汉麻秆芯的物性分析及形貌表征

陈明月，苏桂明，姜海健，方 雪，宋美慧

（黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨150070）

汉麻秆芯作为天然的生物质材料，产量高、来源广泛、价格低廉并具有可再生等性能，将其作为高分子聚合物填料既有很重要的现实意义，又符合经济的可持续发展要求。在自然界中，植物纤维是最丰富的天然高分子材料，每年生长的纤维素总量多达千亿t，远远超过了地球上现存石油的总储量[1-3]。对于植物纤维，其主要化学组成是纤维素、半纤维素和木质素，占纤维总质量的80%～95%[4]。

近年来，随着人们对环境问题和人类健康的日益重视，汉麻本身具有的天然杀菌、抗菌成分和良好的透气透湿性能使其在纺织界重新受到重视。目前，在云南、安徽、甘肃、山东、黑龙江等地都有汉麻种植基地[5]。表1 是我国不同区域种植获得的汉麻秆芯的化学组成[6]。可见不同地域的汉麻秆芯其组成有一定的差异。

表1 我国不同地域汉麻秆芯的化学成分（%）Tab.1 Chemieal ingredients of hemp hurds for different areas

本实验以汉麻秆芯为研究对象，测定其含水量、吸水率、灰分、玻璃化转变温度、结晶度以及外观形貌等基础指标。通过对汉麻秆芯基础物性的分析，对实现汉麻资源的有效综合利用、减少垃圾排放和环境污染等方面具有重要意义，对于目前我国提出的建设资源型社会和低碳经济发展起到重要推动作用。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

IKA-A11 basic 粉碎机（德国艾卡）；Cary 630 FTIR 傅里叶红外光谱仪（美国安捷伦）；GB/T6003.1-2012 型WQS 振动筛（上虞华丰五金仪器公司）；DSC 404 F3 差式扫描量热仪（德国耐驰公司）；X'Pert3 power 型X 射线衍射仪（荷兰帕纳科公司）；Fasizer30 粒度分析仪（珠海欧美克）；JSMIT300 型扫描电子显微电镜（日本捷欧路）。

黑龙江省哈尔滨市阿城区的汉麻、焦磷酸钠（标准品 阿拉丁）；无水乙醇（标准品 天津市富宇精细化工有限公司）。

1.2 研究方法

1.2.1 含水量及吸水率的测定 采用真空干燥法测定原料中的水分含量，吸水率为汉麻秆芯浸水前后质量差与浸水前质量之比。

1.2.2 灰分的测定 一般所说的灰分又称粗灰分，它是标示无机成分总量的一个指标。把一定量的样品经炭化后放入高温炉内灼烧，使有机物质被氧化分解，以CO2、NO4及H2O 等形式逸出，而无机物质以无机盐和金属氧化物的形式残留下来，这些残留物即为灰分，称量残留物的重量即可计算出样品中总灰分的含量。

1.2.3 热性能的测定 高分子材料在制备过程中不仅要满足一定的加工温度，在使用过程中还需要材料有足够的热稳定性，玻璃化转变温度（Tg）是衡量高分子材料使用温度范围的一个重要的参数。

1.2.4 X 射线衍射分析（XRD） 对汉麻秆芯粉体进行XRD 谱图分析，在X'Pert3 power 型X 射线衍射仪上进行测试。测试条件为：工作电压为40kV，电流为40mA，扫描角度为2～4°范围内。在测试前，尽量保证样品表面平整。

1.2.5 扫描电子显微镜（SEM） 为比较和观察汉麻秆芯及其粉体的微观形貌，采用扫描电子显微镜（SEM）进行观测，实验加速加压为20kV，在每次测试前，样品表面需进行喷金处理以消除在测试过程中表面电荷的影响。

2 结果与讨论

2.1 汉麻秆含水量的测试

含水量 采用真空干燥法测定原料中的水分含量。首先，对称量瓶称重，然后准确称取一定量的原料于称量瓶中，将样品放入真空干燥箱内，抽真空，调节加热温度为80℃。加热lh，停止抽气，取出样品放于干燥皿内15min 后称重。计算式如下：含水量=（M1-M2）/（M1-M0）×100%。式中 M0：称量瓶的质量；M1：称量瓶与汉麻秆芯的质量；M2：称量瓶与干燥后汉麻秆芯的质量。

用分析天平测定M0=38.2060g、M1=38.3474g、M2=38.3328g，计算得含水率为10.33%。

2.2 汉麻秆灰分的测试

根据植物粗灰分的测定方法(重量法)，加热高温炉至试验温度600℃，将瓷坩埚放入高温炉中烘干至恒重，然后置于干燥器中冷却称取质量为M0，称取烘干过的汉麻秆芯，质量为M1，放入瓷坩埚中，然后将瓷坩埚置于预热的高温炉中，600℃恒温2h。取出坩埚，放于干燥器中冷却，称取坩埚质量为M2。

