（纺织材料与纺织品设计专业论文）黄麻纤维精细化改性研究.pdf

l l 东华大学学位论文原创性声明 ! ! | ! l 趔l l ! l l l i i l l l l l l l l l l l l l lljrl1lll y1 芍14 m u j i 6 u i i i15rl p | i 6ii i l l 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 -lfi 一j t 盖 t 黄麻纤维精细化改性研究 摘要 黄麻纤维是一种性能优异的天然纤维素纤维，特有的纤维性能使 其产品具有良好的服用性能和外观风格，颇受国内外市场和消费者的 青睐。但由于黄麻纤维中的半纤维素和木质素含量较高，使其产品开 发的品种和档次很受限制。因此，要充分利用黄麻纤维这一丰富的自 然资源就必须对其进行精细化改性处理。本文针对黄麻纤维自身的缺 陷，在化学成分分析的基础上对其进行精细化改性处理，即“深度脱 胶”。常规的脱胶方法可制得细度为3 5 0 4 0 0n m 的黄麻纤维，利用本文 的深度脱胶工艺可使纤维细度达5 5 0 6 0 0n m ，提高了5 0 6 0 ，使 其能够应用于高档服装、家纺面料。 目前黄麻纤维的精细化主要是对其进行脱胶处理，常用的方法有 化学法和生物法。化学法能显著降低黄麻纤维的细度，但同时也损伤 了纤维的强度和长度，且对环境有较大污染；生物法对纤维强度和长 度的损伤小，对环境污染小，但作用弱、不均匀，处理后纤维细度较 粗，且纤维离散度大。为了克服现有技术中单一化学法和单一生物酶 法的缺点，本文探讨了黄麻纤维化学一生物酶联合脱胶工艺。 本文采用的精细化处理工艺流程为：黄麻精洗麻一预处理一 化学处理一化学一生物酶联合处理一漂白处理一精细化黄麻纤 维。主要研究内容和结论如下： 1 比较了预水、预酸、预氧以及预超声波四种预处理，得出预 l t 氧处理是一种最有效的黄麻纤维脱胶预处理方式。优化的预氧工艺参 数为：h 2 0 2 浓度1 0g l ，n a o h 浓度8g l ，n a e s i 0 3 浓度5g l ，n a 3 p 5 0 1 0 浓度1g l ，水浴8 0 ，时间lh ，浴比1 ：1 5 。 2 采用化学法对黄麻纤维进行脱胶处理，在单因子分析的基础 上进行了正交分析，结果表明：高温碱煮的处理温度对黄麻纤维性能 有着十分重要的影响；其次为n a 2 s 用量( 硫化度) ，n a o h 浓度也同样 具有不可忽视的作用。综合考虑黄麻纤维的细度、断裂强度、可挠度 及白度等指标，确定优化的化学法工艺参数为：n a o h 浓度1 5 l ，葸 醌浓度o 3g l ，硫化度2 0 ，蒸煮温度1 2 0 ，保温时间1 0m i n ，升 温速度2 。c m i n ，浴比1 ：1 5 。采用此优化工艺处理后，黄麻纤维细度可 达5 3 9 2n m ，断裂强度2 8c n d t e x ，可挠度1 2 5 6 捻1 0 0m m ，白度3 6 5 ， 残胶率7 6 ，木质素残余率1 1 2 。 3 采用生物酶法对黄麻纤维进一步处理，分别研究生物酶用量、 温度、处理时间、p h 值以及非离子表面活性剂j f c 等对黄麻纤维性能 的影响，得出的最佳工艺条件为：生物酶用量( o w f ) 6 ，j f c 浓度l g l ，温度5 0 ，处理时间3h ，p h = 8 ，浴比1 ：1 5 。在最佳工艺条件 下，黄麻纤维的主要物理机械性能为：细度5 7 1 5n m ，断裂强度2 7 c n d t e x ，可挠度1 3 5 6 捻1 0 0m m ，白度3 8 6 ，残胶率5 9 ，木质素 残余率l o 1 。由此可知，黄麻纤维的可纺性能得到了进一步的提高。 4 采用h 2 0 2 对脱胶后的黄麻纤维进行漂白处理，以提高其白度， 并进一步改善其可纺性。通过正交分析得出：h 2 0 2 浓度对黄麻纤维性 能有显著影响，其次为水浴温度，再次为n a o h 浓度。综合考虑黄麻 纤维的细度、断裂强度及白度等指标，优化的漂白工艺参数为：h 2 0 2 浓度1 0g l ，n a o h 浓度8g l ，n a e s i 0 3 浓度5g l ，n a 3 p 5 0 l o 浓度lg l ， 水浴温度6 0 ，保温时间3 0m i n ，升温速度1 m i n ，浴比1 ：1 5 。最 i i 1 0 7 i ! 