（纺织工程专业论文）闪爆处理对环麻纤维脱胶效果结构与性能影响的研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 闪爆处理对汉麻纤维脱胶效果、结构与性能影响的研究 摘要 汉麻纤维具有纤维细度细，穿着无刺痒感、抗菌抑菌、吸湿透气性高、无静电、防紫 外线等优良性能。但汉麻纤维含胶量高达4 0 左右，要充分利用汉麻这一丰富的天然资源 就必须对其进行脱胶处理。传统的天然沤麻和化学脱胶法均存在着产量低，脱胶质量不稳 定和环境污染严重等弊端。为了克服常规化学脱胶法污染环境严重的弊端，利用蒸汽闪爆 技术对纤维的开纤分裂和活化改性作用等特点，本课题采用蒸汽闪爆技术对汉麻纤维进行 脱胶，研究了闪爆处理对汉麻纤维的柔软度、断裂强力、结晶度和热分解温度等性能的影 响，同时通过闪爆处理对汉麻纤维化学反应性能的应用研究，探讨了汉麻染深色性能的情 况。此外，为进一步提高脱胶效果，本课题还探讨了汉麻纤维高温一闪爆联合脱胶技术。 本课题的主要工作内容和结论如下： 1 、通过多次闪爆正交实验讨论了闪爆处理工艺条件( 如预浸处理方法、保压时间、 闪爆压力及闪爆次数等) 对汉麻纤维闪爆脱胶效果的影响。通过化学成分分析，纤维柔软 度和断裂强力检测，f t i r 和s e m 表征及物理方法得出汉麻闪爆的最佳工艺条件：6 n a o h 溶液预浸处理2 4 h 、保压时间6 0 r a i n 、闪爆压力7 4 k g 、闪爆一次。 j 。 2 、。采用x r d 技术分析闪爆处理后汉麻纤维的晶体结构，运用高斯近似函数分峰法计 算汉麻纤维的结晶度和微晶尺寸。结果表明，闪爆处理后汉麻纤维仍属纤维素i 结构，汉 麻纤维的可及度、结晶度及微晶尺寸和保压时间、闪爆次数以及闪爆压力密切相关。随着 闪爆处理条件的加剧，汉麻纤维的结晶度先增加后降低，但最终还是比汉麻原麻的高。 3 、采用t g 技术分析汉麻纤维的热稳定性，分析闪爆处理条件对汉麻纤维最大速率分 解温度的影响。结果表明，闪爆处理增强了汉麻纤维的热稳定性，保压时间过长会使纤维 热稳定性略微下降。汉麻纤维的最大速率分解温度与其晶体结构有关。 4 、闪爆处理对汉麻纤维化学反应性能的应用研究。对汉麻纤维进行闪爆处理后与丙 烯腈进行了接枝共聚反应，研究发现：闪爆处理明显提高了汉麻纤维的接枝率；与未接枝 汉麻相比，接枝汉麻的有序度和染色性能都得到了提高。可知，c j j 爆处理提高了汉麻纤维 的可及度和化学反应性能，有利于汉麻接枝共聚反应的进行。 5 、研究汉麻纤维高温一闪爆联合脱胶技术。通过成分分析、f t i r 和s e m 技术分析纤 维的化学成分及形念结构。结果表明，高温一洲爆联合脱胶技术处理的汉麻纤维，表面光 洁，脱胶效果好，纤维素的比率明显提高，达到9 4 2 5 8 ，半纤维素和木质素的含量分别 l i 浙江理工大学硕士学位论文 下降了8 7 1 7 和8 6 6 8 ，达到汉麻纤维良好脱胶的目的，纤维柔软度得到提高。预浸处 理及高温蒸煮对纤维的溶胀作用，降低了闪爆处理条件设计的难度。 6 、采用x r d 和t g 技术分析蒸煮条件对汉麻纤维结晶度和热稳定性的影响。结果表明， 汉麻纤维的结晶度和热稳定性随蒸煮温度的增加而增加；碱浓度增加，结晶度先增加后降 低，最终还是比汉麻原麻的高，但碱量过大会使纤维热稳定性轻微下降。 总之，蒸汽闪爆技术脱胶有效，改善了纤维的结构，提高了纤维的柔软度、热稳定性 及化学反应性能，这对改善汉麻纤维的可纺性和染深色性能，拓宽其应用领域具有深远意 义。高温一闪爆联合技术脱胶效果好，得到优质的汉麻纤维，环境污染低，是一条值得深 入探讨的新技术。 关键词：汉麻纤维：闪爆处理：预浸处理；柔软度；结晶度；化学反应性能 l i l 浙江理丁大学硕士学位论文 s t u d yo nt h e e f f e c to fs t e a me x p l o s i o nt r e a t m e n to nt h ec o m p o s i t i o n ， s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc h i n a h e m pf i b e r s a b s t r a c t c h i n a - h e m ph a st h ea d v a n t a g e so ff i t n e s s ，n oi t c h i n gs e n s a t i o n ，a n t i - b a c t e r i u m ，g o o d m o i s t u r ea b s o r p t i o n ，a i rp e r m e a b i l i t ya n da n t i - u l t r a v i o l e t b u tt h ec o n t e n to fn o n c e l l u l o s ei sa s h i g ha s4 0 ，s ot h ep r e d o m i n a n tt a s ki st or e m o v en o n c e l l u l o s es u b s t a n c e s b u tt r a d i t i o n a l d e g u m m i n gw a