不同条件下野苎麻纤维的改性试验研究

邓大军，林春阳，赵 辉



不同条件下野苎麻纤维的改性试验研究

邓大军1，林春阳2，赵 辉3*

（1.河南省野生动物救护中心，河南 郑州 450008；2.郑州市市政工程勘测设计研究院，河南 郑州 450052；3.河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008）

试验研究了PVC包覆改性、MMA接枝改性和KH-570偶联改性3种方式对竺麻纤维改性效果，探讨了不同改性方式下其吸湿率、降解性等因素影响。试验结果表明，KH-570偶联改性、PVC包覆改性和MMA接枝改性均有效降低了野竺麻纤维的吸水率，PVC包覆改性效果最好（10.42%），MMA接枝改性次之（10.56%），两者低于未改性条件下4%~5%。在蒸馏水、厌氧污泥、好氧污泥浸泡试验中，未改性纤维的质量损失率最大，质量损失率最小的改性方式分别是MMA接枝改性（11.67%）、KH-570偶联改性（21.23%），MMA接枝改性（22.73%）；高盐浓度浸泡下，不同方式下的改性纤维降解率均低于8 %。MMA接枝改性能提高野苎麻（）纤维的耐微生物降解性，有效延长了野苎麻纤维的使用寿命。

野苎麻纤维；接枝；偶联；包覆

自1992年日本东京大学的山本良一提出了环境材料（Environment conscious materials，简称Econ-materials）的概念后[1]，环境材料已经成为新材料学科的重要研究方向之一。苎麻纤维作为性能比较优越的天然纤维之一，其纤维用于制备复合材料的研究[2~5]越来越多。由于苎麻等天然纤维的极性大，吸湿性强，严重影响纤维和基体界面的粘结强度，因此必须对纤维进行表面处理。研究表明，材料改性的方法主要有物理改性和化学改性两大类。物理改性有物理加工、表面刻蚀、碱处理等，化学改性有包覆、接枝共聚、界面偶合等[6]。天然纤维素材料改性已广泛被国内外研究学者所报道。L.Uma Devi等人[7]用硅烷试剂偶联处理菠萝叶纤维，周兴平等[8]用甲基丙烯酸甲醋与剑麻纤维发生接枝共聚反应，张一甫[9]用PVC包覆处理苎麻落麻纤维，均有效降低了纤维的亲水性。田根林[10]以三氯甲基硅烷为原料，常温、常压化学气相沉积法使得竹材横切面对液态水接触角最大达到157°，滚动角接近0。

野苎麻（）为亚灌木或多年生草本；茎高50~150 cm，中部以上与叶柄和花序轴密被短毛。叶对生，稀互生；叶片纸质，扁五角形或扁圆卵形，其纤维的主要成分为纤维素，必须对其进行以降低吸水性、增加其使用寿命等的改性处理。试验通过MMA接枝、KH-570偶联、PVC包覆等方式改性野苎麻纤维，探讨分析改性前后吸水率、降解性和亲生物性等方面变化规律，天然纤维的改性效果。

1 试验与方法

1.1 试验材料

本次试验采用的野苎麻纤维来自大别山，平均单纤维长度为100 mm，直径50㎛。野竺麻纤维经处理后干燥至恒重。

1.2 试验方法

1.2.1预处理

将野苎麻纤维浸泡于2%的NaOH溶液中，室温下处理4 h，烘干备用。

1.2.2改性方法

1.2.2.1 接枝改性

在三口烧瓶中放入经80℃干燥的野苎麻纤维，加入一定浓度的引发剂（硝酸铈铵）溶液，通入N2（约30 min）置换反应装置中的空气，滴加甲基丙烯酸甲酯（MMA），在一定温度、持续通入N2的条件下反应3 h，取出野苎麻纤维，用水冲洗后，再用丙酮冲洗干净，在80℃烘箱中烘干至恒重[5]。

1.2.2.2 偶联处理

量取适量去离子水，用乙酸调整pH至4~5，加入一定质量浓度的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）偶联剂，搅拌至偶联剂完全溶解，使用前用5%的氨水将溶液的pH值调整到8~10。取野苎麻纤维浸入上述处理液中[5]，浸渍30 min，烘干处理至恒重。