优工艺条件下精细 断裂强度2 1c n d t ，木质素残余率 关键词：黄麻纤维 l i l s t u d j u t ei san a t u r a lc e l l u l o s ef i b e rw i t he x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，w h i c hm a k e i t s p r o d u c t sg o o dw e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n ds t y l e ，s oi tc a nm e e t r e q u i r e m e n t so ft h em a r k e t si nt h eg l o b a lt e x t i l e h o w e v e r , j u t ef i b e rh a s h i g hc o n t e n t so fh e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i n ，w h i c hr e s t r i c t t h eq u a l i t y s u p e r i o r i z a t i o n a n dd i v e r s i f i c a t i o no ft h e i r p r o d u c t s t h e r e f o r e ，t h e p r e d o m i n a n tt a s k i n p r e p a r i n gj u t e f i b e ri st or e m o v en o n c e l l u l o s i c s u b s t a n c e s s oan e wr e f i n i n gt e c h n i q u eo fj u t ef i b e r , t h a ti s d e e p d e g u m m i n g ”，w a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so f j u t ef i b e r t h ef i n e n e s so fj u t ef i b e rt r e a t e db yt h en e wr e f i n i n gt e c h n i q u e c a nr e a c h55 0 6 0 0n m ，w h i c hi n c r e a s e s5 0 - 6 0 c o m p a r e dw i t h3 5 0 4 0 0n m b yr e g u l a rd e g u m m i n g m e t h o d a tp r e s e n t ，t h em a i nw a yo fj u t ef i b e rr e f i n i n gi sd e g u m m i n g ，w h i c h u s u a l l yi n c l u d e sc h e m i c a lm e t h o da n db i o l o g i c a lm e t h o d c h e m i c a lm e t h o d c a nr e d u c et h ed i a m e t e ro fj u t ef i b e r ，b u ti ti su n f a v o r a b l et of i b e rs t e n g t h a n dl e n g t h ；b i o l o g i c a lm e t h o dd a m a g e ss t e n g t ha n dl e n g t ho fj u t ef i b e r s l i g h t l y , b u tt h ee f f e c to nf i b e ri sw e a ka n du n e v e n i no r d e rt oo v e r c o m e t h ed i s a d v a n t a g eo fs i n g l ec h e m i c a lm e t h o da n db i o l o g i c a lm e t h o d ，t h e i v p r ，繁 叫爿 _ e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r e t r e a t m e n tb yh 2 0 2i sak i n do fm o s t e f f e c t i v ew a yt oj u t ef i b e r t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r so ft h ep r e t r e a t m e n t b yh 2 0 2a lew i t hh 2 0 2c o n c e n t r a t i o no f10g l ，n a o hc o n c e n t r a t i o no f 8 g l ，n a 2 s i 0 3c o n c e n t r a t i o no f5g l ，n a 3 p s o l oc o n c e n t r a t i o no f1g l ，b a t h t e m p e r a t u r e o f 8 0o c t r e a t m e n t t i