碱氧一浴脱胶法功能性大麻纤维的研究

欧阳兆锋，朱士凤，2，田明伟，2，曲丽君，2

(1.青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛 266071；2.山东省海洋生物质纤维材料及纺织品协同创新中心，山东 青岛 266071)

大麻纤维是一种韧皮纤维，天然环保，现被广泛应用于纺织生产，其保暖性好，具有抗霉抑菌防臭的效果，同时还具有吸湿排汗性、绝缘性、隔音性、耐晒防腐性、耐高温性、抗紫外线性等，已广泛应用于服装、绳索、床上用品、造纸[1]、医疗卫生以及军需用品等领域。石墨烯是一种二维自由态原子晶体,是目前所发现的最薄的二维材料，其理论厚度仅为0.35 mm[2]。石墨烯具有良好的导电性和开放的表面，较大的理论比表面积，优良的导热特性和储能性质，应用前景广阔[3]。本文采用石墨烯溶液作为功能整理剂，通过水浴碱氧一浴脱胶法对大麻原麻进行脱胶改性整理，研究了改性大麻纤维的残胶率、导热性和机械性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

大麻原麻、1 g/L的石墨烯分散液(实验室自制)、硫酸、氢氧化钠、双氧水、双氧水稳定剂。

1.2 原麻碱氧一浴脱胶

本实验脱胶过程主要分两步：预处理及碱氧一浴脱胶。碱氧一浴脱胶过程分别采用蒸馏水和石墨烯溶液，工艺流程如下：

对照组处理：大麻原麻→预处理(H2SO4)→水洗→碱氧一浴(蒸馏水)→水洗→酸洗→水洗→打纤→抖纤→烘干→大麻纤维。

实验组处理：大麻原麻→预处理(H2SO4)→水洗→碱氧一浴(石墨烯溶液)→水洗→酸洗→水洗→打纤→抖纤→烘干→大麻纤维。

1.3 表征与测试

红外分析：使用Nicolet 5700型红外光谱仪进行红外分析测试。

残胶率分析：按照GB 5889—86标准进行残胶率分析。

导热性能：采用由Pt 100型温度传感器和TES—1310型数位温度采集器连接而成的装置进行纤维的导热性能测试，烘箱温度100℃，时间0～20 min。

机械性能：采用FAVIMAT AIROBOT全自动单纤维强力测试仪进行单纤维的断裂强力、断裂伸长等测试。

2 结果与讨论

2.1 不同方法处理后大麻纤维的红外分析

图1即为水浴处理及石墨烯溶液处理的大麻纤维红外分析对比图，通过分析可知，在797 cm-1处的吸收峰，属于β—糖苷键振动。纤维素结构特征吸收峰主要处于1120 cm-1和1260 cm-1的吸收峰，观察知这两个吸收峰强度明显不同，b组石墨烯溶液处理得到的大麻纤维吸收峰强度明显高于a组，这是因为石墨烯溶液处理得到的大麻纤维较水浴处理得到的大麻纤维纤维素的含量更高，即石墨烯溶液处理大麻纤维的脱胶效果较高。同时，纤维素分子间氢键连接的羟基(—OH)吸收峰处于2960 cm-1，由图1可知a组和b组大麻纤维在此处的峰位相同，均处于2960 cm-1，并且该峰相对比较平滑，其周围没有零散小峰，可知已经有效除去了大麻纤维中的蜡质。但b组此处的峰值强度明显大于a组。

图1 水浴处理及石墨烯溶液处理大麻纤维红外分析对比图注：a—水浴处理；b—石墨烯溶液处理

2.2 不同方法处理后大麻纤维的残胶率

本文选用脱胶时间为120 min，温度为100℃，按照GB 5889—86《苎麻化学成分定量分析法》进行残胶率测试。测试结果如表1所示。

表1 不同方法处理后大麻纤维的残胶率

由表1可以看出，石墨烯溶液处理制取大麻纤维的残胶率明显低于水浴处理的，这表明石墨烯溶液处理可以降低大麻纤维的残胶率。

2.3 不同方法处理后大麻纤维的导热性

依据采集到的数据，绘制出水浴处理及石墨烯溶液处理脱胶制得大麻纤维温升曲线，如图2所示。

图2 两种试样及空白样温升曲线

通过分析，做出水浴处理及石墨烯溶液处理脱胶制得大麻纤维动态传热率曲线，如图3所示。

图3 两种试样动态传热率曲线

由图2可知水浴处理得到的大麻纤维和石墨烯溶液处理得到的大麻纤维经25 min后温度分别为94.5℃和95.7℃，因此石墨烯溶液处理脱胶制得大麻纤维传热性能优于水浴处理得到的。图3可更直观地显示两种方法下大麻纤维动态传热率的差异，水浴处理大麻最终动态传热率为20.7%，而石墨烯处理大麻为31.5%，因此石墨烯溶液处理对于提高大麻纤维的传热性能较水浴处理效果更明显。其原因是在大麻纤维的脱胶过程中，一些石墨烯附着在大麻纤维的表面，有些甚至进入到大麻纤维的内部，而石墨烯又具有优良的导热性能，从而使得大麻纤维的传热性能显著提升。

2.4 不同方法处理后大麻纤维的力学性能

采用FAVIMAT AIROBOT全自动单纤维强力测试仪进行单根纤维的断裂强力、断裂伸长测试。具体试验参数如下：温度：20℃，湿度65 %，隔距长度：10 mm，拉伸速度：100 mm/min，测试次数50次，试验结果见表2。

表2 大麻纤维力学性能测试结果

由表2可以看出，石墨烯溶液处理得到的大麻纤维较水浴处理得到的大麻纤维而言，其断裂强力和断裂伸长率均显著提高，这说明石墨烯溶液处理大麻不仅脱胶效果好而且在脱胶过程中对纤维损伤也小。

3 结语

通过不同处理前后大麻纤维各项性能的对比，可以发现，添加适量的石墨烯可以提高大麻纤维的强力，降低残胶率，提高导热性。

参考文献：

[1] 马飞.张家川县大麻生产现状及对策[J].农业科技与信息，2017，(12)：14.

[2] 胡耀娟，金娟，张卉，等.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J].物理化学学报，2010，26(8)：2073—2086.

[3] 杨全红，唐致远.新型储能材料-石墨烯的储能特性及其前景展望[J].电源技术，2009，33(4)：241—244.