的脱胶方法对玉米苞叶纤维进行脱胶处理.

1.2 脱胶工艺

为了研究玉米苞叶及其脱胶后的形态特征变化，在参考大量文献和多种实验探索的基础上[3-5]，采用了直接煮练和“预处理+煮练”两种工艺对玉米苞叶进行处理，优化后采用以下工艺流程和参数.

直接煮练工艺流程：试样准备→水洗→煮炼→水洗→脱水→烘干.煮练工艺反复优化后确定为NaOH溶液ρ(NaOH)=20 g/L、时间120 min、温度90 ℃、脱胶率77%.

“预处理+煮练”工艺流程：试样准备→预处理→水洗→煮练→水洗→打纤→酸洗→水洗→脱水→给油→脱水→自然晾干.其中，预处理优化工艺确定为H2O2质量浓度8 g/L、尿素质量浓度8 g/L、时间30 min、温度20 ℃；煮练脱胶工艺反复优化后确定为NaOH溶液质量浓度15 g/L、多聚磷酸钠质量分数3%、亚硫酸钠质量分数2%、硅酸钠制裁量分数2%、草酸铵质量分数2%、温度80 ℃、时间90 min、脱胶率85%.

后续的纤维性能研究均采用在上述工艺条件下脱胶获得的纤维，未经其他处理.

2 纤维形态特征

2.1 纤维形态结构

采用化学工艺脱胶后的玉米苞叶纤维，颜色为稍微泛黄的本白色，光泽较好，纤维没有完全分散，大多呈束纤维状.其中，采用“预处理+煮练”脱胶处理的纤维颜色更白、光泽更好.采用捷克FEI Quanta 250型扫描电子显微镜对玉米苞叶及其脱胶后的纤维进行观察，不同纤维的形态结构分别见图1至图3.

图1 未脱胶的玉米苞叶形态结构Fig.1 Morphological structure of corn husks fibers without degumming

图2 直接煮练脱胶后的纤维形态结构Fig.2 Morphological structure of corn husks fibers after the direct scouring

图3 “预处理+煮练”脱胶后的纤维形态结构Fig.3 Morphological structure of corn husks fibers after the pretreatment and scouring

从图1、图2和图3的纤维形态结构可以看到：未脱胶的玉米苞叶呈层叠状，纤维结构较松散，横截面有明显的孔洞，纤维间缝隙大，纤维的外沿有明显的表面覆盖胶质层；采用直接煮练脱胶工艺处理后的纤维纵向外观有明显的孔洞，表面不平整，横向截面有较多空隙，但比未脱胶的玉米苞叶空隙小；采用“预处理+煮练”工艺处理后的纤维结构更加紧凑，空隙和孔洞小而少，说明脱胶后胶质明显减少，纤维更加靠近，结构紧密，采用“预处理+煮练”工艺的纤维脱胶程度高于直接脱胶.

2.2 纤维长度和线密度

采用逐根测量法对纤维长度进行测试.选择用直接煮练和“预处理+煮练”两种脱胶方案得到的各200根束纤维进行测试.随机选取纤维，用直尺逐根测量纤维的长度.将纤维按2 cm分组计根数，纤维的长度分布见表1.

表1 纤维脱胶后的长度分布Tab.1 Distribution of fiber length after degumming

纤维线密度采用中段切断称重法测试.切断长度为50 mm，每组80根，称质量后计算得到纤维线密度，采用2次试验求取平均值.

式中：T为线密度，dtex；m为中段纤维质量，mg；L为中段纤维长度，50 mm；n为纤维根数，n=80.

表2 脱胶后束纤维长度和线密度Tab.2 Length and linear density of fiber after degumming

纤维长度、线密度测试结果见表2.

从表1与表2可以看出：直接煮练后得到的纤维平均长度较大，但离散度较大，平均线密度较大；采用“预处理+煮练”得到的纤维平均长度略小，但离散度和纤维平均线密度较小；两种脱胶方案结果均是6～12 cm纤维根数较多.对比常用麻类纤维的长度与线密度[3]可知，脱胶后的玉米苞叶纤维线密度偏大，稍短.

3 纤维的热学性能

为了更好地了解玉米苞叶的热学性能，采用德国耐驰STA449F3型热分析仪，分别对未脱胶的玉米苞叶、直接煮练脱胶的纤维及“预处理+煮练”脱胶后的纤维进行了测试，得到的热重分析见图4至图6.

