王春紅，趙 玲

(天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387)

黃麻伴生物含量及其對理化性能的影響

王春紅，趙 玲

(天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387)

為研究黃麻伴生物含量對其斷裂強度、斷裂模量、甲醛用量的影響，采用稱重法測試了麻纖維的化學成分含量，采用單纖維拉伸法測試了麻纖維的斷裂強度和模量，采用紫外分光光度計法測試了麻纖維的甲醛用量。經(jīng)分析認為黃麻纖維的伴生物含量與其理化性能所組成的系統(tǒng)為灰色系統(tǒng)，并對此系統(tǒng)采用灰關(guān)聯(lián)法進行了分析。結(jié)果表明:黃麻脂蠟質(zhì)含量對麻纖維的斷裂強度影響比較大，關(guān)聯(lián)度為0.680;黃麻木質(zhì)素含量對其模量和甲醛用量影響最大，關(guān)聯(lián)度分別為0.733和0.723。

黃麻;伴生物;力學性能;化學性能;甲醛;灰關(guān)聯(lián)

黃麻為一年生草本植物［1］。黃麻纖維是天然纖維素纖維，主要組成是纖維素，同時還含有果膠、半纖維素、木質(zhì)素、脂蠟質(zhì)和水溶物等伴生物［1］。黃麻為天然可再生資源，具有來源廣泛、產(chǎn)量大、抗紫外線、吸濕透氣、防霉抑菌等特點［1－2］，還具有較高的比強度和比模量，纖維價格低廉，易降解，具有較高的工業(yè)應(yīng)用價值［3－5］。但是黃麻中伴生物的存在極大地影響了自身的力學性能［6］，在溫度、光照等外界環(huán)境的影響下，各成分中的化學物質(zhì)容易發(fā)生降解，釋放出異戊二烯、單萜烯等有機物，這些有機物具有很高的還原活性，與大氣中的臭氧、羥基自由基、氮氧化物這些大氣對流層中很重要的物質(zhì)起光化學反應(yīng)，生成新的碳氫化合物，如醛、酮、醇等［7］，而甲醛是釋放量較大的有害氣體之一，黃麻纖維的這一特性在一定程度上限制了其在汽車內(nèi)飾、室內(nèi)裝飾上的應(yīng)用。本文采用灰關(guān)聯(lián)分析法分析了黃麻伴生物含量對其自身力學性能和釋放甲醛用量的影響，為黃麻的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

7種黃麻纖維，長度約為6cm，用于制作非織造布材料，長春博超汽車零部件有限公司提供;NaOH試劑(純度96%)，苯(純度99.5%)，無水乙醇(純度99.7%)，冰乙酸(純度99.5%)，天津市風船化學試劑科技有限公司;草酸銨(純度99.5%)，乙酸銨(純度98%)，天津市光復科技發(fā)展有限公司;乙酰丙酮(純度99.5%)，天津市科密歐化學試劑有限公司;甲醛(純度約37%)，天津市贏達稀貴化學試劑廠;雙甲酮(純度99.5%)，天津致遠化學試劑有限公司;硫酸(純度98%)，氯化鋇(純度 99.5%)。

1.2 儀器與設(shè)備

3369型Instron萬能強力機，美國英斯特朗公司;WV-CP4601CH型生物圖像電腦分析系統(tǒng)，北京泰克儀器有限公司;UV3200PC型紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司;FA2004型萬分之一電子天平，上海上平儀器有限公司;HH-水2型二孔智能水浴鍋，鞏義市予華儀器有限責任公司;PTHW型恒溫電熱套，鞏義市予華儀器有限責任公司;DHG-9070A型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司;BCD-201MLG型家用電冰箱，合肥美菱有限股份有限公司。

1.3 實驗方法

麻纖維化學成分含量測試參照 GBT 5883—1986《苧麻回潮率、含水率試驗方法》、GBT 5889—1986《苧麻化學成分定量分析方法》，測試麻纖維的回潮率后，分別用150 mL苯-乙醇(體積比為2∶1)、蒸餾水、5 g/L的草酸銨、20g/L的NaOH溶液提取纖維中的脂蠟質(zhì)、水溶物、果膠、半纖維素，用稱重法稱得每種化學成分的含量，提取完脂蠟質(zhì)的纖維用72%的濃硫酸提取木質(zhì)素。

