论文｜亚麻纤维脱胶技术及在复合材料领域的应用与研究进展

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亚麻（Linum usitatissimum L.）是一种纤维植物，其茎高达140cm左右，叶片呈灰绿色，叶长20~40mm，宽约3mm。亚麻纤维作为天然植物纤维之一，由于其具有良好的性能品质，在纺织、材料、食品和医疗领域得到了广泛的应用。

我国是全球第二大亚麻种植生产区。随着人们生活水平的提高与亚麻纤维需求量的日益上升，为了得到高质量的纤维，改进亚麻纤维生产工艺的技术革新迫在眉睫。目前国内外亚麻纤维的工业化生产中主要通过生物法脱胶、酶法脱胶以及理化法脱胶等技术脱胶，这些方法近年来都是人们研究的热点。现如今，随着环境恶化的不断加剧以及人们的环保意识的提升，亚麻纤维作为增强复合材料已逐渐走进人们的生活，其作为环境友好型材料逐步取代玻璃纤维等材质。同时，亚麻纤维因其生物降解性良好、热稳定性高和成本低而受到欢迎。由此可见，亚麻纤维作为新型复合材料前景可观，同时，新技术的不断出现，对高品质亚麻纤维的开发也是至关重要的。

亚麻纤维是一种纤维素聚合物，主要位于麻茎的韧皮部，与棉花相比，亚麻纤维的结构结晶度更高，因此更坚固、更硬、更易起皱。麻茎从外向内依次由表皮、韧皮部、木质部，以及中间空隙组成，纤维与纤维之间主要由果胶连接在一起。人们想从亚麻中获取大量的高质纤维，必须将纤维束与周围组织之间的胶质连接进行断裂。亚麻纤维作为一种天然纤维，已经被人类广泛应用，并一直持续到今天。在所有天然纤维中，亚麻纤维的比模量仅次于苎麻纤维。因此，亚麻纤维在众多纤维中展现出较高的力学性能和经济性。

亚麻纤维制备的一个重要程序就是脱胶工艺，脱胶是纤维生产过程中一个关键环节，它直接影响纤维的产量和品质。目前生产上普遍采用生物法脱胶、酶法脱胶、物理和化学法脱胶等技术与传统技术相结合的方法，均利用天然微生物、脱胶酶和来自外界的理化作用对亚麻中的果胶、半纤维素和木质素等物质进行降解，从而达到脱胶的目的（图1）。

图1 微生物在亚麻原茎中的作用机理

为了解决在制取亚麻纤维过程中存在的问题，研究者首先从脱胶微生物入手，广泛地开展了“亚麻加菌脱胶方法”的研究。该方法是利用具有能够产生聚合物降解酶的微生物，去除亚麻纤维周围的非纤维素等物质。早在20世纪初期，为了进一步改善亚麻纤维质量，解决传统脱胶工艺缺陷，人们对亚麻脱胶工艺进行了研究。微生物脱胶的作用过程是微生物生长、微生物代谢和酶降解的循环过程。有趣的是，微生物消耗部分果胶水解物作为代谢活性的碳源，因此防止水解产物（低聚糖或其他低分子糖）对脱胶酶促反应的反馈抑制，并促进果胶的彻底去除，最终提高亚麻纤维生物脱胶的效率。微生物脱胶的一个重要因素是获得具有去除亚麻胶质能力的菌株。包括许多无纤维素分解活性的果胶降解菌株，如枯草芽孢杆菌属、短小芽孢杆菌DKS1、蜡样芽孢杆菌和放线菌属等。

已有研究表明，加菌脱胶是一种很有前途的技术，可以解决传统脱胶存在的问题，为了降低环境污染、节约成本、提高产量和品质，开发一种加菌脱胶的方法势在必行。然而，微生物脱胶也存在一定缺点，如不稳定性和不完全去除胶质。脱胶时间也不宜过久，因为在不受控制的微生物脱胶过程中，由于纤维素降解的同时微生物也在不断生长，纤维质量开始恶化。因此，生物法脱胶对时间的把控尤为重要，使得微生物快速生长和繁殖并全面分泌关键脱胶酶。

亚麻脱胶需要一系列多糖水解酶的协同作用，包括果胶酶和半纤维素降解酶等。果胶酶是酶法脱胶中最重要的酶之一。在亚麻生物脱胶的早期，果胶酶降解外部果胶物质，松弛细胞结构，促进降解酶与其他聚合物的有效结合，从而提高亚麻纤维的整体脱胶效率。

与其他的脱胶方法相比，酶法脱胶含有众多优点，如反应条件温和、操作环保、纤维损伤最小、质量易于控制。然而，酶法脱胶尚未大规模应用于工业生产，主要原因有两个。首先，酶制剂成本昂贵；其次，考虑到亚麻材料的胶质样物质的复杂性，构建一个与衍生的亚麻胶质成分相匹配的脱胶复合酶系统是一项困难的任务。

物理脱胶是利用物理手段（如机械碾压、高温、超声波）破坏纤维素分子间的氢键，从而改变纤维素内部的紧密结构，断开纤维束之间的连接，提高脱胶效率。但由于仅对亚麻进行物理处理不能达到预期的脱胶效果，所以通常将该方法视为纤维预处理，需要与其他方法结合的一种辅助手段。