1.2.2.3 包覆处理

称取一定量的三氯甲烷，加热到80℃左右，在不断搅拌下按2%的浓度加入PVC粉料，搅拌至PVC完全溶解，冷却到室温。将烘干至恒重的苎麻纤维浸15 min后取出，放入80℃烘箱中，取出放在干燥器中备用[5]。

1.2.3测试方法

1.2.3.1 吸湿率

将纤维置于20℃，相对湿度80%的恒温恒湿箱中，每20 min用分析天平准确称重1次；l h后，每40 min称重1次；3 h后，每60 min称重1次；5 h后，每120 min称重1次；8 h后，3~4 h称重1次，到两次样重之差小于等于0.001 g为止[5]。

1.2.3.2 降解性

将改性后的野苎麻纤维分别放入不同浓度下的蒸馏水、厌氧污水、好氧污水、高盐废水中浸泡，经过30 d的浸泡处理，测定其质量损失率。

2 分析与结论

2.1 吸湿率

将未改性的纤维和经过各种改性后的纤维进行吸湿率测定，结果如图1-1所示。

由图1-1可知，在120 min内，处理后的野苎麻纤维吸水率呈上升趋势，未改性材料的上升趋势略大于改性材料；500 min后，试验材料的吸湿能力逐渐接近饱和，其中未改性纤维的吸水率（14.52%）高于KH-570偶联改性（12.08%）、MMA接枝（10.42%）、PVC包覆（10.56%），处理后野苎麻纤维的平衡吸水率下降了4~5个百分点。由此可知，KH-570偶联、PVC包覆和CM接枝均能有效降低野苎麻纤维的吸水率。相对于未改性野苎麻纤维，3种处理中PVC包覆改性效果最好，主要原因是PVC可以完全溶解在三氯甲烷中，并被野苎麻纤维均匀的吸附在表面，造成野苎麻纤维表面羟基减少，亲水性下降；MMA接枝效果稍差，接枝反应能够很好地接枝到野苎麻纤维外表，减少了周表羟基数量，降低了材料的亲水性。

图1-1野苎麻纤维改性前后的吸水率

2.2 降解性

将野苎麻纤维在蒸馏水、厌氧污水、好氧污水、高盐废水中浸泡30 d后，野苎麻纤维的降解情况如图1-2至图1-5所示。

图1-2 未改性野苎麻纤维的降解情况

图1-3 KH-570改性纤维降解情况

图 1-4 PVC改性纤维降解情况

图1-5 PMMA改性纤维降解情况

由图1-2分析可知，经过蒸馏水30 d浸泡后，未改性野苎麻纤维质量损失率最大（29.37%），损失率较小是MMA接枝改性纤维（11.67%）。由于污泥中微生物的作用，厌氧污水中，野苎麻纤维的降解速率都有不同程度的提高，其中MMA接枝改性和KH-570偶联纤维损失率较小，损失率分别为22.01%和21.23%。污泥中微生物作用，使得在好氧污水中的野苎麻纤维的降解速率大幅度提高，MMA接枝的纤维的降解率为最小，约在22.73%左右。高盐溶液中，不同种类的纤维都具有较小的降解率，改性纤维降解率低于7.9%。

由此可知，未改性野苎麻纤维在不同环境中降解速度差异很大，其排序为厌氧污水＞好氧污水＞蒸馏水＞高盐废水。在好氧条件下，KH-570偶联纤维和MMA接枝纤维降解速率显著并不差异；好氧条件下，MMA接枝改性纤维降解速率高于蒸馏水和厌氧条件。相比其他水环境，高盐浓度下的降解速率明显缓慢，其可能由于高盐废水中离子浓度高，不利于野苎麻纤维水解，故降解速率低。因此，设计或运行中应注意野苎麻纤维在不同水环境条件下的降解差异性，根据实际工艺情况进行针对性选择和管理。

综合分析表明，MMA接枝改性能较好地提高野苎麻纤维的耐微生物降解性，其降解速率明显降低，寿命明显延长。在好氧条件下，MMA接枝改性纤维对比于未改性野苎麻纤维质量损失减少了54.23%，改性效果显著。

