碱处理对黄麻纤维结构及性能的影响

杨志胡 张镇杰

（1广东省建筑材料研究院有限公司；2北京理工大学 珠海学院）

0 前言

麻由麻类植物中提取，天然的麻纤维包括黄麻、苎麻、亚麻、大麻、剑麻等品种，韧皮纤维作物主要有苎麻、黄麻、青麻、大麻、亚麻、罗布麻和槿麻等[1]。据资料显示，世界黄麻纤维年总产量约为 230～285万吨，而我国长江流域以南的黄麻产量仅次于棉花[2]，居世界第三。黄麻高度可长达3.5m，显脆性；其含木质素量也高，导致延伸率低，对水分，酸的抵抗力也低。我国黄麻的产量虽然很高，但由于韧皮纤维的特性，大部分黄麻只被用于一些粗加工产品的制作，例如麻袋麻绳、土布袋、工业纸浆、再生纸浆等加工工艺制作[2]。

黄麻纤维较突出的地方是作为待用的改性材料，价格最为低廉，不仅表现在优异的抑菌方面，还包含天然麻纤维所代表的吸音好、缓冲强、降噪大、耐隔热、密度低、人体亲和性好等优点，且资源属于可再生，是环境友好型的绿色材料。

1 原材料与实验设计

1.1 原材料及仪器

表2 实验仪器

1.2 试验过程

1.2.1 样品制备过程

在室温下，用氢氧化钠配制系列梯度为2%～18%、间隔为4%的氢氧化钠溶液，浸泡4g黄麻纤维，时间分别是0.5h、1h、2h，浸泡过程中每隔一定时间用玻璃棒进行搅拌，浸泡完毕后，用蒸馏水洗涤至中性，然后用玻璃棒挤干分散开，放置真空干燥箱干燥24h备用。通过下列性能测试挑选出最优的碱处理实验方案。

1.2.2 测试过程

⑴FT-IR

测试方法：把改性前后的纤维制样成粉末，采用KBr压片制样，利用FTIR傅里叶变换红外光谱仪进行测试。波长范围400～4600㎝-1。

⑵黄麻纤维的吸水率测试

测试方法：采用TGA-50热失重分析仪，设定相同的实验条件来测试不同处理方式的黄麻纤维的含水量。测得黄麻纤维的失重率即可计算纤维的水分含量。

⑶TGA

测试方法：采用TGA-50热失重分析仪，对黄麻纤维处理前后的热稳定性进行分析。

2 实验结果和讨论

2.1 红外光谱分析

项目包括：未处理、0.5h（碱处理浓度 2%、10%）、2h（碱处理浓度2%、6%、18%）的黄麻纤维。

本实验测试数据见图1、图2所示。

图1 黄麻碱处理改性的IR对比图

由图2的红外结果表明，黄麻纤维经过氢氧化钠碱处理后，基团结构被打散。对比未改性时谱图中3500～3800特征吸收峰，碱处理后峰面积增大，说明碱性使得基团增多。黄麻纤维与氢氧化钠的反应为亲核取代反应（见式⑴），表面有大量羟基的黄麻纤维在碱的作用下产生—亲核基团，降低纤维中的水含量，从而降低失重率。天津工业大学期刊发表的《碱处理对竹纤维及竹纤维增强聚丙烯复合材料性能的影响》中提到，竹纤维与PP的粘附功与竹纤维极性比密切相关，竹纤维极性比越小，粘附功越大；随着碱浓度增大，竹纤维与PP间粘附功与竹纤维/PP复合材料剪切性能呈现相同的趋势，并且都在碱浓度为20%时达到峰值[3]。可见，碱处理对应本实验的黄麻纤维的最佳值设置参数为10%。

图2 黄麻碱处理改性的IR对比图

CELL－OH+NaOH→CELL－O-Na++H2O[4]

测试结果如图2所示，从波数范围3500～3800区间可见，未处理的黄麻纤维含有许多杂峰，处理过的纤维经测试均有效除去杂峰，因此证明碱处理是有一定的效果的。

2.2 碱处理条件对吸水率的影响

本实验测试数据见图3所示。

图3 碱处理条件对吸水率的影响

碱处理过后的表面层纤维会晕开，接触表面变大；且新进入的羟基提高了纤维的吸湿性；改性过后的黄麻部分羟基被取代，纤维的亲水性骤降。碱处理时黄麻纤维吸水速率最快，一段时间后吸水率变化不明显，平衡时吸水率为14.801%。由于失重率即可表明该纤维的水分含量，失重率越低，水分含量越低。若吸水率下降，纤维就从亲水转为亲油，可增强与聚合物树脂共混的效果，能够有效提高之间的相容性。碱处理减弱材料的吸湿性，可避免吸水导致复合材料的力学性能下降。

2.3 碱处理条件对热失重的影响

本次纤维的热重分析主要依据GB/T 31984-2015进行检测，纤维的样品处理与红外测试的一致，TGA的升温速率设定为10℃/min。

本实验测试数据见图4所示。

图4 不同含量碱处理热重分析

据图4分析可得，黄麻碱处理的最佳项为10%氢氧化钠浸泡2小时，失重率为85.20%。其余数据分别为：未处理（97.52%）、2%0.5H（86.65%）、18%2H（85.24%）。华南理工大学学报《热重分析曲线图标目的编辑加工》[5]里对玉米秸秆颗粒的失重率研究中，玉米秸秆颗粒从室温至350℃左右开始为水分析出阶段，该阶段的质量损失率为7%～8.5%[6]，由于350℃左右质量损失了7%～8.5%，则剩余部分应占初始质量的 91.5%～93%，刚好与该实验图示结果相符。按照实验数据得出的85.20%对比分析，本实验10%氢氧化钠浸泡2小时效果优于2%氢氧化钠浸泡0.5小时，增加了黄麻纤维表面的羟基数；与18%氢氧化钠浸泡2小时的相比，可以节省固体氢氧化钠的用量。

3 小结

通过设计不同的碱处理液浓度，以及浸泡处理时间，对黄麻纤维进行碱处理，最终得出以下结论：

⑴通过红外光谱分析，经过碱处理的纤维均有效除去杂峰，证明碱处理有一定的效果。

⑵通过对黄麻纤维吸水率分析，经过碱处理的黄麻纤维吸水率下降，纤维从亲水转为亲油，可增强与聚合物树脂共混的效果，能够有效提高之间的相容性。

⑶综合红外光谱分析、吸水率分析、热重分析等各项测试得出，选用10%的氢氧化钠溶液浸泡黄麻纤维2h，是碱处理的最佳条件。