摘 要：采用生物-化学脱胶法对剑麻纤维进行脱胶处理。利用扫描电镜、单纤维强力仪、红外光谱仪和x射线衍射仪对脱胶后的剑麻纤维的形态结构、纤维基团、结晶性能和力学性能等进行表征和分析。结果表明：脱胶后的残胶率为5.93%，纤维素含量为61.78%，纤维素晶型没有发生改变，力学性能良好。
关键词：剑麻；果胶酶；脱胶；纤维素
剑麻，又名菠萝麻，龙舌兰科龙舌兰属，是一种多年生热带硬质叶纤维作物。剑麻纤维本身具有较好的光泽，强度大，湿态强度比干态强度高11%-16%，再加上有较好的耐盐碱以及耐摩擦性能，以及在干湿环境之下伸缩性都较小等优点[1]，主要被用来制造海军舰艇缆绳、飞机汽车轮胎内层、机器的传送带以及起重机吊绳钢索中的绳心等。目前国家各地兴建的大型水电站所使用的护网、防雨布、捕鱼网和编制的麻袋等用品也应用到了剑麻纤维[2]。剑麻的短纤及其加工产品则被制作成人造丝、高级纸张、刷子以及作为少数的绝缘制品和爆炸品的填充物等[3]。
因此，作为剑麻使用的头道工序，脱胶过程及脱胶效果尤其重要。本文选用生物—化学混合法进行脱胶处理，然后对剑麻纤维从残胶率、外观形态、力学性能、红外光谱和X射线衍射等进行表征，以期获得有良好性能的剑麻纤维。
1实验
1.1实验材料
干剑麻叶（武汉纺织大学纤维园区内采取晒制）；98%硫酸（国药集团化学试剂有限公司）；氢氧化钠（国药集团化学试剂有限公司）；柠檬酸（国药集团化学试剂有限公司）；柠檬酸钠（国药集团化学试剂有限公司）；麦克林公司的3万U/g生物果胶酶（生化试剂BR，国药集团化学试剂有限公司）等。
1.2实验器材
HH-ZK4数显恒温水浴锅（巩义市予华仪器有限责任公司）；SHA-C水浴振荡器（常州市鸿科仪器厂）；WGL-45B电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；TESCAN VEGA 3型扫描电镜（TESCAN公司）；光学显微镜；单纤维强力机（温州方圆纺织仪器有限公司）；D8 Advance型X-射线衍射分析仪（德国Bruker公司）；Ver Tex70型红外光谱仪（德国Bruker公司）。
1.3工艺流程
样品的撕段按剑麻叶的纤维方向撕开，撕成厚度为0.5厘米的小段。将柠檬酸和柠檬酸钠混合配置p H为4的酸性缓冲液，在酸性缓冲液中按浴比1:100浸泡样品，然后加入适量果胶酶，在恒温水浴振荡器中震荡处理24小时，温度为40℃[4]。在果胶酶作用之后，取出样品用纯水洗净，使用1ml/L的硫酸溶液在80℃的恒温水浴锅中处理1.5小时，浴比为1:30。预酸处理结束洗涤至中性后，置于20g/L的氢氧化钠溶液中，浴比为1:30,80℃的恒温水浴锅中处理1.5小时。碱煮完成后取出洗涤至中性，使用烘干机在80℃的温度中烘干，最后得到脱胶后的剑麻纤维。
1.4测试与表征
1.4.1残胶率
残胶率是剑麻原料及剑麻纤维脱胶后纺织半成品与纺织质量的重要指标。这是脱胶方案的脱胶效率体现的主要依据[5]。残胶率的高低与剑麻束的松散程度有着重要关系，它直接影响到剑麻单纤维的分离程度和后序梳纺加工[6]。直到现在，我国检测剑麻纤维残胶率的准则是现行的国际准则GB587-85，这个方法主要参考了我国麻纺织工业纺织生产质量指标[7]。残胶率的计算公式为：
式中：WC-残胶率，%；W1-纤维干重，g;W2-脱胶后纤维干重，g。
1.4.2形态分析
分析脱胶前后的纤维颜色变化，同时用光学显微镜和扫描电镜观察脱胶前后的剑麻纤维。
1.4.3力学性能测试
纤维和产品在加工和作为纺织品使用时必然会受到各种外部力量的影响。纤维是纺织品中最基本的成分之一，其机械性质对纺织品及其性能具有很高的影响，因此力学性能是纤维选择最重要的特性之一。采用单纤维强力机（温州方圆纺织仪器有限公司）测试20组样品得出平均值。
1.4.4红外光谱分析
将脱胶前后的剑麻研磨成粉末并均匀分散在KBr中，压片后用傅立叶变换红外光谱仪进行表征，扫描范围为400～4000cm-1，扫描速度为4°/min。
1.4.5X–射线衍射分析
为了研究脱胶前后剑麻纤维的结晶度，通过X射线衍射仪，使用单色CU Kα辐射（λ=1.5406Å），范围为2θ=10-40°级，扫描率5.0°/min。晶度指数(CrI)的计算依据Segal经验公式[8]:
式中：I200纤维素(200)晶面(2θ=22.5°)的衍射强度；Iam纤维素无定型区(2θ=18°)的衍射强度。
2 分析与讨论
2.1残胶率
剑麻纤维的主要成分为纤维素，另外含有木质素、果胶、水分及其它杂质等[9]，含量超过40%以上，显然会影响剑麻的进一步加工利用，因此对该剑麻纤维进行脱胶除杂处理十分必要。
经过果胶酶和化学处理法混合脱胶之后计算得出残胶率为5.93%，纤维素含量为61.78%，由此可知，在经过酶处理和化学试剂混合脱胶之后剑麻纤维的纤维素含量增加，果胶、木质素、半纤维素等杂质脱胶除杂较为明显。
2.2形态分析
