李慧皓 ，齊 魯

（1.天津工業(yè)大學生物與紡織材料研究所，天津 300387；2.天津工業(yè)大學天津市改性與功能纖維重點實驗室，天津 300387）

葛藤（pueraria lobata（willd）ohwi）又名野葛、葛麻，屬豆科（leguminosae）蝶形花亞科葛屬（pueraria DC）[1]，為多年生落葉麻本植物，具肉質(zhì)塊根.自古以來，葛藤既作為中藥，同時也是重要的經(jīng)濟作物，是集醫(yī)藥、保健食品、優(yōu)質(zhì)纖維、優(yōu)良飼草、水土保持、改良土壤于一體的植物.葛是我國衛(wèi)生部首批批準藥食兩用植物，根、莖、葉、花均可入藥，葛根素有“亞洲人參”之美譽，在醫(yī)藥方面具有極高研究開發(fā)價值.葛藤的根與大豆的根一樣，具有根瘤菌能夠使葛藤更好地吸收土壤中的氮素，同時其殘體分解也有利于土壤中氮素的積累[2]，不僅可以為自身提供足夠養(yǎng)分，還能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，在退耕還林、山川綠化中發(fā)揮重要作用，因此葛藤被譽為“大地良醫(yī)”[3].在健身、安全、保健的紡織品新市場中，利用葛麻纖維開發(fā)出獨具特色的功能性葛麻紡織品不僅符合了“綠色消費”的時尚需求，而且是一種典型的保健[4]紡織品.由于葛麻原麻不能直接用于紡織品，需要先對其進行細化處理，因此本文提出了葛麻纖維生物酶細化的新方法.利用生物酶對葛麻進行細化處理，其作用條件溫和，對纖維損傷小，易掌握細化的程度，有利于提升葛麻質(zhì)量，且耗水少、污染輕[5].

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

所用材料包括:葛麻，采自四川山區(qū)；酶（PC-3型），活力 30000 μ/mL，有效 pH 值范圍 3.0～4.5，最適宜反應溫度40～45℃，天津市利華酶制劑技術(shù)有限公司產(chǎn)品；無水磷酸氫二鈉，AR級，天津市科密歐化學試劑有限公司產(chǎn)品；檸檬酸，AR級，天津市風船化學試劑科技有限公司產(chǎn)品；濃硫酸（98%），市售.

所用儀器包括:DZKW-D-2型電熱恒溫水浴鍋，DZTW型調(diào)溫電熱套，北京永光明醫(yī)療設(shè)備廠產(chǎn)品；DZF-6050型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司產(chǎn)品；TG328A型電子天平，上海精密儀器廠產(chǎn)品；LLY-06型電子單纖維強力儀，萊州市電子儀器有限公司產(chǎn)品；Y1713型纖維切斷器，常州第三紡織機械廠產(chǎn)品；Vector-22型紅外光譜測試儀，德國BRUKER公司產(chǎn)品；Quanta200型掃描電鏡，荷蘭FEI公司產(chǎn)品；D8Discover型X射線衍射儀，德國BRUKER/AXS公司產(chǎn)品。

1.2 緩沖溶液的配制

由于酶處理需要一定的環(huán)境，所以需要配制磷酸二氫鈉-檸檬酸溶液作為緩沖溶液.分別配制0.2 mol/L的磷酸二氫鈉溶液1000 L以及0.1 mol/L的檸檬酸溶液，需要時可按一定配比配置成特定pH值的緩沖溶液[6].

1.3 生物酶細化工藝

本實驗中選用的酶為果膠酶，作為一種復合酶[7]，果膠酶可以較好地去除半纖維素、木質(zhì)素等膠質(zhì)成分.根據(jù)葛麻和果膠酶的化學性質(zhì)，本實驗采用果膠酶細化葛麻纖維的工藝流程為:

葛麻試樣準備→2 g/L的H2SO4于60℃預酸處理1 h→水洗→酶處理→98℃熱水失活處理15 min→水洗→60℃烘干3 h.