3 结论

通过对野苎麻纤维与KH-570偶联、PVC包覆和CM接枝3种方式的改性，试验研究了改性材料的亲水性、降解性、亲生物性等。

KH-570偶联、PMMA包覆和CM接枝均有效地降低了野苎麻纤维的吸水率。

PMMA包覆改性的吸水率效果最好（8.46%）， CM接枝次之（8.92%），两者低于未改性值4%~5 %。

蒸馏水、厌氧污泥、好氧污泥处理中，野苎麻未改性纤维质量损失率均最大，损失率最小的分别是CM接枝改性（4.35%）、CM接枝（22.32%）、KH-570偶联（25%）。

高盐溶液浸泡条件下，改性纤维降解率均低于8%。

[1]王鹏飞. 苎麻纤维增强环境意识复合材料的制备[J]. 纤维复合材料，1999（4）：25-29.

[2]王鹏飞. 苎麻布增强UP复合材料的研制[J]. 玻璃钢/复合材料，2000（2）：18-20.

[3]王俊勃. 苎麻纤维增强酚醛复合材料的研究[J]. 纤维复合材料的研究，2001（1）：13-15.

[4]肖加余. 苎麻落麻纤维增聚合物复合材料研究[J]. 工程塑料应用，2001（2）：12-15.

[5]张长安. 苎麻落麻纤维增聚丙烯复合材料研究[J]. 玻璃钢/复合材料，2001（6）：16-17.

[6]鲁博，张林文，曾竟成，等. 大然纤维复合材料[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[7] Devi L U， Bhagawan S S，Thomas S.J . Appl Polym Sci，1997，64：1739-1748.

[8]周兴平，解孝林， Li R K. PP/PMMA接枝剑麻纤维复合材料（I）剑麻纤维PMMA接枝聚合反应[J]. 高分子材料科学与工程，2004，20（2）：57-60.

[9]张一甫，张长安，孟弋洁. 竺麻落麻纤维的PVC包覆处理研究[J]. 玻璃钢/复合材料，2002（4）：19-21.

[10]田根林，余雁，王戈，等. 竹材表面超疏水改性的初步研究[J]. 北京林业大学学报，2010，32（3）：166-169.

（责任编辑：王文彬）

Ramie Fiber Modification Trials Under Different Conditions

DENG Da-jun1, LIN Chun-yang2,ZHAO Hui3

( 1. Henan wildlife rescue center，Zhengzhou 450008,China； 2. Zhengzhou municipal engineering survey and Design Research Institute, Zhengzhou 450052,China；3. Henan Academy of forestry, Zhengzhou 450008,China）

The test studied three ways of modification effect for ramie fiber, included PVC coated, MMA graft and silane coupling.Also the diverse factors for modification were explored under the situations of hydrophilicity, biodegradability and parasitotropism. The results showed that: All modified ways for KH-570 silane coupling, PVC coated, and MMA graft could reduce bibulous rate of ramie fiber effectively, which PVC coated was best (10.42 %), while bibulous rate of MMA graft was 10.56 %. Both of all were lower than the bibulous rate of unmodified (4-5 %). Then soaked in conditions of distilled water, anaerobic sludge and anaerobic sludge, the mass loss unmodified were largest, loss of minimum were MMA grafting, MMA grafting and KH-570 coupling, with the mass loss rate were 11.67 %,21.23 % and 22.73%,respectively. With the situation of high salt concentration, the modified fiber degraded significantly that all of the degradation rate were lower than 8%. The biological properties of ramie fiber were effectively enhanced by modification way of MMA grafted, in aspects of hydrophilicity, biodegradability. Under the condition of MMA grafting, microbial growth and purifying effect, the service life of the fiber was prolonged efficacious.

ramie fiber; graft; coupling; coated

S 781.6

A

1003-2630（2016）03-0001-03

2016-07-12

林业公益性行业科研专项（201304109）；河南省林业科学研究院基本业务费项目（2015JB01001）。

邓大军（1976-），男，河南开封人，高工，主要从事城市园林方面的研究。

赵辉（1979-），男，河南郑州人，工程师，主要从事园林植物栽培方面研究。