1. 引言
苎麻(Boehmeria nivea (L.) Gaudich.)作为我国独特的大麻纺织材料，被称为“万年衣祖”[1]。苎麻纤维是一种从剥去苎麻茎部、韧皮部得到的一种管束纤维，是最长的纤维之一[2] [3]，纤维轴上平行排列的纤维具有高的抗拉强度和刚性[4]。苎麻纤维素是一种由β-1,4糖苷键、β-d-葡萄糖环烃两者相互交联产生的直链大分子(见图1)，结构单元中含3个位置不同的羟基，性能与一般的醇羟基相似，成为发生化学反应的位点。
Figure 1. Molecular chemical structure of ramie fiber
图1. 苎麻纤维分子化学结构
苎麻除优异的力学性能和天然防霉防臭、抗菌抑菌功能[4]，应成为纺织领域良好的选择，但在高端服装、家居纺织品都鲜见其身影，原因在于苎麻有个刺痒感最致命的弱点。为拓宽苎麻纤维在纺织等领域的应用，有必要对苎麻纤维进行柔化改性。苎麻纤维的处理常用碱液[5] [6]、液氨[7] [8]、柠檬酸[9] [10]、金属离子[11]、离子液体[12] [13]、生物炭[14]等来进行，达到提高纤维中羟基的活性，以有利于后续柔化改性。常用化学改性来提高苎麻的柔软性[6] [9] [12]，其方法性主要是运用化学反应在纤维的表面引入新的官能团，在纤维的表面上形成一层富含柔软剂大分子的薄膜。本研究在采用碱液对苎麻进行脱胶预处理的基础上，采用“甘油 + 硅烷偶联剂”对苎麻纤维进行柔化改性，探究苎麻纤维柔化效果，为苎麻纤维的推广应用提供基础性数据参考。
2. 实验部分
2.1. 主要的实验原料与仪器设备
主要的实验原料：苎麻，产自湖南沅江，经过手工剥皮后分离麻秆除去表皮后得到，自然风干后再通风干燥，备用；浓硫酸、醋酸、无水乙醇、硝酸、过氧化氢、无水硫酸钠、尿素、多聚磷酸钠、氢氧化钠、硅烷偶联剂(KH550)、丙三醇，均为分析纯，购自国药试剂。
主要仪器设备有：超声波清洗器，BL6-180，上海比朗仪器；扫描电镜，MIRA4L，TESCAN；傅里叶变换红外光谱仪，IRXROSS，日本岛津；电子单纤维强度测试仪，FAVIM，射阳永丰。
2.2. 苎麻纤维的柔化改性
本论文主要通过不同脱胶方法利用KH550改性苎麻纤维，以得到更加柔软的苎麻纤维。用蒸馏水反复洗涤苎麻纤维后，在80℃下充分超声震荡3 h。
(1) 碱法预处理与偶联剂改性
预处理：将原始干皮手工切成约10 cm长的片段，把恒温水浴锅调节至50℃后把苎麻纤维浸泡在1%的硫酸溶液中处理1 h。冷却至常温后用蒸馏水不断冲洗至中性，最后在105℃的真空烘箱中烘干。
浸泡处理：将洗净的苎麻纤维分别浸入室温下的等体积的5% NaOH溶液、3%硅烷偶联剂溶液、NaOH与硅烷偶联剂混合溶液中，分别静置1、2、3、6、8 h的改性处理。不断用蒸馏水洗涤至纤维呈现中性，60℃烘干，备用。
(2) 传统脱胶后采用偶联剂改性
预处理：将原始干皮手工切成约10 cm长的片段，把恒温水浴锅调节至50℃后把苎麻纤维浸泡在1%的硫酸溶液中处理1 h。冷却后用蒸馏水洗至中性，在105℃的真空烘箱中烘干。
脱胶处理：采用传统碱性脱胶法用“两步碱性烹饪法”进行脱胶。选用一定量的苎麻纤维在1%氢氧化钠的溶液中加入添加剂(3%过氧化氢、3%NaSiO3、2%硫酸钠、3%尿素、3%多聚磷酸钠)在液固比为20：1的条件下煮沸洗涤，加入少量甘油减少纤维之间的交联并作为变量。
柔化及后处理：将洗净的苎麻纤维分别浸入室温下的等体积的5%NaOH溶液、3%硅烷偶联剂溶液、NaOH与硅烷偶联剂混合溶液中，经过2 h的改性处理后不断用蒸馏水洗涤至纤维呈现中性，60℃烘干，备用。
2.3. 实验原理
Figure 2. Mechanism of softening ramie with silane coupling agent
图2. 硅烷偶联剂柔化改性苎麻原理
如图2所示，苎麻纤维分子上的羟基与柔软剂分子上的羟基相互发生交联，交联之后会在苎麻纤维表面上形成网状的薄膜从而在受到外力作用后降低摩擦系数，提高柔软度。
2.4. 改性前后苎麻纤维的性能变化研究
2.4.1. 纤维直径及细度测试分析