1.4 性能測試

（1）殘膠率測試.隨機稱取一定質(zhì)量的麻樣，烘干至質(zhì)量恒定，稱其質(zhì)量，記為m1；然后將試樣放于含有150 mL 20 g/L氫氧化鈉溶液且裝有球型冷凝管的三角燒瓶中，煮沸3 h（如果是未脫膠葛麻，沸煮1 h后，更換新的氫氧化鈉溶液，然后繼續(xù)沸煮2 h）.取出試樣后水洗、烘干稱重，其質(zhì)量記為m2.葛麻的殘膠率按下式計算:

式中:m1為試樣的干質(zhì)量；m2為測定含膠率后的試樣干質(zhì)量.

（2）力學性能測試.葛麻束纖維的力學性能在電子單纖維強力儀上測定[8].每組樣品分別測15組數(shù)據(jù)，取平均值.隔距10 mm，速率1 mm/min，溫度25℃，濕度50%.

（3）細度測試.采用中段切斷稱重法，利用Y1713型切斷器切取20 mm長的葛麻纖維，計數(shù)葛麻纖維的根數(shù)，采用電子天平稱重，葛麻纖維的細度為:

式中:n為葛麻纖維的根數(shù)；L為葛麻纖維的長度（mm）；G 為中段葛麻纖維的質(zhì)量（mg）.測試時，將在外觀上呈現(xiàn)單纖維形狀的葛麻工藝纖維束視為一根葛麻單纖維，如果工藝纖維束存在分叉現(xiàn)象，其分叉長度在5 mm及以上時，按分叉的根數(shù)計數(shù).

（4）表面形態(tài)觀測.對葛麻纖維進行噴金后，采用Quanta200型電子掃描顯微鏡觀察其表面形貌.

（5）紅外光譜分析.采用VECTOR22型傅里葉紅外光譜儀進行測試，掃描范圍4000～400 cm-1.

（6）X射線衍射.采用D8Discover型X-ray衍射儀進行測試，Cu靶，電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍為 2θ=10°～50°.

2 結(jié)果與討論

2.1 殘膠率、細度及力學性能

經(jīng)細化處理后的葛麻纖維和原麻纖維的殘膠率、細度和力學性能對比如表1所示.其中，殘膠率的測試是取細化后樣品1.0130 g進行的，斷裂強度是在約1 g樣品中取15根單纖維進行測試所得，細度是在約1 g樣品中取100根單纖維進行測試所得.

表1 葛麻的殘膠率、細度和力學性能Tab.1 Amount of residual gum，fineness and mechanical properties of pueraria fiber

由表1可知，葛麻纖維在細化后殘膠率和細度顯著下降，說明纖維上的非纖維素明顯減少，膠質(zhì)得到較好的去除，纖維得以分離，同時這一效果可經(jīng)過SEM的進一步分析得以驗證.從上述數(shù)據(jù)可知，細化工藝提高了葛麻纖維的性能，改善了其可紡性，同時對紗線的條干均勻度以及強力影響較大.

由表1數(shù)據(jù)可知，本實驗得到的葛麻經(jīng)細化處理后，其力學性能也優(yōu)于原麻纖維.這是由于細化中膠質(zhì)得以較好的去除，葛麻纖維內(nèi)部存在的弱節(jié)減少，均勻性得到提高；同時伴隨著半纖維束及木質(zhì)素的去除，葛麻纖維中纖維素含量提高，結(jié)晶度提高，纖維中分子排列比較有序、規(guī)整，分子間結(jié)合力較強.綜合表現(xiàn)為葛麻纖維斷裂強度增加，即纖維力學性能變好.

2.2 掃描電鏡分析

細化前后葛麻纖維的形態(tài)如圖1所示.

由圖1可以看出，葛麻原麻纖維表面分布有大量的膠質(zhì)，表面粗糙、不平整，有很多縱向縫隙和孔洞，均勻度較差，說明纖維中含有大量的半纖維素、木質(zhì)素等非纖維素成分，這些成分包裹著葛麻原纖，只有少量的束纖維暴露出來，纖維粗細化差別較大.細化后的葛麻纖維表面比較平整，說明膠質(zhì)成分已經(jīng)膨潤或部分分解，纖維束內(nèi)部膠質(zhì)很大程度被分離，單纖維分離效果較好.但該工藝所得纖維仍然比較粗，還不能運用于紡織領(lǐng)域，且表面仍附著部分未脫落的膠質(zhì)物質(zhì)，部分區(qū)域很不光滑.