麻纖維直徑測試參照SN/T 2672-2010《紡織原料細度試驗方法(直徑)顯微投影儀法》，每種纖維測試20根，每根纖維測試3個點求得平均值。麻纖維強度測試參照ASTM D3822—2007《單根紡織品纖維拉伸性能的試驗方法》，每種纖維測試20根，測試隔距為10mm，拉伸速度為1mm/min。甲醛用量測試參照AATCC 112—2008《密閉容器法測定織物中甲醛釋放量》，取1 g纖維懸掛在盛有50 mL的1 L廣口瓶中，在65℃條件下放置4 h，用紫外分光光度計測試溶液中的甲醛用量。

2 灰關(guān)聯(lián)分析基本步驟

灰關(guān)聯(lián)分析是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，作為衡量2個因素關(guān)聯(lián)程度的一種方法［8－9］。如果2個因素在系統(tǒng)發(fā)展過程中相對變化基本一致，則認為二者的關(guān)聯(lián)度大;反之，關(guān)聯(lián)度就?。?0］。具體分析步驟如下:

1)確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列稱為參考數(shù)列;影響系統(tǒng)行為因素組成的數(shù)據(jù)序列稱為比較數(shù)列［11］。

2)參考數(shù)列和比較數(shù)列的規(guī)格化處理。因為系統(tǒng)中各因素的物理意義和數(shù)據(jù)量綱不同，不具有可比性，因此要對數(shù)據(jù)進行規(guī)格化處理，得到規(guī)格化矩陣 W=(wki)，wki的計算公式［12］為

3)式(1)中maxxki為第xi列的最大值，minxki為第 xi列的最小值，wki∈［0，1］。

4)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)為

式中:ζ為分辨系數(shù)，越小則分辨率越大，ζ∈［0，1］，一般取 ζ=0.5;min(△i(min))是兩級最小差，記為

可見，關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時刻的關(guān)聯(lián)程度值，關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，因素在該時刻的影響力就越大［13］。

5)求關(guān)聯(lián)度，計算公式為

稱ri為Xi對y的關(guān)聯(lián)度，可見，關(guān)聯(lián)度ri是關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)的平均值，關(guān)聯(lián)度越大，因素的影響力就越大［14］。

3 伴生物與理化性能的灰關(guān)聯(lián)分析

3.1 伴生物含量與理化性能的不確定性

將黃麻纖維的伴生物含量、纖維斷裂強度、纖維斷裂模量、纖維甲醛用量看作一個系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，黃麻纖維的伴生物含量對其斷裂強度、斷裂模量、甲醛用量是有一定影響的，但影響大小、影響機制是未知的，故該系統(tǒng)可以稱為灰色系統(tǒng)，可以采用灰關(guān)聯(lián)的方法分析黃麻纖維伴生物含量與其斷裂強度、斷裂模量、甲醛用量之間的關(guān)系，從各伴生物中找出影響其斷裂強度、斷裂模量、甲醛用量的主要因素。

3.2 灰關(guān)聯(lián)分析

確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。表1示出黃麻伴生物含量、力學性能、甲醛用量數(shù)據(jù)。

表1 黃麻伴生物含量與纖維力學性能、甲醛用量數(shù)據(jù)表Table 1 Concomitants content，mechanical properties and formaldehyde content data of jute

本文將黃麻纖維的伴生物脂蠟質(zhì)、水溶物、果膠、半纖維素、木質(zhì)素含量組成的數(shù)據(jù)序列為比較數(shù)列，分別記為 X1、X2、X3、X4、X5;纖維的斷裂強度、斷裂模量、甲醛用量組成的數(shù)據(jù)序列為參考數(shù)列，記為 Y1、Y2、Y3。將數(shù)列 X1、X2、X3、X4、X5、Y1、Y2、Y3列為矩陣形式，得到矩陣R。參考數(shù)列和比較數(shù)列的規(guī)格化處理。對矩陣R按式(1)進行規(guī)格化處理，得到規(guī)格化矩陣 W。其中 k=1，2，3，…，7。wki∈［0，1］，且為無量綱數(shù)。根據(jù)式(2)對矩陣W計算參考數(shù)列X1～X5與比較數(shù)列Yi的關(guān)聯(lián)系數(shù) ξi(k)，取 ζ=0.5。X1～X5對 Y1的關(guān)聯(lián)系數(shù)如下。

式中第1列到第5列分別為黃麻纖維脂蠟質(zhì)含量X1、水溶物含量X2、果膠含量X3、半纖維素含量X4、木質(zhì)素含量X5與纖維斷裂強度Y1在各個時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