图4 玉米苞叶原纤维(未脱胶)的热重分析Fig.4 The thermogravimetric analysis diagram of corn husks raw fibers(without degumming)

图5 直接煮练后的纤维的热重分析Fig.5 The thermogravimetric analysis diagram of corn husks fibers after the direct scouring

图6 “预处理+煮练”后的纤维热重分析Fig.6 The thermogravimetric analysis diagram of corn husks fibers after the pretreatment and scouring

对比图4、图5、图6中的热失重曲线可以看出，玉米苞叶原纤维和经过不同脱胶方式处理的纤维曲线形态基本一致，热失重性能比较接近.3种纤维的主失重温度略有差异，玉米苞叶原纤维在308 ℃附近，直接煮练后纤维在310 ℃附近，“预处理+煮练”后纤维的主失重温度在312 ℃附近.纤维的热重曲线图中出现了2个失重阶：第1个失重阶均发生在70 ℃左右，其质量损失主要为纤维所含的水分和小分子助剂，玉米苞叶原纤维为8.22%，直接煮练后的纤维为8.7%，“预处理+煮练”后的纤维为8.67%；第2个失重阶开始随着温度升高，失重曲线由缓至急，失重的主要原因是高温时纤维自身的分解，后续又逐渐趋于平缓.3种纤维第2阶段有所差异：玉米苞叶原纤维开始失重发生在200 ℃左右，在200～365 ℃出现显著的失重台阶，纤维的失重率达到53.2%，在365～598 ℃时失重率为8.5%，最终的质量残留率约为30%；直接煮练后的纤维开始失重发生在230 ℃左右，在230～365 ℃时出现显著的失重台阶，纤维的失重率达到73.2%，在365～598 ℃时失重率为11.2%，最终的质量残留率约为7.1%；“预处理+煮练”后的纤维开始失重发生在260 ℃左右，在260～365 ℃时出现显著的失重台阶，纤维的失重率达到60%左右，在365～598 ℃时失重率为10.6%，最终的质量残留率约为20.7%.综上，玉米苞叶纤维脱胶前后的最大失重温度范围、最大失重速率温度接近，但失重初始温度有所变化.纤维在经过脱胶处理后，大分子排列更加有序，耐热性有所升高，第2个失重阶的发生温度升高.在纤维加工过程中，要注意不超过第2个失重阶的开始温度.

纤维的差式扫描量热分析(DSC)曲线表明：3种纤维的熔融曲线有一定差异，未脱胶的玉米苞叶原纤维有1个明显的吸热峰、1个较小的吸热峰和1个较小的放热峰；采用“预处理+煮练”工艺的玉米苞叶纤维有1个明显的吸热峰、1个较小的放热峰和2个较小的吸热峰；直接煮练后的玉米苞叶纤维有2个比较明显的吸热峰、1个较小的放热峰.未脱胶的玉米苞叶原纤维的显著吸热峰值出现在80.97 ℃，采用“预处理+煮练”工艺的玉米苞叶纤维的显著吸热峰值出现在74.79 ℃，直接煮练后的玉米苞叶纤维的2个比较明显的吸热峰值分别出现在81.2 ℃和350.28 ℃.上述吸热峰出现在低温时主要是由于玉米苞叶受热后纤维中的水分和其他小分子流失，吸热值和纤维脱胶与否及脱胶工艺有关：直接煮练脱胶纤维>“预处理+煮练”脱胶工艺的纤维>未脱胶原纤维，说明脱胶后的纤维胶质少、水分更容易流失.3种纤维均在250～350 ℃出现小的吸热峰和放热峰，说明在这个过程中纤维大分子出现裂解，未脱胶的原纤维曲线变化较为缓和.

4 纤维的力学性能

由于煮练脱胶工艺采用了碱处理，引起了纤维素聚合度的降低，使纤维强力降低.采用LLY-06BD型电子式单纤维强力仪对纤维的拉伸性质进行测试.实验条件：夹持距离为10 mm，拉伸速度为10 mm/min，预加张力为0.30 cN，温度为20 ℃，65%RH，实验次数为20.测试结果见表3.

表3 玉米苞叶纤维的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of corn husks fibers

从表3可以看出，采用不同的脱胶方法，纤维的拉伸性能有较大的差异，直接煮练得到的纤维断裂强度较大，但初始模量偏大，纤维较粗硬，采用“预处理+煮练”工艺得到的纤维手感较柔软.脱胶后的玉米苞叶纤维和其他麻类纤维相比强度较低，但断裂伸长率明显较高，纤维的综合力学性能尚可.后续实验表明，采用“预处理+煮练”工艺处理的玉米苞叶纤维可以通过混纺开发粗特纱线，生产相应的纺织产品.