y s ( i n c l u d i n gr e t t i n ga n dc h e m i c a ld e g u m m i n g ) a r et i m e - c o n s u m i n g ，l a b o r i o u s ， i n e f f e c t i v ea n dp o o rq u a l i t y i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n d i n e f f i c i e n to ft r a d i t i o n a lw a y s ，u s i n gt h ea d v a n t a g eo ft h es e p a r a t i n ga n di n t e n e r a t i n ge f f e c to f e x p l o s i o nt r e a t m e n tt of i b e r s w ei n v e s t i g a t e dt h et e c h n o l o g yo fs t e a me x p l o s i o nt r e a t m e n to n c h i n a h e m pf i b e r s ，d i s c u s s e dt h ea c c e s s i b i l i t y , c r y s t a ls t r u c t u r ea n dt h e r m a ld e g r a d a t i o no ff i b e r s a f t e rs t e a me x p l o s i o nt r e a t m e n t a n dt h r o u g ht h es t u d yo ft h ee f f e c to fe x p l o s i o nt r e a t m e n to nt h e c h e m i c a lr e a c t i o na b i l i t yo ff i b e r s ，d i s c u s s e dt h ed e e pd y e i n ga b i l i t yo fc h i n a h e m pf i b e r s b e s i d e s ，w ed i s c u s s e dt h et e c h n o l o g yo fh i g ht e m p e r a t u r ea n ds t e a me x p l o s i o nu n i t e dt r e a t m e n t o nc h i n a - h e m pf i b e r ss oa st oi m p r o v et h ed e g u m m i n ge f f e c t t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa sf o l l o w s ： 1 、n ee f f e c t so ft e c h n i c a lc o n d i t i o n ss u c ha sp r e - s u b m e r g i n g , t i m eo fp r e s s u r e h o l d i n g , s t e a m i n gp r e s s u r ea n ds t e a m i n gt i m e so fe x p l o s i o nt r e a t m e n to nc h i n a - h e m pf i b e r sw e r e d i s c u s s e d a f t e rc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，p l i a b i l i t ya n db r e a k i n gs t r e n g t ha n a l y s i s ，s e ma n df t i r m e t h o d s ，t h e ng o tt h eb e s tt e c h n i c a lc o n d i t i o n s ：u s i n g6 n a o hs o l u t i o nt op r e s u b m e r g ef i b e r f o r2 4h o u r s ，h o l d i n gp r e s s u r ef o r6 0 r a i n s ，k e e p7 4 k ga ss t e a m i n gp r e s s u r ea n de x p l o s i o n t r e a t m e n to n c e 2 、t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fc h i n a h e m pf i b e r sa f t e re x p l o s i o nt r e a t m e n tw a sa n a l y z e dt h r o u g h w i d ea n g l ex