m eo f 1h ，a n db a t hr a t i oo f1 ：15 2 c h e m i c a lm e t h o dw a su s e dt or e f i n ej u t ef i b e ra f t e rp r e t r e a t e d t h e o r t h o g o n a ld e s i g nw a sc a r r i e db a s e do nt h es i n g l eg e n ea n a l y z e ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt e m p e r a t u r ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r t or e f i n ej u t ef i b e r , f o l l o w i n gw i t hn a 2 sd o s a g ea n dn a o hc o n c e n t r a t i o n b yc o m p a r i n gt h ef i n e n e s s ，s t r e n g t ha n d t h eo t h e rp r o p e r t i e so fd e g u m m e d j u t ef i b e r ，t h ep r o c e s sp a r a m t e r so fh i g ht e m p e r a t u r ed e g u m m i n gc a nb e o p t i m i z e d ：n a o hc o n c e n t r a t i o ni s 15g l ，a n t h r a q u i n o n ec o n c e n t r a t i o ni s 0 3g l ，v u l c a n i z i n gd e g r e ei s2 0 ，d e g u m m i n gt e m p e r a t u r ei s12 0 ， h e a tp r e s e r v a t i o nt i m ei s10r a i n ，r a t eo ft e m p e r a t u r er i s ei s2 。c m i n ，b a t h r a t i oi s1 ：15 w i t ht h eo p t i m i z e dp r o c e s sc o n d i t i o n ，t h ej u t ef i b e rh a s c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s ，w i t h f i n e n e s so f5 3 9 2 n m ，s t e n g t ho f2 8 c n d t e x ，t w i s tf a c t o ro f12 5 6t w i s f f l0 0m m ，w h i t e n e s sd e g r e eo f 3 6 5 ， v n 艺 ，r 一 j =-ilri - i i r e s i d u a lc o n t e n to fp e c t i na n dl i g n i no f7 6 a n d11 2 r e s p e c t i v e l y 3 j u t ef i b e rw a sf u r t h e rt r e a t e db yb i o l o g i c a lm e t h o d t h ee f f e c t so f p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ep r o p e r t i e so fj u t ef i b e rw e r ea l s os t u d i e d a n d t h eo p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d ，t h a ti s ，e n z y m ed o s a g ei s 6 ，j f cc o n c e n t r a t i o ni s1g l ，t e m p e r a t u r ei s5 0 ，t i m ei s3h ，p hi s8 a n db a t hr a t i oi s1 ：15 w i t ht h eo p t i m i z e dp r o c e s sc o n d i t i o n ，t h ej u t ef i b e r h a sc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s ，w i t hf i n e n e s so f5 71 5n m ，s t e n g t ho f2 7 c n d t e x ，t w i s tf a c t o ro f1 3 5 6t w i s t 1 0 0m m ，w h i t e n e s sd e g r e eo f3 8 6 ， r e s i d u a lc o n t e n to fp e c t i na n dl i g n i na r e5 9 a n d10 。