李華，李毓陵，*，馬顏雪，，陳小光，王釔琦，馬景玄，楊立雙，任濼彤，張湧

（1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；3.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；4.東華大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620；5.甘肅漢麻科技有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000）

大麻纖維是紡織服裝領(lǐng)域生產(chǎn)加工的重要原料，是較早為人類(lèi)所利用的紡織纖維之一［1］。近年來(lái)，大麻纖維因具有優(yōu)異的熱濕舒適性、生態(tài)性、資源性、環(huán)保性和低碳性而受到人們的關(guān)注，用其制成的服裝受到了大眾的追捧［2］。為有效利用大麻資源，為人們提供優(yōu)質(zhì)的紡織服裝原料，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者曾就大麻做過(guò)一系列研究［3-7］。

大麻原麻必須經(jīng)過(guò)脫膠才能得到可以在紡織行業(yè)有效利用的大麻纖維，脫膠是獲得大麻纖維的關(guān)鍵工藝［8］。本文脫膠方法采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)［9］，該系統(tǒng)將螺旋對(duì)稱(chēng)流厭氧生物反應(yīng)器（SSSAB）［10-11］和生物脫膠罐［12］相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了菌產(chǎn)酶、酶脫膠、膠養(yǎng)菌的厭氧生物脫膠過(guò)程，具有高效穩(wěn)定、運(yùn)行成本低、不損傷纖維、能耗低、污染小等優(yōu)勢(shì)［13-16］，是一種創(chuàng)新性脫膠方式。大麻原麻長(zhǎng)度一般在2～4m［17］，自然生長(zhǎng)原麻的不同部位（即梢部、中部和根部）在化學(xué)成分和纖維特性上存在很大差異，因此脫膠后不同部位麻纖維的性能必然有所差別。僅從工藝的角度看，為保持脫膠麻性能的一致性，應(yīng)該對(duì)不同部位的原麻采用不同的工藝；從應(yīng)用的角度看，不同部位的麻纖維可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。但受制于大麻原麻一般長(zhǎng)度不勻較大，整齊度較差，以及碎段狀打成麻無(wú)法分類(lèi)等問(wèn)題，相關(guān)研究并不多見(jiàn)。

本文以甘肅省天水地區(qū)特產(chǎn)的清水大麻為研究對(duì)象，采用麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)進(jìn)行厭氧生物脫膠處理，并對(duì)脫膠麻的基本性能進(jìn)行系列測(cè)試和對(duì)比分析，以期為清水大麻原麻的分段精細(xì)化加工和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為更好地應(yīng)用麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為甘肅省天水地區(qū)特產(chǎn)的、經(jīng)池塘漚麻并手工剝制獲得的清水大麻原麻，長(zhǎng)約280～300 cm，長(zhǎng)度整齊度較好，具有分段研究的基礎(chǔ)。該原麻分為籽麻和花麻兩個(gè)品種，籽麻為雌麻，花麻為雄麻。籽麻生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，外觀呈現(xiàn)淺棕色，手感較硬；花麻生長(zhǎng)周期短，外觀偏白，手感較軟。該清水大麻雖經(jīng)池塘漚麻環(huán)節(jié)，但膠質(zhì)含量和一般的大麻纖維相比差距不大，童藝翾等［5］測(cè)得未經(jīng)漚麻的大麻纖維含膠率為40.94%，故清水大麻有必要開(kāi)展進(jìn)一步的脫膠處理。

首先將籽麻和花麻均分成長(zhǎng)度90～100 cm的梢部、中部和根部3個(gè)部位，制成6種試樣，然后將其依次放入麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)進(jìn)行脫膠處理，并分別從處理前后的試樣中隨機(jī)抽取適量樣品進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

1.2 樣品制備

將大麻梢部、中部和根部分別放入3個(gè)脫膠罐中，設(shè)定統(tǒng)一的脫膠參數(shù)進(jìn)行大麻厭氧生物脫膠，相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)［9］，試驗(yàn)樣品的制取流程為：

原麻預(yù)處理［13］→厭氧生物脫膠處理→洗麻→曬干→取樣和人工梳理→待測(cè)樣品。

洗麻處理即將經(jīng)厭氧生物脫膠處理后的大麻，在實(shí)驗(yàn)室條件下用清水輕微搓洗6～7遍，直至洗麻水無(wú)明顯渾濁，故本文所涉及的待測(cè)麻樣為脫膠麻。由于厭氧生物脫膠裝置尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定距離。本文僅在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)經(jīng)厭氧生物脫膠處理得到的脫膠麻纖維相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，旨在說(shuō)明不同部位大麻纖維經(jīng)該裝置脫膠后的纖維特性。

