電Fenton 法制備工業(yè)大麻纖維及其可紡性研究

孫 穎李端鑫于 洋胡 悅于春雨

（1.齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江齊齊哈爾，161000；2.亞麻加工技術(shù)教育部工程研究中心，黑龍江齊齊哈爾，161000）

工業(yè)大麻又名漢麻、火麻、線麻，為了與毒品大麻相區(qū)分，把四氫大麻酚含量（致幻成分）低于0.3%的大麻稱作工業(yè)大麻，可用于紡織、食品、醫(yī)藥、復(fù)合材料等行業(yè)。工業(yè)大麻纖維具有許多優(yōu)良的性能，良好的吸濕和透氣性能，抗菌性能，高抗張強(qiáng)度性能，抗輻射性能和生物降解性能［1-5］。工業(yè)大麻纖維未能成為重要的紡織原料之一的主要原因在于其復(fù)雜的脫膠過程。作為紡織品開發(fā)中最重要的一點，工業(yè)大麻纖維脫膠過程的簡化和脫膠廢液安全排放是需要攻克的難關(guān)。

近年來，電Fenton 氧化技術(shù)引起了人們的極大興趣。該技術(shù)可以成功去除工業(yè)廢水中的各種污染物。它是在原本Fenton 法的基礎(chǔ)上，利用電流的運(yùn)動及陰、陽極與溶液之間發(fā)生反應(yīng)循環(huán)加速處理過程［6-9］。在電Fenton 體系中為了獲得更高的H2O2產(chǎn)率，具有更好的氧化性，研發(fā)合適的陰極電極材料是關(guān)鍵。

目前，一些學(xué)者將電Fenton 氧化技術(shù)用于氧化降解廢水中有機(jī)污染物，并取得了很大進(jìn)展，但是該技術(shù)用于纖維脫膠還沒人探究。本研究選用常見的電極材料和新型電極材料——石墨和泡沫鎳作為陰極電極材料，并進(jìn)行優(yōu)選；系統(tǒng)分析電Fenton 法制備工業(yè)大麻纖維性能。本課題對工業(yè)大麻的脫膠研究及再利用具有一定的現(xiàn)實意義，為電Fenton 氧化技術(shù)在處理纖維脫膠提供參考。

1 試驗部分

1.1 原料與試劑

原料為纖維長度6 cm 的工業(yè)大麻纖維（黑龍江省）。

試劑有七水合硫酸亞鐵（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%雙氧水（分析純）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%硫酸（分析純）、硅酸鈉（分析純）、三聚磷酸鈉（分析純）、柔軟劑（分析純）、石墨（直徑5 mm，長度150 mm）和泡沫鎳（長300 mm，寬

200 mm）。

儀器有WYJ-3 型可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、HH-4型電熱恒溫水浴鍋、DHU 型清梳聯(lián)合試驗機(jī)、DHU A301 型試驗并條機(jī)、細(xì)紗小樣機(jī)、數(shù)字式小樣粗紗機(jī)、YGB-002 型纖維細(xì)度儀、LLY-06E 型電子單纖維強(qiáng)力儀、掃描電子顯微鏡和YG171B型紗線毛羽測試儀。

1.2 脫膠工藝流程

工業(yè)大麻脫膠工藝流程：預(yù)處理→堿預(yù)處理→水洗→電Fenton 氧化技術(shù)處理→水洗→堿煮→水洗→柔軟劑處理。

經(jīng)過單因素及正交試驗確定脫膠工藝配方如下。

（1）預(yù)處理。稱取一定質(zhì)量的工業(yè)大麻纖維，浴比1∶100，將工業(yè)大麻纖維在室溫中于10 g/L肥皂水中漚麻24 h 后，清洗并于50 ℃烘箱中烘至恒重。主要目的：洗去附于纖維表面的灰塵等雜物。

