苧麻、黃麻纖維結構對其機械性能的影響

關鍵詞：苧麻纖維；黃麻纖維；纖維素；機械性能中圖分類號： TS721⁺ . 4 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 05. 003

Effects of the Structure of Ramie and Jute Fibers on Their Mechanical Properties

HUANG Wenjie HOU Baoyang ZHOU Fuyue ZHANG Pinle BAI Yunxia LIU Xinliang* （School of Light Industry and Food Engineering，Guangxi Key Lab of Clean Pulp amp; Papermaking and Pollution Control，Guangxi University， Nanning，Guangxi Zhuang Autonomous Region，530004） （ E-mail：Xinliang. liu@hotmail. com）

Abstract： In this study，the structure-property relationships between fiber aspect ratio，crystallinity，hydrogen bonding，and mechanical properties were elucidated，focusing on Ramie and Jute fibers from different origins and employing the hydrogen peroxide/glacial acetic acid delignification process. The results showed that the mechanical properties of Ramie fibers varied slightly depending on their origin. There were similar tensile strengths of （1 117. 0±55. 9） MPa for Ramie fibers（Zhejiang province）and （1 222. 0±61. 1） MPa for Ramie fibers（Ji‐ angxi province），but a better elastic modulus（（74. 3±3. 7） GPa）of Ramie fibers（Jiangxi province）. Compared to Ramie fibers，Jute fibers had the smallest tensile strength and elastic modulus of （139. 0±7. 0） MPa and （21. 1±1. 1） GPa，respectively，which was attributed to the higher crystallinity（ gt;78% ），stronger hydrogen bonding network（ gt;64% ），and higher aspect ratio（gt;1 900）of Ramie fibers.

ey words：Ramie fibers；Jute fibers；cellulose；mechanical properties

隨著全球對可持續發展的關注不斷增加，天然高分子聚合物材料得到越來越廣泛的開發及應用。麻纖維作為可再生且種類豐富的天然高分子材料，也受到了越來越多的關注。常見的麻纖維有苧麻、黃麻、漢麻、亞麻等[1-3]，目前已被廣泛應用于包裝、書寫、印刷、建筑等領域[4]。苧麻是一種屬于蕁麻科的多年生宿根性草本植物，原產于中國，是我國特有的優質天然植物纖維，也是世界上最古老的纖維作物之一[5]。苧麻纖維具有拉力強、柔軟性好、傳熱快、耐腐蝕等特點，因此被廣泛用于制造各種紡織品，如麻袋、麻布、繩索等[6-7]。不同于苧麻纖維，黃麻纖維屬于韌皮纖維，《中國造紙》2025 年第 44 卷 第 5 期被稱為“黃金纖維”，具有良好的多孔結構、優異的抗菌性、極佳的耐用性等特點，被廣泛用于制造各種材料，如隔音材料、手術衣、包裝和家具制造材料等[8]。

機械性能優異是麻纖維的突出優勢，這也讓麻纖維得到了廣大科研工作者的青睞。在現有研究中，大多研究者將麻纖維用作填料來討論其對復合材料機械性能的增強效果。Mohanavel等[9]用單寧基非異氰酸酯聚氨酯樹脂浸漬苧麻纖維來提高其熱機械性能，結果表明，單寧基樹脂與苧麻纖維反應產生氨基甲酸酯基團，從而改善了復合材料的機械強度。徐貴海等[10]以苧麻和黃麻纖維作增強材料、環氧聚合物作基體、碳化硅和纖維素作填料，通過手工鋪層工藝制備了纖維增強材料，結果表明，堿和偶聯劑與麻纖維復合處理明顯改善了材料的力學性能。盡管現有研究已證實麻纖維細胞壁厚度及細胞腔尺寸對其機械性能具有顯著影響[11-12]，但關于纖維自身結構特征及其化學組分如何協同以產生優異力學性能的機制仍缺乏系統性研究。因此，深入解析麻纖維多尺度結構（包括微納米結構形貌、組分分布）與力學性能之間的構效關系，不僅有助于闡明其高強度特性的本質機理，還可為高性能生物基材料的設計提供理論依據。