1 r e s p e c t i v e l y 4 b l e a c h i n g 。p r o c e s sw a sc a r r i e do nj u t e f i b e ra f t e rc h e m i c a la n d b i o l o g i c a l t r e a t m e n tt of u r t h e ri m p r o v et h e i rw h i t e n e s sa n dw e a v i n g p r o p e r t i e s t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a th 2 0 2 c o n c e n t r a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e rt ob e l a c hj u t ef i b e r , f o l l o w i n gw i t hb a t ht e m p e r a t u r ea n dn a o hc o n c e n t r a t i o n b yc o m p a r i n g t h e c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s o fj u t e f i b e r ，t h eb l e a c h i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s c a nb eo p t i m i z e d ：h 2 0 2c o n c e n t r a t i o ni s10g l ，n a o h c o n c e n t r a t i o ni s8g l ，n a 2 s i 0 3c o n c e n t r a t i o ni s5g l ，n a 3 p s o l o c o n c e n t r a t i o ni s1e e l ，b a t ht e m p e r a t u r ei s6 0 ，r a t eo ft e m p e r a t u r er i s ei s 1 。c m i n ，h e a tp r e s e r v a t i o nt i m ei s3 0m i n ，b a t hr a t i oi s 1 ：15 w i t ht h e o p t i m i z e dp r o c e s sc o n d i t i o n ，t h ej u t e f i b e rh a sc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s w i t hf i n e n e s so f6 0 9 6n m ，s t e n g t ho f2 1c n d t e x ，t w i s tf a c t o ro f14 9 2 p t w i s t 10 0m i l l ，w h i t e n e s sd e g r e eo f4 6 8 ，r e s i d u a lc o n t e n to fp e c t i na n d l i g n i ni s4 5 a n d9 3 r e s p e c t i v e l y v i p 、_ - | v u l o 引 t f l 目录 第一章绪论1 1 1 黄麻概述1 1 2 黄麻纤维的研究现状3 1 3 研究背景与意义7 1 4 本论文的研究内容8 第二章本课题研究的主要基本理论l o 2 1 黄麻纤维的化学组成。1 0 2 2 化学脱胶基本原理1 6 2 3 生物酶法脱胶基本原理2 0 第三章预处理对黄麻纤维性能的影响2 5 3 1 试验准备2 5 3 2 试验方案2 6 3 3 试验结果与讨论2 7 3 4 本章小结3 l 第四章化学脱胶对黄麻纤维性能的影响3 2 4 1 实验准备。3 2 4 2 黄麻纤维高温蒸煮处理工艺的优化。3 4 4 3 试验结果与分析讨论3 8 4 4 本章小结4 3 第五章化学一生物酶联合脱胶对黄麻纤维性能的影响4 4 5 1 生物酶脱胶工艺研究4 4 t t o 黄麻纤维精细化改性研究 第一章绪论 1 1 黄麻概述 黄麻属于椴树科，一年生草本植物，有圆果种和长果种之分。黄麻是亚热带 和热带作物，黄麻纤维是从茎部剥下的韧皮纤维，纤维质地柔软，适于纺织，是 麻袋和麻布的重要原料。