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1、1大麻纤维的历史和结构大麻又名汉麻、火麻，俗称线麻，系大麻科一年生草本植物，英文名Hemp，拉丁文名 Cannabis Salival，品种多达 150 个左右。根据使用用途的不同，一般可分为纤维用、油用与药用三类；根据收获期的不同，又可分为早熟与晚熟两个品种。我国是大麻的主要生产国，产地遍布全国，其中以山东、河北、山西等北方省份居多。近年来，我国大麻产量占世界总产量的 1/3，居世界第一位。大麻纺织品具有防霉抑菌、防紫外线、吸湿透气、耐热耐晒、生态保健、无刺痒感等特点，同时还具有优良的吸湿性和散热性。大麻还有极好的耐腐蚀性，耐水性居天然纤维之首。纤维的可纺性能次于苎麻，优于亚麻。此外，大麻在
2、种植过程中不需要使用杀虫剂和肥料，不会造成土地污染，且种植期较短，生长迅速，播种后大约 150200 天就可收割，适应性和生命力极强，在较冷的气候条件下也可以种植。大麻在生长过程中可以吸收土壤里的重金属，净化土壤，是一种非常环保的天然纤维，越来越受到消费者的青睐。一、大麻纤维的发展历史早在公元前 3000 4000 年，己有人开始利用大麻纤维纺纱织布，并开始穿大麻纤维做成的衣服。大麻的起源中心在中亚的喜马拉雅山和西伯利亚中间地带，之后又传播到西亚和埃及，在公元前 10002000 年在欧洲局部种植，在公元 500 年之后在欧洲广泛种植，直到公元 8001000 年大麻的种植达到了第一个顶峰期，
3、此时大麻已广泛应用于食品和纺织品。在美国，从内战结束到 1912 年，几乎所有的大麻都种在肯塔基州。40 年代晚期至 50 年代早期，世界范围内的大麻种植面积超过了 600 万亩，1949 年仅南斯拉夫一个国家的大麻种植面积就超过 140 万亩。19 世纪之前，大麻一直是绳索用纤维的主要原料。十九世纪中叶，大麻成为主要的纺织用纤维原料之一。近代以来，由于大麻中含有的 THC 成分被大量用来制造兴奋剂和毒品，从而使得世界上许多国家对大麻谈虎色变。1925 年，日内瓦麻醉控制国际大会后，由于埃及和土耳其提议，毒品大麻 (Cannabis)和可卡因麻醉剂与鸦片一起被列为受控物质。自 1930 年开始
4、，多数国家明令禁止种植大麻，大麻的产量逐年下降，大麻的应用研究也因而趋于停顿状态。此外，大麻种植的衰败还有其它几个原因：一是在英美国家，工业革命尤其是 1793 年轧棉机的出现，1850 年摘2棉机的发明，1871 年剥棉机的诞生，使得棉花种植和加工的效率大大提高。二是合成纤维的出现，使得麻袋、麻绳、麻线、麻布丧失了部分市场；三是大麻沤制脱胶造成水源严重污染；四是大麻纤维中木质素含量过高，造成纺织加工困难；五是石油代替大麻油作为燃油。上述原因造成了大麻的应用面越来越少，从而种植面积也越来越少。所有的这些原因使得世界工业大麻的种植面积在 20世纪 90 年代早期下降到有史以来的最低点，大麻应用处
5、于衰落状态。90 年代，国外陆续解除禁令，但大麻的研究及其成果并不明显。大麻复苏的真正原因是因为大麻植物是多种工业产品的原材料包括韧皮纤维、杆芯纤维、种子、大麻油、种子食品，由此延伸到各个产业(农业、纺织、轻工、化工、医药、建筑、汽车、能源等)，由于大麻的多功能作用，使得大麻的种植又广泛起来。1995 年仅美国大麻产品总零售额就超过四千万美元，而全球总零售额达到 7500 万美元( 不包括中国大陆)，大麻应用开始复苏。我国尽管未曾禁止过种植大麻，但在国际大麻市场形势影响下，80 年代中期之前开展的种植也不多，远远少于对苎麻、亚麻的研究。因此，如今的大麻，无论在前处理、纺纱加工、生产制造的工艺流