r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，a n dc r y s t a l l i n i t yi n d e xa n dc r y s t a l l i t es i z eo ff i b e r sw e r e c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h eg a u s st h e o r ya n ds c h e r r e re q u a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt r e a t e d f i b e r ss t i l ls h o w e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc e l l u l o s ei ，t h e a c c e s s i b i l i t y , c r y s t a l l i n i t yi n d e xa n d c r y s t a l l i t es i z eo ff i b e r sw e r er e l a t e dt op r e s s u r eh o l d i n gt i m e ，s t e a m i n gp r e s s u r ea n ds t e a m i n g t i m e s e x p l o s i o nt r e a t m e n ti n c r e a s e dt h ec r y s t a l l i n i t yi n d e xo fc h i n a h e m pf i b e r sf i r s t l y , a n dt h e n a st h ei n t e n s i t yo ft r e a t m e n ti n c r e a s e d ，c r y s t a l l i n i t yi n d e xf e l la g a i n ，b u ts t i l lh i g h e rt h a nt h a to f c h i n a h e m p r a wf i b e r s 3 、t h et h e r m a ls t a b i l i t yo fc h i n a h e m pw a sa n a l y z e dt h r o u g ht h e r m o g r a v i m e t r y ( t g ) ，t h e e f f e c t so ft e c h n i c a lc o n d i t i o n so nt h et e m p e r a t u r eo fm a x i m u md e g r a d a t i o nr a t eo ff i b e r sw a s i v 浙江理工大学硕士学位论文 d i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a te x p l o s i o nt r e a t m e n ti m p r o v e dt h et h e r m a ls t a b i l i t yo ff i b e r s ， a n dw h i c hs l o w e dal i t t l ea st i m eo fp r e s s u r eh o l d i n gi n c r e a s e d ；t h et e m p e r a t u r eo fm a x i m u m d e g r a d a t i o nr a t ew a sr e l a t e dt ot h et h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fc h i n a h e m pf i b e r s 4 、t h ee f f e c to fe x p l o s i o nt r e a t m e n to nt h ec h e m i c a lr e a c t i o na b i l i t yo ff i b e r sw a sr e s e a r c h e d t a k i n gt h ef i b e ra f t e re x p l o s i o nt r e a t m e n t 勰m a t e r i a l ，u s ei tt om a k et h eg r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o n w i t ha c r y l i c t h er e s u l t ss h o w e dt h a te x p l o s i o nt r e a t m e n ti m p r o v e dg r a f t i n gp e r c e n t a g eo ff i b e r s s i g n i f i c a n t l y ；t h ee r y s t a l l i n i t yi n d e