山麻杆韧皮纤维结构与性能分析

姜为青 赵 磊 姚桂香 卜启虎 宋银银

（1.盐城工业职业技术学院，江苏盐城，224005；2.江苏悦达棉纺有限公司，江苏盐城，224000；3.泰兴市凯莱时装有限公司，江苏泰州，225471）

山麻杆具有顽强的生命力，通常在海拔100 m～800 m的低山区河谷两岸或等地进行栽培；山麻杆一般分布在河南、陕西、江苏、安徽、浙江、湖北、湖南、广西、四川等地方。据相关资料，山麻杆韧皮纤维中所含的纤维素达40%左右[1]，从中可以断定山麻杆的韧皮中含有一定数量的纤维，其吸湿、力学等性能可能与亚麻、黄麻等其他麻类纤维较相似，可作为纺织品的原料，但目前对山麻杆韧皮纤维的研究非常少[2]。本研究通过物理化学及生物酶脱胶的方法进行山麻杆韧皮纤维的精细化提取，分析其成分，研究山麻杆韧皮纤维主要性能。

1 试验与方法

1.1 原料与准备

选用宁夏和氏璧生物科技有限公司的果胶酶作为酶脱胶的主要用剂，选用济南鑫隆化工有限公司的NaOH作为碱脱胶的主要用剂。山麻杆韧皮纤维取自于大丰某农场，电子天平、玻璃杯等均由江苏省生态纺织研发中心提供。

1.2 提取方法与工艺

预处理工艺路线[3⁃4]：山麻杆韧皮自然、机械处理→开松→去离子水浸渍→酸浸渍→低浓度碱煮→酸洗→水洗→晾干。酸浸渍工艺：H2SO43.5 g/L，浸酸时间2.5 h，处理温度60℃，浴比1∶30。低浓度碱煮工艺：Na OH 10 g/L，碱预处理时间3 h，处理温度60℃，浴比1∶30，硅酸钠1.4 g/L，三聚磷酸钠0.9 g/L，十二烷基苯磺酸钠0.8 g/L，乳化剂OP 1.4 g/L，JFC 1.3 g/L。

化学碱脱胶工艺路线[5⁃6]：预备处理山麻杆韧皮纤维→开松→高浓度碱煮→水洗→开纤→水洗→脱水→抖松→给油→脱油→干燥。高浓度碱煮工艺：Na OH 30 g/L，处理时间3.5 h，处理温度80℃，浴比1∶30，硅酸钠1.7 g/L，三聚磷酸钠1.0 g/L，十二烷基苯磺酸钠0.95 g/L，乳化剂OP 1.35 g/L，JFC 1.25 g/L。

生物酶脱胶工艺路线：预备处理山麻杆韧皮纤维→开松→生物酶煮→水洗→开纤→水洗→脱水→抖松→给油→脱油→干燥。生物酶煮工艺：生物酶11 g/L，处理时间4 h，处理温度55℃，浴比1∶30。

1.3 性能表征

按照GB/T 6100—2007《棉纤维线密度试验方法中段称重法》测试山麻杆韧皮纤维线密度；参照GB/T 14337—2008《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》测试山麻杆韧皮纤维的拉伸性能；采用热重分析法表征山麻杆韧皮纤维的热学性能；采用红外光谱分析山麻杆韧皮纤维的分子结构；参照国家标准GB 5889—1989《苎麻化学成分定量分析方法》测试和分析山麻杆韧皮纤维的化学成分；采用电子显微镜观测山麻杆韧皮纤维的纵横向形态。按照FZ/T 73023—2006《抗菌针织品》测试山麻杆韧皮纤维的抑菌率。

2 结果与分析

2.1 山麻杆韧皮纤维的成分分析

山麻杆韧皮纤维原样、碱脱胶处理和生物酶脱胶后各成分含量测试结果如表1所示。由表1可见，经碱脱胶和酶脱胶后，山麻杆韧皮纤维的纤维素含量都有不同程度的提高，其中酶脱胶后纤维素含量提高最为显著；半纤维素、木质素、果胶物质的含量明显下降。成分的变化能极大地改善山麻杆韧皮纤维的可纺性。

表1 山麻杆韧皮纤维脱胶处理前后主要成分含量

2.2 山麻杆韧皮纤维脱胶形态分析

山麻杆韧皮纤维脱胶过程中纤维形态的变化如图1所示。从图1可以看出：山麻杆韧皮纤维碱脱胶和果胶酶脱胶后与原样相比存在一定的差异，山麻杆韧皮纤维原样的黄色较深，碱处理后山麻杆韧皮纤维的黄色褪去一些，但看上去纤维损伤较大，而果胶酶脱胶处理后山麻杆韧皮纤维的颜色显淡黄色，且纤维损伤不大。碱脱胶后山麻杆韧皮纤维手感、粗细与黄麻等麻类纤维非常相似，生物酶脱胶后山麻杆韧皮纤维的颜色相比碱处理黄色还要淡出很多，但手感基本相似，这说明碱和生物酶脱胶均去除了大量的色素，生物酶还带有轻微的漂白效果。

图1 山麻杆韧皮纤维脱胶过程纤维形态变化图

生物酶脱胶后的山麻杆韧皮纤维的纵横向形态如图2所示。从图2可以看出：山麻杆韧皮纤维纵向呈条纹状，有利于增加纤维之间的抱合力，而横截面呈现椭圆形、不规则多边形，有很小的中腔，这说明山麻杆韧皮纤维纵横向形态与黄麻纤维也非常相似。

