苧麻韌皮纖維素膜的制備及性能研究

楊 陳 林燕萍

1. 江西服裝學院 服裝工程學院(中國) 2. 江西服裝學院 服裝設計學院(中國)

苧麻屬于灌木類植物，主要種植于中國的西南地區，具有種植方法簡單、成本低、收益高的特點。中國有史可考的苧麻應用已有4 700余年。苧麻韌皮主要成分如下：纖維素28.974%(質量分數)、半纖維素25.665%(質量分數)、木質素22.784%(質量分數)、水溶物16.685%(質量分數)、果膠3.963%(質量分數)和脂蠟質1.917%(質量分數)，其中半纖維素與纖維素的質量分數總和超50%，具有很強的經濟實用價值。目前，苧麻主要應用于醫藥、輕紡工業等，應用領域較窄，產值較低[1-2]。近年來隨著對苧麻研究的深入，其優于其他纖維的特性也逐漸被發掘出來，例如目前研究較熱的苧麻纖維增強復合材料阻尼性能研究以及苧麻麻骨在重金屬吸附方面的應用，均利用了苧麻較好的力學性能與降解性能[3-4]。隨著苧麻提取工藝與化工處理技術的進步，苧麻韌皮纖維的應用領域得到進一步的推廣。本文通過提取苧麻韌皮纖維，制備苧麻韌皮纖維素膜并測試其性能，為苧麻的進一步應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與試劑

苧麻韌皮(市購)。試驗用試劑包括：硫酸銅(上海谷研實業有限公司)、硅酸鈉(東莞市喬科化學有限公司)、氫氧化鈉(廣州洛辛寶化學試劑有限公司)、硫酸(保定萬豐化工產品加工有限公司)、濃氨水(國藥集團化學試劑有限公司)、無水乙醇(深圳市東茂化學試劑有限公司)、硝酸(珠海市華成達化工有限公司)、乙酸銨(宜興阿拉丁化工貿易有限公司)、脂肪醇聚氧乙烯醚(山東君鑫化工科技有限公司)，試驗所用試劑均為分析純。

1.2 設備與儀器

MH-203P型分析電子天平(上海茂宏電子科技有限公司)、INSTRION5590型萬能材料試驗機(美國英斯特朗公司)、HH-4型數顯恒溫水浴鍋(金壇市晨陽電子儀器廠)、三槽醫用超聲波清洗機(廣州比朗儀器有限公司)、循環水真空泵(上海凌科實業發展有限公司)、DF-101型集熱式磁力攪拌器(北京神泰偉業儀器設備有限公司)、DZF-6030型化學專用真空箱(上海凱朗儀器設備廠)、HAD-FTIR-650型紅外光譜儀(北京恒奧德科技有限公司)、BQ22-BDX3200型X射線粉末衍射儀(北京中西華大科技有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 苧麻韌皮纖維的制備

首先對苧麻韌皮進行脫膠處理。將苧麻韌皮剝離后烘干，再置于6 g/L的稀硫酸溶液中進行浸酸處理60 min；將浸酸處理后的苧麻韌皮經水洗后再次烘干，再經堿煮后，水洗、烘干、打纖；打纖苧麻韌皮纖維經堿煮、水洗、干燥，制成苧麻韌皮纖維的初成品。其中兩次堿煮的氫氧化鈉質量濃度為12 g/L，溫度為90 ℃，堿煮時間為90 min。

從苧麻韌皮纖維初成品中提取苧麻韌皮纖維。在400 mL無水乙醇中引入100 mL濃硝酸，混合均勻后備用；在500 mL的錐形瓶中放入2 g苧麻韌皮纖維初成品，并在錐形瓶中倒入配置的硝酸-乙醇溶液(硝酸與乙醇的體積比為1∶4)50 mL后，連接球型冷凝管，在100 ℃條件下沸煮1 h；利用無水乙醇清洗去除沸煮后的韌皮纖維殘留雜質，再利用蒸餾水對韌皮纖維進行多次清洗，而后抽濾、干燥備用。

1.3.2 苧麻韌皮纖維素膜的制備及增塑處理

將濃氨水滴加于裝有20 mL質量分數為5%的硫酸銅溶液的燒杯中，滴加的同時緩慢攪拌混合液直至燒杯中的硫酸銅沉淀物溶解消失；稱量0.2 g氫氧化鈉，碾磨后加入溶解硫酸銅的混合液中。使用精準刻度的注射器抽取加入氫氧化鈉的混合液滴噴到清潔玻璃片后利用刮膜器將滴噴溶液均勻鋪開，自然成膜并干燥。使用蒸餾水對纖維素膜清潔后，分別使用硫酸溶液和醋酸溶液(兩者質量分數均為10%)對纖維素膜進行除雜至纖維素膜透明；除雜后的纖維素膜依次經蒸餾水和無水乙醇清潔后，干燥待用；利用質量分數為30%的丙三醇溶液對部分干燥后的纖維素膜進行4 h的增塑處理后，真空干燥備用。

