黃麻纖維的性能及其改性技術(shù)研究進(jìn)展

郭昌盛,林海濤,蔣 芳

(廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州 545000)

黃麻纖維的性能及其改性技術(shù)研究進(jìn)展

郭昌盛,林海濤,蔣 芳

(廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州 545000)

黃麻纖維力學(xué)性能優(yōu)異、產(chǎn)量大、價(jià)格低，具有其他麻類纖維無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有很大發(fā)展?jié)撃艿睦w維素類纖維。介紹了黃麻纖維的結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用及改性研究現(xiàn)狀，為其研究發(fā)展提供一定的理論支持。

黃麻纖維 結(jié)構(gòu) 性能 應(yīng)用 改性

黃麻(Jute)又名絡(luò)麻、綠麻，可分為長果黃麻和果種黃麻，黃麻屬椴樹科，一年生草本韌皮纖維作物，如圖1。我國黃麻產(chǎn)量僅次于印度和孟加拉國，是世界上三大黃麻產(chǎn)地國之一，主要分布于浙江、臺(tái)灣、廣東等省，我國已經(jīng)有6000多年應(yīng)用歷史，除了夏布、麻袋方面，在宋代以后開始應(yīng)用于紙張方面。由于黃麻纖維斷裂強(qiáng)度高、吸濕透氣性好、抗菌性及紫外線強(qiáng)、可溶解性好等性能特點(diǎn)[1-4]，其應(yīng)用不僅在傳統(tǒng)產(chǎn)品中延伸，還在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中大有作為。本文對(duì)黃麻纖維的結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用及改性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，為其未來發(fā)展提供理論參考。

圖1 黃麻植物及其纖維束

1 黃麻纖維的結(jié)構(gòu)與性能

1.1 黃麻纖維的結(jié)構(gòu)及組成

黃麻纖維表面呈竹子節(jié)狀或X型節(jié)狀，縱向呈條紋狀，橫向條紋沒有苧麻的清晰，且有圓形截面的溝槽，腔胞面積比苧麻大。纖維的橫截面有五角星、六角形和多角形，斷面有傾斜的龜裂條痕；細(xì)胞的厚度整齊，呈圓筒狀，沒有天然的卷曲。黃麻纖維的基本結(jié)構(gòu)單元是原纖狀長鏈纖維素。單纖維是由格狀中間薄層把大量基本細(xì)胞固定在一起而成，約含有5～30個(gè)細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞均有中腔。每根纖維可以被看成夾在半纖維素和木質(zhì)素矩陣中的超細(xì)長原纖，對(duì)矩陣起增強(qiáng)作用。特殊的結(jié)構(gòu)組成，賦予了黃麻纖維具有高強(qiáng)度、高初始模量、低延伸性和吸濕性及透氣性好的特點(diǎn)[5]。

表1 黃麻及其他纖維的化學(xué)組成對(duì)比

由表1知，黃麻纖維中的木質(zhì)素和半纖維素含量比較大，二者占纖維化學(xué)組成的33%～38%以上，均高于其他纖維素纖維如棉、亞麻、苧麻和大麻，這也賦予黃麻纖維獨(dú)特的性能。木質(zhì)素的含量多少直接影響纖維的光澤、可紡性、柔軟性及印染著色性，木質(zhì)素含量多，則纖維的光澤差，手感粗硬、彈性差，可紡性及印染著色性難，其織物的懸垂性也差。木質(zhì)素少則恰恰相反。半纖維素(介于淀粉和纖維素之間，含有各種多糖類或近似糖類的物質(zhì)，其分子量比纖維素低)含量較多時(shí)，其產(chǎn)品具有弱酸性。膠質(zhì)的含有使纖維不能被細(xì)劈。所以黃麻纖維粗硬、紡高支數(shù)紗線困難，呈褐色，柔性差[2,6]。