（2）堿預(yù)處理。稱取一定質(zhì)量預(yù)處理后的工業(yè)大麻纖維，剪成（6.0±0.2）cm，置于燒杯中。處理條件：浴比1∶10，處理溫度60 ℃，處理時間10 min，NaOH 濃度4 g/L。熱水洗滌數(shù)次再用冷水洗凈至測試洗滌溶液pH 值為中性，50 ℃烘箱中烘至恒重。主要目的：使纖維表面的脂蠟質(zhì)、果膠等膠質(zhì)成分分解成小分子物質(zhì)，隨著水洗過程逐步去除，并通過短時間的堿液處理使纖維膨脹，更便于后續(xù)處理。

（3）電Fenton 氧化技術(shù)處理。處理條件：浴比1∶10，pH 值6.0，處理溫度80 ℃，處理時間60 min，電壓5 V～35 V，陰極電極為石墨、泡沫鎳，F(xiàn)eSO4?7H2O 濃度5 g/L，H2O2濃度5 g/L，三聚磷酸鈉濃度2 g/L，硅酸鈉濃度為2 g/L。熱水洗滌數(shù)次再用冷水洗凈至洗滌溶液pH 值為中性，50 ℃烘箱中烘至恒重。主要目的：在保留纖維素成分的前提下，進(jìn)一步快速分解纖維表面的膠質(zhì)成分。

（4）堿氧一浴法脫膠。處理條件：浴比1∶10，處 理 溫 度80 ℃，處 理 時 間40 min，H2O2濃 度20 g/L，NaOH 濃度10 g/L。熱水洗滌數(shù)次再用冷水洗凈至測試洗滌溶液pH 值為中性，50 ℃烘箱中烘至恒重。主要目的：提高纖維白度，并在保留一定程度膠質(zhì)以便紡紗的條件下使纖維的非纖維素成分得到基本分解。

（5）柔軟劑處理。處理條件：浴比1∶50，處理溫度40 ℃，處理時間30 min，柔軟劑濃度5 g/L。洗滌數(shù)次后放置盆中，加濕養(yǎng)生以便后續(xù)紡紗。主要目的：使脫膠后的纖維更柔軟，以便后續(xù)紡紗環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行。

1.3 電Fenton 體系氧化制備工業(yè)大麻纖維機(jī)理

電Fenton 體系氧化制備工業(yè)大麻纖維機(jī)理如圖1 所示。

圖1 電Fenton 體系氧化制備工業(yè)大麻纖維機(jī)理圖

在反應(yīng)過程中，纖維表面膠質(zhì)降解主要依靠溶液中的芬頓反應(yīng)（式1）和陽極表面的直接氧化（式2）。通過在酸性條件下還原陰極中的氧氣，在電解過程中溶液里會連續(xù)生成H2O2（式2）。添加的H2O2和電化學(xué)生成的H2O2與添加到溶液中的亞鐵離子（Fe2+）通過經(jīng)典的Fenton 反應(yīng)（式1）生成羥基自由基（·OH）。·OH 自由基是一種強(qiáng)大的氧化劑，具有很高的氧化潛力，并且與有機(jī)的膠質(zhì)物質(zhì)成分結(jié)合在一起可使膠質(zhì)中非纖維素成分的大分子結(jié)構(gòu)分解成小分子結(jié)構(gòu)，小分子結(jié)構(gòu)溶于溶液中，當(dāng)脫膠工藝結(jié)束后膠質(zhì)小分子結(jié)構(gòu)可隨溶液一同排放，達(dá)到脫膠目的。

Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OHˉ （1）

O2+2H++2e-→H2O2（2）

1.4 紡紗工藝流程及參數(shù)

