堿處理對黃麻纖維結構及性能的影響

楊志胡 張鎮杰

（1廣東省建筑材料研究院有限公司；2北京理工大學 珠海學院）

0 前言

麻由麻類植物中提取，天然的麻纖維包括黃麻、苧麻、亞麻、大麻、劍麻等品種，韌皮纖維作物主要有苧麻、黃麻、青麻、大麻、亞麻、羅布麻和槿麻等[1]。據資料顯示，世界黃麻纖維年總產量約為 230～285萬噸，而我國長江流域以南的黃麻產量僅次于棉花[2]，居世界第三。黃麻高度可長達3.5m，顯脆性；其含木質素量也高，導致延伸率低，對水分，酸的抵抗力也低。我國黃麻的產量雖然很高，但由于韌皮纖維的特性，大部分黃麻只被用于一些粗加工產品的制作，例如麻袋麻繩、土布袋、工業紙漿、再生紙漿等加工工藝制作[2]。

黃麻纖維較突出的地方是作為待用的改性材料，價格最為低廉，不僅表現在優異的抑菌方面，還包含天然麻纖維所代表的吸音好、緩沖強、降噪大、耐隔熱、密度低、人體親和性好等優點，且資源屬于可再生，是環境友好型的綠色材料。

1 原材料與實驗設計

1.1 原材料及儀器

表2 實驗儀器

1.2 試驗過程

1.2.1 樣品制備過程

在室溫下，用氫氧化鈉配制系列梯度為2%～18%、間隔為4%的氫氧化鈉溶液，浸泡4g黃麻纖維，時間分別是0.5h、1h、2h，浸泡過程中每隔一定時間用玻璃棒進行攪拌，浸泡完畢后，用蒸餾水洗滌至中性，然后用玻璃棒擠干分散開，放置真空干燥箱干燥24h備用。通過下列性能測試挑選出最優的堿處理實驗方案。

1.2.2 測試過程

⑴FT-IR

測試方法：把改性前后的纖維制樣成粉末，采用KBr壓片制樣，利用FTIR傅里葉變換紅外光譜儀進行測試。波長范圍400～4600㎝-1。

⑵黃麻纖維的吸水率測試

測試方法：采用TGA-50熱失重分析儀，設定相同的實驗條件來測試不同處理方式的黃麻纖維的含水量。測得黃麻纖維的失重率即可計算纖維的水分含量。

⑶TGA

測試方法：采用TGA-50熱失重分析儀，對黃麻纖維處理前后的熱穩定性進行分析。

2 實驗結果和討論

2.1 紅外光譜分析

項目包括：未處理、0.5h（堿處理濃度 2%、10%）、2h（堿處理濃度2%、6%、18%）的黃麻纖維。

本實驗測試數據見圖1、圖2所示。

圖1 黃麻堿處理改性的IR對比圖

由圖2的紅外結果表明，黃麻纖維經過氫氧化鈉堿處理后，基團結構被打散。對比未改性時譜圖中3500～3800特征吸收峰，堿處理后峰面積增大，說明堿性使得基團增多。黃麻纖維與氫氧化鈉的反應為親核取代反應（見式⑴），表面有大量羥基的黃麻纖維在堿的作用下產生—親核基團，降低纖維中的水含量，從而降低失重率。天津工業大學期刊發表的《堿處理對竹纖維及竹纖維增強聚丙烯復合材料性能的影響》中提到，竹纖維與PP的粘附功與竹纖維極性比密切相關，竹纖維極性比越小，粘附功越大；隨著堿濃度增大，竹纖維與PP間粘附功與竹纖維/PP復合材料剪切性能呈現相同的趨勢，并且都在堿濃度為20%時達到峰值[3]。可見，堿處理對應本實驗的黃麻纖維的最佳值設置參數為10%。

圖2 黃麻堿處理改性的IR對比圖

CELL－OH+NaOH→CELL－O-Na++H2O[4]

測試結果如圖2所示，從波數范圍3500～3800區間可見，未處理的黃麻纖維含有許多雜峰，處理過的纖維經測試均有效除去雜峰，因此證明堿處理是有一定的效果的。

2.2 堿處理條件對吸水率的影響

本實驗測試數據見圖3所示。

圖3 堿處理條件對吸水率的影響

堿處理過后的表面層纖維會暈開，接觸表面變大；且新進入的羥基提高了纖維的吸濕性；改性過后的黃麻部分羥基被取代，纖維的親水性驟降。堿處理時黃麻纖維吸水速率最快，一段時間后吸水率變化不明顯，平衡時吸水率為14.801%。由于失重率即可表明該纖維的水分含量，失重率越低，水分含量越低。若吸水率下降，纖維就從親水轉為親油，可增強與聚合物樹脂共混的效果，能夠有效提高之間的相容性。堿處理減弱材料的吸濕性，可避免吸水導致復合材料的力學性能下降。

2.3 堿處理條件對熱失重的影響

本次纖維的熱重分析主要依據GB/T 31984-2015進行檢測，纖維的樣品處理與紅外測試的一致，TGA的升溫速率設定為10℃/min。

本實驗測試數據見圖4所示。

圖4 不同含量堿處理熱重分析

據圖4分析可得，黃麻堿處理的最佳項為10%氫氧化鈉浸泡2小時，失重率為85.20%。其余數據分別為：未處理（97.52%）、2%0.5H（86.65%）、18%2H（85.24%）。華南理工大學學報《熱重分析曲線圖標目的編輯加工》[5]里對玉米秸稈顆粒的失重率研究中，玉米秸稈顆粒從室溫至350℃左右開始為水分析出階段，該階段的質量損失率為7%～8.5%[6]，由于350℃左右質量損失了7%～8.5%，則剩余部分應占初始質量的 91.5%～93%，剛好與該實驗圖示結果相符。按照實驗數據得出的85.20%對比分析，本實驗10%氫氧化鈉浸泡2小時效果優于2%氫氧化鈉浸泡0.5小時，增加了黃麻纖維表面的羥基數；與18%氫氧化鈉浸泡2小時的相比，可以節省固體氫氧化鈉的用量。

3 小結

通過設計不同的堿處理液濃度，以及浸泡處理時間，對黃麻纖維進行堿處理，最終得出以下結論：

⑴通過紅外光譜分析，經過堿處理的纖維均有效除去雜峰，證明堿處理有一定的效果。

⑵通過對黃麻纖維吸水率分析，經過堿處理的黃麻纖維吸水率下降，纖維從親水轉為親油，可增強與聚合物樹脂共混的效果，能夠有效提高之間的相容性。

⑶綜合紅外光譜分析、吸水率分析、熱重分析等各項測試得出，選用10%的氫氧化鈉溶液浸泡黃麻纖維2h，是堿處理的最佳條件。