張城云 ，羅玉成 ，魏麗喬 ，

（1.太原理工大學(xué)新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030024；2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024；3.中國(guó)麻紡行業(yè)協(xié)會(huì)，北京100742）

脫膠工藝一直是關(guān)乎工業(yè)大麻纖維加工質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)上常用的化學(xué)脫膠方法是堿煮脫膠法，該方法脫膠能耗高，耗水量大，酸堿對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，且對(duì)麻纖維的質(zhì)量有較大的影響[4-7]。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中使用的脫膠方法是化學(xué)脫膠?；瘜W(xué)脫膠的主要部分是堿煮處理，單純的堿煮處理，堿的用量高，能耗高，對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重，脫膠后的工業(yè)大麻纖維品質(zhì)不好，所以要在堿煮工藝前進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的作用：一是預(yù)處理可以去除部分膠質(zhì)，降低后面脫膠處理的負(fù)擔(dān)。二是預(yù)處理可以起到潤(rùn)濕纖維的作用，使麻纖維溶脹從而變得比較松散，提高煮練堿液在煮練工藝中的滲透作用，提高脫膠效果[3]。常見的預(yù)處理有：預(yù)水處理，預(yù)酸處理，預(yù)氯處理，預(yù)氧處理，超聲波處理。本實(shí)驗(yàn)采用了UV-輻照預(yù)處理和冷凍驟熱預(yù)處理工藝[1-2]對(duì)漢麻纖維進(jìn)行預(yù)處理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、試劑與儀器

工業(yè)大麻韌皮纖維（甘肅工業(yè)大麻纖維 化學(xué)成分：纖維素-57.29%，半纖維素-16.64%，木質(zhì)素-7.56%，果膠質(zhì)-7.43%，脂蠟質(zhì)及水溶物-11.09%，含膠率-40.83%。）、氫氧化鈉、雙氧水（30%，分析純）、硫酸鎂、碳酸鈉、三聚磷酸鈉等；UV輻射裝置，低溫冷凍箱，蒸鍋，索氏提取器等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)的UV-冷凍-驟熱脫膠工藝流程如下：

首先對(duì)工業(yè)大麻纖維進(jìn)行預(yù)水處理，把工業(yè)大麻纖維加入去離子水中，浴比20g/L，預(yù)水溫度100℃，時(shí)間 2h。

UV-輻照處理：

將預(yù)水處理后的工業(yè)大麻纖維放入含有雙氧水、氫氧化鈉、2g/L的硫酸鎂、2.4g/L硅酸鈉的混合溶液中，浴比 50g/L，雙氧水的濃度分別是 6g/L、8g/L、10g/L、12g/L、14g/L、16g/L，氫氧化鈉的濃度分別是6g/L、8g/L、10g/L、12g/L、14g/L、16g/L。UV-輻照的紫外波長(zhǎng)是298 nm，輻照時(shí)間分別是20 min、30 min、40 min、50min、60min。

冷凍-驟熱處理：

將預(yù)水處理后濕的工業(yè)大麻纖維直接放入冷凍冰箱里，冷凍溫度分別為-20℃、-40℃、-55℃、-75℃，冷凍時(shí)間為30min。把冷凍處理后的工業(yè)大麻纖維迅速取出，放入預(yù)熱好的蒸鍋中蒸，驟熱溫度分別為 80℃、100℃、120℃、140℃，時(shí)間為 30min。

堿煮處理：將工業(yè)大麻纖維放入含有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，浴比為50g/L，加熱到100℃后，保持溫度2h；最后用50℃水沖洗工業(yè)大麻纖維至洗液pH值為7，烘干梳理。

1.3 檢測(cè)方法：

1.3.1采用GB-5889-86《苧麻理化學(xué)成分分析方法》測(cè)定工業(yè)大麻化學(xué)成分的含量。

1.3.2采用GB/T-18147-2-2000《大麻纖維試驗(yàn)方法第2部分：殘膠率試驗(yàn)方法》測(cè)定工業(yè)大麻纖維的殘膠率。

圖1 雙氧水濃度對(duì)大麻殘膠率的影響Fig.1 Effect of hydrogen peroxide concentration on the residual gum content