X1～X5對Y2的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

式中第1列到第5列分別為黃麻纖維脂蠟質(zhì)含量X1、水溶物含量X2、果膠含量X3、半纖維素含量X4、木質(zhì)素含量X5與纖維斷裂模量Y2在各個時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

X1～X5對Y3的關(guān)聯(lián)系數(shù)如下為

式中第1列到第5列分別為黃麻纖維脂蠟質(zhì)含量X1、水溶物含量X2、果膠含量X3、半纖維素含量X4、木質(zhì)素含量X5與纖維甲醛用量Y3在各個時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

根據(jù)式(3)計算X1～X5對Yi的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如下。

伴生物含量X1～X5對纖維斷裂強度Y1的關(guān)聯(lián)度:

伴生物含量X1～X5對纖維斷裂模量Y2的關(guān)聯(lián)度:

伴生物X1～X5對纖維甲醛用量Y3的關(guān)聯(lián)度:

3.3 結(jié)果分析

從上述分析可以看出，黃麻纖維的脂蠟質(zhì)含量X1、水溶物含量X2、果膠含量X3對纖維強度Y1的關(guān)聯(lián)度比較大，分別為0.680、0.667、0.667;木質(zhì)素含量X5對纖維模量和甲醛用量Y2、Y3的關(guān)聯(lián)度最大，分別為0.733、0.723。脂蠟質(zhì)主要是脂肪、蠟組成的化合物，水溶物是水溶性碳水化合物和含氮化合物等，脂蠟質(zhì)、水溶物統(tǒng)稱為脂肪族化合物。脂蠟質(zhì)存在于纖維的最外層，由于其不溶于無機溶劑，在纖維的細化處理中，其含量直接影響果膠、木質(zhì)素等物質(zhì)的去除程度。果膠物質(zhì)是部分甲氧基化或完全四氧基化的聚半乳酸糖醛酸(果膠酸)，存在于纖維束和纖維細胞內(nèi)部，在纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間起連接作用。木質(zhì)素是一種具有復芳香族特性的結(jié)構(gòu)單體為苯丙烷型的三維結(jié)構(gòu)高分子化合物，木質(zhì)素含量高，是一種天然高聚物，由此對纖維的模量影響比較大，同時，木質(zhì)素中有醛基的存在，纖維發(fā)生降解或其他反應(yīng)時可能會形成甲醛單體。

4 結(jié)論

1)利用灰關(guān)聯(lián)分析可有效分析復雜系統(tǒng)中各指標的關(guān)系，灰關(guān)聯(lián)分析法可以有效地運用在天然纖維性能的分析中。

2)黃麻脂蠟質(zhì)含量、水溶物含量、果膠含量對麻纖維的斷裂強度影響比較大，關(guān)聯(lián)度分別為0.680、0.667、0.667。

3)黃麻木質(zhì)素含量對其模量影響最大，關(guān)聯(lián)度為0.733，其次為半纖維素、果膠、水溶物、脂蠟質(zhì)，關(guān)聯(lián)度分別為 0.630、0.548、0.523、0.497。

4)黃麻木質(zhì)素含量對其甲醛用量影響最大，關(guān)聯(lián)度為0.723，其次為半纖維素、果膠、水溶物、脂蠟質(zhì)，關(guān)聯(lián)度分別為 0.630、0.476、0.459、0.398。

［1］ 于偉東.紡織材料學［M］.北京:中國紡織出版社，2006:18.YU Weidong.Textile Material Science［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2006:18.

［2］ 曲微微，俞建勇，劉麗芳，等.可降解黃麻/PBS復合材料的結(jié)構(gòu)與力學性能［J］.紡織學報，2008，29(8):52－55.QU Weiwei，YU Jianyong，LIU Lifang，et al.Structures and mechanical properties of biodegradable PBS composites reinforced by jute fiber［J］.Journal of Textile Research，2008，29(8):52 －55.

［3］ 王國杰，孫宇，曹春平，等.黃麻纖維增強聚氨酯復合材料的拉伸性能研究［J］.塑料工業(yè)，2012，40(8):81－88.WANG Guojie，SUN Yu，CAO Chunping，et al.Research on tensile performance of jute fiber reinforced composites［J］.China Plastics Industry，2012，40(8):81 －88.

［4］ 劉麗妍，宋雪飛，樊金海.制備工藝對黃麻/聚丙烯針織復合材料性能的影響［J］.紡織學報，2013，34(1):46－49.LIU Liyan，SONG Xuefei，F(xiàn)AN Jinhai.Influence of manufacturing process on properties of knitted jute/PP composites［J］.Journal of Textile Research，2013，34(1):46－49.

