化學和生化方法進行黃麻纖維軟化的研究進展

雷　雷　陳效文　徐　欽

摘要：綜述了黃麻纖維軟化的化學和生化方法研究進展，并對各種方法的纖維軟化機理和效果進行了分析和對比。

關鍵詞：黃麻；纖維；纖維軟化

1前言

黃麻纖維是一種韌皮纖維，屬天然纖維素纖維。黃麻纖維抗張強度大、吸濕性好、染色性好、價格低廉，是一種重要的天然紡織纖維，并且種植黃麻能夠改良土壤，對生態環境保護有積極作用[1-2]。但是黃麻纖維存在硬、粗、黃、形變恢復性能差等一些缺陷，紡織工業一般只將其用于制造麻袋、麻布、造紙、繩索、織地毯和窗簾等，種植量及在紡織工業中應用更是在近幾年呈逐年萎縮趨勢。

為更好地研究利用黃麻纖維，須采用適當的處理方法對黃麻纖維進行軟化。國內外一些研究機構在這個領域做了很多工作，多數研究[1-3]使用H2O2、H2O2和K2S2O8混合試劑、NaOH、HCl等，近年來更多的是采用化學軟化劑或生化試劑進行黃麻纖維軟化處理研究 [4-7]。本文僅就近年來針對黃麻纖維軟化研究的應用進展加以綜述和分析，以供參考。

2試驗方法

2.1NaOH處理

黃麻纖維經1%、5%、10%、18%的NaOH溶液浸泡，黃麻纖維和NaOH溶液的比例為1:20（w/w），浸泡時間為1?min或30?min，溫度選擇室溫（30℃）或100℃。浸泡后壓干水分，再經15%的醋酸浸泡15?min，清水沖洗，空氣干燥。

2.2稀鹽酸處理

用0.5%~2%的鹽酸溶液在室溫條件下浸泡黃麻纖維30?min~240?min，取出后壓干水分，經1%的NaOH浸泡15?min，清水沖洗，空氣干燥。

2.3K2S2O8和H2O2處理

分別采用0.5%、1%、2%、4%的K2S2O8，在室溫下浸泡30?min，用清水沖洗，空氣干燥。對于黃麻原麻或經K2S2O8氧化處理的黃麻纖維，常規H2O2漂白處理是使用3% H2O2、8%偏硅酸鈉、0.7%NaOH、0.05%EDTA、0.2%非離子濕潤劑，溫度為85℃，pH值為10.8~11.0，浸泡2?h。流水沖洗，再用1.5%的醋酸中和，清水沖洗，空氣干燥。

2.4纖維素酶和特制混合生化酶（由35?unit /mL纖維素酶、96?unit/mL木聚糖酶、136?unit/mL膠質酶混合配制）處理

研究表明[4]，常規洗滌和H2O2漂白處理能夠提高黃麻以及黃麻和棉混紡織物的酶活性，因此試驗中采用纖維素酶或特制混合生化酶處理黃麻纖維前，均經過3% H2O2的漂白處理。處理過程使用2%、4%、6%、8%的生化試劑，溫度為55℃，1:20的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，pH值為 4.8~5.0，置于離心機2?h。之后將溫度提高到90oC保持15?min，使酶鈍化。然后用清水沖洗，空氣干燥。試驗分別采用了1?mL、2?mL、3?mL的纖維素酶(35 unit/mL)加入混合酶中，對混合酶進行增強，重復以上步驟，進行結果對比。

2.5染色處理

試驗采用酸性染料、堿性染料和活性染料依據不同試驗條件分別對經各種處理方法軟化后的黃麻纖維樣品進行染色處理。染色處理后，將樣品水分擠干，分別用熱水和冷水漂洗，皂洗（清潔劑用量為5?g/L，溫度50℃，時間15?min），流水漂洗，空氣晾干。