通过测定改性前后苎麻纤维的细度和直径对比，探讨KH5550对苎麻纤维的影响。根据GB/T5884-1986采用“中段切割称量法”测定苎麻纤维的线密度。在Y171B切纤维机的切缝平面上切割出对齐的垂直纤维，并称量切割后的纤维重量。通过计算纤维的数量来计算纤维的线密度。根据被切断的纤维束的数量和质量，度量计数Nm由公式(1)得到。
(1)
式中，
：纤维米制计数；D：Y171B光纤切割机的宽度(m)；N：切割纤维数；m：纤维质量(g)。
纤维细度的振动法：采用FAVIMAT AIROBOT全自动单纤维强度测试仪，对单纤维施加一定张力使其变直，测量线密度。利用弦振动原理，对限于上沿与下沿之间振动的光纤进行受力振动，根据光纤的自振频率估算出光纤的线密度，如公式(2)所示：
(2)
式中，
：纤维线密度(tex)；F：纤维上的预张力尺寸(cN)；f：共振频率；光纤横向弦振动的固有频率(Hz)；S：两卡盘间的纤维长度。
纤维直径：将苎麻纤维样品置于直立荧光显微镜LAS V4.8软件下，在每根纤维上随机选取20个点测量纤维直径。每次测量5根样品纤维，求取平均直径。
2.4.2. 改性前后苎麻纤维力学性能检测
根据GB/T5886-1986《苎麻单纤维断裂强度试验方法》，采用FAVIMAT全自动单纤维强度测试仪对每根苎麻纤维试样的断裂伸长率、断裂强度、断裂韧性、初始模量进行测定。每组测量10根纤维，取平均值作为最终结果。
2.4.3. 苎麻纤维的微观形貌观察
利用扫描电镜观察了苎麻纤维的表面形貌，样品喷金处理。在15 kv电压下，观察样品表面微观形貌。
3. 结果与讨论
3.1. 改性对苎麻纤维微观形貌影响
Figure 3. SEM images of ramie fiber before and after modification (a) raw ramie; (b) ramie after modification
图3. 改性前后苎麻纤维的扫描电镜图(a) 为原麻；(b) 为改性后苎麻纤维
图3为原苎麻(a)及“硅烷偶联剂 + 甘油”改性后的苎麻纤维(b)的扫描电镜图。易见改性后的苎麻纤维表面出现了明显的毛状结构，表面开始变得不平整。所以经过碱液改性后的苎麻纤维之间的摩擦增加，表面开始变得不平整。说明碱液溶胀了纤维表面的纤维素等胶质，使得表面开始变得不平整。
3.2. 不同处理方法对苎麻纤维柔化程度的影响
分别在普通碱法处理和“两步碱法煮沸法”下对比苎麻纤维的细度、力学性能等的变化，观察苎麻纤维的表征。
3.2.1. 改性前后苎麻纤维细度的变化
用称重法和显微镜对纤维细度和直径进行测试，结果见表1。传统脱胶下的苎麻纤维细度为1492 Nm，符合国家标准1500 Nm的二级要求。5% NaOH处理2 h后，纤维更细，纤维细度分别为1639 nm。苎麻纤维直径由29.44 μm减小到22.67 μm，这是由于碱液溶解纤维表面外的胶状物质引起的，与图3 SEM结果一致。
Table 1. Fineness/diameter of ramie fiber before and after modification
表1. 苎麻纤维改性前后的细度/直径
苎麻样品的处理方法 |
纤维细度/线密度(nm) |
纤维直径(μm) |
传统脱胶法 |
1492 ± 80 |
29.44 ± 5.62 |
3%KH550处理2 h |
1330 ± 75 |
30.23 ± 2.34 |
5%NaOH处理2 h |
1639 ± 79 |
22.67 ± 2.79 |
5%NaOH+3%KH550处理2 h |
1694 ± 11 |
22.59 ± 4.52 |
传统脱胶 + 3%KH550 + 甘油处理2 h |
1666 ± 139 |
23.11 ± 2.91 |
3.2.2. 改性前后苎麻纤维力学性能的变化
断裂伸长率、断裂强度、断裂韧性和模量是评价纤维耐磨性最重要的力学指标，本研究对改性前后苎麻纤维的力学性能进行了充分测定，结果如表2。可以看出，随着处理时间的不断增加，纤维的断裂强度、断裂韧性和纤维模量逐渐降低，而纤维的断裂伸长率随着处理时间的增加而增加。结果表明：两步脱胶加入甘油后用KH550改性后的纤维，纤维模量由218cN/dtex降至70 cN/dtex，模量仅剩32%，性能接近棉纤维。同时，纤维的断裂强度从6.435 cN/dtex降低到3.21 cN/dtex，纤维的断裂强度仍保持在62%左右。由表2可以看出，经柔化处理后的苎麻纤维力学性能与棉花相近，说明该纤维耐磨性强，但穿着依然柔软。