xa n dd y e i n ga b i l i t yo fg r a f t e dc h i n a - h e m pf i b e r si n c r e a s e d s o e x p l o s i o nt r e a t m e n ti m p r o v e dt h ea c c e s s i b i l i t ya n dc h e m i c a lr e a c t i o na b i l i t yo ff i b e r s 5 、t h ep r o c e s so fh i 【g ht e m p e r a t u r ea n de x p l o s i o nu n i t e dd e g u m m i n go fc h i n a h e m pf i b e r s w a sr e s e a r c h e d ，t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r ew e r ea n a l y z e dt h r o u g h f t i ra n ds e mm e t h o d s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e r c e n t a g eo fc e l l u l o s ei n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y ( u pt o9 4 2 5 8 ) w h i l et h a to fh e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i nh a dam a s sl o s so f8 7 1 7 a n d8 6 6 8 ，r e s p e c t i v e l y p r e - s u b m e r g i n ga n dh i g ht e m p e r a t u r ec o o k i n gc o u l de x p a n da n dh e l p e d t h es w e l lo fc h i n a h e m pf i b e r ss ot h a tt h er e q u i r e dc o n d i t i o n so fe x p l o s i o nt r e a t m e n tc o u l db e l o w e r e da c c o r d i n g l y 6 、t h ec r y s t a l l i n i t yi n d e xa n dt h e r m a ls t a b i l i t yo fc h i n a h e m pf i b e r sa f t e rh i g ht e m p e r a t u r e c o o k i n gw e r ea n a l y z e dt h r o u g hx r d a n dt gt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec r y s t a l l i n i t yi n d e xa n d t h e r m a l s t a b i l i t y o fc h i n a h e m pf i b e r si n c r e a s e d 弱c o o k i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ；t h e c r y s t a l l i n i t yi n d e xi n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e n d e c r e a s e da g a i na st h ec o n c e n t r a t i o no f , a l k a l i i n c r e a s e d ，a n df i n a l l ys t i l lh i g h e rt h a nt h a to fc h i n a h e m pr a wf i b e r s b u tt o om u c ha l k a l iw o u l d l e a dt os l i g h td e c l i n eo ft h e r m a ls t a b i l i t yo fc h i n a h e m pf i b e r s i nc o n c l u s i o n ，s t e a me x p l o s i o nt r e a t m e n tw a sv e r ye f f e c t i v ef o rd e g u m m i n g ，b e s i d e s ，i t i m p r o v e dt h es t r u c t u r e ，e n h a n c e dt h ep l i a b i l i t y , t h e r m a ls t a b i l i t ya n dc h e m i