1.2 黃麻纖維的性能

黃麻纖維斷裂強(qiáng)度和棉纖維相近，但其模量是棉纖維的2～4倍，斷裂伸長率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于棉纖維。與其它麻(苧麻、亞麻和西沙爾麻)纖維相比，黃麻纖維的斷裂伸長率最小，模量比西沙爾麻纖維要高，而比亞麻和竺麻低。但黃麻纖維拉伸強(qiáng)力的離散度比較大，很難控制，主要因?yàn)槊撃z工藝、生長季節(jié)、取樣部位的不同對(duì)其都有很大影響。因此，如何保證麻類纖維產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性也是學(xué)者們研究的一個(gè)重點(diǎn)之一[7]。

相比其他麻類纖維，黃麻纖維表面含有許多腔胞，且每個(gè)細(xì)胞均有中腔，故其吸濕透氣性均好于其他麻類纖維，黃麻纖維的回潮率高達(dá)12.6%[8]。同時(shí)由于其橫截面呈多角形混合，故其織物具有導(dǎo)濕快干的功能，能夠非常好地調(diào)節(jié)人體與周圍環(huán)境的熱濕平衡，保證人體始終處在一個(gè)熱濕適宜條件；不規(guī)則多角形混和，使黃麻紗及織物產(chǎn)生漫反射現(xiàn)象，其產(chǎn)品色調(diào)柔和、不刺激，使人們視覺感受非常舒服。黃麻纖維初始模量較大，使其產(chǎn)品呈現(xiàn)粗獷豪放、色調(diào)柔和、懸垂典雅、挺括大方等特點(diǎn)，紋理自然，無矯揉造作之感[9]。

黃麻單纖維長度較短，僅1.5mm～5mm，無卷曲，且長度參差不齊，故無法紡紗。黃麻纖維具有非常強(qiáng)大的抗菌性能，同樣實(shí)驗(yàn)條件下，白色念株菌的存活率為37%，而金色葡萄球菌的存活率只有6%，大腸桿菌的存活率只有8%，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它紡織材料，黃麻纖維還具有一定的抗紫外線能力[10,11]。黃麻纖維具有產(chǎn)量大、價(jià)格低的特點(diǎn)，是其他麻纖維無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是僅次于棉纖維的第二大天然纖維素纖維[12]。2000年～2003年，黃麻總產(chǎn)量變化基本不大，約280萬噸左右，是馬尼拉麻產(chǎn)量的28.5倍，大麻產(chǎn)量的38.6倍，苧麻產(chǎn)量的11.8倍(2002年)[7]。

黃麻纖維具有優(yōu)異力學(xué)性能，透氣透濕性好，產(chǎn)量大價(jià)格低，天然抗菌性強(qiáng)等其他麻纖維無法比擬的獨(dú)特性能[1]，其產(chǎn)品舒服性、外觀性及天然抗菌性都非常好。黃麻纖維的產(chǎn)品也從單一的麻袋延伸到服裝面料、裝飾包裝面料、產(chǎn)業(yè)用復(fù)合材料，涵蓋各個(gè)領(lǐng)域。在服裝方面，黃麻纖維可以替代亞麻或苧麻纖維進(jìn)行純紡或混紡，制成裙子、襯衫、夾克衫、套裝等[1]；在裝飾包裝面料方面，可以純麻、交織、混紡等形成的黃麻織物，然后再整理印花等工藝，制作壁掛、窗簾、布藝沙發(fā)、地毯或旅游箱包等，具有綠色、時(shí)尚、環(huán)保、耐用等優(yōu)點(diǎn)；在產(chǎn)業(yè)用產(chǎn)品方面，黃麻纖維可以替代部分聚丙烯制成含麻的聚丙烯粒子(黃麻纖維：聚丙烯=35:65)，應(yīng)用于汽車制造業(yè)、折疊門、家具業(yè)等領(lǐng)域，黃麻復(fù)合材料還可以作為土工布應(yīng)用在沙漠治理、堤壩、抗洪救災(zāi)、高速路的護(hù)坡等[13-15]。

2 黃麻纖維的改性

紡織工業(yè)中應(yīng)用的黃麻纖維一般是指其工藝?yán)w維，是由果膠等物質(zhì)將黃麻單纖維粘連而成的較長的能用于紡織的纖維[16]。一般比較粗硬、沒有卷曲很難應(yīng)用紡紗工藝中，所以需要對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化改性、羊毛化改性、表面改性及柔軟化改性，提高黃麻纖維的可紡性、利用率、及其復(fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)。

