堿氧一浴脫膠法功能性大麻纖維的研究

歐陽兆鋒，朱士鳳，2，田明偉，2，曲麗君，2

(1.青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266071；2.山東省海洋生物質(zhì)纖維材料及紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266071)

大麻纖維是一種韌皮纖維，天然環(huán)保，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于紡織生產(chǎn)，其保暖性好，具有抗霉抑菌防臭的效果，同時還具有吸濕排汗性、絕緣性、隔音性、耐曬防腐性、耐高溫性、抗紫外線性等，已廣泛應(yīng)用于服裝、繩索、床上用品、造紙[1]、醫(yī)療衛(wèi)生以及軍需用品等領(lǐng)域。石墨烯是一種二維自由態(tài)原子晶體,是目前所發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料，其理論厚度僅為0.35 mm[2]。石墨烯具有良好的導(dǎo)電性和開放的表面，較大的理論比表面積，優(yōu)良的導(dǎo)熱特性和儲能性質(zhì)，應(yīng)用前景廣闊[3]。本文采用石墨烯溶液作為功能整理劑，通過水浴堿氧一浴脫膠法對大麻原麻進行脫膠改性整理，研究了改性大麻纖維的殘膠率、導(dǎo)熱性和機械性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

大麻原麻、1 g/L的石墨烯分散液(實驗室自制)、硫酸、氫氧化鈉、雙氧水、雙氧水穩(wěn)定劑。

1.2 原麻堿氧一浴脫膠

本實驗脫膠過程主要分兩步：預(yù)處理及堿氧一浴脫膠。堿氧一浴脫膠過程分別采用蒸餾水和石墨烯溶液，工藝流程如下：

對照組處理：大麻原麻→預(yù)處理(H2SO4)→水洗→堿氧一浴(蒸餾水)→水洗→酸洗→水洗→打纖→抖纖→烘干→大麻纖維。

實驗組處理：大麻原麻→預(yù)處理(H2SO4)→水洗→堿氧一浴(石墨烯溶液)→水洗→酸洗→水洗→打纖→抖纖→烘干→大麻纖維。

1.3 表征與測試

紅外分析：使用Nicolet 5700型紅外光譜儀進行紅外分析測試。

殘膠率分析：按照GB 5889—86標準進行殘膠率分析。

導(dǎo)熱性能：采用由Pt 100型溫度傳感器和TES—1310型數(shù)位溫度采集器連接而成的裝置進行纖維的導(dǎo)熱性能測試，烘箱溫度100℃，時間0～20 min。

機械性能：采用FAVIMAT AIROBOT全自動單纖維強力測試儀進行單纖維的斷裂強力、斷裂伸長等測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同方法處理后大麻纖維的紅外分析

圖1即為水浴處理及石墨烯溶液處理的大麻纖維紅外分析對比圖，通過分析可知，在797 cm-1處的吸收峰，屬于β—糖苷鍵振動。纖維素結(jié)構(gòu)特征吸收峰主要處于1120 cm-1和1260 cm-1的吸收峰，觀察知這兩個吸收峰強度明顯不同，b組石墨烯溶液處理得到的大麻纖維吸收峰強度明顯高于a組，這是因為石墨烯溶液處理得到的大麻纖維較水浴處理得到的大麻纖維纖維素的含量更高，即石墨烯溶液處理大麻纖維的脫膠效果較高。同時，纖維素分子間氫鍵連接的羥基(—OH)吸收峰處于2960 cm-1，由圖1可知a組和b組大麻纖維在此處的峰位相同，均處于2960 cm-1，并且該峰相對比較平滑，其周圍沒有零散小峰，可知已經(jīng)有效除去了大麻纖維中的蠟質(zhì)。但b組此處的峰值強度明顯大于a組。

圖1 水浴處理及石墨烯溶液處理大麻纖維紅外分析對比圖注：a—水浴處理；b—石墨烯溶液處理

2.2 不同方法處理后大麻纖維的殘膠率

本文選用脫膠時間為120 min，溫度為100℃，按照GB 5889—86《苧麻化學成分定量分析法》進行殘膠率測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法處理后大麻纖維的殘膠率

由表1可以看出，石墨烯溶液處理制取大麻纖維的殘膠率明顯低于水浴處理的，這表明石墨烯溶液處理可以降低大麻纖維的殘膠率。

2.3 不同方法處理后大麻纖維的導(dǎo)熱性

依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，繪制出水浴處理及石墨烯溶液處理脫膠制得大麻纖維溫升曲線，如圖2所示。

圖2 兩種試樣及空白樣溫升曲線

通過分析，做出水浴處理及石墨烯溶液處理脫膠制得大麻纖維動態(tài)傳熱率曲線，如圖3所示。

圖3 兩種試樣動態(tài)傳熱率曲線

由圖2可知水浴處理得到的大麻纖維和石墨烯溶液處理得到的大麻纖維經(jīng)25 min后溫度分別為94.5℃和95.7℃，因此石墨烯溶液處理脫膠制得大麻纖維傳熱性能優(yōu)于水浴處理得到的。圖3可更直觀地顯示兩種方法下大麻纖維動態(tài)傳熱率的差異，水浴處理大麻最終動態(tài)傳熱率為20.7%，而石墨烯處理大麻為31.5%，因此石墨烯溶液處理對于提高大麻纖維的傳熱性能較水浴處理效果更明顯。其原因是在大麻纖維的脫膠過程中，一些石墨烯附著在大麻纖維的表面，有些甚至進入到大麻纖維的內(nèi)部，而石墨烯又具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，從而使得大麻纖維的傳熱性能顯著提升。

2.4 不同方法處理后大麻纖維的力學性能

采用FAVIMAT AIROBOT全自動單纖維強力測試儀進行單根纖維的斷裂強力、斷裂伸長測試。具體試驗參數(shù)如下：溫度：20℃，濕度65 %，隔距長度：10 mm，拉伸速度：100 mm/min，測試次數(shù)50次，試驗結(jié)果見表2。

表2 大麻纖維力學性能測試結(jié)果

由表2可以看出，石墨烯溶液處理得到的大麻纖維較水浴處理得到的大麻纖維而言，其斷裂強力和斷裂伸長率均顯著提高，這說明石墨烯溶液處理大麻不僅脫膠效果好而且在脫膠過程中對纖維損傷也小。

3 結(jié)語

通過不同處理前后大麻纖維各項性能的對比，可以發(fā)現(xiàn)，添加適量的石墨烯可以提高大麻纖維的強力，降低殘膠率，提高導(dǎo)熱性。

參考文獻：

[1] 馬飛.張家川縣大麻生產(chǎn)現(xiàn)狀及對策[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2017，(12)：14.

[2] 胡耀娟，金娟，張卉，等.石墨烯的制備、功能化及在化學中的應(yīng)用[J].物理化學學報，2010，26(8)：2073—2086.

[3] 楊全紅，唐致遠.新型儲能材料-石墨烯的儲能特性及其前景展望[J].電源技術(shù)，2009，33(4)：241—244.