不同部位大麻纤维厌氧生物脱胶后的基本特性研究

2022-03-25李华李毓陵马颜雪陈小光王钇琦马景玄杨立双任泺彤张湧

中国麻业科学 2022年1期

李华，李毓陵，*，马颜雪，，陈小光，王钇琦，马景玄，杨立双，任泺彤，张湧

（1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；3.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；4.东华大学国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心，上海 201620；5.甘肃汉麻科技有限责任公司，甘肃天水 741000）

大麻纤维是纺织服装领域生产加工的重要原料，是较早为人类所利用的纺织纤维之一［1］。近年来，大麻纤维因具有优异的热湿舒适性、生态性、资源性、环保性和低碳性而受到人们的关注，用其制成的服装受到了大众的追捧［2］。为有效利用大麻资源，为人们提供优质的纺织服装原料，国内外很多学者曾就大麻做过一系列研究［3-7］。

大麻原麻必须经过脱胶才能得到可以在纺织行业有效利用的大麻纤维，脱胶是获得大麻纤维的关键工艺［8］。本文脱胶方法采用具有自主知识产权的麻纤维厌氧生物脱胶系统［9］，该系统将螺旋对称流厌氧生物反应器（SSSAB）［10-11］和生物脱胶罐［12］相结合，实现了菌产酶、酶脱胶、胶养菌的厌氧生物脱胶过程，具有高效稳定、运行成本低、不损伤纤维、能耗低、污染小等优势［13-16］，是一种创新性脱胶方式。大麻原麻长度一般在2～4m［17］，自然生长原麻的不同部位（即梢部、中部和根部）在化学成分和纤维特性上存在很大差异，因此脱胶后不同部位麻纤维的性能必然有所差别。仅从工艺的角度看，为保持脱胶麻性能的一致性，应该对不同部位的原麻采用不同的工艺；从应用的角度看，不同部位的麻纤维可以应用于不同的领域。但受制于大麻原麻一般长度不匀较大，整齐度较差，以及碎段状打成麻无法分类等问题，相关研究并不多见。

本文以甘肃省天水地区特产的清水大麻为研究对象，采用麻纤维厌氧生物脱胶系统进行厌氧生物脱胶处理，并对脱胶麻的基本性能进行系列测试和对比分析，以期为清水大麻原麻的分段精细化加工和应用奠定基础，同时也为更好地应用麻纤维厌氧生物脱胶系统提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验原料

试验原料为甘肃省天水地区特产的、经池塘沤麻并手工剥制获得的清水大麻原麻，长约280～300 cm，长度整齐度较好，具有分段研究的基础。该原麻分为籽麻和花麻两个品种，籽麻为雌麻，花麻为雄麻。籽麻生长周期长，外观呈现浅棕色，手感较硬；花麻生长周期短，外观偏白，手感较软。该清水大麻虽经池塘沤麻环节，但胶质含量和一般的大麻纤维相比差距不大，童艺翾等［5］测得未经沤麻的大麻纤维含胶率为40.94%，故清水大麻有必要开展进一步的脱胶处理。

首先将籽麻和花麻均分成长度90～100 cm的梢部、中部和根部3个部位，制成6种试样，然后将其依次放入麻纤维厌氧生物脱胶系统进行脱胶处理，并分别从处理前后的试样中随机抽取适量样品进行相关测试。

1.2 样品制备

将大麻梢部、中部和根部分别放入3个脱胶罐中，设定统一的脱胶参数进行大麻厌氧生物脱胶，相关试验参数见参考文献［9］，试验样品的制取流程为：

原麻预处理［13］→厌氧生物脱胶处理→洗麻→晒干→取样和人工梳理→待测样品。

洗麻处理即将经厌氧生物脱胶处理后的大麻，在实验室条件下用清水轻微搓洗6～7遍，直至洗麻水无明显浑浊，故本文所涉及的待测麻样为脱胶麻。由于厌氧生物脱胶装置尚处于实验室研发阶段，距离产业化应用还有一定距离。本文仅在实验室条件下对经厌氧生物脱胶处理得到的脱胶麻纤维相关指标进行分析，旨在说明不同部位大麻纤维经该装置脱胶后的纤维特性。

1.3 相关指标检测方法

化学成分分析：按照GB 5889-86《苎麻化学成分定量分析方法》执行；

纤维细度测试：采用YG231-30MM纤维切断器、JN-B-10-10MG型精密扭力天平，按照GB/T 18147.4-2000《大麻纤维试验方法第4部分：细度试验方法》执行；

纤维拉伸性能测试：采用LLY-06E型电子纤维强力仪，按照GB/T 18147.5-2000《大麻纤维试验方法第5部分：断裂强度试验方法》执行；

表观形态观察：采用TM3000扫描电镜。

2 结果与分析

2.1 胶质去除情况分析

如表1所示，籽麻和花麻的原麻在梢部、中部与根部的纤维素含量呈现中间高、两头低的趋势。籽麻中部的纤维素含量比梢部高3.68%、比根部高5.49%，花麻中部的纤维素含量比梢部高3.47%、比根部高9.88%；梢部的纤维素含量高于根部；根部的纤维素含量最低，籽麻为58.29%、花麻为55.06%。与纤维素含量的变化趋势相反，籽麻和花麻在梢部、中部与根部的胶质含量呈现中间低、两头高的趋势。