1.3 相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)方法

化學(xué)成分分析：按照GB 5889-86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》執(zhí)行；

纖維細(xì)度測(cè)試：采用YG231-30MM纖維切斷器、JN-B-10-10MG型精密扭力天平，按照GB/T 18147.4-2000《大麻纖維試驗(yàn)方法第4部分：細(xì)度試驗(yàn)方法》執(zhí)行；

纖維拉伸性能測(cè)試：采用LLY-06E型電子纖維強(qiáng)力儀，按照GB/T 18147.5-2000《大麻纖維試驗(yàn)方法第5部分：斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》執(zhí)行；

表觀形態(tài)觀察：采用TM3000掃描電鏡。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠質(zhì)去除情況分析

如表1所示，籽麻和花麻的原麻在梢部、中部與根部的纖維素含量呈現(xiàn)中間高、兩頭低的趨勢(shì)。籽麻中部的纖維素含量比梢部高3.68%、比根部高5.49%，花麻中部的纖維素含量比梢部高3.47%、比根部高9.88%；梢部的纖維素含量高于根部；根部的纖維素含量最低，籽麻為58.29%、花麻為55.06%。與纖維素含量的變化趨勢(shì)相反，籽麻和花麻在梢部、中部與根部的膠質(zhì)含量呈現(xiàn)中間低、兩頭高的趨勢(shì)。

表1 大麻原麻各部位的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of different parts of raw hemp

清水大麻原麻經(jīng)厭氧生物脫膠系統(tǒng)處理后，各部位的膠質(zhì)成分有了明顯的去除，大麻各部位的膠質(zhì)去除效果如表2所示。可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論花麻還是籽麻，清水大麻的不同部位經(jīng)麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)脫膠后，其殘膠率較接近，均在20%左右。說(shuō)明在所選定的參數(shù)下，清水大麻原麻不同部位的膠質(zhì)含量雖然差異較大，但麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)能自動(dòng)消除這些差異，即含膠率高則膠質(zhì)去除率高，含膠率低則膠質(zhì)去除率低。一般認(rèn)為纖維素是大麻纖維中的可紡成分，纖維素含量越高，大麻纖維的品質(zhì)越好［18］，但采用本文的麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)，梢部、中部、根部各部位纖維素含量雖然不同，卻能夠得到脫膠質(zhì)量較均勻的脫膠麻，體現(xiàn)出此麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)的獨(dú)特性能。

表2 大麻脫膠麻各部位的膠質(zhì)去除效果Table 2 Pectin removal effect of different parts of degummed hemp fibers

同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，在本文所選定參數(shù)下，此麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)對(duì)大麻不同部位膠質(zhì)的去除存在一定的極限，故得到殘膠率較接近的結(jié)果，其中的機(jī)理需要進(jìn)一步探討。

2.2 纖維細(xì)度分析

大麻纖維細(xì)度是衡量大麻脫膠效果和判斷脫膠麻纖維分離程度的重要指標(biāo)。各部位人工梳理脫膠麻纖維的細(xì)度值如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，大麻梢部、中部和根部經(jīng)麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)處理后的纖維細(xì)度依次由低到高，呈逐漸增粗的趨勢(shì)，這與一般而言的莖基部麻纖維細(xì)胞發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)、胞壁加厚快、纖維變粗的結(jié)論相一致［19］。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，籽麻與花麻梢部的細(xì)度值接近，而中部和根部的纖維細(xì)度值均低于花麻，這與依據(jù)清水大麻原麻的外觀和手感判斷細(xì)度的預(yù)測(cè)相反，一般認(rèn)為色黃且硬的籽麻的纖維細(xì)度值會(huì)高一些。

表3 大麻脫膠麻各部位的各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 3 Various properties indicators of different parts of degummed hemp