1.3.3 苧麻韌皮纖維素膜的性能測試

將丙三醇增塑處理的纖維素膜剪碎后與溴化鉀碾磨均勻后制成試驗壓片，利用紅外光譜儀對試樣壓片進行紅外光譜測試，光譜測試范圍4 000～400 cm-1。將所制纖維素膜粉碎成沫制成試樣壓片，使用衍射儀測試纖維素膜的分子結構參數。衍射儀相關指標參數選定：CuK線，管電流30 mA，管電壓40 KV，角度測試范圍2θ為2°～45°。將纖維素膜置于南昌市南昌縣向塘鎮周邊深約1 m左右的土壤中進行自然降解，并利用質量損失率表征纖維素膜的降解率。纖維素膜降解時間設置為20、35、60和85 d。

隨機選擇方向將所制纖維素膜裁剪成長寬分別為15 mm與5 mm的拉伸測試試樣，利用萬能材料試驗機測試纖維素膜條試樣的拉伸強度。拉伸強度測試參數設置：夾持長度10 mm，拉伸速度20 mm/min，選擇等速伸長拉伸。纖維素膜的厚度分別為60、80、100和120 μm。每種厚度的纖維素膜試樣測試10組，取10組測試結果的平均值。

2 結果與討論

2.1 纖維素膜紅外光譜分析

增塑處理后的纖維素膜的紅外光譜曲線見圖1。圖1中波數1 665～1 635 cm-1范圍內的吸收峰是由于各糖類化合物引起的，1 200～1 000 cm-1的吸收峰說明—C2O—與—CHO的存在，1 400～1 200 cm-1與3 000～2 800 cm-1的吸收峰說明—CH的存在，1 037 cm-1處的吸收峰由—CO—引起，說明丙三醇在纖維素膜中有殘留。以上各吸收峰驗證了經丙三醇增塑處理后的纖維素膜人保持著纖維素Ⅰ分子結構特征。

圖1 纖維素膜經丙三醇增塑后的紅外光譜測試曲線

2.2 纖維素膜X射線衍射曲線分析

纖維素膜X射線衍射曲線見圖2。

圖2 纖維素膜X射線衍射曲線

從圖2的測試曲線可以看出未增塑處理與增塑處理的纖維素膜的X射線衍射的2θ角大致相同，表明纖維素膜經丙三醇增塑后依然保持維素Ⅰ的分子結構特征，這與前文紅外光譜的測試結果相互印證。使用分峰積分計算結晶區積分面積與總積分面積之比表征纖維素膜的結晶度，結果顯示經丙三醇增塑處理前后纖維素膜的結晶度分別分別為58.73%與39.42%，纖維素膜經增塑處理后結晶度出現了一定程度的下降，這是由于丙三醇的加入，引入了大量的親水極性基團，可提高原纖維素分子鏈間的氫鍵等相互作用力。分子理論認為，無定形區與結晶區本無嚴格界限，極性基團的引入，可誘使纖維素結晶區出現結構變形，穩定性減弱，致使結晶度降低。

2.3 纖維素膜降解性能分析

纖維素膜質量損失率與降解時間的關系曲線如圖3所示。由圖3可看出隨著降解時間的增加，纖維素膜的質量損失率逐漸增加。造成纖維素膜降解的原因主要有兩方面：一方面，在自然環境條件下，土壤中富含大量的微生物與昆蟲等生物，這些微生物與昆蟲等會對纖維素膜進行啃咬，同時分泌出的糞便等含有各類酶會對纖維素膜起一定的降解作用；土壤中的植物根系在生長過程中也會分泌一些物質，影響纖維素膜的降解。另一方面，纖維素膜中富含大量的諸如—OH等親水基團，受土壤中水分的影響發生降解。對比經丙三醇溶液增塑處理前后纖維素膜的質量損失率，可知纖維素膜增塑處理改善了其降解性能，這是由于丙三醇親水性較高，可進一步增強纖維素膜與土壤中水分的結合能力，同時由于纖維素膜結晶度的下降，無定形區更容易被降解。當降解時間超過80 d時，丙三醇溶液增塑前后的纖維素膜的質量損失率均高于90%，表明制備的纖維素膜在土壤中具有很好的降解性，對環境友好。

圖3 纖維素膜質量損失率與降解時間的關系曲線

2.4 纖維素膜抗拉強度性能分析

纖維素膜厚度與其拉伸強度間的關系曲線如圖4所示。由圖4可知，無論是否經丙三醇溶液增塑處理，纖維素膜的拉伸強度均與其自身厚度呈正相關，當纖維素厚度為100 μm時，經丙三醇增塑處理的纖維素膜的抗拉強度出現一定幅度的下降，這是由于經丙三醇處理后的纖維素膜的—OH等基團與丙三醇中的—COOH等結合強度增加，造成纖維膜中分子間氫鍵斷裂，分子間相對滑移加劇，同時由于丙三醇增塑處理后，造成纖維素膜結晶度下降，無定形增加，使得纖維素膜力學性能的各向異性變差，從而導致纖維素膜力學性能下降。從抗拉強度角度分析，纖維素膜經丙三醇增塑處理后，其力學性能出現了很大程度的下降。

圖4 纖維素膜厚度與其抗拉強度間的關系曲線

3 結論

由苧麻韌皮纖維所制備的纖維膜保持了纖維素分子結構的特征，具有良好的降解性能與力學性能。苧麻纖維素膜經丙三醇增塑處理后，其降解性能得到進一步的改善，但力學性能下降。苧麻纖維素膜材料是較好的環境友好型膜材料，具有廣闊的市場前景。