1試驗(yàn)

1.1主要儀器和材料

工業(yè)大麻二粗產(chǎn)地為黑龍江省齊齊哈爾市。

主要的藥品見表1。

表1實(shí)驗(yàn)藥品及其性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)儀器見表2。

表2實(shí)驗(yàn)儀器

1.2實(shí)驗(yàn)方案

將工業(yè)大麻纖維在烘箱中烘干至恒重，稱一定量的TEMPO和亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液放入浴比1:30的水中并充分溶解；將烘至恒重的工業(yè)大麻纖維浸入已配置好的溶液中，在適宜的溫度和pH值條件下處理一段時(shí)間，每間隔半個(gè)小時(shí)攪拌一次，使工業(yè)大麻纖維與溶液之間能夠充分地接觸并發(fā)生反應(yīng)；將處理后的纖維經(jīng)過冷熱水交替水洗，直至清洗后的水溶液清澈且pH值為7，放在烘箱中烘至恒重。經(jīng)過該體系預(yù)處理之后的纖維，以失重率、纖維細(xì)度，纖維強(qiáng)力為考察目標(biāo)，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，確定實(shí)驗(yàn)方案。

1.3分析表征方法

1.3.1失重率測試

將處理前的工業(yè)大麻纖維清除雜質(zhì)和灰塵，放至烘箱中烘至恒重，用稱量瓶放置于干燥皿中，冷卻平衡30min；處理后的大麻纖維在分樣篩中洗凈、過篩后同樣置于烘箱中烘至恒重，用稱量瓶放置于干燥皿中，冷卻平衡30min。分別稱取大麻纖維處理前后的質(zhì)量，并按照公式(1)計(jì)算失重率值。

N=×100%(1)

式中：N為失重率（%）；m為大麻處理前質(zhì)量（g）；m′為大麻處理后質(zhì)量（g）。

1.3.2纖維直徑測試

從脫膠后的工業(yè)大麻纖維中挑選出10根纖維（纖維中粗細(xì)狀態(tài)占絕大多數(shù)的纖維），放到YGB-002型纖維細(xì)度儀顯微鏡的玻璃上并用蓋玻片壓??；調(diào)好參數(shù)，打開燈光，將鏡頭對(duì)準(zhǔn)纖維表征明顯的地方，調(diào)試聚焦度和清晰度，準(zhǔn)備測試。根據(jù)測試軟件要求，在屏幕上手動(dòng)畫出纖維直徑寬度，記錄得出的數(shù)據(jù)，同時(shí)在所選的單纖維中選取不同的部位測試20次，取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，避免有較大的誤差。該平均值便是該組纖維的直徑。

1.3.3纖維強(qiáng)力測試

從脫膠后的大麻纖維中拿出10根單纖維，利用LLY-06E強(qiáng)力測試儀，設(shè)置好測試次數(shù)、測試隔距等測試參數(shù)；啟用設(shè)備，夾持纖維，開始測試。纖維在在夾持的狀態(tài)下拉伸斷裂，完成測試后記錄下斷裂強(qiáng)力數(shù)值，測試得出10組數(shù)據(jù)，拋開極端值并取平均數(shù)。該平均值便是該組纖維的強(qiáng)力數(shù)值。

2結(jié)果與討論

根據(jù)TEMPO/亞硝酸鈉對(duì)工業(yè)大麻纖維預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)方法，查閱相關(guān)資料以及預(yù)實(shí)驗(yàn)分析，依照其他TEMPO氧化體系中，在5g纖維、浴比1:30條件下，重點(diǎn)討論TEMPO濃度、亞硝酸鈉濃度、實(shí)驗(yàn)溫度、實(shí)驗(yàn)時(shí)間四種因素，得出合適的工藝參數(shù)。