2.1 精細(xì)化改性

黃麻的工藝?yán)w維可解決了單纖維較短難以紡紗的問題，但是工藝?yán)w維較粗，線密度約為2.22tex～4tex，很難在紡紗工藝中應(yīng)用。因此，需要在不損傷或者盡量少損傷纖維原有的機(jī)械性能的原則條件下，使黃麻纖維變細(xì)，除去纖維中木質(zhì)素、半纖維素、果膠等成分，保留纖維素的加工過程，即為精細(xì)化改性[6,17]。黃麻纖維精細(xì)化改性有很多種方法，但大致可以分為化學(xué)法、生物法、化學(xué)-生物聯(lián)合法三種方法。

2.1.1 化學(xué)精細(xì)化法

黃麻纖維是由纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、果膠等各種成分組成，且各種成分對(duì)堿、氧化劑和無機(jī)酸等化學(xué)藥品作用的穩(wěn)定性是各不相同。纖維素對(duì)高溫堿液的作用則表現(xiàn)出相對(duì)的穩(wěn)定性，但半纖維素、果膠和木質(zhì)素等成分易被高溫堿液作用而溶解；纖維素和果膠易被氧化劑氧化；木質(zhì)素對(duì)酸的作用則表現(xiàn)出極大的穩(wěn)定性，而半纖維素、果膠和纖維素等成分均可被酸水解。基于此，化學(xué)法就是利用堿性溶液如氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸鉀、石灰乳等溶液，對(duì)黃麻進(jìn)行蒸煮處理，使麻皮中的果膠、半纖維素、木質(zhì)素及其附著物溶解除去[18]。付書玉等[19]采用硫酸鹽蒸煮原理對(duì)黃麻纖維進(jìn)行高溫堿煮練，研究表明，采用硫酸鹽蒸煮原理對(duì)黃麻纖維進(jìn)行高溫堿煮練是一種有效的脫膠途徑，黃麻纖維的細(xì)度可達(dá)539.2Nm，斷裂強(qiáng)度2.8cN/dtex。王劍英等[20]利用堿液對(duì)黃麻纖維進(jìn)行改性處理，了解堿液濃度和處理時(shí)間對(duì)黃麻纖維性能的影響，發(fā)現(xiàn)堿液濃度為10g/L,室溫下處理120min時(shí)，改性后的黃麻纖維力學(xué)性能最佳，且滿足復(fù)合材料增強(qiáng)纖維高強(qiáng)高模低伸的要求。

2.1.2 生物精細(xì)化法

生物精細(xì)化改性可以分為傳統(tǒng)細(xì)菌精細(xì)化法和生物酶精細(xì)化法，而生物酶精細(xì)化法是傳統(tǒng)細(xì)菌精細(xì)化法的改進(jìn)，可取得比傳統(tǒng)細(xì)菌法更好的效果[21,22]。傳統(tǒng)細(xì)菌精細(xì)化法是利用天然水源中原有微生物與漚于水中的麻皮或麻莖，在自然溫度條件下迅速繁殖，分泌出特種果膠酶、水解果膠等物質(zhì)使黃麻纖維分離而成變細(xì)。生物酶精細(xì)化法是利用酶作用單一性，使其只與纖維分子中某一組分作用，而保留其他有效成份，與堿煮化學(xué)加工方法相似。在黃麻改性中，一般選用復(fù)合酶，即由果膠酶和半纖維素酶組成的復(fù)合酶，半纖維素酶是一種多酶混合物[23]。傳統(tǒng)細(xì)菌精細(xì)化法又叫做漚麻法，在北宋代的時(shí)候就已經(jīng)開始使用相似的方法，制取纖維紡紗織布，在偏僻的農(nóng)村也還有應(yīng)用來制取麻繩。李亞濱等[21]選擇復(fù)合酶(纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶和果膠解聚酶等成分)對(duì)黃麻纖維進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)隨著處理時(shí)間的增加，果膠解聚酶可逐漸去除纖維表面的膠著物質(zhì)，且作用僅限于纖維表面，對(duì)纖維的強(qiáng)度影響非常小；木質(zhì)素酶分解纖維表面及中間層的木質(zhì)素，從而使單纖維的粘接強(qiáng)度降低。