c a lr e a c t i o na b i l i t yo f c h i n a - h e m pf i b e r s t h i sw a sag o o ds o l u t i o nt oi n c r e a s et h es p i n n i n ga n dd e e pd y e i n ga b i l i t yo f f i b e r s ，p r o v i d e dt h e o r y f o rt h ep r a c t i c ea n ds p r e a dt h ea p p l i c a t i o no fc h i n a - h e m pf i b e r s t h e d e g u m m i n ge f f e c to fh i i g l lt e m p e r a t u r ea n ds t e a me x p l o s i o nu n i t e dt r e a t m e n tw a sp e r f e c t ， p r o d u c e df i b e r so fh i g hq u a l i t ya n dh a d l o we n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，s oi tw a s af r e s ht e c h n o l o g y d e s e r v e dt ob ed e e p l ys t u d i e di nt h et e x t i l ed o m a i n k e yw o r d s ：c h i n a h e m p ；e x p l o s i o nt r e a t m e n t ；p r e s u b m e r g i n g ；p l i a b i l i t y ；c r y s t a l l i n i t yi n d e x ； c h e m i c a lr e a c t i o na b i l i t y v w u j u n - n a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e nj i a n y o n g 浙江理工人学硕士学位论文 1 1 汉麻介绍 第一章前言 汉麻是我国最早的作物之一，考古资料显示我国是最早驯化种植和利用汉麻的地区， 距今约5 0 0 0 6 0 0 0 年。汉麻俗名又称寒麻、火麻、线麻等，英文名h e m p0 - 2 1 ，具有悠久的 种植历史，主要包括纤维用汉麻、药用汉麻和野生汉麻三大类，又可分为早熟与晚熟品种。 汉麻在我国各地均可以大面积种植，对土地和气候要求不高，在北方可以种一季，在南方 如云南则可以种三季，而且在较为贫瘠的土地上也可以种植。国际上将四氢汉麻酚( t h c ) 含量低于0 3 的品种称为工业汉麻( i n d u s t r i a lh e m p ) ，高于o 3 的称为药用和毒品汉麻 ( m a r i j u a n a 和h a s h i s h ) ，相关文献嘲根据英文“h e m p ”的音译，将其称为“汉麻”( c h i n a h e m p ) ， 对药用、毒品以及某些专业词汇采用“汉( 大) 麻。 汉麻织物是我国古代封建王朝的贡品，河南曾出土商代的汉麻布残片。在1 7 、1 8 世纪 前，汉麻就与亚麻均为欧洲最重要的纤维资源。a n d r e a sk 在1 9 9 5 年的一篇文章中认为，直 至1 9 世纪，8 0 的服装中应用有汉麻纤维。然而，自近代以来，由于某些汉麻中所含的对 人体具有麻醉、兴奋大脑与催眠作用的化学成份四氢汉麻酚被大量用来制造兴奋剂与毒 品，从而危及整个人类的生命和安全，甚至一度使得世界上许多国家对汉麻谈虎色变，汉 麻几乎成为毒品的代名词。自1 9 3 0 年开始，多数西方国家明令禁止种植汉麻，汉麻的产量 逐年下降，汉麻的应用研究也因而趋于停顿状态。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，由于全球环境污染问题的日益突出，人类资源的未来可利用 量不断缩小，整个世界的目光开始转向寻找具有无污染、卫生抗菌并可以被循环使用的所 谓的“绿色资源 。于是，天然纤维重新崛起，再度风靡整个地球，棉、麻、毛、丝在纺 织工业领域的利用几近高潮。在此形势之下，作为最古老的纤维作物之一，汉麻的研究也 重新为世人所关注。1 9 9 2 年英国培育成功 f k 毛t h c 含量( o 3 ) 的汉麻低毒品种，使西方国家 纷纷解除种植汉麻的禁令，开始注重汉麻在纺织等行业上的应用。与此同时，人们通过对 汉麻及其纺织品的分析研究后惊喜地发现，汉麻具有许多优点1 4 1 ：汉麻不仅可用作纺织麻 织物、制作渔网、绳索、麻线、席经等，作为制造现代高级卷烟纸甚至钱钞等的首选原料； 汉麻还可与棉、麻、毛及化纤混纺，也可纯纺，所得纺织品悬垂性能，抗静电性能较好， 产品挺括，风格别致，吸湿性良好，散湿快，穿着凉爽不贴身，与棉织物穿着时相比，可 使人体感觉温度低5 左右。此外，汉麻纺织品还具有抗菌保健、防紫外辐射、耐晒耐热、 1 浙江理工大学硕士学位论文 消音吸波、柔软舒适等其他纺织品不可比拟的优点 7 1 。