本研究以不同產地的苧麻纖維和黃麻纖維為研究對象，利用掃描電子顯微鏡、纖維分析儀、傅里葉變換紅外光譜儀等設備儀器，研究了苧麻纖維和黃麻纖維的組分、表面形貌、氫鍵比例、結晶度等與高機械強度的內在聯系，為苧麻纖維和黃麻纖維的研究和應用提供了一定的理論基礎。

1 實 驗

1. 1 實驗原料、試劑與儀器

1. 1. 1 實驗原料

麻纖維原料為產自安徽宿遷的黃麻纖維與產自江西宜春、浙江金華的苧麻纖維，分別記作黃麻纖維、苧麻纖維（江西）、苧麻纖維（浙江）。

1. 1. 2 實驗試劑

苯、乙醇、過氧化氫、醋酸、硝酸、鹽酸、溴化鈉、溴酸鈉、硫代硫酸鈉、硫酸，均為市售分析純試劑，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1. 1. 3 實驗儀器

纖維分析儀（ PLUS+ ，瑞典Lamp;W 公司）；掃描電子顯微鏡（SEM，S-3400N，日本日立公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，Tensor II，德國布魯克公司）；X射線衍射儀（XRD，SMARTLAB，日本理學公司）；纖維疏解機（T-100，美國AMC 公司）；電位測量儀（SZP-10，德國Mütek公司）；電子萬能材料試驗機（TSIOO5B，德國泰仕特公司）；數字厚度儀（48-46-30-0001，荷蘭Buchel B.V.公司）。

1. 2 實驗方法

1. 2. 1 原料處理

取適量的麻纖維置于過氧化氫（質量分數 30% ）∶冰醋酸體積比 τ=1：1 的水溶液體系中，在 60^°C 下浸泡6h ，用水清洗麻纖維至濾液為中性，最后置纖維于烘箱干燥 ^2h ，干燥后的纖維放在干燥陰涼處儲存備用。

1. 2. 2 化學組分測定

取適量麻纖維原料，用粉碎機研磨后，取粒徑 0.25～0.38mm 的物料進行化學組分分析。用硝酸乙醇 法測定麻纖維的纖維素含量；參考 GB/T 2677.9— 1994 測定麻纖維的聚戊糖含量；參考 GB/T 2677.8— 1994 測定麻纖維的酸不溶木質素含量；參考GB/T 2677.6—1994 測定麻纖維的苯-醇抽出物含量；參考 GB/T 742—2018 測定麻纖維的灰分含量；參考 GB/T 2677.2—2011測定麻纖維的水分含量。

1. 2. 3 微觀形貌測試

將麻纖維原料粉末用導電膠黏附到樣品臺上，對其進行表面噴金處理，氮氣吹掃后，用SEM 在加速電壓 5kV 下觀察麻纖維的微觀形貌。

1. 2. 4 Zeta 電位測試

將麻纖維用纖維疏解機疏解，得到質量分數 1% 的纖維分散液，取 500mL 于電位測量儀下測試，每種樣品重復測量3次，結果取平均值。

1. 2. 5 纖維分析測試

用剪刀將麻纖維原料剪碎，并加水分散成質量分數 0.1% 的纖維懸浮液，利用纖維分析儀對其進行纖維寬度測試，每種樣品重復測量3 次，結果取平均值。將纖維在過氧化氫/冰醋酸體系中充分浸泡后，使用鑷子手動剝離出單根纖維，用刻度尺測量纖維長度。每種麻纖維均取60 根單根纖維做長度測試，結果取平均值，并根據纖維長度、寬度計算長寬比。

1. 2. 6 紅外光譜分析

將過氧化氫/冰醋酸體系處理后的麻纖維剪碎并研磨成粉末，再與KBr 混合研磨制片，通過FT-IR 進行紅外光譜測定，波數范圍 400～4000cm^-1 。

1. 2. 7 結晶度測試

利用XRD 對麻纖維進行測試，測試前將樣品剪成粉末狀（粒徑 lt;1mm ），掃描范圍 2θ=5^°～60^° ，電壓40kV ，電流 200mA ，掃描速度 10^°/min ，3種麻纖維的結晶度（ CrI ， % ）計算見式 （1）^[13-14] 。

