摘 要：为了使工业大麻二粗纤维脱胶过程中既减少能耗、绿色环保，又保证制得的工业大麻纤维质量符合要求，将探讨一种TEMPO/亚硝酸钠预处理实验的脱胶效果。新的脱胶思路结果表明：TEMPO/亚硝酸钠体系下的最佳方案：TEMPO质量浓度为0.35g/L、10mL（1mol/L）的亚硝酸钠，在浴比1:30、pH值为4.5、70℃条件下处理2h，此时得到的纤维为最佳。
关键词：工业大麻；TEMPO/亚硝酸钠；脱胶
目前，国内外麻类纤维脱胶方法大致有以下几种：化学脱胶处理、超声波脱胶法、“闪爆”法处理、生物酶处理、联合脱胶等[1,2]。
2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基(简称：TEMPO)属于亚硝酰自由基类，是一种有稳定氮氧自由基结构的环状化合物，也是一种线粒体ROS的选择性清除剂，可在催化循环中使超氧化物歧化[3,4]。张越[5]等发现对比未被处理过的亚麻机落原料，经EDTA辅助漆酶/TEMPO体系处理过的亚麻纤维表面胶质明显减少，纤维表面光洁，纤维分裂度和结晶度明显提高，此处理对比传统化学脱胶其对纤维素的损伤小，并较大程度地保留了纤维强力。本文在工业大麻的二粗纤维精细化中，采用了TEMPO/亚硝酸钠进行预处理，探讨其脱胶效果，旨在为获取高质量纤维的脱胶工艺提供技术支持。
1试验
1.1主要仪器和材料
工业大麻二粗产地为黑龙江省齐齐哈尔市。
主要的药品见表1。
表1实验药品及其性质
实验仪器见表2。
表2实验仪器
1.2实验方案
将工业大麻纤维在烘箱中烘干至恒重，称一定量的TEMPO和亚硝酸钠标准溶液放入浴比1:30的水中并充分溶解；将烘至恒重的工业大麻纤维浸入已配置好的溶液中，在适宜的温度和pH值条件下处理一段时间，每间隔半个小时搅拌一次，使工业大麻纤维与溶液之间能够充分地接触并发生反应；将处理后的纤维经过冷热水交替水洗，直至清洗后的水溶液清澈且pH值为7，放在烘箱中烘至恒重。经过该体系预处理之后的纤维，以失重率、纤维细度，纤维强力为考察目标，从而优化实验参数，确定实验方案。
1.3分析表征方法
1.3.1失重率测试
将处理前的工业大麻纤维清除杂质和灰尘，放至烘箱中烘至恒重，用称量瓶放置于干燥皿中，冷却平衡30min；处理后的大麻纤维在分样筛中洗净、过筛后同样置于烘箱中烘至恒重，用称量瓶放置于干燥皿中，冷却平衡30min。分别称取大麻纤维处理前后的质量，并按照公式(1)计算失重率值。
N=
×100%(1)
式中：N为失重率（%）；m为大麻处理前质量（g）；m′为大麻处理后质量（g）。
1.3.2纤维直径测试
从脱胶后的工业大麻纤维中挑选出10根纤维（纤维中粗细状态占绝大多数的纤维），放到YGB-002型纤维细度仪显微镜的玻璃上并用盖玻片压住；调好参数，打开灯光，将镜头对准纤维表征明显的地方，调试聚焦度和清晰度，准备测试。根据测试软件要求，在屏幕上手动画出纤维直径宽度，记录得出的数据，同时在所选的单纤维中选取不同的部位测试20次，取平均值并计算标准差，避免有较大的误差。该平均值便是该组纤维的直径。
1.3.3纤维强力测试
从脱胶后的大麻纤维中拿出10根单纤维，利用LLY-06E强力测试仪，设置好测试次数、测试隔距等测试参数；启用设备，夹持纤维，开始测试。纤维在在夹持的状态下拉伸断裂，完成测试后记录下断裂强力数值，测试得出10组数据，抛开极端值并取平均数。该平均值便是该组纤维的强力数值。
2结果与讨论
根据TEMPO/亚硝酸钠对工业大麻纤维预处理的实验方法，查阅相关资料以及预实验分析，依照其他TEMPO氧化体系中，在5g纤维、浴比1:30条件下，重点讨论TEMPO浓度、亚硝酸钠浓度、实验温度、实验时间四种因素，得出合适的工艺参数。
2.1TEMPO浓度对大麻纤维脱胶工艺的影响
通过单因素实验来确定TEMPO浓度的取值范围。将工业大麻纤维在烘箱中烘干至恒重，冷却平衡后浸入浴比1：30、pH值为4.5、2mL（1mol/L）的亚硝酸钠以及一定浓度的TEMPO溶液中，在80℃的实验条件下处理2h，将TEMPO的浓度选择0.05g/L、0.2g/L、0.35g/L、0.5g/L作为参考数值，以失重率、纤维细度、纤维强力为考察目标，研究不同TEMPO浓度下的脱胶情况，从而确定TEMPO浓度值，结果如图1所示。
图1 TEMPO浓度对纤维失重率、细度及强力的影响
在图1中可以发现，纤维的细度和失重率变化是比较符合常规的脱胶实验规律的，随着TEMPO浓度的增加，细度降低且失重率增加，但是纤维强力却随着TEMPO的增加呈现出先增后减的趋势。当TEMPO浓度为0.05g/L-0.35g/L时，纤维的强力为上升的趋势，经查阅文献总结，可能会有以下原因：①单独的亚硝酸钠是一种非选择性的氧化剂，而TEMPO是一种选择性氧化剂，当TEMPO浓度小时，不能够统一氧化全部纤维素结构上C6基团，进而亚硝酸钠氧化，使得纤维素整体结晶度下降，承受强力不匀，纤维的整体强力下降[6]。②TEMPO的化学结构十分复杂，带有很多的羟基、羧基等大量官能基团，随着在一定温度下与亚硝酸钠的混用，可能会有过多的氧化基团生成还原基团，排斥氧化基团或者消耗、抑制氧化基团的氧化反应，但这一原因有待研究确定[5,6]。
