碱脱胶处理对大麻纤维结构和性能的影响

大麻纤维具有很高的抗弯强度和较强的吸湿性，通常被用在纺织和造纸行业。但是由于大麻纤维中的单纤维比较短，不适合直接使用，应通过脱胶形成工艺纤维用于纺织加工。即便如此，大麻纤维还是不能广泛应用于服装，特别是内衣方面，主要是由于纤维粗硬造成织物的刺扎感。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

大麻纤维是由山西绿洲纺织有限公司提供的，化学药品包括氢氧化钠、硫酸、磷酸三钠和硫酸钠。

1.2 实验过程

纤维先在50 ℃的低浓度硫酸溶液中去除杂质，充分水洗后，再在80 ℃和100 ℃下，分别在 7、10、13、20 g/L的氢氧化钠溶液中下处理 1、2、3 h。碱液中可加入如磷酸三钠、硫酸钠等助剂，加强脱胶效果。所有实验过程的质量浴比都是20∶1，实验结束也将纤维充分水洗去除残留碱液。

1.3 扫描电子显微镜测试

将喷金处理后的试样在JSM-5600V扫描电子显微镜下观察。该显微镜测试距离是10 mm，工作时电压逐渐增加到10 kV，分别观察纤维放大2 000倍和3 000倍的纵截面图像。

1.4 单纤维的拉伸测试

纤维在温度（20 ± 2）℃、湿度65% ± 2%的恒温恒湿室调湿 2 天，用XQ-2的强力测试仪测试大麻纤维的强度，测试长度为 1 cm，每个试样至少测量100根。

1.5 弯曲模量测试

纤维弯曲模量的测量是采用东华大学纺织材料技术团队发明的仪器。脱胶后的大麻纤维先分别用乙醚和乙醇洗净，再在恒温恒湿室内调湿，制作成单根纤维进行测试。

2 实验结果分析

2.1 纤维表面形貌

图 1 所示纤维是用13 g/L氢氧化钠碱液在80 ℃和100 ℃的条件下碱煮 2 h处理的大麻纤维的电镜照片。可以看出，图 1（a）80 ℃处理的纤维直径较粗，纤维和纤维之间明显有胶质连接；图 1（b）中纤维直径较细，表面较光滑，并且可以看到纤维之间有分离的趋势，说明在相同碱液浓度下，随着温度增加，纤维间的化学键逐渐被破坏。

图 2 所示纤维是用13 g/L氢氧化钠溶液在100 ℃的条件下分别处理 1、2、3 h的电镜照片。从图中可以看出，随着处理时间的增加，纤维表面逐渐光滑，蜡质和果胶等非纤维素被逐渐去除。但是当时间增加到一定程度，纤维表面有变粗糙的迹象，这是因为随着时间的增加，增加了碱液和非结晶区的接触，打开了纤维素间的氢键，纤维更容易进入无定形区和结晶区的边缘，使这部分纤维之间的胶质被去除，纤维表面变得粗糙（如图 2（c）所示）。图 3 表示随着处理浓度增加，纤维表面半纤维素逐渐去除干净，表面变得光滑。

2.2 纤维拉伸强度分析

图 4 所示为碱处理浓度与纤维断裂强度的关系。由图 4 可以看出，随着碱处理浓度的增加，纤维断裂强度逐渐增加，这是因为碱处理后减小了微原纤之间和轴向之间的夹角，从而使纤维素链重新组合。

2.3 纤维弯曲模量分析

图 5 所示为单纤维弯曲测试过程。可以看出，随着弯曲过程的进行，纤维头端逐渐发生弯曲。

图 6 所示是不同浓度碱处理后大麻纤维的载荷-位移图。从图中可以看出，随着位移增加，纤维的载荷增加很快，到达临界载荷时，纤维的载荷略微下降。随着碱液浓度的增加，纤维的临界载荷逐渐下降，从表 1 可以看出，纤维的直径逐渐降低，纤维的弯曲模量下降更明显。

3 结论

本文研究了碱处理对大麻纤维形貌和性能的影响。结果表明，随着温度、时间和浓度的增加，纤维直径降低，纤维间的胶质逐渐被去除，纤维表面变得光滑。纤维强度随着浓度增加逐渐增加，而弯曲模量则随着浓度增加而降低。

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