2.1.3 化學(xué)-生物聯(lián)合精細(xì)化法

化學(xué)-生物聯(lián)合法是采用化學(xué)精細(xì)法和生物精細(xì)法兩種方法相結(jié)合，具有兩種精細(xì)法的優(yōu)點(diǎn)即化學(xué)方法中脫膠徹底和細(xì)菌法中纖維損傷小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，也具有兩者的缺點(diǎn)(化學(xué)法脫膠污染環(huán)境嚴(yán)重和單一的生物酶脫膠率低)[22-24]。如何使兩者優(yōu)點(diǎn)最大化，缺點(diǎn)最小化，是各國研究的主要方向，所以離投入到實(shí)際生產(chǎn)中還有較大距離。付書玉[6]利用化學(xué)-生物聯(lián)合法，其先采用化學(xué)脫膠，然后再采用生物酶進(jìn)一步處理，發(fā)現(xiàn)在聯(lián)合法優(yōu)化工藝條件下，黃麻纖維精細(xì)化效果非常明顯，細(xì)度達(dá)到609.6 Nm，斷裂強(qiáng)度2.1 cN/dtex，殘膠率4.5%，木質(zhì)素殘余率9.3%。張雙等[25]對(duì)黃麻生物脫膠、化學(xué)脫膠以及生化聯(lián)合脫膠進(jìn)行了較深入的研究，根據(jù)精干麻的殘膠率、纖維線密度以及纖維強(qiáng)力等質(zhì)量指標(biāo)。結(jié)果表明，單獨(dú)生物酶法精細(xì)不能達(dá)到紡紗要求，需用化學(xué)法進(jìn)一步脫膠，且生物酶-化學(xué)聯(lián)合精細(xì)工藝效果比化學(xué)--生物酶聯(lián)合精細(xì)的效果更佳。

2.2 羊毛化改性

黃麻纖維的機(jī)械物理性能與其他麻類纖維差別很大，但黃麻纖維與粗羊毛纖維的細(xì)度、長度和強(qiáng)度都十分相似，故可對(duì)黃麻纖維進(jìn)行羊毛化處理，使其具有羊毛狀的卷曲，以提高其柔軟性、彈性和可紡性。羊毛化改性又稱堿性改性，是指將松弛狀態(tài)的黃麻纖維浸漬在一定溫度、一定濃度的茍性鈉溶液中，處理后的黃麻纖維產(chǎn)生卷曲，這種卷曲似羊毛化的外觀。因強(qiáng)堿滲入到纖維素晶體結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力松弛和分子取向而產(chǎn)生的縱向收縮、從纖維素I向纖維素II轉(zhuǎn)變時(shí)形態(tài)變化產(chǎn)生的分子鏈扭轉(zhuǎn)、以及由于分子鏈橫向密集變化時(shí)產(chǎn)生的橫向力同時(shí)發(fā)生，從而產(chǎn)生了黃麻纖維內(nèi)部三維空間的卷曲。卷曲率的提高，可賦予黃麻纖維似羊毛狀的卷曲外觀，提高纖維間的抱合力。但纖維強(qiáng)力會(huì)下降，雖然麻纖維本身強(qiáng)力較高，但若一味追求卷曲而強(qiáng)度下降過大，則后續(xù)難以應(yīng)用，沒有實(shí)際應(yīng)用意義。姜繁昌等[26]對(duì)黃麻纖維進(jìn)行羊毛化改性研究，發(fā)現(xiàn)改性后，黃麻纖維的細(xì)度由2.68 tex降低到1.74 tex，卷曲個(gè)數(shù)提高到2-3個(gè)/cm。徐靜等[2]對(duì)黃麻纖維進(jìn)行羊毛化處理研究發(fā)現(xiàn)：羊毛化處理必須與氨基硅微乳處理相結(jié)合才能成為完全的堿改性處理。Roy A等[27]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)溫和的堿處理可以提高黃麻纖維的綜合力學(xué)性能，改性后的黃麻纖維可與多種纖維混紡應(yīng)用于服裝面料、地毯、壁掛、貼墻布等裝飾面料。