2.1TEMPO濃度對(duì)大麻纖維脫膠工藝的影響

通過單因素實(shí)驗(yàn)來確定TEMPO濃度的取值范圍。將工業(yè)大麻纖維在烘箱中烘干至恒重，冷卻平衡后浸入浴比1：30、pH值為4.5、2mL（1mol/L）的亞硝酸鈉以及一定濃度的TEMPO溶液中，在80℃的實(shí)驗(yàn)條件下處理2h，將TEMPO的濃度選擇0.05g/L、0.2g/L、0.35g/L、0.5g/L作為參考數(shù)值，以失重率、纖維細(xì)度、纖維強(qiáng)力為考察目標(biāo)，研究不同TEMPO濃度下的脫膠情況，從而確定TEMPO濃度值，結(jié)果如圖1所示。

圖1 TEMPO濃度對(duì)纖維失重率、細(xì)度及強(qiáng)力的影響

在圖1中可以發(fā)現(xiàn)，纖維的細(xì)度和失重率變化是比較符合常規(guī)的脫膠實(shí)驗(yàn)規(guī)律的，隨著TEMPO濃度的增加，細(xì)度降低且失重率增加，但是纖維強(qiáng)力卻隨著TEMPO的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。當(dāng)TEMPO濃度為0.05g/L-0.35g/L時(shí)，纖維的強(qiáng)力為上升的趨勢，經(jīng)查閱文獻(xiàn)總結(jié)，可能會(huì)有以下原因：①單獨(dú)的亞硝酸鈉是一種非選擇性的氧化劑，而TEMPO是一種選擇性氧化劑，當(dāng)TEMPO濃度小時(shí)，不能夠統(tǒng)一氧化全部纖維素結(jié)構(gòu)上C6基團(tuán)，進(jìn)而亞硝酸鈉氧化，使得纖維素整體結(jié)晶度下降，承受強(qiáng)力不勻，纖維的整體強(qiáng)力下降^[6]。②TEMPO的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，帶有很多的羥基、羧基等大量官能基團(tuán)，隨著在一定溫度下與亞硝酸鈉的混用，可能會(huì)有過多的氧化基團(tuán)生成還原基團(tuán)，排斥氧化基團(tuán)或者消耗、抑制氧化基團(tuán)的氧化反應(yīng)，但這一原因有待研究確定^[5,6]。

綜合考慮，在TEMPO的濃度為0.35g/L時(shí)強(qiáng)力最大，細(xì)度最小，失重率相對(duì)合適，故最終選擇TEMPO濃度為0.35g/L。

2.2亞硝酸鈉濃度對(duì)大麻纖維脫膠工藝的影響

在此實(shí)驗(yàn)中，除了TEMPO的濃度外，亞硝酸鈉的濃度也是一個(gè)至關(guān)重要的因素。在浴比1:30、pH值為4.5、TEMPO濃度為0.35g/L的條件下，經(jīng)過80℃的水浴加熱2h，探討亞硝酸鈉（c=1mol/L）在2mL、4mL、7mL、10mL的取值范圍下比較合適的取用量，以纖維細(xì)度、纖維強(qiáng)力和纖維失重率為考察指標(biāo)，結(jié)果如圖2所示。

圖2亞硝酸鈉濃度對(duì)纖維失重率、細(xì)度及強(qiáng)力的影響

根據(jù)圖2，可以看出纖維的強(qiáng)力和細(xì)度隨著亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量增多而下降，且纖維的失重率整體趨勢也是隨著亞硝酸鈉用量的增大而上升，而當(dāng)使用量達(dá)到7mL和10mL時(shí)，纖維的整體指標(biāo)較好。這是因?yàn)門EMPO為選擇性氧化劑，而亞硝酸鈉為非選擇性氧化劑，當(dāng)TEMPO完成氧化后，隨著亞硝酸鈉的不斷加入，其不斷氧化纖維素不同的結(jié)構(gòu)處，提高了脫膠效果^[6]。綜上，選擇亞硝酸鈉（1mol/L）的用量為10mL。