6、程、设备及后整理上，还是在检验标准与仪器及最终加工成纺织品的品种和档次等诸多方面，都有待进一步加强研究。二、大麻纤维的结构大麻纤维属韧皮纤维，纤维的结构可看作由三层组成：首先是被氧桥连接成的葡萄糖基链状大分子平行排列和取向，形成结晶结构，其次由结晶部分和空隙组成纤维素骨架。在结晶结构内部以及结晶区与空隙之间，充满着胶质。随着大麻的生长，它们分层淀积，组成纤维的细胞壁；此外，在纤维与纤维之间，也平行分布着胶质。在显微镜下，可以看到含有棕色树脂的胶质存在。由此可知，大麻纤维束的含胶具有三个层次：纤维与纤维之间的胶质系统、纤维内部的胶质系统和链状分子之间的胶质系统。在显微镜下观察（如图 1-6） ，
7、大麻纤维的横截面形状较为复杂，有不规则的多角形、多边形以及椭圆形等多种形状；其横截面中空，中腔呈线形或椭圆形，约占横截面积的 1/21/3，纤维胞壁具有裂纹与小孔。大麻纤维的纵向呈圆管形，具有横节和许多裂纹与小孔，无天然转曲，纤维顶端呈钝圆形，不像苎麻那样顶端尖锐。3a 大麻纤维的纵向 b 大麻纤维的横截面 c 大麻纤维的钝形顶端图 1-6 大麻纤维的形态结构大麻纤维长度一般为 750mm，宽度为 1530m，纤维颜色呈黄灰色至褐色，这与生长条件和品种有关。经过漂白以后，颜色呈白色并带有光泽。纤维比重为 1.49 左右，聚合度为 22002300，约为亚麻的 70%，棉的一半，竺麻的1/8。大
8、麻单纤维过短，一般小于 25mm，且纤维的长度整齐度差，为保证纺纱效果和成纱质量，必须由胶质将单纤维粘连成纤维束即“工艺纤维” ，进行纺纱加工。所以，纺织加工的大麻原料一般是部分脱胶的束纤维。大麻的主要化学成分是纤维素。此外，还含有一定数量的半纤维素、木质素和果胶等。大麻、苎麻、亚麻的化学组成见表 1-9，由表可知大麻纤维中的纤维素含量较低，而其它非纤维素成分含量较高，尤其以木质素最明显，其含量高达苎麻的 6.14 倍，其次是果胶物质和半纤维素。木质素是一种芳香族化合物，对许多化学试剂的稳定性都较高，不易被去除，因此给大麻的脱胶带来很大的困难。表 1-9 大麻、苎麻、亚麻的化学组成成分（%）品
9、种 纤维素 半纤维素 木质素 果胶 脂蜡质 水溶物 灰分大麻 57.01 17.84 7.31 5.80 1.96 10.08 1.30苎麻 73.59 13.26 1.19 4.04 0.54 7.35 3.53亚麻 66.27 16.67 7.01 2.59 2.72 4.71 0.41三、大麻纤维的脱胶大麻要制成纺织品，必须具有一定的可纺性。即要具备一定的纤维长度、细度、强度及摩擦性，使纺纱过程可以顺利进行。这就要求对大麻进行部分脱胶，脱胶质量的好坏直接关系到纺织过程是否可以完成以及最终产品质量的好坏。因此，脱胶工艺在目前的大麻研究中一直具有举足轻重的地位。大麻的脱胶方法主要有以下几种：
10、4（1）化学脱胶在对大麻进行化学脱胶取得成功之前，人们大多采用露水浸渍、堆积发酵、青茎晒制等微生物方法对大麻进行脱胶。甚至目前欧洲的不少大麻生产国仍多采用上述方法，但脱胶效果相对较差，后加工难度大，且劳动强度高，耗时长，成本也高，容易引起环境问题。我国目前的大麻纺织企业大多数采用化学脱胶工艺，视原麻品质和纺纱工艺的不同要求，分别在高温高压或常温常压下进行，常用的化学脱胶基本工艺路线如下：原麻扎把装笼浸酸水洗煮练水洗敲麻漂白水洗酸洗水洗脱水给油脱水烘干。目前的化学脱胶方法尽管在工业化应用上取得了突破性进展，但还不够完善，主要是得到的精干麻的质量及其稳定性方面还有待进一步提高，而且方法本身也存在着
11、很大的缺点，需在强酸、强碱、高温条件下进行，能耗高，环境污染严重，耗水量大，处理时间长，且对纤维的损伤较大。（2）生物脱胶现在环境污染问题已为全球所关注，生物技术在麻纺织上的应用已显出强大的生命力。进入二十世纪 80 年代以来，由于化学脱胶的严重污染和高成本引起了人们对微生物脱胶的深入研究。但大量的研究集中于苎麻、亚麻等麻类作物，关于大麻的生物脱胶研究报道较少，尚处实验室阶段。主要存在的问题是生物脱胶后的大麻仍含有较多的胶质，整个工艺离工业化生产还有很大距离。就目前的研究状况看，现有的实际应用的生物脱胶法尚需结合化学脱胶法使用。主要原因是菌种的酶活力还不够高，菌株适应性差，抗菌能力弱，另外有关