Table 2. Mechanical properties of ramie fiber before and after modification and comparison with cotton fiber
表2. 改性前后苎麻纤维的力学性能及与棉纤维的对比
苎麻纤维不同处理方法 |
断裂伸长率 (%) |
断裂强度 (cn) |
断裂韧性(cn/dtex) |
初始模量(cn/dtex) |
未处理(原纤维) |
1.24 ± 1.01 |
42.44 ± 12.36 |
6.73 ± 1.54 |
230 ± 49 |
传统脱胶纤维 |
2.33 ± 0.52 |
39.36 ± 11.69 |
5.42 ± 1.46 |
209 ± 58 |
5%NaOH处理1 h |
2.33 ± 0.52 |
39.36 ± 11.69 |
6.53 ± 1.13 |
225 ± 23 |
5%NaOH处理2 h |
1.45 ± 0.65 |
41.23 ± 8.77 |
6.41 ± 1.56 |
220 ± 35 |
5%NaOH处理3 h |
1.87 ± 1.10 |
40.75 ± 9.26 |
6.35 ± 1.34 |
218 ± 37 |
5%NaOH处理6 h |
2.30 ± 0.43 |
41.80 ± 9.96 |
5.67 ± 1.20 |
198 ± 24 |
5%NaOH处理8 h |
3.59 ± 1.25 |
29.46 ± 10.54 |
4.45 ± 2.79 |
154 ± 54 |
5%NaOH，2 h，90℃ |
3.59 ± 1.25 |
35.64 ± 12.77 |
5.94 ± 1.31 |
186 ± 29 |
5%NaOH + 3%KH550处理1 h |
3.59 ± 1.25 |
33.23 ± 11.03 |
6.55 ± 1.60 |
129 ± 49 |
5%NaOH + 3%KH550处理2 h |
3.59 ± 1.25 |
33.23 ± 11.03 |
6.30 ± 1.37 |
218 ± 25 |
5%NaOH + 3%KH550处理3 h |
1.76 ± 0.74 |
33.23 ± 11.03 |
5.75 ± 1.25 |
218 ± 25 |
5%NaOH + 3%KH550处理6 h |
2.25 ± 1.91 |
30.79 ± 9.01 |
5.30 ± 1.86 |
167 ± 35 |
5%NaOH + 3%KH550处理8 h |
2.59 ± 0.69 |
28.7 ± 10.41 |
5.30 ± 1.86 |
167 ± 35 |
5%NaOH + 3%KH550处理2 h，90℃ |
2.10 ± 0.42 |
38.66 ± 12.77 |
5.30 ± 1.86 |
217 ± 27 |
传统脱胶 + 3%KH550处理2 h，90℃ |
2.10 ± 0.42 |
27.5 ± 16.07 |
5.30 ± 1.86 |
70 ± 39 |
棉纤维 |
2.10 ± 0.42 |
- |
5.30 ± 1.86 |
60~82 |
4. 结论
(1) 合理降低碱液的浓度采用“两步煮沸烹饪法”脱胶后再用KH550改性很大程度上的改善了苎麻纤维的柔软度。甘油可以减少纤维之间的交缠从而明显的提高苎麻纤维的柔化效果。
(2) 柔化处理后，纤维直径下降。纯3% KH550改性并没有去除纤维的胶质，所以其纤维的线密度低、且纤维直径较大，导致柔化改性效果很差。
(3) 两步脱胶加入甘油后用KH550改性后的纤维，纤维模量由218cN/dtex降至70 cN/dtex，模量仅剩32%，性能接近棉纤维。
基金项目
湖南省自然科学基金(编号：2025JJ70380)，2023年国家级大学生创新训练项目(编号：S202311527073)。
NOTES
*通讯作者。