黄麻纤维吸湿散热性能好，耐磨性强，纤维强度高。 1 1 1 黄麻纤维的结构 黄麻纤维细胞结构为：横截面呈五角形、六角形和多角形，断面有倾斜龟裂 条痕，表面呈竹子节状或呈x 型节状，纵向呈条纹状，横节不太清晰( 亚麻十分清晰， 黄麻则不太清晰) ，有沟槽，截面为圆形，胞腔面积较苎麻要大【l 】。纤维细胞厚度 整齐呈圆筒状，没有天然卷曲：单纤维长度较短，仅1 5 - - 5r a i n ，且长度参差不齐， 无法单纤维纺纱。 黄麻纤维的基本结构元是原纤状长链纤维素。从形态学看，是由格状中间薄 层把大量基本细胞固定在一起的纤维。在麻茎截面中，单纤维约含5 - 3 0 个细胞， 每个基本细胞有中腔，每根单纤维看作是被夹在半纤维素和木质素矩阵中的超细 长原纤，对矩阵起增强作用，所以黄麻纤维具有高强度、高初始模量和低延伸性 的特点；由于含有较多的木质素，所以黄麻纤维粗硬，并呈黄褐色，柔性差。 1 1 2 黄麻纤维的工艺纤维及基本性能 1 1 2 1 工艺纤维 黄麻纤维是木质纤维状的韧皮纤维，纺织工业利用的是经梳理后的工艺纤维， 是由纤维素、半纤维素、木质素等组成，其主要组成如表1 1 所示【2 1 。 表1 1 黄麻纤维的组成( ) o 幕辜天学 雠址孺蛐瞰仃 黄麻纤维精细化改性研究 由黄麻纤维的化学组成来看，木质素含量较多的使其产品柔软度较差；半纤 维素含量较多使其产品具有弱酸性；胶质含量较多使得纤维分离度较低，影响纤 维及成纱的线密度。 纤维细度对产品开发和产品风格影响很大。通常细度d , n 可纺纱线的线密度 小，可开发较高档的黄麻织物产品。影响细度的因素主要有植物学和培育等农业 方面的因素以及脱胶、梳理等工艺方面的因素。在同样的工艺下，品种间差异比 较大，表1 2 所示为黄麻纤维的长度和细度，并与亚麻进行对比【2 1 。由于圆果种每 束纤维中细胞个数比长果种少，纤维细胞的面积和中腔面积、纤维细胞宽度、细 胞束的面积都比长果种小，所以圆果种的工艺纤维细度比长果种细度高；麻茎部 位不同，工艺纤维细度也有差异，主要是由各部位的初生韧皮细胞和次生韧皮纤 维细胞所占比例大小以及细胞的成熟度两个因素决定的，稍部和中部细度支数高， 基部最低。 表1 2 黄麻、亚麻工艺纤维表 注：a 为黄麻圆果种，b 为黄麻长果种 在生产加工中，可根据黄麻品种和麻茎部位进行合理使用，做到优麻优用， 增加黄麻纤维产品的层次。表中显现亚麻与黄麻圆果种的工艺纤维细度接近，可 开发出高档的麻纺织品。 1 1 2 2 基本性能 1 1 2 2 1 穿着舒适性 黄麻纤维不规则多角形混和横截面使其具有快速的吸放湿和透湿能力，具有导 湿快干的特点。因此黄麻产品能够很好地调节人体与环境的热湿平衡将人体的 汽态和液态汗快速地通过织物排除，使得人体始终保持在一个热湿适宜条件下，具 有良好的穿着舒适性能。尤其是经过一定的整理工序提高纱线支数后黄麻织物具 有舒适的手感，可以广泛用作服装或家纺面料。 2 o 黄麻纤维精细化改性研究 1 1 2 2 2 外观风格 黄麻产品在光泽、悬垂性和织物纹理等方面都有其特殊的风格特点。黄麻纤 维横截面为不规则多角形混和，使黄麻纱及织物产生漫反射现象，使其产品色调 柔和、不刺激，使人们视觉感受舒服。从外观上看，黄麻纤维初始模量较大，织 物呈现粗犷豪放、悬垂典雅、色调柔和、挺括大方等特点，纹理自然，无矫揉造 作之感，同时黄麻纤维的适用性极其广泛，通过与各种其它纤维的混纺交织以及 采用不同的纺纱工艺，产品外观风格的跨度很大，是开发高档面料的理想原料 3 1 。 1 1 2 2 3 抗菌保健作用 虽然目前对黄麻纤维抗菌作用的机理还有争议，但是黄麻纤维具有明显的、 强大的抗菌性能却是不争事实，已经完全被国内外所接受。采用接触法进行1 2h 的实验，结果表明，白色念株菌的存活率为3 7 ，而大肠杆菌的存活率只有8 ， 金色葡萄球菌的存活率只有6 ，都远远优于其它纺织材料【4 】。黄麻纤维具有天然 的抗菌性能，与人工抗菌织物相比更加安全可靠，尤其适合用作服装或家纺面料。 目前黄麻的这种功能已经开始显示出广阔的市场前景和可观的经济效益。 1 2 黄麻纤维的研究现状 黄麻的工艺纤维虽可解决黄麻单纤维较短难以纺纱的问题，但一般较粗，纤 维线密度约为2 2 2 - - 4t e x ，难以直接运用到纺纱工艺中。要应用于服饰的黄麻纤维 必须解决细度的问题，只有黄麻纤维变细了，才可用于纺纱织造，才有可能制成 人们日常穿着的服饰【5 1 。现在国内外也一直在进行黄麻纤维精细化研究，精细化的 过程也就是将黄麻工艺纤维变细的过程。现今运用最多的精细化方法是脱胶。 1 。2 1 传统脱胶方法 黄麻脱胶主要是采用苎麻脱胶路线，针对黄麻纤维的不同化学组成，采用不 同的加工方法。其原理就是利用微生物的发酵作用或药品的化学处理【6 1 。使生麻中 除纤维以外的大部分物质分解并溶解于水，经敲打洗涤后得到熟麻。利用微生物 发酵脱胶的方法称为细菌脱胶，它又有天然细菌脱胶及人工培养细菌脱胶两种。 用化学方法来处理的称为化学脱胶。 