2.3實(shí)驗(yàn)處理溫度對(duì)大麻纖維脫膠工藝的影響

在浴比1:30、pH值為4.5、TEMPO濃度為0.35g/L、10mL亞硝酸鈉（c=1mol/L）的條件下，經(jīng)過水浴加熱2h，水浴溫度分別為60℃、70℃、80℃、90℃，探討其最優(yōu)溫度，提高脫膠效果，結(jié)果如圖3所示。

圖3實(shí)驗(yàn)處理溫度對(duì)纖維失重率、細(xì)度及強(qiáng)力的影響

在圖3中，隨著溫度的提高，纖維細(xì)度呈下降趨勢，但強(qiáng)力和失重率的變化沒有特別明顯的發(fā)展規(guī)律。排除實(shí)驗(yàn)操作偶然性外，纖維強(qiáng)力先小后大再小，查閱資料結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，造成這一現(xiàn)象的原因可能是：①溫度低，試劑分子運(yùn)動(dòng)速度慢，能夠有效并長時(shí)間的附著在纖維上，從而分解纖維素；反之隨著溫度的提升，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，相對(duì)于針對(duì)纖維的附著力減低，脫膠效果減弱。②亞硝酸鈉在水溶液中分離出的亞硝酸根離子是不穩(wěn)定的，特別是在酸性條件下，本實(shí)驗(yàn)pH值為4.5左右，隨著溫度的升高，加速了亞硝酸根離子的分解，氧化分子減少，脫膠效果減弱^[4-6]。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)于纖維的強(qiáng)力、細(xì)度和失重率來看，當(dāng)實(shí)驗(yàn)處理溫度在70℃的時(shí)候，此時(shí)的綜合考察指標(biāo)較合適，最后該預(yù)處理實(shí)驗(yàn)的處理溫度為70℃。

2.4實(shí)驗(yàn)處理時(shí)間對(duì)大麻纖維脫膠工藝的影響

將烘至恒重的纖維完全浸入在浴比1:30、pH值為4.5、TEMPO濃度為0.35g/L、10mL亞硝酸鈉（c=1mol/L）的條件下，在70℃的水浴鍋中分別加熱0.5h、1h、2h、3h，探討其最優(yōu)實(shí)驗(yàn)處理時(shí)間，并測試其處理后纖維的細(xì)度、強(qiáng)力以及失重率，結(jié)果繪制如圖4所示。

圖4實(shí)驗(yàn)處理時(shí)間對(duì)纖維失重率、細(xì)度及強(qiáng)力的影響

由圖4可以看出，其變化折線相對(duì)平緩，實(shí)驗(yàn)處理時(shí)間相對(duì)影響較小。纖維的細(xì)度隨著實(shí)驗(yàn)處理時(shí)間的延長而逐漸變小，而纖維的強(qiáng)力和失重率卻呈現(xiàn)相反的趨勢，與常規(guī)的脫膠現(xiàn)象有所區(qū)別。這可能是因?yàn)槎虝r(shí)間的處理，使得纖維上的纖維素鏈氧化并不均勻，結(jié)晶度下降，出現(xiàn)承受強(qiáng)力能力強(qiáng)弱不勻。但隨著時(shí)間的延長，同一纖維素氧化均勻，整體承受力均勻增強(qiáng)，類似同一碳鏈氧化不均勻的情況，承受拉力時(shí)，未氧化或氧化的不均勻處會(huì)先斷裂。根據(jù)圖中變化折線分析，最終選擇最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)處理時(shí)間為2h。

3結(jié)語

根據(jù)本文脫膠工藝的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析總結(jié)，確定了TEMPO/亞硝酸鈉體系下的方案：TEMPO質(zhì)量濃度為0.35g/L、10mL（1mol/L）的亞硝酸鈉，在浴比1:30、pH值為4.5、70℃條件下處理2h，此時(shí)得到的纖維為最佳。

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