CrI=（I₀₀₂-I_am）/I₀₀₂×100%

式中， I₀₀₂ 為（002）晶格衍射角的最大強度； I_am 為非晶背景衍射的散射強度。

1. 2. 8 力學性能測試

采用電子萬能材料試驗機在相同環境下進行麻纖維拉伸強度的測量實驗以繪制應力-應變曲線圖，萬能材料試驗機的傳感器為 500N ，加速度 10mm/min ，間隙 10mm ，拉伸速率 5mm/min 。為消除纖維截面積（A， mm² ）的影響，使用數字厚度儀測量纖維截面直徑 （d，mm） ，每種麻纖維進行3 次實驗，結果取平均值，并根據式（2）計算纖維截面積，根據式（3）計算拉伸強度 （σ，MPa， ）。

式中， F 為電子萬能材料試驗機所施加的應力， ΔN 。

2 結果與討論

2. 1 化學組分分析

對3 種麻纖維的化學組分進行測試分析，結果如表1 所示。由表1 可知，苧麻纖維（江西）的纖維素含量高達 74.10% ，與苧麻纖維（浙江）的纖維素含量（ 73.31% ）接近，表明苧麻產地對纖維素含量影響不大，而黃麻纖維的纖維素含量則明顯低于苧麻纖維，僅有 63.35% ，相差約10 個百分點。3 種麻纖維的酸不溶木質素含量在 6%～10% 之間，其中苧麻纖維（江西）的酸不溶木質素含量最高，為 9.07% 。黃麻纖維的聚戊糖含量最大，且明顯高于苧麻纖維，為 5.73% 。

因此，相比于苧麻纖維，黃麻纖維自身粗硬，具有更多的木質素和半纖維素來維持結構性質[15]，而纖維素含量對于麻纖維的機械性能具有重要意義[16-17]。3 種麻纖維的苯-醇抽出物含量接近，均在 1%～2% 之間。苧麻纖維的灰分含量遠高于黃麻纖維，其中苧麻纖維（江西）灰分含量最高，達 5.07% ，比黃麻纖維的灰分含量高4.07 個百分點。3 種麻纖維的水分含量相差不大，均在 7%～8% 之間。纖維組分分析結果表明，產地對苧麻纖維的酸不溶木質素含量影響最大，而不同種類麻纖維在纖維素含量、聚戊糖含量、灰分含量上均存在較大差別。

表1 麻纖維的化學組分

Table 1 Chemical components of hemp fibers %

2. 2 表面形貌分析

用SEM 對苧麻纖維和黃麻纖維表面形貌進行觀察，結果如圖1所示。纖維的取向排布對改善纖維機械性能具有較大幫助[18]。由圖1可知，過氧化氫/冰醋酸體系處理后的2種苧麻纖維，均具有結構緊密、表面光滑、排列整齊且取向排布顯著的特點（圖1（a）和圖1（b））。而黃麻纖維經過氧化氫/冰醋酸體系處理后，表面比較粗糙，存在不緊密片狀物質結構，且纖維取向排布明顯較差（圖1（c））。

2. 3 Zeta電位分析

纖維表面電位與纖維機械性能密切相關，纖維表面電位的改變可能會影響纖維間的相互作用，從而間接影響機械性能[19]。圖2 為3 種麻纖維的Zeta 電位。由圖2 可知，3 種麻纖維均帶負電，這是由于纖維本身含有糖醛酸基、極性羥基等基團，使其在水中顯負電[20]。苧麻纖維（浙江）和苧麻纖維（江西）的Zeta電位絕對值分別為27.7、 29.9mV ，黃麻纖維的Zeta電位絕對值最大，為 34.5mV ，表明黃麻纖維具有更高的電負性。由于纖維素電負性高的關鍵因素是能夠暴露出更多的羥基，而更小的粒徑及低結晶度則是更多羥基暴露的重要條件[21]。