同时汉麻易种植，无需施肥、喷撒 药物等优点，因而被认为是2 1 世纪的功能性绿色环保用品嘲。另外，汉麻是利用价值很高 的经济作物：汉麻籽含油量高，即可食用，可制成各种食品，可提取油脂、植物蛋白、染 料、维生素、氨基酸等，还可制造干性油、油漆和染料；榨油后的汉麻油饼是营养丰富的 精饲料和有机肥料；麻杆可作层压板；汉麻可用于造纸、绳索；汉麻的茎、叶、花可提取 重要医药原料，在医学上还可作用催眠剂和镇静剂唧。汉麻产业在我国是一个传统产业， 我国又是一个农业大国，我国土地资源、纤维资源、木材资源、石油资源紧缺，“三农 问题突出的国际、国内环境下，大力发展汉麻产业有着特别的科技、经济和社会意义。 1 2 汉麻纤维的化学组成与结构 1 2 1 汉麻纤维的化学组成 汉麻纤维的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，除此之外还含有脂蜡质、果胶质、 钙镁铁等少量金属成分。它们主要存在于细胞( 纤维是植物细胞中的一种主要细胞) 形式。 其中，纤维素是纤维的骨骼物质，而木质素与半纤维素以包容物质的形式分散在纤维之中 及其周围。汉麻纤维的种类不同、产地不同以及植物细胞发育的不同阶段，其化学组成有 很大的差异。总体来说汉麻纤维的木质素、半纤维素含量较苎麻、亚麻高，这可以由汉麻 纤维与其他麻纤维的化学成分比较( 见表1 1 ) 中看出。 表1 1 汉麻和其他麻的化学成分对比1 州 ( 1 ) 纤维素 纤维素是植物细胞壁的主要成分，是一种由d 一葡萄糖单元以1 ，4 - b 苷键连接而成的直 链式的高分子化合物，其结构如图1 3 所示。纤维素分子中的葡萄糖单元的值大约是8 0 0 1 3 0 0 ，分子量相当于3 0 0 0 1 0 0 5 0 0 0 0 0 。分子结构如图1 1 所示。 2 浙江理工大学硕士学位论文 奄已脚 图1 1 纤维素分子结构 从纤维素的单分子结构可以看出：大分子的基环是b d 葡萄糖剩基一正一反组成的长 链型结构；相邻两个基环靠1 4 苷键连接而成；在大分子的基环中含有2 ，3 ，6 碳原子上 三个游离的醇羟基，在三个醇羟基中，第六个碳原子是伯羟基；第2 ，3 碳原子是仲羟基； 纤维素的大分子堆砌存在着结晶区和非结晶区：纤维素具有多分散性或不均一性。纤维素 的高相对分子量、高结晶度以及不溶性都是难降解的原因。 ( 2 ) 半纤维素 半纤维素是植物生物质中一个重要组成部分，在麻作物的生长过程中主要起机械支撑 作用和储备养料作用。作为纤维素的伴生物之一，半纤维素是一种与纤维素，尤其与木质 素有着紧密联系的一类非纤维素多糖物质，聚合度在2 0 0 左右。半纤维素主要成分为多缩 戊糖、多缩己糖及多缩糖等。半纤维素也能够被某种特定酶所分解，在高温高压碱煮时也 容易除去。半纤维素分子量较低，化学性质不稳定，容易被无机酸水解，也溶解与稀热碱 液中，容易被氧化剂氧化变成单糖而溶解。若脱胶时半纤维素的去除不充分，就会在麻纤 维中起粘合的作用。因此，确定脱胶工艺时应注意加强对半纤维素的去除。 ( 3 ) 木质素 木质素是沉积于植物细胞壁上的无定型芳香族并具有三维空间结构的高分子化合物， 其构造单元为苯环上有三个碳原子侧链的芳香族物质，属于苯丙烷的衍生物1 】，即： 一c h 2 c h 2 c h 3 大部分韧皮植物纤维中均含有木质素。木质素在植物中的作用主要是给植物以一定的 机械强度。木质素主要分布于汉麻纤维的表面及纤丝之间的空隙中1 甜。麻纤维中的木质素 含量直接影响纤维的品质，木质素含量少的纤维光泽好，柔软并富有弹性，可纺性及染色 性好。反之，则纤维粗硬、弹性差，可纺性及上染性能差。因此从纺纱工艺角度出发，希 望麻纤维中的木质素含量越低越好，即要求在脱胶过程中尽量去除木质素。但是木质素在 汉麻纤维中较难去除，主要原因是木质素分子与纤维素及其他多糖类物质相互以化学键紧 密结合，相互贯穿包围，以及相互形成配位化合物的缘故。 ( 4 ) 脂蜡质 3 浙江理工大学硕士学位论文 在原麻中可被有机溶剂所提取的部分称为脂蜡质，其中尤以蜡质为主。它以薄膜状态 存在于植物的外围，能够防止水分剧烈蒸发及外部水分侵入，同时能使纤维柔软且有光泽。 蜡质的主要成分为高级饱和酸和高级一元醇所组成的酯，此外尚有部分游离的高级脂肪 酸、高级醇或烃类物质。脂蜡质能赋予纤维外表以光泽，使纤维柔软、松散，可提高其可 纺性j 但在脱胶过程中，由于原麻经酸碱等试剂的处理，这部分物质就难免被酸水解或被 碱皂化，使脱胶后的纤维变的粗糙、硬脆。为了改善这种情况，在脱胶工序中应设有给油 工艺予以弥补。 ( 5 ) 果胶 果胶质是由半乳糖醛酸与它的甲酯为主体缩合而成的一类高分子化合物。是一种含有 酸性、高聚合度、胶状碳水化合物的复合体。化学成分较为复杂，是一种由共聚所构成的 多糖类物质。果胶的存在形式是果胶酸、果胶酸甲脂及果胶酸钙镁盐。有一部分是单独存 在，有一部分可能是混联在一起形成网状结构，有的还与纤维素有一定键价结合。果胶对 酸碱作用的稳定性较低。经过稀碱液的煮沸或稀的强无机酸的处理可被降解而溶解，使果 胶的长链分子裂解。纤维中果胶的存在使纤维细胞彼此相互粘结在一起，使纤维之间不能 产生相对移动，这在纺纱中是不利的，因此应尽量去除果胶物质。 1 2 2 汉麻纤维结构 纺织纤维内部分子的排列状态，是一个极为复杂的混合结构。