洋麻纖維精細化處理及性能測試

何順輝，王春紅，吳美雅

（天津工業大學紡織學部，天津300387）

洋麻纖維精細化處理及性能測試

何順輝，王春紅，吳美雅

（天津工業大學紡織學部，天津300387）

使用堿氧一浴法和柔軟劑對洋麻纖維進行精細化處理，研究精細化處理前后纖維粗糙度、成分、拉伸性能、柔軟度以及可紡性的變化.實驗結果表明：精細化處理能夠有效去除洋麻纖維中的非纖維素物質及表面雜質，使纖維細度降低51.1%，強度提高14.9%，柔軟度增加25.1%；可紡性對比實驗發現，精細化處理后，洋麻開松落麻率下降10.0%，棉麻混合梳理落率下降37.2%，紗線毛羽指數下降41.8%，強度提高8.6%.

洋麻纖維；精細化處理；性能測試；可紡性；粗糙度；柔軟度；成分變化

洋麻又稱紅麻、槿麻，是一年生草本韌皮纖維作物，因其產量高、耐鹽堿耐干旱、對生長環境要求低等特點而被廣泛種植[1]，是重要的麻紡原料之一.由于洋麻纖維木質素含量較高，纖維粗硬，可紡性差，目前大多用來加工麻袋、麻布、麻繩等低附加值產品[2].由于資源短缺和環境保護等問題日益突出，天然纖維因其可再生可降解等特點而再次成為研究熱點.洋麻因其巨大的生物產量（為樹木的3～4倍）、極強的CO2吸收能力（為一般林木的3倍左右）[3]以及纖維密度低、比強度比模量高、吸放濕速率快等特點而備受關注.我國是洋麻主要生產國之一，洋麻的進一步開發利用不僅能為紡織、造紙、畜牧、復合材料等領域提供豐富的高性能原料，也將促使國內洋麻產業進一步發展.為了使洋麻纖維能夠在紡織品中順利應用，需對其進行改性以增加洋麻纖維的柔軟度和卷曲度，提高纖維可紡性.Ramaswamy等[4]以多種方式處理洋麻，并測試混紡紗線和面料的性能，發現不同提取方式得到的纖維性能差異較大，但是制成的紗線及織物性能差異并不明顯.本實驗根據洋麻纖維中各成分對化學試劑的敏感程度不同，使用堿氧一浴法和柔軟劑對其進行精細化處理，并通過測試處理前后洋麻纖維的各項性能，研究精細化處理對纖維可紡性能的影響，為洋麻纖維在紡織上的應用提供參考.

1 實驗部分

1.1 原料與設備

洋麻纖維由馬來西亞農業研究與發展研究所（MARDI）提供，已經過初步的漚麻處理，其各成分含量如表1所示[5].

洋麻纖維中各成分的性質各不相同：纖維素是一種復雜多糖，由葡萄糖殘基通過β-1，4-甙鍵連接而成，甙鍵對堿的作用有相當高的穩定性.半纖維素由幾種不同的多糖通過甙鍵連接而成，容易被酸水解，不溶于水卻易被堿所提取.果膠是含有糖醛酸基環的高分子物質，生果膠不溶于水，但其耐酸堿性較差，經過無機酸和稀堿溶液處理即能溶解和水解.木質素結構中存在許多極性基團，具有很強的分子內能和分子間的氫鍵，其溶解性穩定，但易受氧化劑的作用而裂解，且用堿、亞硫酸鹽試劑作用于木質素，其空間結構可轉變成線狀結構，可溶性增強[6].洋麻纖維精細化處理的基本原理即利用纖維中各種化學成分對堿和氧化劑穩定性的不同，在不損傷或盡量少損傷纖維原有機械性質的原則下，去除其中的木質素、半纖維素、果膠等成分，而保留纖維素的化學加工過程.

