鞣革膠原纖維長度及其分布測試方法研究

(東華大學(xué)非織造研究發(fā)展中心，上海，201620)

利用皮革工業(yè)中皮革廢棄物可以制得鞣革膠原纖維。2010年我國規(guī)模以上企業(yè)輕革(豬牛羊革)的產(chǎn)量為7.5億m2，占世界皮革生產(chǎn)總量的20%以上，位居世界第一，我國是公認的制革大國［1］。據(jù)統(tǒng)計，1 t鹽濕皮僅能制造200 kg左右的成品革(約占原料皮的20%)，卻要產(chǎn)出600 kg以上的固體廢棄物(超過原皮的60%)［2］。每年我國約產(chǎn)生皮革廢棄物140萬t，丟棄數(shù)量如此巨大的廢棄物，一方面會產(chǎn)生環(huán)境污染問題，另一方面也造成資源的極大浪費。這些固體廢棄物中除了有少量的毛發(fā)、肉渣等非膠原蛋白以外，大部分廢棄物的主要成分是膠原蛋白。膠原蛋白具有良好的生物相容性、低抗原性、生物降解性及良好的成纖、成膜特性，是一種豐富的蛋白質(zhì)資源，因此回收與利用皮革廢棄物具有重要的經(jīng)濟和社會意義［3］。

針對鞣革膠原纖維的紡織加工方面的應(yīng)用目前正處在探索階段［4-5］。對于廢皮革經(jīng)開纖得到的纖維狀物質(zhì)，可以利用非織造技術(shù)加工成為幅狀或片狀材料，應(yīng)用于皮革基布、過濾材料［6］和吸聲材料等，這將有益于資源再生利用，環(huán)境治理和保護。本文以皮革廢棄物開纖產(chǎn)生的鞣革膠原纖維為研究對象，針對其表觀特性，確定在原有單根纖維測量長度基礎(chǔ)上圈定在一定質(zhì)量范圍內(nèi)測量所有纖維長度，為該種纖維加工利用、制定合適的成網(wǎng)加固工藝奠定基礎(chǔ)。

1 鞣革膠原纖維產(chǎn)生過程

目前除了一些特殊用途的皮革外，90%以上的制革廠都采用鉻鞣主鞣法生產(chǎn)皮革。因此，如圖1所示的皮革加工過程中的鞣后濕加工階段，即鉻鞣后的剖層、削勻、磨革、修邊等加工過程，會產(chǎn)生大量的含鉻廢棄物。本實驗使用的即為這些含鉻廢棄物。

本實驗所采用的鞣革膠原纖維是廢棄皮革藍濕皮，利用皮革開纖機經(jīng)機械梳理開纖后得到的纖維狀物質(zhì)。

皮革開纖機主要由邊角料開松機構(gòu)、纖維梳理機構(gòu)和纖維瀉出機構(gòu)組成，見圖2。筒腔1內(nèi)壁上分布著豎向刺條，該刺條與刺筒2一起構(gòu)成纖維開松機構(gòu);纖維梳理機構(gòu)位于筒腔內(nèi)，由梳齒筒3與前方直徑遠小于梳齒筒的梳齒輥4組成;邊角料經(jīng)開松梳理后到達水槽5，經(jīng)瀉出機構(gòu)輸出。

2 鞣革膠原纖維的特性及對非織造工藝的影響

2.1 鞣革膠原纖維的特性

圖1 皮革加工過程

圖2 一種皮革開纖機發(fā)明專利［7］

由圖1可知，廢皮革屬于經(jīng)過鞣制加工的皮革，纖維的蛋白質(zhì)分子間產(chǎn)生了一定的交聯(lián)，皮革開纖機的機械梳理其實是在物理作用下破壞皮革的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在嚴格意義上，開纖得到的并不是單根纖維而是膠原纖維束，類似于苧麻束纖維。圖3(a)是表觀上的單根纖維(纖維束)放大300倍的照片，可以看到其內(nèi)有許多根纖維;圖3(b)是膠原纖維放大10 000倍時的照片，仍然可以看到纖維束狀的纖維。但是，為了方便和沿用紡織專業(yè)的習(xí)慣稱呼，仍將其稱為鞣革膠原纖維。