2 結(jié)果和討論

2.1 UV-輻照處理中雙氧水濃度對(duì)工業(yè)大麻纖維殘膠率的影響

圖1是在氫氧化鈉為12g/L、輻照時(shí)間為40min和不同雙氧水濃度條件下，UV-輻照處理后烘干的工業(yè)大麻纖維殘膠率曲線圖。如圖所示：殘膠率隨著雙氧水質(zhì)量濃度的增加而降低，雙氧水質(zhì)量濃度為12g/L時(shí)，工業(yè)大麻纖維的殘膠率最低為22.4%，當(dāng)雙氧水質(zhì)量濃度再增加時(shí)，殘膠率沒有降低反而增加。分析認(rèn)為：雙氧水與工業(yè)大麻纖維中的膠質(zhì)和著色物質(zhì)發(fā)生氧化降解，從而去除膠質(zhì)和漂白纖維，使殘膠率降低。但是雙氧水不僅能與膠質(zhì)發(fā)生氧化降解，在一定的濃度等條件下可以與纖維素中β-(1-4)糖苷鍵發(fā)生氧化反應(yīng)，使纖維素鏈斷裂，生成非纖維素物質(zhì)，使殘膠率增加。通過分析雙氧水的質(zhì)量濃度12g/L為宜。

2.2 UV-輻照處理中氫氧化鈉的濃度對(duì)工業(yè)大麻纖維殘膠率的影響

在雙氧水質(zhì)量濃度為12g/L，輻照時(shí)間為40min條件下，UV-輻照處理后，干燥工業(yè)大麻纖維的殘膠率與氫氧化鈉質(zhì)量濃度的關(guān)系見圖2。從圖中看出，工業(yè)大麻纖維的殘膠率隨著氫氧化鈉質(zhì)量濃度的增加而降低。通過實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為：堿液中的OH－與膠質(zhì)中的木質(zhì)素作用發(fā)生親和反應(yīng)使其降解，并且氫氧化鈉能溶解和水解膠質(zhì)中不穩(wěn)定的果膠和半纖維素，進(jìn)而使殘膠率降低。又因?yàn)槟z質(zhì)中的半纖維素和部分木質(zhì)素呈無定形聚集態(tài)，容易使OH－穿過膠質(zhì)滲透到纖維素中與β-糖苷鍵作用發(fā)生堿性水解，使纖維素結(jié)構(gòu)被破壞，降低纖維的斷裂強(qiáng)力，所以氫氧化鈉的濃度不宜太大。通過對(duì)纖維強(qiáng)力的測(cè)定分析發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉的質(zhì)量濃度高于12g/L以后，工業(yè)大麻纖維的纖維強(qiáng)力損失嚴(yán)重，綜合分析認(rèn)為氫氧化鈉的質(zhì)量濃度12g/L比較適宜。

圖2 氫氧化鈉濃度對(duì)大麻殘膠率的影響Fig.2 Effect of sodium hydroxide concentration on the residual gum content

2.3 UV-輻照時(shí)間對(duì)工業(yè)大麻纖維殘膠率的影響

圖3 UV-輻照時(shí)間對(duì)大麻殘膠率的影響Fig.3 Effect of UV-radiation time on the residual gum content

經(jīng)過預(yù)水處理和不同UV-輻照時(shí)間處理后，干燥工業(yè)大麻纖維的殘膠率曲線如圖3所示：未經(jīng)UV-輻照的殘膠率為34.7%，UV-輻照30min時(shí)為27.1%，40min時(shí)為22.4%，殘膠率隨著UV-輻照時(shí)間的增加而降低，當(dāng)UV-輻照時(shí)間大于40min時(shí)，殘膠率變化趨于平緩。實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為UV-輻照使溶液中的H2O2分解產(chǎn)生自由基[O]、HO2-和HO-，這些自由基具有強(qiáng)氧化性，與工業(yè)大麻纖維中非纖維成分和著色物質(zhì)發(fā)生氧化降解，從而去除非纖維素和漂白纖維，隨著UV-輻照時(shí)間增加持續(xù)的產(chǎn)生自由基與非纖維素發(fā)生氧化降解，使殘膠率降低。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行UV-輻照處理時(shí)既要考慮降低殘膠率，又要注意減少纖維素的損傷。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，UV-輻照時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)纖維損傷越大，斷裂強(qiáng)力降低，所以應(yīng)適當(dāng)控制UV-輻照時(shí)間。UV-輻照50min比40min的纖維殘膠率僅降低1%，但是纖維斷裂強(qiáng)力卻下降了9.5cN，因此輻照40min較為適宜。

2.4 冷凍-驟熱處理中冷凍溫度對(duì)工業(yè)大麻纖維殘膠率的影響

圖4為在驟熱溫度為120℃，不同冷凍溫度條件下，冷凍-驟熱處理后干燥工業(yè)大麻纖維的殘膠率曲線。由圖可見，工業(yè)大麻纖維的殘膠率隨著冷凍溫度的降低而降低。由實(shí)驗(yàn)分析得知，在突然降溫過程中，膠體中的不同化學(xué)成分在纖維上的縱向收縮程度不同，從而使膠體產(chǎn)生了縱向裂紋和破壞。溫度越低對(duì)膠體產(chǎn)生的破壞越大，越容易后續(xù)處理脫除膠質(zhì)。進(jìn)行脫膠處理時(shí)在降低殘膠率的同時(shí)要減少能耗，-75℃處理的纖維與-55℃的相比殘膠率僅降低0.1%，但是能耗要高很多。本實(shí)驗(yàn)優(yōu)選冷凍溫度為-55℃。