表1 大麻原麻各部位的化学成分Table 1 Chemical composition of different parts of raw hemp

清水大麻原麻经厌氧生物脱胶系统处理后，各部位的胶质成分有了明显的去除，大麻各部位的胶质去除效果如表2所示。可以发现，无论花麻还是籽麻，清水大麻的不同部位经麻纤维厌氧生物脱胶系统脱胶后，其残胶率较接近，均在20%左右。说明在所选定的参数下，清水大麻原麻不同部位的胶质含量虽然差异较大，但麻纤维厌氧生物脱胶系统能自动消除这些差异，即含胶率高则胶质去除率高，含胶率低则胶质去除率低。一般认为纤维素是大麻纤维中的可纺成分，纤维素含量越高，大麻纤维的品质越好［18］，但采用本文的麻纤维厌氧生物脱胶系统，梢部、中部、根部各部位纤维素含量虽然不同，却能够得到脱胶质量较均匀的脱胶麻，体现出此麻纤维厌氧生物脱胶系统的独特性能。

表2 大麻脱胶麻各部位的胶质去除效果Table 2 Pectin removal effect of different parts of degummed hemp fibers

同时也可发现，在本文所选定参数下，此麻纤维厌氧生物脱胶系统对大麻不同部位胶质的去除存在一定的极限，故得到残胶率较接近的结果，其中的机理需要进一步探讨。

2.2 纤维细度分析

大麻纤维细度是衡量大麻脱胶效果和判断脱胶麻纤维分离程度的重要指标。各部位人工梳理脱胶麻纤维的细度值如表3所示。可以发现，大麻梢部、中部和根部经麻纤维厌氧生物脱胶系统处理后的纤维细度依次由低到高，呈逐渐增粗的趋势，这与一般而言的茎基部麻纤维细胞发育时间长、胞壁加厚快、纤维变粗的结论相一致［19］。同时可发现，籽麻与花麻梢部的细度值接近，而中部和根部的纤维细度值均低于花麻，这与依据清水大麻原麻的外观和手感判断细度的预测相反，一般认为色黄且硬的籽麻的纤维细度值会高一些。

表3 大麻脱胶麻各部位的各项性能指标Table 3 Various properties indicators of different parts of degummed hemp

2.3 纤维拉伸性能分析

大麻纤维的拉伸性能是判断其能否满足纺纱要求的重要因素，与麻纤维的纺织加工处理和纺织品的服用性能有着紧密的关系［20］。清水大麻各部位的纤维强度值从梢部到根部依次由高到低，呈逐渐减小的趋势，且籽麻梢部的强度值与花麻相当，中部和根部的强度值略高于花麻，与细度的规律相反。说明短的生长周期对清水麻花麻的纤维质量有不利的影响，需要引起相关大麻种植部门的关注。一般认为，根部强力高于梢部和中部的原因一方面可能是大麻根部所残留的胶质含量相对较高，纤维束相互黏结不易分离，另一方面由于大麻根部的纤维束呈网状分布，加大了分离断裂的难度［21］。而本文的脱胶麻在强力方面的表现，更多的是体现在纤维细度的差异所带来的影响。综合强度和细度来看，梢部脱胶麻的纤维质量均更好，中部次之，根部最差。采用本麻纤维厌氧生物脱胶系统可以为清水大麻的分类应用奠定基础，特别是梢部强度和细度都比较好的纤维，极有利于制取高档纱线和织物。

2.4 纤维表观形态分析

扫描电镜观察大麻纤维各部位脱胶前后梳理纤维的纵向表面状态，如表4所示。从表中可发现：脱胶前，梢部纤维表面附着成片相互黏结的胶质，籽麻梢部表面还有少量碎屑，层层胶质前后覆盖，外形呈较规则的圆柱状，花麻梢部表面的片状胶质层层堆叠、留有空隙，表皮胶质略有起伏，表面不平整；中部纤维表面分布着深浅不一的沟壑状胶质，并粘连着较多的碎屑和大小不一的块状胶质，籽麻中部表面附有形态各异的颗粒状胶质，且多分布于纤维表面的凹陷处，花麻中部表面附着偏白色的块状胶质；根部纤维被成片胶质层层包裹，籽麻根部表面的碎屑分布较多，花麻根部纤维体积较大，胶质包裹充分，籽麻根部表面的碎屑分布较多，花麻根部纤维粗壮，包裹着纤维的胶质相互粘结成大小不一的区域，沿纤维轴向表现出明显的缝隙。

表4 脱胶前后的扫描电镜图Table 4 Scanning electron microscopy（SEM）images before and after degumming

脱胶后，无论籽麻还是花麻，梢部呈现表面相对光洁的束纤维，单纤维（或者更细的束纤维）隐约可见；中部呈现表面较粗糙的束纤维，单纤维部分可见；根部呈现表面相当粗糙的束纤维，单纤维明显可见。观测结果表明，清水大麻内部存在束纤维结构，脱胶麻最后得到的工艺纤维为束纤维，且梢部脱胶后得到的束纤维相对光洁完整，而根部的束纤维相对粗糙松散。结合表2的脱胶麻残胶率数据，可认为本麻纤维厌氧生物脱胶系统主要去除清水大麻内部束纤维之间的胶质，该部分的胶质含量因品种和部位不同有较大差异；而束纤维内部的胶质，本麻纤维厌氧生物脱胶系统以目前选定的参数不易去除，这为获得高质量清水大麻工艺纤维提供了技术保障。