圖3 鞣革膠原纖維電鏡照片

鞣革膠原纖維的長度、線密度與開纖工藝關(guān)系密切。在獲得線密度更小、纖維結(jié)更少的纖維時，纖維束長度也會變短，因此需要控制開纖工藝，確保纖維的長度、線密度和分離度，以適合非織造設(shè)備加工。總體上，廢皮革開纖所得到的鞣革膠原纖維呈現(xiàn)出離散大，纖維結(jié)較多，纖維長度短的特點。

廢皮革的開纖工藝條件決定了纖維的長度和線密度。廢皮革開纖得到的纖維，其長度越長，線密度越小，則越有利于纖維的紡織加工。因此，需要進行纖維長度測量，以作為評價開纖效果的重要指標。

2.2 鞣革膠原纖維長度對非織造工藝的影響

鞣革膠原纖維長度對非織造加工工藝的確定具有重要的作用。非織造技術(shù)的工藝過程可以描述為:纖維選擇—纖維成網(wǎng)—纖網(wǎng)加固—材料后整理。纖維長度對成網(wǎng)方式及成網(wǎng)質(zhì)量有重要影響，因此需要根據(jù)纖維長度來確定成網(wǎng)和加固方式。在一般情況下，氣流成網(wǎng)適宜加工的纖維長度范圍為10～60 mm，梳理成網(wǎng)適宜加工的纖維長度范圍為30～150 mm［8］。針刺工藝適合于厚型纖網(wǎng)，纖維應(yīng)達到和超過一定長度才能纏結(jié)加固;水刺工藝適合于中等及薄型纖網(wǎng)，對纖維長度的要求可以低一些。

3 纖維長度的常規(guī)測試方法

紡織纖維長度的測定分為單纖維測定和束纖維測定。其中，束纖維測定包括梳片式測量儀測定，羅拉式長度測量儀測定和光電式長度測量儀器測定。前兩者測定結(jié)果得到纖維分布圖或纖維長度重量分布，后者得到照影機曲線。在進行束纖維測定取樣時，需要對纖維叢進行梳理，從而整理出伸直平行、一端平齊的纖維束。

將纖維逐根伸直，測量其單根長度的方法稱為單根纖維長度測量法。在單根纖維長度測定中，要求在纖維束中一根一根地抽出纖維，必須遵照一定的方法進行，保證抽取無偏差試樣。一種常用的方法稱為方端法，該取樣方法首先將纖維鋪成纖維層，對纖維取樣，繼而整理成一端平齊的纖維層，在纖維層整個寬度上均勻取出一定根數(shù)的纖維進行測量［9］。

4 鞣革膠原纖維測試方法的研究

鞣革膠原纖維屬于非常規(guī)纖維，纖維團里具有許多纖維纏結(jié)點，并且纖維較短、離散大，難以制得一端平齊的纖維束樣，故而不適合采用束纖維法測定。常規(guī)單纖維長度測定法中僅以抽取一定數(shù)量的纖維進行測長，在操作夾子夾取纖維時，長度較長纖維被夾取的機會大，而對于離散大的纖維，則人為因素對測量結(jié)果有較大影響，會使測試值偏大。鑒于上述原因，本實驗在常規(guī)的單根纖維測量方法基礎(chǔ)上建立了定質(zhì)量單根纖維測量法，并用其來測定纖維長度。

本實驗所用試樣如圖4所示，器材為鑷子、黑絨板和直尺。

圖4 鞣革膠原纖維

本實驗采用單根纖維測量長度，直接測得纖維長度的根數(shù)分布。對每個纖維團內(nèi)纖維長度測量時，不對纖維進行取舍，保證纖維團內(nèi)的纖維被逐根測量長度，并作好記錄。該方法雖然費時較多，但對具有纏結(jié)點多、長度短、離散大特點的纖維而言，只有這種方法才能得到準確的測量結(jié)果，得出纖維長度根數(shù)分布，更好地表達纖維長度的不勻程度。

4.1 纖維長度測量

纖維長度測量的具體操作方法為:從鞣革膠原纖維團中用鑷子夾取單根纖維一端，在黑絨板上滑行，使纖維伸直，用另一只鑷子固定纖維尾端，待纖維伸直后用直尺測量其長度值。在本實驗中，纖維長度是指纖維伸直但不產(chǎn)生伸長時的纖維兩個頭端間的長度，測量精度為0.1 mm。

