楊 陳 林燕萍

1. 江西服裝學(xué)院 服裝工程學(xué)院(中國) 2. 江西服裝學(xué)院 服裝設(shè)計(jì)學(xué)院(中國)

苧麻屬于灌木類植物，主要種植于中國的西南地區(qū)，具有種植方法簡單、成本低、收益高的特點(diǎn)。中國有史可考的苧麻應(yīng)用已有4 700余年。苧麻韌皮主要成分如下：纖維素28.974%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、半纖維素25.665%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、木質(zhì)素22.784%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、水溶物16.685%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、果膠3.963%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和脂蠟質(zhì)1.917%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其中半纖維素與纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和超50%，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價值。目前，苧麻主要應(yīng)用于醫(yī)藥、輕紡工業(yè)等，應(yīng)用領(lǐng)域較窄，產(chǎn)值較低[1-2]。近年來隨著對苧麻研究的深入，其優(yōu)于其他纖維的特性也逐漸被發(fā)掘出來，例如目前研究較熱的苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)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(yīng)用，均利用了苧麻較好的力學(xué)性能與降解性能[3-4]。隨著苧麻提取工藝與化工處理技術(shù)的進(jìn)步，苧麻韌皮纖維的應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)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(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

苧麻韌皮(市購)。試驗(yàn)用試劑包括：硫酸銅(上海谷研實(shí)業(yè)有限公司)、硅酸鈉(東莞市喬科化學(xué)有限公司)、氫氧化鈉(廣州洛辛寶化學(xué)試劑有限公司)、硫酸(保定萬豐化工產(chǎn)品加工有限公司)、濃氨水(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、無水乙醇(深圳市東茂化學(xué)試劑有限公司)、硝酸(珠海市華成達(dá)化工有限公司)、乙酸銨(宜興阿拉丁化工貿(mào)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(yàn)所用試劑均為分析純。

1.2 設(shè)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(yàn)機(jī)(美國英斯特朗公司)、HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇市晨陽電子儀器廠)、三槽醫(yī)用超聲波清洗機(jī)(廣州比朗儀器有限公司)、循環(huán)水真空泵(上海凌科實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司)、DF-101型集熱式磁力攪拌器(北京神泰偉業(yè)儀器設(shè)備有限公司)、DZF-6030型化學(xué)專用真空箱(上海凱朗儀器設(shè)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(yàn)方法

1.3.1 苧麻韌皮纖維的制備

首先對苧麻韌皮進(jìn)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(jìn)行浸酸處理60 min；將浸酸處理后的苧麻韌皮經(jīng)水洗后再次烘干，再經(jīng)堿煮后，水洗、烘干、打纖；打纖苧麻韌皮纖維經(jīng)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(zhì)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(zhì)，再利用蒸餾水對韌皮纖維進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhǔn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%)對纖維素膜進(jìn)行除雜至纖維素膜透明；除雜后的纖維素膜依次經(jīng)蒸餾水和無水乙醇清潔后，干燥待用；利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液對部分干燥后的纖維素膜進(jìn)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(yàn)壓片，利用紅外光譜儀對試樣壓片進(jìn)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?yán)w維素膜的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)。衍射儀相關(guān)指標(biāo)參數(shù)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(zhèn)周邊深約1 m左右的土壤中進(jìn)行自然降解，并利用質(zhì)量損失率表征纖維素膜的降解率。纖維素膜降解時間設(shè)置為20、35、60和85 d。

隨機(jī)選擇方向?qū)⑺评w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(yàn)機(jī)測試?yán)w維素膜條試樣的拉伸強(qiáng)度。拉伸強(qiáng)度測試參數(shù)設(shè)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(jié)果的平均值。

2 結(jié)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(shù)1 665～1 635 cm-1范圍內(nèi)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(yàn)證了經(jīng)丙三醇增塑處理后的纖維素膜人保持著纖維素Ⅰ分子結(jié)構(gòu)特征。

圖1 纖維素膜經(jīng)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(jīng)丙三醇增塑后依然保持維素Ⅰ的分子結(jié)構(gòu)特征，這與前文紅外光譜的測試結(jié)果相互印證。使用分峰積分計(jì)算結(jié)晶區(qū)積分面積與總積分面積之比表征纖維素膜的結(jié)晶度，結(jié)果顯示經(jīng)丙三醇增塑處理前后纖維素膜的結(jié)晶度分別分別為58.73%與39.42%，纖維素膜經(jīng)增塑處理后結(jié)晶度出現(xiàn)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(tuán)，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(rèn)為，無定形區(qū)與結(jié)晶區(qū)本無嚴(yán)格界限，極性基團(tuán)的引入，可誘使纖維素結(jié)晶區(qū)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，穩(wěn)定性減弱，致使結(jié)晶度降低。

2.3 纖維素膜降解性能分析

纖維素膜質(zhì)量損失率與降解時間的關(guān)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(zhì)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(huán)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(jìn)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(zhì)，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(tuán)，受土壤中水分的影響發(fā)生降解。對比經(jīng)丙三醇溶液增塑處理前后纖維素膜的質(zhì)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(jìn)一步增強(qiáng)纖維素膜與土壤中水分的結(jié)合能力，同時由于纖維素膜結(jié)晶度的下降，無定形區(qū)更容易被降解。當(dāng)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(zhì)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(huán)境友好。

圖3 纖維素膜質(zhì)量損失率與降解時間的關(guān)系曲線

2.4 纖維素膜抗拉強(qiáng)度性能分析

纖維素膜厚度與其拉伸強(qiáng)度間的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，無論是否經(jīng)丙三醇溶液增塑處理，纖維素膜的拉伸強(qiáng)度均與其自身厚度呈正相關(guān)，當(dāng)纖維素厚度為100 μm時，經(jīng)丙三醇增塑處理的纖維素膜的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)一定幅度的下降，這是由于經(jīng)丙三醇處理后的纖維素膜的—OH等基團(tuán)與丙三醇中的—COOH等結(jié)合強(qiáng)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(jié)晶度下降，無定形增加，使得纖維素膜力學(xué)性能的各向異性變差，從而導(dǎo)致纖維素膜力學(xué)性能下降。從抗拉強(qiáng)度角度分析，纖維素膜經(jīng)丙三醇增塑處理后，其力學(xué)性能出現(xiàn)了很大程度的下降。

圖4 纖維素膜厚度與其抗拉強(qiáng)度間的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

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