灰 分=（M2-M0）/（M1-M0）×100%，其 中M0=63.5454g、M1=63.6431g、M2=63.5473g，计算得灰分为1.94%。

2.3 汉麻秆吸水率的测试

取干燥的空称量瓶，质量记做M0；将汉麻秆芯放入称量瓶内，质量记做M1；用蒸馏水浸泡汉麻秆芯24h 取出，擦干表面水分，放入干燥的称量瓶中，质量记做M2。计算其吸水率为汉麻秆芯浸水前后质量差与浸水前质量之比，即（M2-M1/M1-M0）×100%，其中M0=64.0778g、M1=64.1934g、M2=64.3590g，计算得吸水率为143.25%。

2.4 汉麻杆芯粉体的筛分

将一定量干燥的汉麻杆芯放入德国IKA/艾卡A11 基本型分析研磨机，体积为80mL，将粉碎后的汉麻杆芯粉体用振动筛筛分，分别选用100、200、400、600 目的标准筛，先用100 目标准筛进行筛分，然后把其筛下物过200、400、600 目筛。得到-100目～+200 目粉体1.3294g，收率为16.61%；-200 目～+400 目粉体0.3809g，收率为4.76%；-400 目～+600目粉体0.046g，收率为0.58%。

2.5 红外光谱分析

首先，对200 目的汉麻秆芯粉体，进行了红外光谱分析，见图3。对于纤维素而言，其特征峰为2890、1425、1370、1030cm-1；在1730cm-1处有强吸收峰，属于酮、羰基或脂中的C=O 伸缩振动峰（半纤维素聚木糖的C=O 伸缩振动）；木质素的特征复杂，在1505cm-1有吸收峰，属于木质素苯环伸缩振动峰；在1235cm-1处有强峰，由木质素分子中酚醚键C-O-C伸缩振动引起，说明木质素的存在。

图3 汉麻秆芯粉体的红外光谱图Fig.3 FTIR spectral of HP

2.6 X 射线衍射分析

采用X'Pert3power 型X 射线衍射仪对汉麻秆芯粉体进行X 射线衍射测试并分析。铜靶，衍射波波长为0.1542nm，2θ 为0°～40°。测试后纤维结晶指数（CI）采用Empirical 公示估算，计算式如下：

CI=（I002-Iam/I002）×100%式中 I002：最大衍射强度，它的晶格峰值为2θ 在22°～23°；Iam：非结晶区的衍射强度，该衍射强度为2θ在18°～19°的最小值。

图4 为汉麻秆芯的主要结晶峰在22°～23°，最小吸收强度在18°～19°之间。其中，纤维素是由结晶区和无定形区交错连接而成的二相体系，有着分子量的多分散性，相对于半纤维素和木质素，有着较高的结晶度。相对于纤维素，半纤维素的分子链很短，不同支链的存在使其结晶度较差。

图4 汉麻秆芯粉体的X 射线衍射图Fig.4 X-ray diffraction of HP

2.7 热性能分析

由图5 的DSC 曲线上可以看出，汉麻秆芯的Tg在240℃左右，所以加工温度不宜过高。

图5 汉麻杆芯的DSC 曲线Fig.5 DSC curve of HP

2.8 木粉的粒径及其分布

用激光粒度分析仪对通过200 目筛网的汉麻秆芯粉体进行粒度分析，其结果见表2。

由表2 可以看出，木粉粒径最小为6.28μm（2000 目），最大为220μm（70 目）。虽然粒径跨度大但是比较集中，在18μm（800 目）以下和170μm（100 目）以上的颗粒均不到总体积4%，也就是说18（800 目）～170μm（100 目）粒径范围内颗粒占总体积92%以上。即实验室用粉碎机的粉碎范围在-100～+800 目之间。粉体的平均粒度为51.5μm（300目）。

2.9 电镜测试

由图6 的汉麻秆芯横切面及径切面中可以看出，截面上中空结构的周围分布着大小不均的孔洞，这对于汉麻秆芯加工成粉体十分有利，可降低生产过程中的能耗、提高生产效率。对于粉碎获得的汉麻秆芯粉，从各级筛分产物的SEM 图片可以看出，呈不规则的纤维状，表面上分布着一些沟槽和微孔，这为改性剂分子和聚合物基质大分子的进入提供了有利的通道，有利于改善汉麻秆芯粉体与基质的相容性。

3 结论

以黑龙江省哈尔滨市阿城区汉麻秆芯为研究对象，其含水量为10.33%，灰分为1.94%，吸水率为143.25%。经筛分后得到-100～+200 目粉体1.3294g，收率为16.61%；-200～+400 目粉体0.3809g，收率为4.76%；-400～+600 目粉体0.046g，收率为0.58%。汉麻秆芯的主要结晶峰在22～23℃，最小吸收强度在18～19℃之间，汉麻秆芯的玻璃化转变温度在240℃左右，常规粉碎时粉体的平均粒度为51.5μm（300目）左右。从汉麻秆芯的微观结构上来看，其内部为空结构，在周围分布着大小不均的孔洞，而加工后的粉体为不规则的纤维状，其表面上分布着一些沟槽和微孔，这为改性剂分子和聚合物基质大分子的进入提供了有利的通道，有利于改善与基质的相容性而且对于汉麻秆芯加工成粉体十分有利，可降低生产过程中的能耗同时提高生产效率。