经过脱胶处理烘干之后，纤维由原来的黄绿色变成了白色，说明纤维脱胶效果比较明显。
图1(a)是脱胶后的剑麻的纤维截面图，从图中可知，一般剑麻束纤维由50-150根单纤维组成，剑麻横截面呈多边形或近似椭圆形，有中腔，但中腔大小不一，剑麻纤维形态与黄麻纤维基本相似。图1(b)显示的是脱胶后剑麻的纤维纵向图，剑麻纤维比较平直，能观察到纵向条纹。
图2显示的是电子显微镜下脱胶处理前后的剑麻纤维纵面图，由图中可知，未处理的剑麻表面有一层很厚的胶质，脱胶处理后能有效的除去剑麻纤维的非纤维素成分，同时将粗的纤维分解为更细的微纤。混合法处理对纤维损伤较小，纤维表面较为平润，原因是生物酶具有较强的专一性，果胶酶只对剑麻纤维中的果胶质有一定的分解作用，而对木质素和半纤维素及其它杂质基本无影响，且酶反应温和，对纤维内部作用较弱，后续化学反应也对纤维内部影响减小。
图1脱胶后的剑麻纤维的横截面（a）和纵截面（b）的光学显微镜图像
2.3力学性能分析
经过单纤维强力机测得制得的脱胶后剑麻纤维的平均断裂强力为265.5cN/tex、断裂伸长率为44.5%。对比于原麻的特性[10]，脱胶处理后，由于化学成分和微细结构的变化，使得纤维的弹性模量和强力下降，柔软性得到了改善，纤维的断裂伸长也增加了。由此得知，若脱胶处理浓度过大，时间过长，也会对纤维产生较大的损伤而使强力大大的下降，影响后续处理中的成纱质量。
2.4红外光谱分析
图3显示的脱胶处理前后的剑麻纤维的红外光谱图。在1738cm-1处出现的吸收峰对应乙酰C=O的伸缩振动，是属于半纤维素的特征峰，该峰的消失意味着半纤维素被大量脱除。1549cm-1处出现的吸收峰是由芳香环骨架振动引起的，1435cm-1处的吸收峰则对应的甲基和亚甲基的弯曲振动，以及1624cm-1和1321cm-1处对应的是木质素中的C=O键伸缩振动引起的，这四个峰属于木质素的特征峰在脱胶处理之后都变缓或是消失，意味着脱胶处理之后剑麻纤维中的木质素被有效去除。综上可以说明剑麻纤维在生物-化学混合法脱胶之后，除去了部分木质素、半纤维素等非纤维素成分。主要是由于果胶酶的专一性，可以很好的除去纤维中的果胶物同时使得纤维开松，使得后续化学处理过程中杂质去除更加容易，最终脱胶效果较好。
图3脱胶前后的剑麻纤维的红外光谱对比
图4脱胶前后的剑麻纤维的X射线对比
2.5X–射线衍射分析
图4是脱胶处理前后的剑麻纤维的X射线衍射图，可以看出脱胶前后在2θ为17°、22°和35°左右都出现了峰，分别对应着纤维素的(110)、(200)和(040)晶面，呈现出典型的纤维素Ⅰ型结构，所以脱胶处理前后剑麻纤维的晶型并没有发生改变。经过公式计算可得，未处理剑麻纤维的结晶度为40.16%，脱胶处理后剑麻纤维的结晶度提升到了61.14%。剑麻纤维的结晶度在经过一系列处理之后有了明显的提高，这是由于半纤维素和木质素等主要是无定形区，这些物质被脱除之后，纤维素内部结晶区比例得到了提升。
3结论与反思
经过生物-化学混合法脱胶之后，剑麻纤维中的果胶、木质素、半纤维素等去除效果较为明显，且对纤维损伤较小，未改变纤维的基本晶型，只是由于生物酶具有专一性且反应温和，前期处理效果不是很明显，对后期化学处理也带来了一些影响，整体脱胶效率一般。假若先使用化学法再用生物酶法，或者在酶处理前加一步机械开松处理，脱胶效果可能会得到更好的提升，这将是以后的探索方向之一。
参考文献
[1]于伟东.纺织材料学[M].北京：中国纺织出版社,2006.
[2]梁宏合,杜国冬,王春田.我国剑麻主要病虫害研究进展[J].广东农业科学,2012,22：84-87.
[3]秦成．探讨剑麻高产栽培技术的推广所带来的经济效益[J].农业与技术, 2013,(11)：214-215.
[4]石文奇，甘厚磊，陈玉波，等.果胶酶处理剑麻纤维的工艺探讨及性能表征[J].印染助剂，2015，32（7）：38-40.
[5]李志恩，徐力平.“快速测定苎麻残胶率”方法的研究[J].纺织科学研究，1994,(4)：5-7.
[6]许符节.剑麻脱胶与纺纱[Z].湖南株洲芝麻纺织印染厂编印,1982.
[7]欧阳署.苎麻主要化学成分定量分析方法资料汇编[Z].全国苎麻纺织工业科技情报站编印,1993.
[8]卢麒麟,唐丽荣,林雯怡,等.巨菌草制备纳米纤维素及其表征[J].草业科学,2013,30(2):301-305.
[9]Chen Kuiyang,Hu Guoliang.Study on degumming process of sisal fiber [J].Advanced textile technology,2014,(6):9-12.
[10]郁崇文，张元明.剑麻纤维的性质及其碱处理的影响[J].东华大学学报，1993,(4):6-9.
文章摘自：朱梦婷,谢锦鹏,方凯炀,曹新旺.剑麻纤维脱胶处理的探究[J].武汉纺织大学学报,2021,34(04):49-52.