圖1 麻纖維的SEM圖

Fig.1 SEM images of hemp fibers

圖2 麻纖維的Zeta電位

Fig. 2 Zeta potentials of hemp fibers

2. 4 纖維形態分析

纖維形態不僅包括纖維的長度、寬度、壁厚等，還包括長寬比、壁腔比、粗度等[22]。纖維形態對纖維的機械性能影響較大，纖維長寬比越大，其機械強度較高[23]。對3 種麻纖維進行纖維形態分析，結果見表2。由表2可知，苧麻纖維（浙江）、苧麻纖維（江西）、黃麻纖維的平均長度分別為 60.1、60.3 和2.43mm ，平均寬度分別為31.3、29.4 和 36.2μm ，長寬比分別為 1 920.1、2 051.0 和 67.1。苧麻纖維 （浙江）和苧麻纖維（江西）具有相近的長寬比，且遠高于黃麻纖維的長寬比，這是由于苧麻纖維在生長發育過程中受木質素的干擾較少，從而保持了高延展性，形成細長且均勻的纖維，而黃麻纖維細胞壁更早木質化，限制了縱向生長的可能，導致細胞較短[24-25]。因此，根據纖維形態可推測苧麻纖維（浙江）與苧麻纖維（江西）具有相近的機械性能，且遠優于黃麻纖維的機械性能。

2. 5 紅外光譜分析

對3 種麻纖維進行FT-IR 分析，結果如圖3（a）所示。由圖3（a）可知，麻纖維在 3100～3600cm^-1 處的吸收峰是由—OH 伸縮振動引起的。 2890～2990cm^-1 處的吸收峰是典型的纖維素特征吸收峰，對應于纖維素中飽和C—H 的伸縮振動。 1 310～1 320cm^-1 處的吸收峰是半纖維素的特征峰，對應糖醛酸酯基團。 1020～ 1160cm^-1 處的吸收峰是多糖類纖維素結構的特征吸收峰，為C—O 伸縮振動，其峰值最高，表明3 種麻纖維的纖維素含量較高，纖維素為三者的主要化學組分[26]，與表1 結果相一致。 890～950cm^-1 處的吸收峰是 β -D-葡萄糖苷鍵的特征峰。 1514cm^-1 處的吸收峰為木質素中苯環 C=C 振動吸收峰，其峰強度明顯減弱甚至消失，表明3 種麻纖維在被過氧化氫/冰醋酸處理后，木質素大部分均已被降解[6]。

表2 麻纖維的長度、寬度、長寬比

Table 2 Length， width， and aspect ratio of hemp fibers

分子內和分子間的氫鍵可以起到穩定纖維結構、提高纖維機械性能的作用[27]。對苧麻纖維和黃麻纖維的FT-IR 譜圖進行二階求導，以排除水分子對羥基的影響[28]，結果如圖 3（b）～ 圖3（d）所示。探究3 種麻纖維氫鍵的分布，結果如表3 所示。其中，峰1 為O_（6）?H…O_（3^′） 分子間氫鍵，峰2 為 O_（3）?H…O_（5） 分子內氫鍵，峰3 為 分子內氫鍵，峰4 為自由OH_（2） ，峰5 為自由 OH_（6）^[28] 。由表3可知，3種麻纖維的5種峰的擬合峰值中心相近，苧麻纖維（浙江）分子內和分子間氫鍵總面積比為 68.0% ，苧麻纖維（江西）分子內和分子間氫鍵總面積比為 64.7% ，黃麻纖維分子內和分子間氫鍵總面積比最低，為 57.7% 。因此，根據分子內和分子間的氫鍵分布情況，推測苧麻纖維相較于黃麻纖維具有更優異的機械性能。

2. 6 結晶結構分析

結晶度對纖維素纖維材料力學性能具有重要的影響，高結晶度的纖維素纖維材料往往具有較高的機械性能[29-30]。圖4（a）是苧麻纖維和黃麻纖維的XRD 譜圖。由圖4（a）可知，在 2θ=22^° 左右的特征峰是（002）晶面的衍射峰，在 2θ=18^° 附近的特征峰為纖維素無定形區衍射峰[31]。2 種苧麻纖維在 2θ=15^° 、 16^° 、 22^° 左右處的衍射峰分別對應（101）（101ˉ）和（002）晶面，為典型的纖維素Ⅰ型結構[32]。相比之下，黃麻纖維僅在 2θ=22^° 左右處有明顯的衍射峰，在 2θ=15^° 的衍射峰卻不明顯，表明黃麻纖維的結晶度小于苧麻纖維。進一步計算 3 種麻纖維的結晶度，結果如圖 4（b）所示。由圖4（b）可知，苧麻纖維（浙江）的結晶度與苧麻纖維（江西）的結晶度相近，分別為 78.8% 、 78.7% ，高于黃麻纖維的結晶度（ 65.2% ）。因此，苧麻纖維相較于黃麻纖維具有更優異的結晶結構，推測其機械性能更好。