各种纺织纤维的组成与 内部结构各不相同，它们具有不同的化学和物理性能，但各种纺织纤维的内部结构亦有共 同之处。纤维素纤维是通过1 ，4 一b 葡萄糖苷键连接一定数目的单基一c 6 h 1 0 0 5 一的高分子化 合物。纤维内一部分大分子排列比较规律整齐，称为结晶区域，而另一部分排列的比较杂 乱，称为无定形区域。一个纤维大分子可以贯穿许多个结晶区域和无定形区域，分子末端 可能留在结晶区域中，也可能留在无定形区域中，在结晶区域和无定形区域之间没有明显 的界面分开，所以，纤维是具有结晶区域与无定形区域的混合结构1 3 1 。根据相关的理论研 究，纤维吸湿以后，先与大分子上的亲水性基团结合成化学吸着水，与纤维的结合力比较 大，然后逐渐填充到内部的微小孔隙成为毛细管凝结水。当经过足够的时间后，纤维的吸 湿放湿达到动态平衡，结晶区域内和无定型区域内的吸着水的数目固定下来。由于结构的 差别，结晶区域吸着水数目少于无定型区域内的数目。 汉麻纤维是纤维素纤维，除具有以上纤维素纤维共同的结构特点以外，还有汉麻本身 结构的独特之处。汉麻纤维最初是由葡萄糖基被氧桥连接成的链状大分子平行排列、聚合 4 浙江理j ：人学硕十学位论文 成分子团系统，进而组成。种有空隙的纤维素骨架纤丝系统。在分子团系统和纤丝的 空隙之中充满着胶质。随着汉麻的生长它们分层淀积，组成纤维的细胞壁；在纤维与纤 维之间，还平行分布着胶质。在扫描电镜下，可以看到含有树腊的胶质存在( 见图12 ) 。 由此可知，汉麻纤维柬中含有的胶质具有三个层次i ：纤维与纤维之间的胶质系统、纤丝 系统之间的胶质系统和链状分子系统之间的胶质系统。 圈12 汉麻原麻的横截面( a ) 和纵面s e l l ( b ) 囤 汉麻单纤维两端尖削、中间宽，在光学显微镜下观察单纤维平均宽度为1 5 2 5 u m ， 长度为7 5 5 m m 。在扫描电镜观测汉麻单纤维表面有纵纹，纤维纵向每隔一定的距离有节 ( 见图12 ) 。实际匕，构成纵纹的原纤维结构中，汉麻纤维素大分子相对于纤维轴里小 于6 。8 啪螺旋角，所以汉麻纤维比亚麻、苎麻纤维的取向度都高。从拍摄的汉麻纤维扫 描电镜照片可以看出汉麻纤维的横断面略呈圆形或椭圆形，中心有细长的空腔，中腔呈 线形或椭圆形；从汉麻的分子结构分析，其分子结构中有螺旋线纹、多援状且较松散。因 此汉麻纤维及制品对音波、光波有良好的消散作用。但是，汉麻单纤维过短，长度在7 5 5 r a m 之间，大部分在1 5 2 5 m m 之问，且纤维整齐度差，刚性大，几乎无卷曲。若将胞 问层物质全部脱去( 即全脱胶) 势必造成短绒，失去可纺性，因此必须由残胶将单纤维粘连 成纤维束( 工艺纤维) 进行纺纱，这就是所谓的适度脱胶工艺阳。利用汉麻的这一特点，国 内科研生产人员提出了用“工艺纤维”进行纺纱，即采用“半脱胶”的方法，利用胶质将 单纤维粘连成定长度和细度的可纺性纤维。 13 汉麻纤维脱胶技术概述 众所周知，要从汉麻原麻上获得具有一定可纺性的汉麻纤维，就必须首先将汉麻韧皮 中的胶质等除去，即汉麻脱胶。然而汉麻脱胶一直是纺织应用研究的难点，汉麻纤维与苎 麻、亚麻有一些不同，其胶质含量很高，高达4 0 咀上木质素古量也大大超过其它麻类 ( 18 ) i l s l ，同时汉麻纤维细胞在胞删层物质的粘结f 交织成网状，向且汉琳纤维细胞还 浙江理工大学硕士学位论文 与半纤维素等都呈化学键合，这样就增加了汉麻脱胶的难度，因为脱胶程度的好坏直接会 影响汉麻纺纱的成品质量、织造工艺和染色性能的好坏。特别是汉麻纺织发展到今天，市 场对其产品的要求已由原来的粗犷新奇，转向精美舒适，这就对本来就不十分完善的汉麻 脱胶工艺提出了更大的挑战。最为关键的是汉麻单纤维过短，一般为1 2 m m 2 5 m m ，且纤 维整齐度差，不宜采用单纤维纺纱，而需采用类似亚麻纺纱的束纤维纺纱，若将胞间层物 质全部脱去( 即全脱胶) 势必造成短绒而失去可纺性，因此在汉麻脱胶中需要采用适度脱 胶工艺 2 4 1 。同时由于汉麻纤维结晶度和取向度高，化学试剂可及度低，化学反应性能差， 因而也就影响对其产品的后处理加工，限制了汉麻高档产品的开发。下面分别介绍目前国 内外主要采用的四种脱胶方法：即化学法、微生物法、酶法脱胶、物理脱胶法。 1 3 1 化学脱胶处理方法 化学脱胶的基本原理就是利用原麻中纤维素和胶质成分对碱、无机酸和氧化剂作用的 稳定性的不同，以化学方法去除原麻中的胶杂质成分，保留纤维素成分。化学脱胶一般采 用碱法或酸法。在化学脱胶工艺中以碱剂为主，辅以氧化剂、其它助剂和一定的机械作用， 以达到工业上脱胶质量的要求，获得优良的精干麻质量。通过对原麻成分的化学分析可知， 汉麻中的纤维素和胶质对烧碱作用的稳定性差异很大。半纤维素、果胶、木质素等易在高 温下被氢氧化钠溶液所水解，而纤维素则对氢氧化钠溶液的作用表现出较高的稳定性。，碱 处理后的汉麻纤维的结晶结构、化学反应性能、表面形态和热性能都得到改变。碱处理提 高了汉麻纤维的表面能，从而提高了汉麻纤维的机械性能和热稳定性能“7 1 。酸处理法去 除半纤维素及果胶质组分较为显著，对去除木质素有一定作用。h m w a n g t s l 曾采用先酸洗 后碱煮的方法处理汉麻纤维。c u i y uy i n 9 l 发现甘蔗渣在8 0 乙酸- - 7 0 硝酸混合酸条件 下处理2 0 分钟能有效分离出纤维素。