表1 洋麻纖維各成分含量Tab.1Component content of kenaf fiber

所用化學試劑與藥品包括：氫氧化鈉，天津市風船化學試劑科技有限公司產品，用于去除果膠、半纖維素、木質素；過氧化氫（30%），天津市風船化學試劑科技有限公司產品，作為氧化劑去除木質素；亞硫酸鈉，天津市福晨化學試劑廠產品，用于去除木質素，防止纖維素降解；多聚磷酸鈉，天津市福晨化學試劑廠產品，作為堿性緩沖液輔助去除木質素；硫酸鎂，天津市福晨化學試劑廠產品，與多聚磷酸鈉生成絡合物溶于水，使膠質分散在堿液中；柔軟劑（TDSL-2005A），天津工大紡織助劑有限公司產品，用于增加纖維柔軟度.

所用設備包括：掃描電子顯微鏡，日本日立公司產品；Pyris Diamond TGA熱重分析儀，美國PE公司產品；Nicolet5700型傅里葉紅外光譜儀，美國熱電公司產品；VHX-1000型光學顯微鏡，日本KEYENCE公司產品；DS-01型數字化小樣紡紗系統，天津市嘉誠機電設備有限公司產品.

1.2 洋麻精細化處理工藝

洋麻精細化處理工藝以堿氧一浴法為主，將氫氧化鈉和過氧化氫（1%）作為主要精煉劑，輔助使用亞硫酸鈉（占洋麻干重2%）、多聚磷酸鈉（占洋麻干重3%）及硫酸鎂（占洋麻干重3%）等試劑.在高溫和強堿條件下雙氧水分解速率過快，對纖維損傷較大.為了減小雙氧水的快速釋放對纖維的影響，本實驗以1℃/ min的速率由常溫升至95℃，升溫階段氫氧化鈉質量分數為1%，當溫度升至95℃后，加入剩余的氫氧化鈉，使浴液中的堿質量分數達到8%.纖維在溫度95℃、浴比1∶20的條件下處理150 min后，用水沖洗至中性，再對纖維進行柔軟處理以進一步提高柔軟度及可紡性.稱取占纖維干重5%的TDSL-2005A柔軟劑，溶于浴比1∶15的水中，30℃水浴30 min后將纖維取出擰干，置于135℃的烘箱中交聯4 min，然后烘干纖維.

1.3 性能測試

（1）表面粗糙度：纖維的摩擦性能對紗線性能有較大的影響，而表面粗糙度是纖維摩擦性能的重要影響因素，本實驗使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察處理前后洋麻纖維表面粗糙程度的變化情況.

（2）成分變化：纖維成分決定了其性能，而纖維精細化的目的即為除去纖維中的非纖維素物質，本實驗通過熱重分析以及傅里葉紅外光譜（FTIR）表征纖維中成分的變化.

（3）纖維拉伸性能：利用光學顯微鏡測試單根纖維直徑，從而得到纖維細度及橫截面積，然后使用Instron3369萬能強力機得出單纖維拉伸性能.參考標準為《ASTM D3822-2007單根紡織品纖維拉伸性能的試驗方法》，夾持間距為10 mm，拉伸速率為1 mm/min.

（4）柔軟度測試：根據標準《GB/T 12411.4-90黃、洋（紅）麻纖維柔軟度試驗方法》對比處理前后纖維的柔軟度變化，試樣長度為20 cm，質量為0.1 g.

（5）可紡性測試：將精細化處理前后的洋麻與棉均按照50∶50的比例投料，采用實驗室數字化小樣紡紗系統，按照圖1所示的紡紗流程進行紡紗.通過比較混紡過程中洋麻纖維落率以及混紡紗線的強度和毛羽，對比處理前后洋麻纖維的可紡性.為了使紗線更具可比性，各個工序參數設置相同.

圖1 紡紗流程圖Fig.1 Spinning flowchart

2 結果與討論

2.1 表面粗糙度

洋麻纖維處理前后的SEM圖像如圖2所示.