图2 生物酶脱胶后的山麻杆韧皮纵向和横向形态结构

2.3 线密度与力学性能测试结果

3种山麻杆韧皮纤维的样品放在恒温恒湿室（相对湿度65%，27℃）平衡24 h，纤维夹持长度3 cm，拉伸速度1.7 mm/min，测试20根纤维试样取平均值。脱胶前后山麻杆韧皮纤维的线密度与力学性能测试结果如表2所示。

表2 山麻杆韧皮纤维拉伸性能测试表

从表2可以看出，脱胶处理后山麻杆韧皮纤维的线密度明显降低，已达到可纺指标，且生物酶脱胶后效果更好；3种试样中山麻杆韧皮纤维原样的断裂强度最小，脱胶处理后，山麻杆韧皮纤维的断裂强度有所提高，断裂伸长率有所降低。这说明脱胶过程提高了纤维内部大分子的结晶度。

2.4 纤维热学性能分析

脱胶处理前后山麻杆韧皮纤维的热学性能如图3所示。

图3 不同处理山麻杆韧皮纤维的热分析测试结果

从图3发现，不管是经过哪种脱胶处理，山麻杆韧皮纤维的初始热分解温度和最高热分解温度都有显著提高，热学性能均有很大程度的改善，其原因在于经脱胶方法处理后，尤其是经酶脱胶处理后，山麻杆韧皮纤维中的大部分非纤维素物质被去除，致使山麻杆韧皮纤维的结晶度大大提升。脱胶处理后的山麻杆韧皮纤维具有良好的热稳定性，特别是经果胶酶生物脱胶处理后的山麻杆韧皮纤维热学性能更好。

2.5 纤维红外光谱分析

脱胶处理前后山麻杆韧皮纤维的红外光谱如图4所示。

图4 脱胶处理前后山麻杆韧皮纤维的红外光谱图

从图4发现，山麻杆韧皮纤维原样中几个重要特征吸收峰（O—H振动的特征吸收峰在2918 cm-1～2920 cm-1左右，C—O伸缩振动吸收产生的吸收峰在787 cm-1～789 cm-1左右，C—O—C振动的特征吸收峰在1058 cm-1～1060 cm-1附近）均为纤维素Ⅰ特征吸收峰所处的位置，这说明脱胶处理没有破坏山麻杆韧皮纤维的纤维素Ⅰ分子结构。木质素显示的特征吸收峰（1538 cm-1～1541 cm-1）、半纤维素显示的特征吸 收 峰（1534 cm-1～1536 cm-1、1582 cm-1～1586 cm-1）比在山麻杆韧皮纤维原样中都有所变弱甚至消失，生物酶脱胶处理后山麻杆韧皮纤维的木质素和半纤维素减弱最多。因此可知：碱脱胶和生物酶脱胶均能达到去除非纤维素物质的效果，其中生物酶脱胶的效果更好。这结果与扫描电镜测试结果一致。对比3条曲线发现，在山麻杆韧皮纤维原样中—OH伸缩振动特征吸收峰在2916 cm-1～2920 cm-1，碱脱胶 和 生物 酶 脱胶处理后山麻杆韧皮纤维—OH伸缩振动特征吸收峰降低到2912 cm-1～2914 cm-1附近，这说明—OH的伸缩振动特征吸收峰从高波数转化到低波数，这就验证了脱胶处理后—OH（自由基团）显著减少，其原因在于脱胶处理后纤维大分子链排列重构，大分子链之间的氢键结合增多。

2.6 纤维抗菌性能测试

脱胶处理前后山麻杆韧皮纤维原样、碱脱胶处理和生物酶脱胶处理所得山麻杆韧皮纤维的抑菌率分别为57.24%、73.12%和83.58%。可以看出，山麻杆韧皮纤维具有天然抗菌效果，脱胶处理能显著提高山麻杆韧皮纤维的抗菌性，且与碱脱胶处理相比，生物酶脱胶处理后山麻杆韧皮纤维的抗菌性提升更显著。这对开发天然抗菌纤维织物具有很好的开发思路。

3 结论

（1）山麻杆韧皮纤维脱胶后，主要成分为纤维素，其他成分的比例与麻类纤维非常相似，纤维纵向有条纹，而纤维横向（横截面）呈椭圆形、不规则多边形，有很小的中腔。

（2）经过碱脱胶处理和生物酶脱胶处理后，山麻杆韧皮纤维细度有明显的降低，断裂强度有所提高，已达到可纺指标，且生物酶脱胶效果更好。

（3）脱胶处理后的山麻杆韧皮纤维具有良好的热稳定性，特别是经果胶酶生物脱胶处理后的纤维热学性能更好；红外光谱测试说明碱脱胶和生物酶脱胶均能达到去除非纤维素物质的效果，且生物酶脱胶的效果更好，脱胶处理后—OH（自由基团）显著减少。

（4）与原样相比，碱脱胶处理后山麻杆韧皮纤维抑菌率达到73.12%，而生物酶脱胶处理后山麻杆韧皮纤维抑菌率达到83.58%，这说明山麻杆韧皮纤维具有很好的天然抗菌效果。