研究表明，将超声波处理与化学试剂煮沸相结合可用于亚麻脱胶。同样，机械滚压与微生物脱胶相结合的方式在脱胶过程中也被成功应用。有学者提出了一种将微波预处理与超声波脱胶相结合的脱胶新工艺，并与传统的化学脱胶进行了比较，纤维具有更好的断裂强度（7.67 cN/dtex，传统方法为6.90cN/dtex）和更好的平均长度（32.5mm，传统方法为23.0mm），新方法的加工时间减少了31.2%，化学药剂用量减少了44.8%；新的脱胶方法可以生产出高质量的纤维。

亚麻原料中的物质在碱、无机酸或氧化剂环境中发生不同程度的分解。化学脱胶的机理是在给定的化学环境下，纤维素与杂质之间的水解或氧化，以同步或分步去除胶质物质。在化学脱胶方法中，利用化学试剂螯合剂（如EDTA）是目前的研究重点，在碱性条件下，EDTA都具有很强的钙离子螯合作用，破坏果胶与其他物质的链接。亚麻原茎经过汽蒸处理之后，加入EDTA和草酸盐，反应一段时间后就能够获得亚麻纤维。加入EDTA能够有效地与果胶质等聚合物相结合，破坏亚麻原茎内部结构，对亚麻脱胶具有明显的促进作用。虽然化学脱胶法缩短了脱胶周期，减少了杂质，提高了脱胶效率，但仍需要大量的其他化学试剂来完成，容易导致能源浪费和环境污染。

将两种或两种以上具有不同特性的材料适当增强，制成一种新材料的组合称为复合材料。这些材料之所以被引入，是因为它们可被操纵成具有传统材料无法获得的性能组合。复合材料加工用常规纤维的增强造成了许多关于生物降解、能源消耗及其对环境的影响的问题。关于可持续发展与环保理念的提出导致了可再生资源等原材料得到大量开发与使用。天然纤维增强复合材料是由天然植物纤维作为增强体而合成的复合材料，通常由麻纤维、竹纤维等植物纤维作为增强体，而水泥、树脂等其他材料被用作复合材料的基体。Fiore等研究玄武岩纤维外层对亚麻增强复合材料耐久性的影响，发现玄武岩与纤维的混杂可提高复合材料耐久性。由于天然植物纤维复合材料具有更高的性价比，在复合材料领域占有一席之地，具有更好的发展潜力。

由于材料的强度取决于纤维和基体之间的界面结合程度，所以纤维表面改良技术显得尤为重要。纤维表面改性具有防止吸湿、清洁纤维表面和提高表面光滑度等优点，从而提高纤维和基体之间的界面附着力，显著改善性能。表面改性还改善了纤维分离和一些不良影响，如机械强度降低、膨胀引起的结构变化、纤维表面可能发生降解。因此，当纤维用于工业用途时，表面改性非常重要。为了最大限度地发挥亚麻纤维及其复合材料的性能，许多学者对不同的纤维表面处理进行了研究。为了改善亚麻纤维质量，经常进行物理和化学表面改性。物理改良技术包括：等离子体处理、热处理、电子束照射以及高压灭菌处理等以增加纤维和树脂之间的相容性。化学改良技术包括：硅烷、乙酰化、氰乙基化、硬脂酸、马来酸酐聚丙烯（MAPP）以及乙酸等化学处理法以改善性能。

在日常生活中，建筑行业领域增强复合材料的应用最为广泛。相比于人工合成的复合材料，亚麻纤维增强复合材料具有密度小，成本低等优点。亚麻纤维作为可再生资源，可减少建筑垃圾。将亚麻纤维增强复合材料应用到实际生活中，可以减轻环境负担，促进我国的生态建设，这也体现了绿色环保的理念。目前在铁路和道桥等领域，亚麻纤维复合材料也逐渐成为代替木材的新型建材。

亚麻纤维复合材料的价格低、性能高，被广泛应用于汽车等轻量化工业领域。伴随着轻便、安全与舒适成为汽车行业的主要发展趋势，所以亚麻纤维复合材料在汽车行业占据了主导地位。法国一家汽车生产商，通过利用亚麻纤维复合材料成功研制出一种新型汽车车门内饰板，该材料能够将汽车的总重量减轻20%。近年来，亚麻纤维由于具有吸湿散热、清凉透气、防尘抑菌等显著优点，被广泛应用于服装行业。因此，高质量的亚麻纤维通常还会被用来制造衣物和床上用品。

我国是亚麻生产和产品出口大国，且亚麻种植地域较为广泛。亚麻未来的发展前景是不可忽视的，随着对亚麻纤维研究的不断深入，其在多个领域会产生巨大的影响。它不仅可以代替化学纤维以缓解石油枯竭等问题，而且在衣着、食品、交通及医药等方面都有重要的经济价值。

亚麻纤维是可再生的高环保的天然植物纤维，要充分利用我国亚麻纤维资源丰富的特点，对生产工艺进行改进，使亚麻纤维质量和产量得以提高，推广应用到各个领域。同时，根据亚麻生产过程中存在的问题，寻找相应的解决办法，不断地推动亚麻产业化发展，为我国的经济建设做出贡献。