由圖2可以看出，未處理洋麻纖維的表面有較多雜質，工藝纖維中的單纖維結合較為緊密，表面較為光滑；堿氧一浴處理后的洋麻纖維表面雜質明顯減少，工藝纖維中的單纖維分離劈裂，纖維表面出現明顯的溝槽，纖維粗糙度增加.果膠和半纖維素的去除是使工藝纖維分離和表面粗糙度增加的主要原因.工藝纖維分離和纖維粗糙度增加使得纖維間接觸面積和滑動阻力增大，利于成紗強度的提高；纖維表面雜質的去除使得纖維間抱合更加緊密，利于提升成紗質量.

圖2 洋麻纖維表面形貌Fig.2 Surface topography of kenaf fiber

2.2 成分變化

精細化處理前后的洋麻纖維熱重分析如圖3所示.

圖3 熱重分析圖Fig.3 TGA diagram

由圖3可以看出，精細化處理后纖維的熱重曲線右移，與純纖維素熱重曲線相似.由此可知，精細化處理后纖維中的纖維素含量增加，非纖維素物質減小[8].

洋麻纖維處理前后的紅外譜圖如圖4所示.

由文獻[9-10]可知，圖4中1 736 cm-1處為羧酸及其酯、內酯的吸收峰，精細化處理后該吸收峰消失，這是由于果膠和油脂的去除所引起的；1 646 cm-1處為與芳香核共軛的羰基吸收峰，該峰在精細化處理后強度明顯減弱，說明在堿氧環境下，木質素發生反應；1 596 cm-1和1 508 cm-1處為木質素芳香環的吸收峰，其強度也有一定的下降，說明部分木質素被去除；半纖維素特征峰為1 245 cm-1，精細化處理后該峰幾乎消失，說明堿氧一浴處理能夠有效地去除半纖維素.

圖4 傅里葉紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra

由以上熱重以及紅外分析可知，洋麻纖維經過精細化處理后，非纖維素物質得到有效去除，纖維素比例增大，使得纖維柔軟度和彈性增加，可紡性增強.

2.3 纖維拉伸性能

由于洋麻纖維中的半纖維素和果膠在堿性條件下易被去除，木質素在雙氧水、氫氧化鈉、亞硫酸鈉的作用下可溶性增強，且堿氧一浴能夠有效去除纖維表面粘附的雜質，因此，經過堿氧一浴處理后，洋麻纖維質量損失達29.2%，其拉伸性能變化如表2所示.

表2 精細化處理前后洋麻纖維的拉伸性能變化Tab.2Tensile properties change of kenaf fiber before and after fine treatment

由表2可知，經過堿氧一浴和柔軟劑處理后，洋麻工藝纖維細度降低51.1%，強度提高14.9%，斷裂伸長率增加54.7%.半纖維素和果膠一般作為分子黏合劑將單纖維粘合成工藝纖維，在堿氧條件下半纖維素和果膠溶解，導致束纖維發生分離，使纖維直徑減小.細度的降低可以有效減小洋麻纖維的剛度，提高纖維柔軟度.由于纖維素是洋麻纖維受力主體，精細化處理去除的大多數為非纖維素物質，纖維素所受損傷較小，且單纖細度明顯減小，使纖維強度有所提升，從而有利于所紡紗線強度的增加.斷裂伸長率增加54.7%，表明纖維的柔軟度和彈性均有所增加，與未處理的洋麻纖維相比，處理后的纖維可紡性增強.

2.4 柔軟度測試

纖維的斷裂捻回數越大表示纖維的柔軟度越大.精細化處理前后纖維的柔軟度對比如圖5所示.

圖5 纖維柔軟度對比Fig.5 Contrast of fiber softness

由圖5可以看出，精細化處理后洋麻纖維的柔軟度提高了25.1%.纖維的柔軟度與纖維中的木質素含量密切相關，木質素含量低，纖維柔軟度好，光澤強.堿氧一浴處理中，“雙氧水+氫氧化鈉+亞硫酸鈉”的處理方案能夠有效地去除洋麻纖維中的木質素，從而提高纖維的柔軟度，改善其可紡性.