综合考虑，在TEMPO的浓度为0.35g/L时强力最大，细度最小，失重率相对合适，故最终选择TEMPO浓度为0.35g/L。
2.2亚硝酸钠浓度对大麻纤维脱胶工艺的影响
在此实验中，除了TEMPO的浓度外，亚硝酸钠的浓度也是一个至关重要的因素。在浴比1:30、pH值为4.5、TEMPO浓度为0.35g/L的条件下，经过80℃的水浴加热2h，探讨亚硝酸钠（c=1mol/L）在2mL、4mL、7mL、10mL的取值范围下比较合适的取用量，以纤维细度、纤维强力和纤维失重率为考察指标，结果如图2所示。
图2亚硝酸钠浓度对纤维失重率、细度及强力的影响
根据图2，可以看出纤维的强力和细度随着亚硝酸钠标准溶液的用量增多而下降，且纤维的失重率整体趋势也是随着亚硝酸钠用量的增大而上升，而当使用量达到7mL和10mL时，纤维的整体指标较好。这是因为TEMPO为选择性氧化剂，而亚硝酸钠为非选择性氧化剂，当TEMPO完成氧化后，随着亚硝酸钠的不断加入，其不断氧化纤维素不同的结构处，提高了脱胶效果[6]。综上，选择亚硝酸钠（1mol/L）的用量为10mL。
2.3实验处理温度对大麻纤维脱胶工艺的影响
在浴比1:30、pH值为4.5、TEMPO浓度为0.35g/L、10mL亚硝酸钠（c=1mol/L）的条件下，经过水浴加热2h，水浴温度分别为60℃、70℃、80℃、90℃，探讨其最优温度，提高脱胶效果，结果如图3所示。
图3实验处理温度对纤维失重率、细度及强力的影响
在图3中，随着温度的提高，纤维细度呈下降趋势，但强力和失重率的变化没有特别明显的发展规律。排除实验操作偶然性外，纤维强力先小后大再小，查阅资料结合本实验，造成这一现象的原因可能是：①温度低，试剂分子运动速度慢，能够有效并长时间的附着在纤维上，从而分解纤维素；反之随着温度的提升，分子运动速度加快，相对于针对纤维的附着力减低，脱胶效果减弱。②亚硝酸钠在水溶液中分离出的亚硝酸根离子是不稳定的，特别是在酸性条件下，本实验pH值为4.5左右，随着温度的升高，加速了亚硝酸根离子的分解，氧化分子减少，脱胶效果减弱[4-6]。本实验针对于纤维的强力、细度和失重率来看，当实验处理温度在70℃的时候，此时的综合考察指标较合适，最后该预处理实验的处理温度为70℃。
2.4实验处理时间对大麻纤维脱胶工艺的影响
将烘至恒重的纤维完全浸入在浴比1:30、pH值为4.5、TEMPO浓度为0.35g/L、10mL亚硝酸钠（c=1mol/L）的条件下，在70℃的水浴锅中分别加热0.5h、1h、2h、3h，探讨其最优实验处理时间，并测试其处理后纤维的细度、强力以及失重率，结果绘制如图4所示。
图4实验处理时间对纤维失重率、细度及强力的影响
由图4可以看出，其变化折线相对平缓，实验处理时间相对影响较小。纤维的细度随着实验处理时间的延长而逐渐变小，而纤维的强力和失重率却呈现相反的趋势，与常规的脱胶现象有所区别。这可能是因为短时间的处理，使得纤维上的纤维素链氧化并不均匀，结晶度下降，出现承受强力能力强弱不匀。但随着时间的延长，同一纤维素氧化均匀，整体承受力均匀增强，类似同一碳链氧化不均匀的情况，承受拉力时，未氧化或氧化的不均匀处会先断裂。根据图中变化折线分析，最终选择最优的实验处理时间为2h。
3结语
根据本文脱胶工艺的实验数据及分析总结，确定了TEMPO/亚硝酸钠体系下的方案：TEMPO质量浓度为0.35g/L、10mL（1mol/L）的亚硝酸钠，在浴比1:30、pH值为4.5、70℃条件下处理2h，此时得到的纤维为最佳。
参考文献：
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[3]惠岚峰,王宇,耿合斌.TEMPO氧化纤维素纳米纤维的制备及应用研究进展[J].天津科技大学学报,2023,38(01):75-80.
[4]王璐,伍丽琼,王晨玫孜，等.TEMPO氧化法制备罗布麻纳米纤维素纤维[J].产业用纺织品,2021,39(07):11-16.
[5]张越,张子娴,傅佳佳，等.基于漆酶/TEMPO体系的亚麻脱胶探究[J],丝绸,2023,60(02)：58-67.
[6]李昂,郭荣辉,王毓.氧化纤维素的研究进展及应用[J].纺织科学与工程学报,2021,38(01):79-88.
文章摘自：潘利明,李富文,孙梦阳,等.TEMPO/亚硝酸钠对工业大麻纤维脱胶的影响[J].黑龙江纺织,2024,(02):1-4.