3 o j 季天学 髓吐穗眦缸玎 黄麻纤维精细化改性研究 1 2 1 1 生物细菌脱胶法 天然细菌脱胶是利用天然水源，把麻皮或麻茎沤于水中，凭借自然温度使生 麻和水中的原有微生物，在一定的温度条件下迅速繁殖，并分泌出特种果胶酶、 水解果胶等物质使麻纤维分离而成熟麻。这种脱胶方法又可分为鲜麻皮脱胶、干 麻皮脱胶、鲜茎带秆脱胶及干茎带秆脱胶等4 种。鲜麻皮脱胶是将剥取的新鲜麻皮 直接沤在水中进行脱胶。干麻脱胶是将剥下的麻皮经晒干后再沤于水中。鲜茎带 秆脱胶是将连根拔出的麻株( 有的齐根割断) ，打成小捆放入水中沤泡进行脱胶。干 茎脱胶是将麻株晒干贮存，待气温较高时再沤于水中进行脱胶，这种方法在北方 麻区采用。这几种方法中，以鲜皮脱胶和鲜茎带秆脱胶为好。而鲜茎带秆脱胶又 比鲜皮脱胶好鲜茎带秆脱胶法脱胶均匀，束纤维强力高、品质好、产量也高，在 全国很多麻区得到广泛采用。人工培养细菌脱胶是在发酵池内，加入人工培养的 有效细菌在控制水质和温度的条件下进行脱胶【_ 7 1 。该法的优点是脱胶时间比天然法 短，纤维品质好，精洗率高，环境条件易控制。但由于设备费用大，目前也很少 应用。 1 2 1 2 化学脱胶 化学脱胶是采用氢氧化钠( 亦可加纯碱、水玻璃等助剂，以减少烧碱用量) 、碳 酸钠、石灰乳液、碳酸钾等溶液，对麻进行蒸煮处理，使生麻皮中的部分果胶及 其附着物溶解于水而制得熟麻【引。 印度加尔各答技术学院研究了用化学品有效排除半纤维素和本质素的方法。 半纤维素的分离排除过程为渐进式的：先用1 浓度的氢氧化钠溶液在3 下处理1 h 。然后在3 0 下用1 0 浓度的氢氧化钠溶液煮沸3 0m i n ，接着用2 浓度的醋酸 溶液中和，然后水洗和干燥；木质素的分离排除过程为：在p h 值为4 5 的情况下， 用0 7 浓度的亚氯酸钠溶液把去脂黄麻纤维煮沸1 0 - 2 0m i n ，然后用2 浓度的亚 硫酸钠溶液在4 0 下处理3 0r a i n ，接着水洗和干燥。 原中国纺织大学姜繁副9 】等人对黄麻碱变性与其产品开发作了较深入的研究。 采用2 6 8t e x 的原麻在5 0 - 3 5 0g l 浸碱浓度下改性处理。发现浸碱浓度为2 0 0g l 时，纤维会取得较好的综合指标值：细度为1 7 4t e x 断裂伸长率9 1 0 ，卷曲数2 3 个c m ，强度2 7 5 4g t e x 。并实验验证了改性黄麻与粘胶纤维在1 0 - - 3 0 混纺比 4 o 黄麻纤维精细化改性研究 下在棉纺设备上纺出1 0 - 2 0n m 纱的可能性。 此法不受季节影响，可全年生产，脱胶时间短，脱胶均匀，脱胶条件容易控 制。但由于成本高，没有得到采用。 1 2 2 新型脱胶方法 除了以上常用的脱胶方法，国内外的专家学者还在不断探讨新型的黄麻脱胶 方法。 1 2 2 1 生物酶法 生物酶法的原理即在纤维素酶浓度不大时，采用纤维素酶处理黄麻束，能迅 速“开松，并能“定向爆破外围的韧皮和胶质，为果胶酶的进一步渗入创造 了条件，并增加了果胶、木质素的脱除。同时，少量纤维素酶能使纤维素大分子 链b 1 4 苷键断裂产生较小的分子链；把不溶性的果胶转化为可溶性果胶，切断果胶 分子中的甲氧键、酯键、o t - 1 4 键，形成游离小分子【8 】。引起麻纤维表面剥皮效应。 减少果胶、木质素、半纤维素和部分纤维素的含量，使黄麻纤维结晶度、取向度 降低，改善黄麻纤维的模量、刚度、韧性和抱合力，达到满意的纺织工艺要求。 国外目前已使用一种新的黄麻软麻工艺乳化剂一酵素。这种酵素主要利用麦糠 作为培养基培养出来的纤维软化酶，品种较多。其中曲霉素具有稳定的生物化学 性质。在酵素作用下，麻纤维得到比传统工艺处理较为理想的软化提高纺纱效率， 并可提高纺纱支数【1 0 1 。印度一种曲霉形成的培养物与固相载体混合配制成菌剂在 生产上已获得一定规模的应用。中国农科院麻类研究所孙庆祥【1 1 , 1 2 】等人用多粘芽 抱杆菌b a c i l l u sp o l y m y x a ( 编号t 1 1 6 3 ) 进行干皮润湿脱胶试验表明：3 5 振荡培养6 h 后的菌液可使湿润干皮在7 6h 完成脱胶。与不加菌液的陆地湿润脱胶相比，时间 缩短了3 天，精洗率提高1 8 。 生物酶法是传统细菌法的改进，能取得比细菌法更好的效果【1 3 , 1 4 】。但同时成 本更加昂贵【1 5 】，对设备技术要求也更高，目前很难在国内大范围的推广。 1 2 2 2 化学生物结合法 美国密西西比州立大学采用细菌工艺浸解洋麻和细菌与化学品相结合的工艺 5 o 黄麻纤维精细化改性研究 浸解洋麻，并对两种方法浸解后的纤维性质作了比较。在3 0 的浸解槽中，洋麻 中自然存在着细菌群落，用7 浓度的氢氧化钠溶液和0 5 浓度的亚硫酸氢钠溶液 将它煮沸。洗涤后再进行梳理。结果表明，经过化学品浸解后，可发现其束纤维 强度、果胶含量和弱节长度都减小了。经过细菌漫解的纤维，其胶含量均匀，且 光泽较优。相对于化学品浸解的含胶量仅为7 - - 1 2 ，细菌浸解的纤维残余胶含 量达到2 l 2 3 。