大麻纤维的形态、结构与吸湿性能及其成纱品质的研究

摘要

大麻纤维作为一种绿色的天然纺织原料，其研究与应用越来越受到广泛的关注，因其本身具有多种优异性能，对其展开的研究符合环境保护的要求及国家纺织产业开发的原则。纤维结构与性能之间的关系是纤维高分子物理学的基本内容，纤维的结构是决定其性能的内在因素，性能是纤维结构的宏观表现，而纤维的性能直接影响成纱工艺与质量。
　　 大麻纤维本身的结构决定了其具有吸、放湿快的特性，而目前对于大麻纤维的形态、结构的研究探讨不足;大麻纤维的吸湿性及吸湿后性能的变化尚未作出系统的分析;回潮率对大麻纯纺纱、大麻棉混纺纱成纱质量的影响尚不明确。
　　 基于上述问题，本文开展了一系列的研究工作，以期对大麻纤维的开发及应用提供理论参考。主要完成的工作有:
　　 (1)介绍了大麻纤维的发展史、分类及优异特性，从大麻纤维的历史、传播、萎缩、新生几个方面进行了阐述。针对近几年大麻研究热度的不断升温，介绍了国内外大麻纤维的研究现状，查阅并整理了与本文相关度较大的大麻纤维的结构、形态、吸湿性、纺纱加工性能及物料平衡模型方程方面的文献。
　　 (2)测试了大麻纤维的化学成分及化学组成，并从加工程度、纤维部位、种植条件等方面对影响大麻纤维化学组成较为关键的几个因素进行了分析，采用红外光谱、X射线衍射及X光小角散射等方法测试了大麻纤维的结晶结构，在分析测试大麻纤维分子结构及结晶结构的基础上，推测出纤维素、木质素、酚类物质及微量金属元素可能发生的部分结合，并绘制了大麻纤维的结构模型示意图。采用光学显微镜、扫描电镜及透射电镜对大麻纤维的形态特征进行了测试分析。
　　 (3)从亲水性基团、纤维结晶度、纤维比表面积及内部孔隙、纤维中伴生物及杂质和环境对吸湿性的影响几个方面对纤维的吸湿机理和理论进行了阐述。分析了大麻纤维的吸湿滞后性，不同回潮率下纤维的吸湿、放湿曲线，纤维的吸湿等温线，纤维芯吸性能及湿度对大麻纤维梳理长度及细度的影响。
　　 (4)针对大麻纤维吸湿快、放湿快的特性，结合目前国内外对物料平衡含水率的分析，优选出5种常用模型，利用非线性回归方法进行统计分析并评价三因素等温线模型对不同细度大麻纤维吸湿、放湿等温线数据的拟合效果，选出适合不同细度大麻纤维的吸湿模型，并对所选模型参数进行优化，确定了最佳拟合参数。
　　 (5)测试了吸湿前后与大麻纤维纺纱关系较为密切的纤维拉伸性能、摩擦性能及导电性能，并根据Euler载荷原理，采用单纤维轴向压缩弯曲测量法测试了大麻纤维的吸湿前后的等效弯曲模量和抗弯刚度，分析了大麻纤维的柔韧性能。
　　 (6)在分析湿度对大麻纤维性能影响的基础上，选用了大麻纯纺及大麻/棉混纺两种工艺方案进行了纺纱加工，并在各自方案的局部位置进行了加湿处理，测试了麻条回潮率对成纱品质的影响，采用灰色近优综合判定方法得到了回潮率变化时两种工艺方案的近优排序。
　　 通过本文的研究，得到了以下结论:
　　 (1)大麻纤维的种植、加工及应用具有十分悠久的历史，人类积累了大量与大麻纤维相关的历史经验、文献和资料。但是，因为近百年中大麻受到禁种管理，使大麻纤维结构和性能缺乏系统的研究与分析。同时，由于湿度对纤维的品质及纺纱加工具有较为显著的影响，而国内外在此方面的文献报道不够全面。因此，本文对大麻纤维的结构、形态与吸湿性能及其成纱品质的研究具有一定的新颖性，并可为从事大麻研究领域的科技工作者提供理论参考。
　　 (2)大麻纤维中含有的胶质会以物理或化学的方法使得纤维素之间的粘结加固，可使原本较短的大麻纤维以束纤维形态存在于大麻韧皮纤维之中，增加大麻工艺纤维的长度。大麻纤维的结晶度较高，无定形区相对较小，其结晶完整性较好，大分子链段排列规整，这正是大麻纤维强度高、断裂伸长小、模量大并造成其刚硬的根本原因。大麻纤维纵向凹凸不平、有麻节、粗细不匀，横截面形状差异较大，内有空腔及大量嵌套孔洞，其表面覆有大量胶质，多以束纤维形式集中。大麻纤维中含有大量的极性亲水基团，纤维的吸湿性非常好。由于巨原纤纵向分裂而呈现许多裂缝和孔洞，并且通过毛细管道与中腔连通，各种孔洞之间相互嵌套，此结构不仅使大麻纤维具有良好的吸湿性，还具有良好的散湿性。
　　 (3)在相同的环境条件下，大麻纤维的回潮率略高于棉纤维，吸湿、放湿速率明显高于棉。从吸湿曲线来看，大麻纤维的吸湿和放湿平衡回潮率曲线基本属于反“S”形，说明大麻纤维的吸湿可以利用皮尔斯(Peirce)、海尔伍德(Hailwood)等提出的吸湿理论来解释。但从放湿过程来看，其滞后性较小，说明大麻纤维的放湿速度较快，证明了大麻纤维具有吸湿快、放湿快的特性。
　　 大麻纤维的芯吸性能测试说明大麻纤维具有较强的芯吸性能;通过对红色液体的吸附效果来看，水分子在大麻织物中的扩散速度明显较棉织物快
　　 大麻纤维在梳理时的上机回潮不宜过大，也不宜过小，通过对比得出回潮率范围在12±2％内进行大麻纤维的梳理效果较好，梳理后的大麻纤维长度均一度好，细度均一，手感蓬松柔软。
　　 (4)1500Nm、2500Nm大麻纤维的吸湿、放湿等温线分别与修正后的Halsey模型、Chung-Pfost模型拟合效果较好;3000Nm大麻纤维的吸湿等温线与修正后的Chung-Pfost模型拟合效果较好;其放湿等温线与修正后的Halsey模型拟合效果较好。对于各细度大麻纤维，以上各模型计算出的理论等温线与试验值吻合程度较好。
　　 (5)大麻纤维吸湿后，不同分裂度大麻纤维的断裂强度、断裂伸长率、动摩擦因数及导电性能均有不同幅度的提高，而抗弯刚度有不同幅度的降低，表明了水分对大麻纤维的柔韧性能具有一定的改善作用。
　　 (6)采用局部加湿的方法对大麻纤维进行表面喷雾，麻条回潮的提高在—定程度上改善了成纱质量。借助灰色近优综合判定的数学方法对大麻纯纺纱线和大麻/棉混纺线的品质进行评定，分别得到了麻条回潮率的近优排序为9.5％—11.3％—7.4％—13.5％—5.2％及10.07％—8.53％—6.69％—7.35％—12.42％—5.89％。