圖3 麻纖維的FT-IR譜圖及紅外二階導羥基分峰圖

Fig. 3 FT-IR spectra and infrared second-order guided hydroxyl group splits of hemp fibers

表3 麻纖維的氫鍵分布

Table 3 Distribution of hydrogen bonds in hemp fibers

2. 7 纖維力學性能分析

圖5（a）為苧麻纖維和黃麻纖維的應力-應變曲線。由圖5（a）可知，隨著應力的不斷增加，苧麻纖維與黃麻纖維先發生彈性形變，且苧麻纖維應力-應變曲線的線性關系比黃麻纖維強。從苧麻纖維應力-應變曲線可知，當應力逐漸到達最高點附近時，應力-應變曲線開始產生波動，整體上呈先減少后增加的變化過程，直至斷裂。從黃麻纖維應力-應變曲線可知，當應力到達最高點后，應力逐漸衰減，直至斷裂。研究者將應力-應變曲線與橫坐標軸（應變）包圍區域的面積定義為材料的韌性[33]。據統計，苧麻纖維應力-應變與橫坐標軸（應變）包圍區域的面積較大，黃麻纖維與橫坐標軸（應變）包圍區域的面積較小，表明苧麻纖維具有較強的韌性，而黃麻纖維則更柔軟。

圖4 麻纖維的XRD譜圖及其結晶度

Fig. 4 XRD spectra and their crystallinity of hemp fibers

圖5 麻纖維應力-應變曲線和彈性模量

Fig. 5 Stress-strain curves and elastic modulus of hemp fibers

經計算，苧麻纖維（浙江）和苧麻纖維（江西）的抗拉強度遠大于黃麻纖維（ （139.0±7.0） MPa），分別為 ?1117.0±55.9）MPa 、 （1222.0±61.1）MPa ，表明苧麻纖維（浙江）和苧麻纖維（江西）具有相近的抗拉強度，且遠大于黃麻纖維的抗拉強度，這與上文預測的 種麻纖維機械性能結果相符。彈性模量表示纖維在受到一定外力作用時產生的形變能力，彈性模量越大，表明材料越不容易受力變形[34]。圖5（b）為3 種麻纖維的彈性模量。由圖5（b）可知，苧麻纖維（浙江）和苧麻纖維 （江西） 的彈性模量分別為 （27.7±1.4） GPa 、 （74.3±3.7）GPa ，而黃麻纖維的彈性模量僅有（21.1±1.1）GPa ，表明2 種苧麻纖維雖然具有相近的抗拉強度，但苧麻纖維（江西）具有更高的彈性模量，即具有更優異的抗外力形變能力；而黃麻纖維的抗拉強度與彈性模量均最小，易受到外力沖擊而斷裂。

3 結 論

以不同產地的苧麻和黃麻纖維為研究對象，采用過氧化氫/冰醋酸脫木質素工藝，闡述了纖維長寬比、結晶度、氫鍵等與其機械性能的構效關系。3. 1 苧麻纖維的纖維素含量（苧麻纖維（浙江）為73.31% 、苧麻纖維（江西）為 74.10% ）均高于黃麻纖維（ 63.35% ），具有更高的結晶度（ gt;78% ），且纖維結構更為致密。3. 2 苧麻纖維長寬比（苧麻纖維（浙江）為1 920.1、苧麻纖維（江西）為2 051.0）高于黃麻纖維（67.1），具有較強的氫鍵相互作用（ gt;64% ），纖維排列整齊，取向性好。

3. 3 不同產地的苧麻纖維具有相近的抗拉強度（苧麻纖維（浙江）為 （1117.0±55.9）MPa 、苧麻纖維（江西）為 （1222.0±61.1）MPa） ），但苧麻纖維（江西）具有更優異的彈性模量（ （74.3±3.7）GPa） ）。黃麻纖維的抗拉強度與彈性模量均最小，易受到外力沖擊而斷裂。

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