2.6Catasoftener 和多縮含氧乙烯基乳液軟化劑(20%固體)處理

分別采用1%、2%、4%、6%的Catasoftener和多縮含氧乙烯基乳液軟化劑對不同的經預處理或漂白處理的黃麻纖維樣品進行處理。

2.7氨基改性有機硅乳劑（Silicorel-TTSC25%固體）處理

分別采用1%、2%、4%、6%的氨基改性有機硅乳劑，并添加2%醋酸鋅作為催化劑，對黃麻纖維樣品進行處理。流水沖洗，空氣干燥。

2.8使用Catasoftener和氨基改性有機硅乳劑混合處理

試驗采用Catasoftener和氨基改性有機硅乳劑按照100:0、70:30、50:50、30:70、0:100的比例對經預處理和H2O2漂白處理的黃麻纖維進行處理。流水沖洗，空氣干燥。

3結果和討論

（1） NaOH處理

試驗中隨NaOH濃度增加（1%~18%）或者稀NaOH(1%~5%)條件下溫度增加都會明顯伴隨纖維重量損失、收縮率、斷裂伸長、折皺回復角、黃度、K/S值等指標的增加，同時，強度、彎曲長度、抗彎剛度、彎曲模量、白度和亮度的值降低。在10%~18% NaOH溶液中，室溫（30℃）處理30?min條件下，可以得到明顯的軟化效果，能夠使黃麻纖維得到最大的彎曲長度、抗彎剛度、彎曲模量的降低，并且強度損失適中，斷裂伸長增加到最大值。這個條件下的重量損失，顏色變黃的程度，強度損失可以接受，并且顏色變化可以由接下來的3%H2O2處理步驟消除。

研究[8]認為，經NaOH處理后，黃麻纖維強度降低與在NaOH的作用下半纖維素的分解有關，并且這種情況在18% NaOH條件下達到最大。低溫條件下，NaOH濃度大于8%特別是在18%時，半纖維素分解加劇，導致黃麻纖維發生卷曲，產生收縮效果，纖維的斷裂伸長值增加，使纖維具有更好的收縮性能，結合更為緊湊，獲得更好的回彈性能。同時，經10%~18% NaOH處理過的黃麻纖維的彎曲長度、抗彎剛度、彎曲模量顯著降低。如果使用較稀的NaOH溶液(1%~5%)，即使溫度提高到100℃也只是重量損失顯著增大，對纖維的軟化和彈性改善效果很弱。經NaOH處理后纖維表面黃化，可以解釋為由于半纖維素溶解后，使得木質素的暴露增加，以及半木質素向表面的遷移并被氧化所致。但是這種黃化效果很容易在后續的H2O2漂白處理中得到部分消除，而且不會影響纖維的各項參數。

試驗中，隨NaOH濃度增加，能明顯提高纖維對酸性染料吸收指標，但對于活性染料則呈現相反的趨勢。半纖維素的去除會導致纖維羥基（–OH）和醛基（–CHO）減少，銅值（斐林試劑）降低，半纖維素增溶性降低，活性染料附著依賴羥基，因此出現降低的趨勢。試驗同時表明NaOH濃度由1% 增加至10%，會導致羧基（–COOH）增加，使得酸性染料附著能力增強。NaOH濃度由10% 增加至18%，羧基又會出現減少的趨勢，酸性染料附著能力也隨之有一定程度的削弱。

（2）稀鹽酸（HCl）處理

試驗采用0.5%~2% HCl、30℃、30?min~240?min對黃麻纖維進行處理，結果表明試驗條件下能夠實現對黃麻纖維一定程度的軟化效果（彎曲長度、抗彎剛度、彎曲模量值降低），重量損失較少，強力、折皺回復角降低，而且亮度指標明顯提高。但是經稀鹽酸處理的軟化效果遠不如18% NaOH的處理效果好。