目录

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摘要

第一章 前言

1．1 大麻纤维简介

1．1．1 大麻纤维的发展史

1．1．2 大麻的分类及特点

1．1．3 大麻的优点

1．2 国内外大麻纤维的研究现状

1．2．1 大麻纤维的结构与形态特征

1．2．2 麻纤维的吸湿性能

1．2．3 大麻纤维的纺纱技术研究现状

1．2．4 关于物料吸、放湿平衡模型的发展历史

1．3 本课题研究的意义、内容及创新点

1．3．1 本课题研究的意义

1．3．2 本课题研究的主要内容

1．3．3 本课题研究的创新点

第二章 大麻纤维的结构与形态

2．1 概述

2．2 测试原理与方法

2．3 大麻纤维的分子结构

2．3．1 大麻纤维的化学成分

2．3．2 红外光谱

2．3．3 化学结构式

2．3．4 聚合度及分子量

2．4 大麻纤维的聚集态结构

2．4．1 纤维素聚集态结构理论

2．4．2 结晶结构

2．4．3 结构模型

2．5 大麻纤维的形态特征

2．5．1 光学显微镜照片

2．5．2 扫描电镜照片

2．5．3 透射电镜照片

2．6 本章小结

第三章 大麻纤维的吸湿性能

3．1 吸湿机理与理论

3．1．1 纤维材料的吸湿机理

3．1．2 纤维材料的吸湿理论

3．1．3 吸湿滞后性

3．2 大麻纤维的吸湿、放湿曲线

3．3 大麻纤维的芯吸性能

3．4 湿度对大麻纤维形态特征的影响

3．4．1 湿度对大麻纤维梳理长度的影响

3．4．2 湿度对大麻纤维梳理细度的影响

3．5 本章小结

第四章 大麻纤维的吸湿模型

4．1 大麻纤维平衡含水率的测试

4．1．1 测试方法：康维皿法

4．1．2 测试结果

4．2 数学模型的选择

4．2．1 修正Henderson模型：

4．2．2 修正Chung-Pfost模型：

4．2．3 修正Halsey模型：

4．2．4 修正Oswin模型：

4．2．5 修正GAB模型：

4．3 温湿度对大麻纤维平衡含水率的影响

4．3．1 大麻纤维的吸湿平衡含水率曲线

4．3．2 大麻纤维的放湿平衡含水率曲线

4．4 EMC模型方程的求解与评价：

4．4．1 模型方程的评价原则

4．4．2 SAS NLIN过程简介

4．4．3 NLIN程序应用

4．4．4 模型的评价结果

4．4．5 模型方程参数的优化

4．4．6 模型方程的检验

4．5 本章小结

第五章 吸湿对大麻纤维性能的影响

5．1 概述

5．2 实验原理与方法

5．2．1 强伸性能

5．2．2 柔韧性能

5．2．3 摩擦性能

5．2．4 导电性能

5．3 结果与讨论

5．3．1 吸湿对大麻纤维拉伸性能的影响

5．3．2 吸湿对大麻纤维柔韧性能的影晌

5．3．3 吸湿对大麻纤维摩擦性能的影响

5．3．4 吸湿对大麻纤维导电性能的影响

5．4 本章小结

第六章 大麻纤维的回潮率对其成纱品质的影响

6．1 转杯纺纯大麻纱

6．1．1 转杯纺工艺流程

6．1．2 实验方法及实验条件

6．1．3 实验结果分析

6．2 环锭纺大麻／棉混纺纱

6．2．1 环锭纺工艺流程

6．2．2 实验方法

6．2．3 实验结果分析

6．3 本章小结

第七章 结论

参考文献

附录1

附录2

攻读博士学位期间发表的论文情况

致谢