2.3 紅外分析

葛麻纖維紅外光譜的吸收峰位置和強度與各原子振動頻率有關(guān)，與其化學組成及化學鍵類型和數(shù)量等也密切相關(guān).圖2所示為葛麻纖維的紅外譜圖.

由圖2可以看出，葛麻的細化反應沒有新的官能團產(chǎn)生，但是紅外譜圖的透過率卻發(fā)生明顯變化.因為葛麻是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等多種成分組成的復合體，其結(jié)構(gòu)非常復雜，所以其紅外譜圖不能只考慮纖維素本身所含有的官能團，還有考慮膠質(zhì)的官能團.3336 cm-1附近有一個寬而強的吸收峰，為-OH基（分子內(nèi)氫鍵）伸縮振動所引起的一個特征峰，由于細化后，葛麻纖維素含量相對升高，所以細化麻在此處的吸收強度比原麻要強得多；2919 cm-1處寬而窄的吸收峰是甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2）的對稱與不對稱伸縮振動特征峰，是纖維素的特征吸收峰，其變化說明葛麻纖維中纖維素含量得到提高；1624 cm-1處為木質(zhì)素的C=O伸縮振動吸收峰，該峰趨于消失，說明該細化工藝使木質(zhì)素發(fā)生了降解，減少了木質(zhì)素的含量；1397 cm-1為纖維素的CH彎曲振動；892 cm-1處葛麻纖維中的β-D葡萄糖苷鍵特征峰吸收值變化很小，表明纖維素在脫膠過程中結(jié)構(gòu)變化不大.

由此可見，葛麻纖維中的半纖維素、木質(zhì)素的特征峰吸收強度明顯變低甚至消失，表明本文所采用的細化方法可以有效去除原麻中存在的低分子物質(zhì)，從而得到葛麻纖維，有利于葛麻纖維在紡織中的應用.

2.4 XRD分析

葛麻纖維細化前后的X射線衍射圖如圖3所示.根據(jù)X射線衍射圖及分峰結(jié)果對葛麻纖維的結(jié)晶度、晶粒尺寸等結(jié)晶結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算，計算結(jié)果如表2所示.

表2 葛麻纖維的XRD分析表Tab.2 XRD analysis of pueraria fiber

由圖3和表2可以看出，細化前后葛麻的X射線衍射強度曲線并沒有發(fā)生明顯變化，結(jié)晶峰強度稍有增強，纖維主要衍射部分仍分別出現(xiàn)在2θ為14°和22°左右，說明葛麻主要為典型的天然纖維素I結(jié)構(gòu).同時細化后葛麻的特征峰位置并沒有發(fā)生較大變化，說明該細化工藝并沒有改變葛麻纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬性.細化處理后的葛麻纖維在2θ=22°左右峰形變尖，說明纖維素有序程度得到了提高.細化后葛麻的結(jié)晶度增加，說明在細化過程中有部分木質(zhì)素、半纖維素分解，隨著膠質(zhì)成分的減少，使得纖維素的含量相對提高.葛麻纖維的結(jié)晶程度增加表明葛麻纖維的大分子鏈段排列更加規(guī)整，無定形區(qū)相對較小，力學性能變好.

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過生物細化后所得到的葛麻纖維斷裂強度達到3.2507 cN/dtex，殘膠率由原來的60.2%降為21.28%，細度達到4.9 tex，在外觀形態(tài)上表面基本光滑，纖維分離較好，輪廓清晰，但同時部分纖維表面還有少許粗糙.這是生物細化本身的缺陷所致，即細化不徹底，但是生物細化的優(yōu)勢是無可替代的，它的優(yōu)勢確定了它在細化工藝上廣闊的發(fā)展空間.

（2）由葛麻纖維的紅外分析可以看出，細化后葛麻纖維中半纖維素、木質(zhì)素成分減少，纖維素相對含量增加，同時纖維結(jié)晶度提高3倍多，總體性能較好.說明對葛麻進行細化處理可以使纖維的可紡性指標得到顯著提高，纖維品質(zhì)得到改善.

（3）今后還需進一步探索在生物酶處理的基礎(chǔ)上加上超聲波或化學等手段來克服生物細化的缺點，并且達到對纖維細化指標實現(xiàn)完全掌控，使其生產(chǎn)出所需各類葛麻纖維，為其在紡織領(lǐng)域的應用奠定基礎(chǔ).

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