2.5 可紡性測試

試訪過程中的落麻率統計數據如表3所示.

表3 落麻率統計表Tab.3Kenaf fiber noils rate

由表3可知，經過精細化處理后，纖維落率明顯下降，開松落麻率下降10.0%，梳理混合落率下降37.2%.這是由于精細化處理使洋麻纖維中的非纖維素物質大大減少，提升了纖維的柔軟度和彈性，使纖維剛度下降，抱合力增加，從而使梳理階段落率大大減小.

紗線毛羽指數如表4所示，強度如圖6所示.

表4 紗線毛羽指數對比表Tab.4Comparison of hairiness index根/cm

圖6 紗線強度對比Fig.6 Contrast of yarn strength

已知3 mm及以上毛羽對后道加工工序以及織物穿著舒適性有嚴重的影響，由表4可知，經過精細化處理后，得到的混紡紗線毛羽指數下降41.8%.洋麻纖維較為粗硬，是混紡紗線中形成毛羽的關鍵因素.未處理洋麻纖維細度較大，剛度大，經過開松梳理后，纖維損傷較大，整齊度變差，因此毛羽較多.經過柔軟處理后，纖維細度下降51.1%，柔軟度和彈性提升，開松梳理對纖維損傷減輕，使得成紗毛羽較少.

由圖6可知，洋麻纖維經過精細化處理后，紗線強度提升8.6%.這是由于纖維細度的降低和柔軟度的增加，使得單位面積內的纖維根數增多，纖維間的抱合力增大，從而提升了紗線強度.

3 結論

（1）經過精細化處理后，洋麻纖維表面粗糙度增加，雜質得以去除，使得纖維間接觸面積和滑動阻力增大，抱合更加緊密，利于提升成紗質量.

（2）精細化處理能夠有效去除洋麻纖維中的非纖維素物質，提高纖維柔軟度和彈性，增強可紡性.

（3）精細化處理后，洋麻纖維質量損失達29.2%，纖維細度降低51.1%，強度提高14.9%，斷裂伸長率增加54.7%，柔軟度提高25.1%.

（4）與未處理洋麻纖維相比，精細化處理后，開松落麻率下降10.0%，梳理混合落率下降37.2%，紗線毛羽下降41.8%，強度提升8.6%，纖維可紡性明顯增強.

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[3]方平平，祁建民，粟建光，等.世界黃麻紅麻生產概況與發展前景[J].中國麻業科學，2009，31（3）：215-219.

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[5]于偉東.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，2006.

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Fine treatment and performance test of kenaf fiber

HE Shun-hui，WANG Chun-hong，WU Mei-ya
（Division of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The kenaf fiber is treated by using alkali-oxygen one bath and softener，and the effects of fine treatment on the roughness，composition，tensile，softness，and spinnability of kenaf fibers are discussed.The results show that the fine treatment can effectively remove the non-cellulosic materials and surface impurities in the fiber，the fineness reduces 51.1%，the strength and softness of kenaf fiber respectively increases 14.9%and 25.1%.The spinnability comparisondiscoversthatafterfineprocessing，theopenlooseningrateofkenafdrops10.0%，the combingdroprate of kenaf-cotton mixed decreases 37.2%，the blended yarn hairiness downs 41.8%，and the strength improves 8.6%.

kenaf fiber；fine treatment；performance test；spinnability；roughness；softness；compositional variation

TS102.223；TS123

A

1671－024X（2013）06－0028－04

2013-07-05

國家自然科學基金資助項目（51303131）；中國紡織工業協會科技指導性項目（2088026）

何順輝（1987—），男，碩士研究生.

王春紅（1980—），女，博士，副教授，碩士生導師.E-mail：18802231369@163.com