但酸法处理时，酸的浓度和处理温度对水解有较大的 影响，浓度过大或温度过高都会引起纤维素分子链的降解1 2 川。目前比较常用的化学脱胶法 有如二煮法工艺和二煮一漂一练工艺等m - 2 3 1 ，生产出的精干麻虽然能满足梳纺要求，但还 存在着工艺流程长，工序多，劳动强度高，脱胶时间长，不仅对木质素的去除不理想而且 对纤维损伤比较大。尽管目前汉麻工业化脱胶仍以化学脱胶为主，但它消耗资源大，环境 污染严重，不符合当今生态纺织的主题。 1 3 2 微生物预处理技术 微生物技术脱胶的基本原理就是利用某些微生物以汉麻纤维中各杂质组分为其碳素 6 浙江理工大学硕士学位论文 营养来源的特性，将果胶物质、半纤维素以及木质素等物质分解转化为简单的低分子物质， 从中得到本身活动所需的营养物质和热能，从而完成汉麻纤维的组分分离的过程。因此， 对于预处理用微生物来说，要求它的碳素营养来源的专一性要特别强，即要求微生物只能 从分解果胶物质、半纤维素和木质素物质中作为自己唯一的碳素营养来源。关于汉麻的微 生物脱胶，所作的大量研究工作有待进行。主要的问题是微生物法脱胶质量不稳定，耗时 长。经微生物脱胶后的汉麻还含有较多的胶质，整个工艺离工业化生产还有很大距离，就 目前的研究状况看，现有的在实际生产中得到应用的微生物脱胶法均尚需化学脱胶法的联 合作用。 1 3 3 酶法脱胶 酶法脱胶就是将脱胶菌培养到菌生长的衰老期后进行过滤或离心等处理，再用得到的 粗酶液浸渍原麻，或者将粗酶液提纯、浓缩为液剂，也可将该浓缩液干燥成为粉剂，使用 时将液剂稀释或将粉剂溶于水，把原麻浸渍在酶稀释液中进行酶解脱胶。酶法脱胶研究起 步较晚，迄今约有4 0 余年历史，而且主要面向苎麻、亚麻、黄麻等，关于汉麻的酶法脱胶， 只是近几年来才见报道。半纤维素酶、果胶酶和纤维素酶也逐渐应用到汉麻纤维的脱胶上。 但是酶法脱胶还无法应用于工业生产，主要是产酶菌种活力太低，功能尚不完整，不能有 效去除木质素，酶脱胶后的原麻还含有较多的胶质，仍须通过化学精炼过程的弥补，才能 达到脱胶的质量要求；况且目前国内生物酶制剂在麻纺织领域的应用尚未形成规模。 1 3 4 物理方法脱胶 在天然纤维材料中，纤维素分子在分子内和分子间形成大量氢键，从而使分子彼此 紧密结合在一起成为半刚性的、高度不溶不熔的微纤丝和纤丝。必须进行预处理和改性才 能得到反应性强、溶解性能好的再生纤维素。对纤维素进行适当的预处理的目的是改变纤 维素的聚集念结构，如结晶度下降，微晶尺寸减小，微孔增加，聚合度下降，分子间分子 内氢键断裂，提高纤维素对化学试剂的可及度和反应性能。汉麻纤维的物理脱胶方法有： 机械方法、超临界、超声波和蒸汽闪爆技术等方法。 研磨、切碎和打浆一直是植物纤维原料有效的处理技术。在植物纤维研磨处理中，有 球磨、锤磨等方法，其中球磨是最有效的预处理技术。研究者发现球磨可使纤维原料的结 构松散，并使微纤中及微纤i 日j 晶区中存在的分子问氢键断裂，从而有利于植物纤维组分分 离 z o ，2 4 1 。曲同f i 君1 5 1 曾采用旋辊、罗拉等对汉麻原麻麻片进行加工。当汉麻原麻经过旋辊等 7 浙江理工大学硕士学位论文 作用后，原麻中的脆性胶质受到施加的载荷时会发生破碎，纤维与胶质脱离，达到脱胶的 目的。采用该种方法，可有效去除汉麻原麻中3 0 的胶质，显著减轻了后续化学法脱胶或 生物酶法脱胶的负担，达到理想的脱胶效果，满足后续生产高档汉麻纺织品加工要求。并 且具有环保、成本低，无废气、废水排放等优点。 超临界液体是指液体处于气体但在超临界温度以上被压缩成的液体。超临界液体即具 有液体溶剂化作用能力又具有气体的传递作用的特性。超临界流体萃取适用于提取分离挥 发性成分、脂溶性物质、高热敏性、小分子量的物质。在超临界液体中较常用的是c 0 2 的 超临界应用。c 0 ：超临界流体脱胶f 2 司就是利用超临界流体在超临界条件下的高溶解能力， 将纤维中的胶质萃取出来。利用超临界流体在不同温度、压力条件下的膨化溶解能力，可 以使汉麻纤维内部的部分杂质与纤维大分子之间的粘附疏松，溶解到超临界流体中，经过 超临界萃取而使纤维上的部分杂质被去除，提高和改善麻纤维的加工性能。超临界处理过 程中的处理温度、压力和处理时间对麻脱胶有重要的影响1 2 3 1 。 蒸汽闪爆技术( s t e a me x p l o s i o n ) 是近年来发展较快，并且非常有前途的预处理新 技术，与传统的化学脱胶法和其他物理技术相比，它具有处理时间短、高效、低成本、无 污染等优点 2 - 2 8 。已经广泛用于饲料生产，植物纤维的高效分离，作为生物转化技术，用 于生物体的汽化等- 3 0 ! 。1 9 2 7 年m a s o n 首先提出来，并取得专j f u t 2 m 。美国、加拿大、新西 兰、法国、中国等研究人员进行了闪爆法制浆的进一步研究 3 0 - 3 4 1 。闪爆过程中释放出的巨 大的能量，可以产生高达几百个大气压的局部瞬间压力，形成冲击波，使固体表面及液体 介质受到极大的冲击力和机械破坏作用，其能量足以打断纤维束间的化学键结合，达到脱 胶的目的，对纤维素的试剂可及度和化学反应性产生影响【3 n 。尽管如此，国际上将蒸汽闪 爆技术应用于纯纤维素的研究也不超过十年，在纤维素的衍生化和功能化的研究领域作为 预处理活化手段