纖維強力、折皺回復角、彎曲長度、彎曲模量的降低是稀鹽酸的酸性水解作用使得黃麻纖維的纖維素和半纖維素聚合鏈發生了退化[9]。在0.5%~2%鹽酸、30℃、30min的條件下，重量損失2%左右，主要是由于黃麻中礦物油的流失，并且由于半纖維素中羥基酸性脂陽離子被H離子交換，纖維酸性增強，因此，經稀鹽酸處理后的黃麻纖維的堿性染料附著增加。

（3）纖維素酶、特制混合生化酶處理

試驗表明，相比較黃麻原麻或經NaOH處理的黃麻纖維，酶的作用對經沖洗或傳統3%H2O2漂白的黃麻纖維更加明顯。在單獨使用纖維素酶、特制混合生化酶以及加入纖維素酶的增強混合酶的試驗中，隨著酶濃度增加，重量損失、收縮性能顯著增加，斷裂伸長、白度和亮度邊際增加。彎曲長度、抗彎剛度、彎曲模量值降低（但不能達到經18% NaOH處理后的指標）。試驗加入增強纖維素酶沒有顯著提高對纖維的軟化效果，而且僅相當于1% NaOH、30℃、30?min條件的處理結果。

（4）化學軟化劑處理

試驗中采用的3種化學軟化劑：Catasoftener、氨基改性有機硅乳劑、多縮含氧乙烯基乳液軟化劑。

使用Catasoftener會使得黃麻纖維顏色黃化程度加劇。氨基改性有機硅乳劑可以增加黃麻纖維的抗撓剛性，但如果百分比濃度過高則會顯示相反的效果。試驗中采用Catasoftener、氨基改性有機硅乳劑混合處理經漂白的黃麻纖維，結果顯示并沒有出現兩種試劑的協同效果。試驗數據表明，相同條件下，應用2%～4%的多縮含氧乙烯基乳液軟化劑軟化經3% H2O2漂白的黃麻纖維能夠得到明顯的軟化效果，比應用Catasoftener和氨基改性有機硅乳劑要好，但比生化酶和NaOH的軟化效果差。

研究[5]證明輕度氧化處理可以破壞黃麻纖維中的聚合鏈。在應用化學軟化劑前，必須采用適當的預處理降低黃麻纖維的內在硬度，例如采用K2S2O8對黃麻纖維進行輕度氧化。

試驗采用不同濃度的K2S2O8、30℃、30?min，然后經傳統3% H2O2、85℃、2?h漂白處理，再經各種化學軟化劑處理后的黃麻纖維對比結果。經K2S2O8、H2O2處理后，纖維有7.2%到10.6%的重量損失（其中H2O2處理的重量損失為6%到6.6%）。試驗表明，預處理可以有效地降低初始模量和纖維強度，折皺回復角、彎曲長度、抗彎剛度、彎曲模量一定程度下降，白度和亮度有一定的改善。

根據掃描電鏡圖譜（圖1、圖2、圖3），經K2S2O8或H2O2處理的黃麻纖維有明顯的表面損壞。同時，再分別經過3種化學軟化劑處理，纖維表面受到的破壞得到了一定程度的掩蓋（圖4、圖5、圖6）。

使用catasoftener 和多縮含氧乙烯基乳液軟化劑時，纖維重量有增加，彎曲長度、抗彎剛度、彎曲模量均下降。但是catasoftener和氨基改性有機硅乳劑不能形成連續的覆蓋膜，因此圖譜中仍然可以看到微小的孔洞和裂縫（圖4、圖5）。應用多縮含氧乙烯基乳液軟化劑時，能夠較好地實現纖維表面修復，這也可能是其軟化效果較好的原因之一。

（作者單位：雷雷，陳效文：中國纖維檢驗局技術管理處；徐欽：北京科技大學）

參考文獻：

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[9] P Ghosh , R Gangopadhyay.Photofunctionalisation of Cellulose and Lignocellulosic Fibres using Photoactive Organic Acid[J].European Polymer Journal, vol 36（2000）：625-627.