5 结论

(1)采用电镜观测脱胶前后的纤维，未脱胶的玉米苞叶结构呈层叠状，内部结构较松散，横截面有明显的孔洞，纤维间缝隙大，纤维的外沿有明显的胶质层；采用直接煮练脱胶后的纤维纵向外观有明显的孔洞，表面不平整，横向截面有较多空隙，但比未脱胶的玉米苞叶空隙小；采用“预处理+煮练”工艺处理后的纤维结构紧密，空隙和孔洞小而且少.

(2)热重分析表明，脱胶前后的玉米苞叶纤维的热重曲线基本一致，热失重性能比较接近.纤维经过脱胶处理后，大分子排列更加有序，耐热性有所提高.直接煮练后的纤维大分子裂解开始温度为230 ℃，“预处理+煮练”后的纤维大分子裂解开始温度为260 ℃，耐热性更好，在纤维加工过程中须控制不超过此温度.DSC分析表明，3种纤维的熔融曲线有一定差异，吸热值和纤维脱胶与否及脱胶工艺有关，脱胶后的纤维胶质少，水分更容易流失.

(3)不同脱胶方法处理的纤维力学性能和外观有一定差异.直接煮练得到的束纤维外观呈本白色，平均长度为12.1 cm，线密度为12.06 tex，断裂强度为9.04 cN/tex，断裂伸长率为15.93%；“预处理+煮练”得到的束纤维平均长度为9.3 cm，线密度为11.18 tex，断裂强度为6.68 cN/tex，断裂伸长率为14.16%，纤维颜色更白，光泽较好，柔软性好，有较好的可纺性.

(4)脱胶得到的玉米苞叶纤维的结构和性能与麻类纤维比较接近，在长度、线密度等可纺性能上稍差于麻类纤维，但断裂伸长率较高，有一定的柔韧性和拉伸弹性.

[1] ZHOU R,YANG M X,ZHANG H X. Research on pretreatment technology for corn husk degumming[J].Polymers & Polymer Composites，2014,22(10):687-691.

[2] YANG M X,ZHOU R.Research on degumming experiment of corn bracts [J].Advanced Materials Research,2012(7):1242-1247.

[3] 李飞．棉秆皮纤维的脱胶工艺及结构性能研究[D].郑州：中原工学院，2008:9-28.

[4] 李明，丁绍敏.桑树皮工艺纤维化学脱胶工艺的优化[J].广西纺织科技，2008，37(4):1-3.

[5] 杨明霞，周蓉.玉米苞叶的煮练工艺优化[J].化工新型材料,2015,43(5):193-196.

Studyonthepropertiesofcornhuskfibers

ZHOURong1,2，LIChunguang3,RUIYajuan1

(1.CollegeofTextileEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou450007,China;2.HenanCollaborativeInnovationCenterofTextileandGarmentIndustry,Zhengzhou450007,China;3.DepartmentofLightChemicalEngineering,HenanVocationalCollegeofLightIndustry,Zhengzhou450000,China)

The fiber morphological structure, thermal and mechanical properties of corn husks fibers obtained by different degumming process were studied. The results show that the surface of the fiber after degumming is not smooth and has holes inside, the structure of the fiber treated by pretreatment and scouring is more compact; the degumming can improve the heat resistance of the fiber, after the direct scouring, the starting temperature of the macromolecular cracking was 230 ℃, and after pretreatment and scouring, the cracking of the macromolecule begins at 260 ℃; after degumming, the fibers were white; after direct scouring, the average length of fiber was 12.1 cm, the linear density was 12.06 tex, the breaking strength was 9.04 cN/tex, and the elongation at break was 15.93%; after pretreatment and scouring, the average length of the fiber was 9.3 cm, the linear density was 11.18 tex, the breaking strength was 6.68 cN/tex, the elongation at break was 14.16%, the fiber is soft and has certain spinnability.

corn husk； fiber structure； thermal properties； mechanical properties

TS102

A

1674-330X(2017)04-0001-04

2017-07-16

河南省科技厅科技攻关计划项目(122102210244)

周蓉(1962-)，女，河南郑州人，教授，主要研究方向为纺织品设计及纺织工艺.