清梳聯(lián)試驗參數(shù)：工業(yè)大麻纖維和棉按照混紡比1∶1 喂入清梳聯(lián)合機(jī)，出條速度6 m/min。

頭并工藝參數(shù)：喂入生條4 根，總牽伸3 倍，后區(qū)牽伸1.25 倍，出條速度6 m/min。

二并工藝參數(shù)：喂入條子6 根，總牽伸4 倍，后區(qū)牽伸1.25 倍，出條速度6 m/min。

粗紗小樣機(jī)工藝參數(shù)：總牽伸6 倍，后區(qū)牽伸1.25 倍，車速1 000 r/min。

細(xì)紗小樣機(jī)工藝參數(shù)：線密度40 tex，錠速6 000 r/min，捻系數(shù)398，后區(qū)牽伸1.5 倍。

2 性能檢測

精干麻纖維殘膠率含量測試參照GB/T 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》進(jìn)行分析。通過顯微鏡測試?yán)w維直徑，不同部位測試20次，取平均值。通過LLY-06E 型電子單纖維強(qiáng)力儀測試?yán)w維斷裂強(qiáng)力，拉伸隔距20 mm，拉伸速率20 mm/min，測試3 次取平均值。通過YQ-Z-48A型白度顏色測定機(jī)測試?yán)w維白度，不同點測試10次取平均值。通過直尺測試?yán)w維長度，每組取3根纖維測試，取平均值。

通過Y331A 型紗線捻度機(jī)測試混紡紗線捻度，測試3 次取平均值。通過YG061 型電子單紗強(qiáng)力儀測試混紡紗線強(qiáng)伸性能，測試3 次取平均值。通過CT200 型條干均勻度測試分析儀測試混紡紗線條干CV及粗細(xì)節(jié)，測試3 次取平均值。通過YG171B 型紗線毛羽測試儀測試混紡紗毛羽，采用微機(jī)處理，一次同時測出1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、7 mm、10 mm、12 mm 毛羽數(shù)值，測試次數(shù)為10 次，取平均值。

取整理前后的工業(yè)大麻纖維，在掃描電子顯微鏡上進(jìn)行工業(yè)大麻纖維的形貌觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同材料的陰極電極及電壓對脫膠影響

依據(jù)1.2 的脫膠工藝進(jìn)行脫膠。改變不同電壓，測試精干麻纖維的直徑、強(qiáng)伸性能、殘膠率、白度和纖維長度，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同材料的陰極電極及電壓對工業(yè)大麻纖維的效果影響

由表1 可知：

（1）石墨為陰極時，隨著電壓的升高，纖維直徑越來越小，脫膠效果越好；泡沫鎳為陰極時，電壓為35 V 時纖維直徑最小，其次是15 V～20 V 時直徑較小。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維為了使直徑更小，電壓合理范圍是15 V～35 V。

（2）電壓為20 V 時，不論是石墨為陰極還是泡沫鎳為陰極，工業(yè)大麻纖維的斷裂伸長率都最大。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維電壓合理值是20 V。

（3）石墨為陰極時，在5 V～30 V 電壓下斷裂強(qiáng)力變化不大，35 V 時斷裂強(qiáng)力驟然變小；泡沫鎳為陰極時，在電壓為15 V 和20 V 下斷裂強(qiáng)力最大。可見，在15 V～20 V 電壓下，纖維斷裂強(qiáng)力更好，證明受到損傷最小。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維電壓合理值是15 V～20 V。

（4）電壓為15 V 時，不論是石墨為陰極還是泡沫鎳為陰極，工業(yè)大麻纖維的殘膠率都最小。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維電壓合理值是15 V。

（5）石墨為陰極時，在10 V～15 V 電壓下纖維白度最高，隨電壓的增大纖維白度降低；泡沫鎳為陰極時，在電壓為5 V 時白度最高，隨電壓增大，白度逐漸降低。由此可見，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維電壓合理值是5 V～15 V。

（6）無論是改變陰極電極或是改變電壓數(shù)值，纖維長度與初始長度6 cm 相比變化并不明顯。因此，電Fenton 法脫膠工業(yè)大麻纖維更換陰極電極或改變電壓對纖維長度影響不大。

綜上所述，為了使精干麻的殘膠率更低，斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率更大，直徑更小，白度更高，宜選用泡沫鎳氣體擴(kuò)散電極為陰極，同時施加合理電壓為15 V。