2.3 表面改性

黃麻纖維表面的纖維素很難與C-H聚合物相容，影響著其增強(qiáng)基體的力學(xué)性能，故黃麻纖維在復(fù)合材料中應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行改性，改善纖維的表面形態(tài)、晶態(tài)、極性、表面化學(xué)組成并除去纖維表而弱邊界層，提高二者的相容性、浸潤性、分解性以及粘結(jié)性能[28-30]。趙磊等[30]采用堿、KMnO4和硅烷偶聯(lián)劑A-151三種不同的化學(xué)處理劑分別對(duì)預(yù)處理黃麻纖維進(jìn)行表面改性，結(jié)果表明：經(jīng)過堿、KMnO4、和硅烷偶聯(lián)劑A-151處理，黃麻纖維的拉伸強(qiáng)度分別提高14.64%、8.74%和6.16%，經(jīng)過不同的表面處理后，纖維的表面能相應(yīng)降低，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。硅烷偶聯(lián)劑A-151表面處理后，效果更明顯。Golriasatein A A等[31]采用聚酞胺樹狀大分子對(duì)黃麻紗線進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)改性后的紗線色牢度得到提高。湯棟等[32]采用硅烷偶聯(lián)劑KH-560、欽酸酷偶聯(lián)劑、NDZ 201、堿處理、輕度乙酞化、氰乙基化5種方法對(duì)黃麻纖維氈進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)改性后黃麻纖維的結(jié)晶度下降，其與環(huán)氧樹脂的界面相容性得到增強(qiáng)，提高了復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度，其中KH-560和堿處理效果最為明顯。

2.4 其他方法改性

除了以上性能改性，還有對(duì)黃麻纖維的伸長率、柔軟度進(jìn)行改性，降低楊氏模量，提高黃麻纖維的柔軟度和耐磨性、降低織物表面的刺癢感。韓菊等[33]采用自制的環(huán)氧化合物(二甘醇二縮水甘油醚))對(duì)黃麻纖維進(jìn)行改性，結(jié)果表明：改性后，黃麻纖維的斷裂伸長率和柔軟度都得到了改善，且在交聯(lián)劑用量3%，交聯(lián)時(shí)間3min～5min，交聯(lián)溫度130℃條件下，柔軟度提高最大，達(dá)到30%。

3 結(jié)語

黃麻纖維有許多優(yōu)良的性能，但是也存在一定的不足如單纖維長度短且變異系數(shù)大、沒有卷曲、柔性差，在一定程度上限制了其在紡織行業(yè)服裝面料中的推廣。經(jīng)過各種方法改性后，黃麻纖維的性能缺陷得到一定程度的彌補(bǔ)，但黃麻纖維的優(yōu)良性能還未能得到充分發(fā)揮應(yīng)用。且每種改性方法還存在一定的不足，如化學(xué)改性法需排放污水不環(huán)保、微生物改性法作用緩慢且不易控制、生物酶改性法作用單一且成本高難以推廣。隨著改性方法的完善，黃麻纖維的性能會(huì)得到更加充分的發(fā)揮，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。

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Jute Fiber′s Property and Its Research Progress in Modification Technologies

GUOChang-sheng,LINHai-tao,JIANGFang

(College of Biological and Chemical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006)

As a kind of cellulose fiber with great development potential, jute fiber has incomparable advantages such as excellent mechanical property, high yield and low price. The structure, performance, application and modification of jute fiber were briefly introduced in order to provide certain theoretical support for its research and development.

jute fibers structure property applications modification

2016-09-13

郭昌盛(1988-)，男，碩士,研究方向：紡織纖維改性及功能性纖維材料研究。

林海濤(1973-)，男，碩士，副教授。

TS102

A

1008-5580(2017)01-0210-05