虽然细菌浸解纤维的质量有不少长处，但主持实验的专家建 议最好还是将细菌法和化学品法相结合【1 6 1 。 化学生物结合法博取了化学方法中脱胶彻底和细菌法中纤维损伤小的优点， 有很好的应用前景，但同时也包括了两者的缺点【1 1 7 1 。目前各国科技人员正在研究 如何使两者优点最大化，缺点最小化，所以离投入到实际生产中还有较大距离。 1 2 2 3 改性法 另外，印度黄麻工业研究协会使用d m d h e u 对黄麻进行交联处理，并以金属 盐和酸的混合物作为催化剂，赋予黄麻纤维更高的弹性。在孟加拉国的一份科研 报告中指出，黄麻纤维经丙烯酸树脂整理后，有较好的耐磨性，加上其较好的透 气性，可用于制作各种理想的野外工作服。改性法只能改善黄麻的部分性能，但 不能全部解决精细化问题。 1 2 3 存在的问题 虽然据国内外的不少文献报道，通过对黄麻纤维性能的研究和改性处理，使 其具有更好的可纺性，但是无论是传统脱胶方法还是新型脱胶方法都存在不足： 传统脱胶方法技术含量不高，脱胶时间长，有些环境条件很难控制，脱胶效果欠 佳；新型脱胶方法虽然可以较好地克服传统脱胶方法的不足，但通常设备成本较 高，技术也不成熟，很难大范围推广。 此外，目前的经脱胶处理的黄麻仍然存在以下问题： 1 ) 黄麻可纺性差没有得到很好解决，纤维仍粗。纱线仍然局限于1 5 8 - 一2 1 8 以下 的粗支纱； 2 ) 黄麻纤维短绒很多，大量的刚性毛羽使得纺织品有强烈的刺痒感； 3 ) 黄麻纤维及其织物的染色性和柔软性差，导致黄麻纺织品的应用面偏窄。 6 o 黄麻纤维精细化改性研究 1 3 研究背景与意义 1 3 1 研究背景 近来，随着生活水平的提高，人们对服饰的要求从耐用性转移到舒适性上， 对天然纤维的需求量也逐年增加。但由于天然纤维产量的限制，迫使人们必须寻 求新的天然服用纤维。而最简单易行的方法就是改进现有的还未被运用到服饰领 域的天然纤维。 黄麻纤维是现今非常令人关注的天然纤维之一。软质麻类纤维，如苎麻和亚 麻等已大量应用于服装、家纺面料等。而黄麻与其他软质麻纤维相比，木质素含 量较高，导致纤维粗硬，使得黄麻纤维主要用于加工麻袋，麻布等粗纺型产品【1 8 】。 作为环境之友的黄麻纤维，随着现代纺织技术的应用，其应用领域大大拓宽，可 开发高附加值的新产品，具有广阔的前景。然而目前黄麻纤维产品存在结构单一， 手感粗糙，产品档次较低等一系列问题，因此对尚未合理开发利用的黄麻资源做 进一步的研究开发，已成为纺织品研究领域的一项重大课题。 1 3 2 研究意义 同苎麻、亚麻等麻类纤维一样，黄麻纤维有着优良的吸湿、透气性。尽管黄 麻纤维具有粗、硬、糙等缺陷，但作为一种天然纤维资源，其在许多方面又具有 独特的优点。 首先，黄麻适宜生长的区域很广，而且对种植条件要求低，不与粮棉争地， 具有极强的耐涝能力，在我国的很多地方如湖北、湖南、安徽等地的低洼涝地均 适宜种植【1 9 】；其次，黄麻是一种具有快速吸放湿和渗透能力的纤维，故具有良好 的穿着舒适性能。同时黄麻纤维通过与各种其他纤维的混纺交织以及不同的纺纱 工艺方法，产品外观风格的跨度很大，是开发高档面料的理想原料。黄麻纤维也 具有明显的逆制菌性，有研究表明它能大大减少白色念珠菌，大肠杆菌，金色葡 萄球菌的存活率，是一种优良的抗菌材料。综合而言，黄麻和苎麻相比具有更好 的吸湿性，提高2 至4 5 。初始弹性模量高，生物分解性好，悬垂性能优良，吸 湿性高，不起球，其抗菌能力也是麻类织物中较强的，成本具有比较高的竞争力， 具有很大的开发潜力。 目前，苎麻、亚麻类产品在国际市场上深受青睐，随着我国的“入世 ，我 7 o 黄麻纤维精细化改性研究 国的纺织品将在国际市场上占有更大的份额，麻类产品的热销将导致麻类原料的 紧缺，这在近年已有所反映。目前，我国的亚麻资源缺乏，远远不能满足纺织加 工业的需求，有近8 0 的原料不得不从国外进口，成本昂贵，苎麻也因原料的紧 缺而导致价格一涨再涨【2 0 】。随着黄麻产品开发向专业化、高技术、高附加值等方 向发展，黄麻完全可代替中低档的亚麻、苎麻等产品；随着黄麻纺织技术与设备 的引进和发展，黄麻纤维制品在高档纺织品中的份额会越来越多，不仅可大大降 低原料成本，而且为黄麻纺织业的产品开发提供了新的途径。 我国是世界上第三大黄麻生产国，充分利用自然资源，保护生存环境是人类 可持续发展的战略主题【2 1 1 。作为天然的纤维资源，黄麻对环境是极其“友善”的， 即使被废弃后，也因其极易生物降解而不会对环境造成污染。因此，发展黄麻纺 织业，也是发展“绿色纺织的一项重要内容。 1 4 本论文的研究内容 本课题所研究的“精细化”就是对黄麻纤维进行化学生物联合脱胶加工，在 黄麻中提取天然纤维素纤维，使其纤维能够直接用于纺织加工。黄麻精细化改性 工艺路线如下： 预处理一化学法_ 化学一生物酶联合脱胶一漂白j 精细化黄麻纤维 1 4 1 预处理 其目的主要是提高后续工艺对黄麻纤维脱胶的均一程度，减轻煮练工序负 担，提高煮练效果，缩短煮练时间，减少化工原料消耗和节省能源。在本课题实 验中，试探并比较预水、预酸、预氧及预超声波四种预处理工艺。