3.2 混紡紗線基本性能

所紡出的混紡紗指標(biāo)：紡紗號數(shù)40 tex，紗線捻度47.98 捻/10 cm，斷裂強(qiáng)度7.1 cN/tex，伸長率6.76%，條 干CV值12.8%，-50% 細(xì) 節(jié)266 個/km，+50%粗節(jié)245 個/km，+100%粗節(jié)73 個/km，+200%棉結(jié)610 個/km，1 mm 毛羽數(shù)624.8 根/10 m、2 mm 毛羽數(shù)234.9 根/10 m、3 mm毛羽數(shù)101.4根/10 m、4 mm 毛羽數(shù)27.6根/10 m、5 mm 毛 羽 數(shù)14.3 根/10 m、7 mm 毛 羽 數(shù)5.7 根/10 m、10 mm 毛羽數(shù)1.8根/10 m、12 mm毛羽數(shù)0.2根/10 m。混紡紗線的捻度較小，斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長等單紗強(qiáng)力指標(biāo)較小，這主要由于工業(yè)大麻與棉纖維的抱合力沒有那么強(qiáng)。因工業(yè)大麻較粗，與棉混紡時纖維間抱合不強(qiáng)，紡出的紗線毛羽較多，使得紗線條干均勻度儀判斷粗細(xì)節(jié)有一定程度的偏差，混紡紗線的條干CV升高。

3.3 纖維掃描電鏡

圖2 為經(jīng)最佳工藝處理前后工業(yè)大麻纖維的掃描電鏡圖，放大2 000 倍。

圖2 處理前后工業(yè)大麻纖維掃描電鏡

由圖2 可看出，工業(yè)大麻原麻纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，并通過豐富的膠質(zhì)連接在一起，纖維表面粗糙且不規(guī)則，纖維直徑大，纖維呈束狀。脫膠處理后的纖維呈現(xiàn)單纖維狀態(tài)，纖維素之間的氫鍵打開，導(dǎo)致接觸的非結(jié)晶區(qū)域增加，在纖維的這些區(qū)域之間，膠質(zhì)和木質(zhì)素等大分子成分被去除，纖維表面光滑且纖維間有良好的分離。結(jié)果表明，電Fenton 脫膠法對于工業(yè)大麻纖維的分離和脫膠是有效的。

3.4 混紡紗線檢測分析

圖3 為經(jīng)解捻后平鋪在載玻片上的混紡紗，光學(xué)顯微鏡下放大20 倍。可以看出，工業(yè)大麻纖維的直徑和棉纖維直徑接近，且棉纖維有天然轉(zhuǎn)曲，工業(yè)大麻纖維表面光滑。纖維均被梳理平行伸直，圖3 中部分不平行的纖維是平鋪在載玻片過程中，人為因素導(dǎo)致的小部分纖維混亂。

圖3 工業(yè)大麻與棉混紡紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

（1）試驗結(jié)果表明，以泡沫鎳為陰極材料且施加電壓為15 V 時工業(yè)大麻纖維脫膠效果最好。最優(yōu)工藝下脫膠纖維殘膠率4.77%，斷裂強(qiáng)力41.79 cN，斷裂伸長率42.32%，直徑15.432 μm，白度25.70%，纖維長度5.82 cm。

（2）電Fenton 法處理后的工業(yè)大麻纖維外部許多細(xì)小的膠質(zhì)顆粒在試驗過程中得到良好去除，節(jié)紋減少，直徑明顯變小。

（3）將脫膠后工業(yè)大麻纖維與棉混紡，混紡比為1∶1 時，可紡出具有一定強(qiáng)力的混紡紗，細(xì)度為40 tex，在顯微鏡下觀察混紡程度良好。

（4）在紡紗過程中，因工業(yè)大麻纖維過于粗硬，與棉的混紡程度較差，在紡紗前對其進(jìn)行柔軟處理，以增加纖維強(qiáng)力及纖維間的抱合力，使紡紗性能更優(yōu)。

（5）采用這種方法使用試劑用量少且脫膠廢液的pH 值接近中性，更有利于后續(xù)廢水處理，具有較好的環(huán)保性。