［5］ 韓建，徐國平，袁利華.PLA/黃麻多層復合材料的工藝優(yōu)化及力學性能［J］.紡織學報，2007，28(11):40－44.HAN Jian，XU Guoping，YUAN Lihua.Mechancal properties and process optimization of biodegradable PLA/jute multi-layer composites［J］.Journal of Textile Research，2007，28(11):40 －44.

［6］ 李忠正，孫潤倉，金永燦.植物纖維資源化學［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2012.LI Zhongzheng，SUN Runcang，JIN Yongcan.Chemistry of Plant Fiber Resources［M］.Beijing:China Light Industry Press，2012.

［7］ 路洋，郭陽，杜再江，等.植物釋放VOCs的研究［J］.化工科技，2013，21(1):75 －79.LU Yang，GUO Yang，DU Zaijiang.et al.Research on the release of volatile organic compounds from plant sources［J］.Science ＆ Technology in Chemical Industry，2013，21(1):75 －79.

［8］ 戎佳琦，勞繼紅，何平.亞麻打成麻物理性能、伴生物含量與細紗強力的灰關(guān)聯(lián)分析［J］.齊齊哈爾大學學報，2013，29(6):17 －21.RONG Jiaqi，LAO Jihong，HE Ping.Grey correlation analysis of physicical properties，concomitants content of scutched flax and yarn strength［J］.Journal of Qiqihar University，2013，29(6):17 －21.

［9］ 李立輝，楊印生，趙耀，等.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的多層次灰關(guān)聯(lián)綜合評估［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，1996，12(1):12－17.LI Lihui，YANG Yinsheng，ZHAO Yao，et al.Grey multi hierarchal comprehensive assessment of agricultural modernization lever and its application［J］Transactions of the CSAE，1996，12(1):12 －17.

［10］ 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)理論教程［M］.武漢:華中理工大學出版社，1990.DENG Julong.Grey System Theory Course［M］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology Publishing House，1990.

［11］ 羅慶成，徐國新.灰色關(guān)聯(lián)分析與應(yīng)用［M］.南京:江蘇科技出版社，1989.LUO Qincheng，XU Guoxin.Grey Association Analysis and Application［M］.Nanjing:Jiangsu Science and Technology Publishing House，1989.

［12］ 李曉峰.苧麻纖維原料品質(zhì)與成紗品質(zhì)指標的灰關(guān)聯(lián)分析［J］.紡織學報，2006，27(1):20 －22.LI Xiaofeng.Grey system analysis on raw ramie and the quality of its yarn［J］.Journal of Textile Research，2006，27(1):20 －22.

［13］ 吳子岳，王耀華.農(nóng)場農(nóng)業(yè)機械化程度影響因素的多維灰評估［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，1997(4):8－12.WU Ziyue，WANG Yaohua.Multidimensionalgrey assessment on influential factors on agricultural mechanization degree of state farms［J］.Transactions of the CSAE，1997(4):8 －12.

［14］ 張軍，張侃諭.溫室溫度控制系統(tǒng)不確定性與干擾的灰色預測補償算法［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(10):225－232.ZHANG Jun， ZHANG Kanyu. Grey prediction compensation algorithm for the uncertainty and interference of greenhouse temperature control system［J］.Transactions of the CSAE，2013，29(10):225－232.

Influence of concomitant content on physical and chemical properties of jute fiber

WANG Chunhong，ZHAO Ling
(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

To study the influence of concomitant content on the breaking strength， modulus，formaldehyde content of jute fiber，the weighing method was used to test the concomitant content of fibers，single fiber tensile was used to test the breaking strength and modulus of fibers，and the UV spectrophotometer was used to test the formaldehyde content of fibers.After analysis，it can be considered that the system consisting of concomitant content，physical，chemical properties of jute fiber was the grey system.The results showed that the cerolipoid content has relatively high impact on its breaking strength and the correlation degree is 0.680.The lignin content has relatively high impact on its modulus and formaldehyde content and the correlation degree is 0.733 and 0.723，respectively.

jute;concomitant;physical property;chemical property;formaldehyde;grey system analysis

TS 101.9

A

10.13475/j.fzxb.201405001305

2014－05－12

2014－11－07

國家自然科學基金資助項目(51303131)

王春紅(1980—)，女，副教授，博士。主要研究天然纖維及其增強復合材料。E-mail:18802231369@163.com。