传统上，麻类 纤维多采用浸酸的方法进行预处理，时间普遍较长，一般需要1 3h 。黄麻纤维 中的部分胶质也会受到酸的作用而水解( 尤其是强无机酸的作用) ，只不过它们 对于酸作用的稳定性有所差异。 1 4 2 化学法 本文借鉴硫酸盐蒸煮法，在单因子分析的基础上，通过正交分析以确定优化 的化学法工艺参数。此为本课题的创新点之一。化学法质量的优劣直接影响到脱 一i 9 o 黄麻纤维精细化改性研究 第二章本课题研究的主要基本理论 2 1 黄麻纤维的化学组成 黄麻纤维，由纤维素、半纤维素、木质素、果胶物质和脂蜡质等成分组成 2 2 - 2 5 】。 2 1 1 纤维素 2 1 1 1 纤维素的分子结构 纤维素是植物中含量最广泛、最普遍的物质之一，它是构成黄麻纤维细胞壁 的基础物质，和半纤维素、果胶物质、木质素等一起构成黄麻纤维的主体。各种 不同来源的纤维素纤维中，纤维素的含量是不同的，例如棉花中纤维素含量为9 2 9 5 ，麻类韧皮中纤维素的含量仅有6 5 7 5 ，而本课题采用黄麻纤维的 纤维素含量为6 6 6 7 6 8 6 6 。 尽管纤维素的来源有所不同，有来自自然界和人工制造之分，但它们的化学 组成和结构都是一样的。一般认为，纤维素是由p d 。葡萄糖单元，通过1 4 甙键 互相连接而成的直链型高分子化合物，化学分子式可写作( c 6 h l 0 0 5 ) n ，式中1 1 为 葡萄糖剩基数目，称为聚合度。其化学结构式可表示为： 2 图2 1 纤维素的化学结构式 从结构式中可看出： ( 1 ) 纤维素大分子的基本结构单元是p d 葡萄糖剩基，相邻两个剩基之间以 1 _ 4 甙键相连，且互为翻转式连接，形成纤维素大分子的周期性重复单元。 l o o 黄麻纤维精细化改性研究 ( 2 ) 纤维素大分子中每一个葡萄糖剩基上有三个自由羟基，其中两个为仲羟 基位于c 2 、c 3 上，一个为伯羟基位于c 6 上，他们都具有一般醇羟基的性质， 在化学反应性质上，c 6 上伯羟基比c 2 、c 3 上仲羟基更活泼。 ( 3 ) 纤维素大分子的一端存在一个具有还原性的隐性醛基，即所谓的半缩醛 结构，导致整个纤维素大分子具有极性并呈现出方向性。不过，由于纤维素的分 子量通常很大，约有2 0 0 万，因此纤维素分子的还原性往往可以忽略。 纤维素的结构特点决定了纤维素的化学性质可以从两个方面反映出来：一是 纤维素链的降解反应，二是与纤维素羟基有关的衍生化反应，前者指纤维素的氧 化、酸解、碱解、机械降解等反应，而后者则包括纤维素的酯化、醚化、亲核取 代、接枝共聚和交联等反应。 一。一i- 1 i - 。争嚣0 - = - = - - o 游+ 黼t 甲o _ _ c 一加们肚1 j - ：肼+ 9 1 h h 兮叫c 1 c - 一0 i = 1 0 - 1 由刚 h o h 钒刚 o 黄麻纤维精细化改性研究 粘胶纤维，在同样酸性条件下进行水解，麻纤维水解速率最慢，粘胶纤维水解速 率最快。这是纤维不均匀结构在起作用，由于麻纤维结晶度高，无定性区域少， 酸难进入，因而水解速率就比其他两种纤维慢。 2 1 1 2 2 纤维素分子与氧化剂反应 纤维素分子是葡萄糖剩基构成的有机高分子，它的氧化性较弱，因此对许多 还原剂很稳定，不反应；但它的葡萄糖剩基结构具有一定的还原性，对氧化剂是 不稳定的，一些氧化剂能使纤维素发生严重降解。氧化剂对纤维素的氧化作用主 要发生在纤维素葡萄糖基环c 2 、c 3 、c 6 位的三个自由羟基和大分子末端c i 的 潜在醛基上，根据不同条件相应生成醛基、酮基或羧基。纤维素经氧化作用后生 成的各种氧化产物的混合物，称为氧化纤维素。 在纺织加工化学工程中，纤维素或多或少都会受到氧化剂的氧化作用。例如 在苎麻化学脱胶工程中，原麻在碱液中进行煮练时，空气中的氧可直接氧化苎麻 纤维素；在对苎麻进行漂白处理时，会受到漂白剂的氧化作用等等。一般来说， 氧化纤维素是不利的，因此，在本课题中，为了防止氧化纤维素的生成，碱液煮 练时采用了较大的浴比。 2 1 1 2 3 纤维素分子与碱反应 在一般情况下，纤维素对碱是比较稳定的，但是在高温条件下，例如，碱煮 的过程中，随着温度的升高及胶质的脱除，纤维素大分子同样会发生分子链断裂， 称之为包含有碱性水解和剥皮反应的碱性降解作用。碱性水解作用在温度较低时 反应不大，温度越高水解反应越强烈。当温度在1 5 0 以下时，纤维素在碱性介质 中主要是产生剥皮反应，而温度上升超过1 5 0 时，则产生碱性水解作用。碱性水 解的后果，使纤维素链分子暴露出新的末端还原基，又生成了剥皮反应的新起点， 于是碱性水解又促进了更多的剥皮反应。在碱的影响下，纤维素具有还原性末端 基的葡萄糖分子会一个接一个地脱掉，直到产生的纤维素末端基转化为偏变糖羧 基的稳定反应为止，掉下来的葡糖基在溶液中最后转化为异变糖酸，并以其钠盐 的形式存在于溶液中。 在麻纤维碱煮过程中，总是存在着剥皮反应，其结果是纤维素聚合度下降， 1 2 i o 孽季戈荸 嘲龇- 啊眦竹 黄麻纤维精细化改性研究 纤维素聚合