2.3 纖維拉伸性能分析

大麻纖維的拉伸性能是判斷其能否滿(mǎn)足紡紗要求的重要因素，與麻纖維的紡織加工處理和紡織品的服用性能有著緊密的關(guān)系［20］。清水大麻各部位的纖維強(qiáng)度值從梢部到根部依次由高到低，呈逐漸減小的趨勢(shì)，且籽麻梢部的強(qiáng)度值與花麻相當(dāng)，中部和根部的強(qiáng)度值略高于花麻，與細(xì)度的規(guī)律相反。說(shuō)明短的生長(zhǎng)周期對(duì)清水麻花麻的纖維質(zhì)量有不利的影響，需要引起相關(guān)大麻種植部門(mén)的關(guān)注。一般認(rèn)為，根部強(qiáng)力高于梢部和中部的原因一方面可能是大麻根部所殘留的膠質(zhì)含量相對(duì)較高，纖維束相互黏結(jié)不易分離，另一方面由于大麻根部的纖維束呈網(wǎng)狀分布，加大了分離斷裂的難度［21］。而本文的脫膠麻在強(qiáng)力方面的表現(xiàn)，更多的是體現(xiàn)在纖維細(xì)度的差異所帶來(lái)的影響。綜合強(qiáng)度和細(xì)度來(lái)看，梢部脫膠麻的纖維質(zhì)量均更好，中部次之，根部最差。采用本麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)可以為清水大麻的分類(lèi)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，特別是梢部強(qiáng)度和細(xì)度都比較好的纖維，極有利于制取高檔紗線(xiàn)和織物。

2.4 纖維表觀形態(tài)分析

掃描電鏡觀察大麻纖維各部位脫膠前后梳理纖維的縱向表面狀態(tài)，如表4所示。從表中可發(fā)現(xiàn)：脫膠前，梢部纖維表面附著成片相互黏結(jié)的膠質(zhì)，籽麻梢部表面還有少量碎屑，層層膠質(zhì)前后覆蓋，外形呈較規(guī)則的圓柱狀，花麻梢部表面的片狀膠質(zhì)層層堆疊、留有空隙，表皮膠質(zhì)略有起伏，表面不平整；中部纖維表面分布著深淺不一的溝壑狀膠質(zhì)，并粘連著較多的碎屑和大小不一的塊狀膠質(zhì)，籽麻中部表面附有形態(tài)各異的顆粒狀膠質(zhì)，且多分布于纖維表面的凹陷處，花麻中部表面附著偏白色的塊狀膠質(zhì)；根部纖維被成片膠質(zhì)層層包裹，籽麻根部表面的碎屑分布較多，花麻根部纖維體積較大，膠質(zhì)包裹充分，籽麻根部表面的碎屑分布較多，花麻根部纖維粗壯，包裹著纖維的膠質(zhì)相互粘結(jié)成大小不一的區(qū)域，沿纖維軸向表現(xiàn)出明顯的縫隙。

表4 脫膠前后的掃描電鏡圖Table 4 Scanning electron microscopy（SEM）images before and after degumming

脫膠后，無(wú)論籽麻還是花麻，梢部呈現(xiàn)表面相對(duì)光潔的束纖維，單纖維（或者更細(xì)的束纖維）隱約可見(jiàn)；中部呈現(xiàn)表面較粗糙的束纖維，單纖維部分可見(jiàn)；根部呈現(xiàn)表面相當(dāng)粗糙的束纖維，單纖維明顯可見(jiàn)。觀測(cè)結(jié)果表明，清水大麻內(nèi)部存在束纖維結(jié)構(gòu)，脫膠麻最后得到的工藝?yán)w維為束纖維，且梢部脫膠后得到的束纖維相對(duì)光潔完整，而根部的束纖維相對(duì)粗糙松散。結(jié)合表2的脫膠麻殘膠率數(shù)據(jù)，可認(rèn)為本麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)主要去除清水大麻內(nèi)部束纖維之間的膠質(zhì)，該部分的膠質(zhì)含量因品種和部位不同有較大差異；而束纖維內(nèi)部的膠質(zhì)，本麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)以目前選定的參數(shù)不易去除，這為獲得高質(zhì)量清水大麻工藝?yán)w維提供了技術(shù)保障。

3 結(jié)論

（1）清水大麻，無(wú)論籽麻或花麻，還是梢部、中部和根部，都可采用麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)處理，得到殘膠率均在20%左右的脫膠麻，不受品種、部位含膠率不同的影響。

（2）清水大麻采用麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)處理后，不同部位脫膠麻的纖維質(zhì)量不同，梢部纖維的細(xì)度和強(qiáng)度最優(yōu)，中部次之，根部最差，各部位的伸長(zhǎng)率差異不大。

（3）清水大麻內(nèi)部存在束纖維結(jié)構(gòu)，是獲得良好工藝?yán)w維的原料基礎(chǔ)。

（4）麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)主要去除的是清水大麻內(nèi)部束纖維間的膠質(zhì)，不易去除束纖維內(nèi)膠質(zhì)，是獲得良好工藝?yán)w維的技術(shù)保障。