圖4 冷凍溫度對(duì)大麻殘膠率的影響Fig.4 Effect of freezing temperature on the residual gum content

圖5 驟熱溫度對(duì)大麻殘膠率的影響Fig.5 Effect of heating temperature on the residual gum content

2.5 冷凍-驟熱處理中驟熱溫度對(duì)工業(yè)大麻纖維殘膠率的影響

在冷凍溫度-55℃，不同驟熱溫度下，工業(yè)大麻纖維經(jīng)過冷凍-驟熱處理后，干燥的工業(yè)大麻纖維殘膠率的變化如圖5。通過分析圖5發(fā)現(xiàn)，工業(yè)大麻纖維的殘膠率隨著驟熱溫度的增加而降低。通過分析認(rèn)為：冷凍后的工業(yè)大麻纖維，由低溫環(huán)境迅速加入高溫環(huán)境中，冷凍收縮的工業(yè)大麻纖維瞬間膨脹，不同的化學(xué)物質(zhì)膨脹系數(shù)不同，造成工業(yè)大麻纖維與膠質(zhì)的相對(duì)位移，并且膠質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋;已滲入纖維內(nèi)部的和膠體之間的水分產(chǎn)生熱蒸汽分子以氣流的方式從密閉的孔隙中釋放，使膠質(zhì)產(chǎn)生進(jìn)一步破壞和部分膠質(zhì)剝離纖維，所以工業(yè)大麻纖維殘膠率降低。驟熱溫度120℃時(shí)工業(yè)大麻纖維的殘膠率僅比140℃時(shí)低0.3%，但是比140℃的能耗要小很多，所以驟熱溫度選120℃較為適宜。

2.6 UV-冷凍-驟熱預(yù)處理對(duì)工業(yè)大麻纖維脫膠效果的影響

表6是UVFH處理后堿煮的工業(yè)大麻與直接堿煮法脫膠處理后工業(yè)大麻的主要成分含量變化。

通過對(duì)UVFH處理后堿煮的工業(yè)大麻纖維與直接堿煮的工業(yè)大麻纖維的化學(xué)成分和殘膠率進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，UVFH處理有有利于膠質(zhì)的脫除，降低了堿煮的負(fù)擔(dān)。UVFH處理后進(jìn)行一次堿煮就達(dá)到了脫膠的要求（殘膠率4%以下，木質(zhì)素含量0.8%以下[10]）。通過分析認(rèn)為UV-輻照處理中由于雙氧水、氫氧化鈉和紫外線的作用，使膠質(zhì)被氧化降解，從而膠質(zhì)層變薄并被破壞，同時(shí)紫外線對(duì)膠質(zhì)層表面產(chǎn)生刻蝕，增加膠質(zhì)層的比表面積，有利于膠質(zhì)與堿液的充分接觸。冷凍-驟熱處理過程中膠質(zhì)層被破壞和產(chǎn)生裂紋，有利于后續(xù)堿煮處理中堿液對(duì)膠質(zhì)的可及度，使膠質(zhì)和堿液充分接觸反應(yīng)。

3 結(jié)論

UV-輻照、冷凍-驟熱預(yù)處理有利于膠質(zhì)的脫除，降低了后續(xù)堿煮處理的負(fù)擔(dān)，進(jìn)行一次堿煮就可以達(dá)到脫膠的要求，減少了化學(xué)試劑的用量，降低了能耗，減輕了脫膠工藝對(duì)環(huán)境的影響。

UV-輻照、冷凍-驟熱預(yù)處理的最佳工藝參數(shù)為：氫氧化鈉質(zhì)量濃度12g/L，雙氧水質(zhì)量濃度12g/L，UV-輻照時(shí)間40min，冷凍溫度-55℃，驟熱溫度120℃。采用本實(shí)驗(yàn)UVFH脫膠工藝處理后，大麻纖維殘膠率和木質(zhì)素量都有了明顯的降低，經(jīng)過脫膠處理后木質(zhì)素含量由7.56%降低到0.75%，殘膠率由40.83%降低到2.95%，符合紡織后整理的工藝需求；白度由16.4提高到59.2；纖維的平均直徑數(shù)值變小，纖維變細(xì)且均勻，能夠滿足紡紗的要求。

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