12、原麻预处理、化学法辅助处理、脱胶过程条件控制，以及反应器性能等研究都是有待开展和加强的薄弱环节。但是，生物脱胶法其广阔的开发前景是无庸置疑的，利用生物酶对原麻进行脱胶，可降低脱胶成本，减少环境污染，提高精干麻的制成率和精梳梳成率，且酶脱胶后纤维蓬松软曲，平均长度增加，短纤率明显降低，麻粒、毛羽明显减少，细纱品质指标明显提高，纤维素与木质素、半纤维素的分离效果相当好，且生物脱胶方法因为无需使用有害化学助剂而对环境污染较少，Robin Anson 也认为，在密闭环境下，用二氧化硫加上催化酶可在几个小时内达到传统方法510 天的脱胶效果，处理时间大大缩短。5近年来，人工培养细菌的新型生物脱胶方法倍受
13、瞩目。刘自熔等人用Bacllius-sp.NO.74 菌发酵生产的粗酶制剂进行大麻纤维脱胶试验，比较了不同预处理方式、脱胶时间、酶用量等对脱胶效果的影响，根据脱胶后纤维的残胶率、纤维支数、纤维强力等指标来评估大麻酶法脱胶工艺条件，对大麻酶法脱胶的机理作了初步探索，认为影响脱胶效果的关键酶是果胶酶，但同时复配木聚糖酶、甘露糖酶等多种酶有助于脱胶，影响脱胶效果最主要的因素是酶的用量和大麻的品种。（3）物理脱胶利用一定频率的超声波在一定温度的水中产生特有的“空化效应” ，对浸在温水中的大麻表面形成强大的冲击和破坏，可以去除大麻纤维表面上的各种胶杂质，且去除效率非常高。超声波脱胶是一种“爆炸型”的剥离
14、过程，它首先使外包胶质层产生大量的裂缝，然后在空化泡进一步连续作用下，形成胶质小团，并使之剥落而进入水中。然后借助超声波空化泡膨胀及破裂时产生的巨大压力和拉伸力来粉碎剥落的胶质团，使之变成极小的胶质粒，甚至将其分解。这些胶质微粒被稳定地分散在液体中，从而又快又好地完成了大麻脱胶的预处理。超声波的脱胶过程主要是基于强超声波的“空化效应” 。利用超声波可以改善和加速大麻脱胶。蒋国华通过试验证明，采用超声波对大麻进行脱胶预处理，具有时间短(只需 15min)，胶质去除率高，纤维损伤小（精干麻工艺纤维平均强度较高）等特点。并且发现水温为 50左右时，产生的“空化效应”最为强烈，对非纤维素的破损程度最强
15、，使大麻中的一些易溶性胶质（如可溶性的果胶物质，分子量较小的半纤维素等）溶解，胶质去除率最高。在“保护环境”呼声很高的今天，这种“清洁生产”具有十分重要的意义。超声波在大麻脱胶预处理中的这种独特的加工方式及作用机理，使它具有极大的潜力。另外，蒸汽爆破技术也开始用于大麻脱胶。蒸汽爆破是将高温高压状态下的液态水和水蒸汽作用于纤维原料，并通过瞬间释压过程实现原料的组分分离和结构变化。殷祥刚等人采用“闪爆”技术处理大麻纤维，分析了闪爆处理前后大麻纤维脱胶、化学组分和理化性能的变化。结果表明， “闪爆”的大麻纤维经水洗处理后，纤维素的比率显著增加，木质素等非纤维素成分明显降低，而且脱胶效果理想，纤维的上
16、染性能也明显改善。6四、大麻纤维的性能（1）物理机械性能表 1-10 为大麻与亚麻、棉纤维强伸性能的比较。由表可知，大麻纤维单纤断裂强度以及断裂伸长与亚麻接近。此外，大麻纤维是各种麻纤维中细度比较细的一种，平均细度接近于棉，按亚麻工艺路线纺纱，理论上的可纺支数比亚麻、胡麻要高。进一步提高大麻纤维的细度，将使大麻纺织品成为亚麻纺织品的有力竞争者。但大麻纤维的木质素含量较高，脱胶难度较大。如果脱胶过程中木质素去除不彻底，将会给大麻纤维的纺织加工带来较大困难。实验表明，当大麻精干麻的木质素含量低于 0.8%时，纤维洁白松散，能够满足纺织染色及后加工的要求。表 1-10 大麻纤维与亚麻和棉纤维的性能比较性能指标 大麻纤维 亚麻纤维 棉强度/(cNtex -1) 2769 2773 2425伸长率（ %） 1.54.2 1.54.1 68大麻纺织品特别柔软舒适，手感滑爽细腻。顶端为钝形，无需特别处理就可避免其它麻纺织产品的刺痒感和粗糙感。（2）吸湿透气性大麻纤维表面有许