4.2 纖維質(zhì)量確定

在實際操作時，考慮到測量單根纖維的質(zhì)量太耗費精力，需要確定一個具有說服力的測定量，即某一質(zhì)量值下的纖維根數(shù)。為了確定該具有代表意義的質(zhì)量統(tǒng)計量，結(jié)合根數(shù)統(tǒng)計，參照標準GB/T 16257—2008的規(guī)定，天然纖維的測試根數(shù)為500根［10］。實驗時初次測量約0.009 g的纖維，逐次增加測量纖維的質(zhì)量，共取6組纖維團，分別逐根測量組內(nèi)纖維的長度，共得到6組纖維的質(zhì)量、根數(shù)和長度值。

本實驗共測量了527根纖維。將527根纖維長度的統(tǒng)計值作為標準值，并把各個根數(shù)段統(tǒng)計計算值與標準值進行F檢驗［11］。6組纖維團的測量結(jié)果和統(tǒng)計計算結(jié)果見表1。

表1 鞣革膠原纖維單纖維測量和計算結(jié)果

從表1可以看到，在顯著性水平a=0.01下，測量約0.036 7 g(接近300根纖維)時，已無顯著性差異。因此，確定本實驗采用定質(zhì)量法，測量0.036 7 g纖維即可滿足測量根數(shù)具有代表性的要求。為方便以后測試，取質(zhì)量為0.04 g的纖維進行長度測量，完全可以滿足測量要求。

4.3 結(jié)果穩(wěn)定性的檢驗

由于在逐根測量纖維長度時采用目測法，故測量結(jié)果存在人為因素的影響。為了檢驗測試結(jié)果是否具有代表性，利用數(shù)理統(tǒng)計方法，將兩位不同測試者測得的結(jié)果進行了對比，見表2。

由表2可以看出，將不同測試者對鞣革膠原纖維的測量結(jié)果進行顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)在顯著性水平a=0.10下，所得測試結(jié)果無顯著性差異。因此，可以認為人為因素不顯著，采用定質(zhì)量單根纖維測量法的測試結(jié)果具有代表性。

表2 鞣革纖維長度測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性檢驗

4.4 實驗結(jié)果分析

將所測得的鞣革膠原纖維長度數(shù)據(jù)進行分組，長度在4 mm以下為第一組，之后以每增加2 mm為一組，依次類推，但因為長度在24 mm以上的纖維根數(shù)很少，所以把長度在24 mm以上的歸為一組，得到鞣革膠原纖維長度—根數(shù)分布直方圖(圖5)。

圖5 鞣革膠原纖維長度—根數(shù)分布

由圖5可知:鞣革膠原纖維根數(shù)分布呈偏態(tài)分布，纖維長度偏短，長度分布在5～9 mm之間，平均長度8 mm;10 mm以下的纖維占到了80%，長度為5 mm的纖維含量最多。

根據(jù)鞣革膠原纖維的長度分布，鞣革膠原纖維不適合傳統(tǒng)的紡紗加工，宜采用非織造工藝進行加工。在進行非織造加工時，純的鞣革膠原纖維不宜采用梳理成網(wǎng)的方法，可選用氣流成網(wǎng)，也可以選擇適當(dāng)比例的長纖維與其混合進行機械梳理成網(wǎng)。

由于鞣革膠原纖維屬于非常規(guī)纖維，在測量纖維線密度和強度時也適宜采取定質(zhì)量法，以期排除人為因素，更加客觀地反映纖維的相關(guān)指標。

5 結(jié)論

(1)鞣革膠原纖維屬于非常規(guī)纖維，采用定質(zhì)量單根纖維測量法測試其長度是可行的。實驗確定，稱取0.04 g鞣革膠原纖維進行長度測量，完全可以滿足測量要求，且人為因素的影響不顯著。

(2)根據(jù)鞣革膠原纖維的長度分布，鞣革膠原纖維不適合采用傳統(tǒng)的紡紗加工方法，宜采用非織造工藝進行加工。純的鞣革膠原纖維不宜采用梳理成網(wǎng)的方法，可選用氣流成網(wǎng)，也可以選擇適當(dāng)比例的長纖維與其混合進行機械梳理成網(wǎng)。

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