59.5%硫酸溶液對(duì)絲光棉化學(xué)降解程度的影響

李 瑩，周兆懿，黃興陽(yáng)

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院纖維檢驗(yàn)所，上海 200040）

59.5%硫酸溶液對(duì)絲光棉化學(xué)降解程度的影響

李 瑩，周兆懿，黃興陽(yáng)

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院纖維檢驗(yàn)所，上海 200040）

參照AATCC-20A-2012中的試驗(yàn)方法，通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度及浴比等條件，研究了絲光棉在59.5%硫酸溶液中的降解程度。以絲光棉修正系數(shù)為衡量指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在化學(xué)降解過(guò)程中，反應(yīng)溫度對(duì)修正系數(shù)的影響程度最大，反應(yīng)時(shí)間、浴比、振蕩頻率影響較小。

絲光棉；硫酸；修正系數(shù)；測(cè)試化學(xué)降解

絲光處理不僅可以提高面料的光澤度，也能增加織物的吸附性能，提高織物的縮水率、尺寸穩(wěn)定性和平整度。為保證織物良好的染色性能及飽滿的光澤度［1－3］，市場(chǎng)上大量的襯衫及輕薄面料大多進(jìn)行絲光處理。由于再生纖維素纖維與棉纖維的分子結(jié)構(gòu)幾乎相同［4］，59.5%硫酸溶液在溶解再生纖維素纖維時(shí)難免會(huì)對(duì)棉纖維造成影響，尤其是經(jīng)過(guò)絲光處理的棉纖維，其物理化學(xué)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生明顯的變化［5－6］。

雖然現(xiàn)有的AATCC-20A-2012［7］標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍中聲明計(jì)算公式中對(duì)于未加工棉纖維a＝1.062，漂白后的棉纖維a＝1.046，但未對(duì)絲光棉纖維進(jìn)行說(shuō)明，且絲光程度不同，棉纖維損傷不同。在實(shí)際檢測(cè)中遇到絲光棉／再生纖維素纖維混紡織物，雖然可參照FZ／T 01101－2008［8］標(biāo)準(zhǔn)，采用顯微鏡物理定量方法測(cè)試，但操作不便，檢測(cè)效率相對(duì)較低。為此，本文通過(guò)控制不同的反應(yīng)條件，以絲光棉修正系數(shù)d為評(píng)判依據(jù)，找出化學(xué)定量時(shí)絲光棉在59.5%硫酸溶液中損傷的主要影響因素，為實(shí)際檢測(cè)工作提供參數(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

材料：32dtex純棉紗線（上海高士線業(yè)有限公司）；32dtex不同絲光度純棉紗線（自制）。

試劑：濃硫酸，燒堿，氨水，氫氧化鋇，鹽酸，醋酸，純堿，元明粉（均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

儀器：VEGA 3XMU型真空掃描電子顯微鏡（捷克TESCAN公司）；DKZ-2型電熱恒溫振蕩水槽（上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；Satorius BSA2245-CW分析天平（德國(guó)賽多利斯集團(tuán)）；Rigaku D／max-2550型X射線衍射儀（日本理學(xué)公司）。

1.2 絲光棉纖維的制備

配制濃度為150～300g／L的氫氧化鈉溶液，將不同濃度燒堿液分別倒入絲光槽內(nèi)，將未絲光紗線試樣繃緊在絲光架上，投入堿槽中，處理5min，取出絲光架，在施加張力的條件下用80～90℃熱水洗，清洗5次，然后從絲光架上取下紗線，冷水洗，洗凈后，用5g／L的H2SO4溶液中和，再用冷水洗至中性為止，最后在105℃下烘干。

1.3 絲光棉和絲光再生纖維微觀形貌測(cè)試

采用VEGA 3XMU型真空掃描電子顯微鏡，電子束強(qiáng)度為5kV，物距設(shè)為20mm，對(duì)棉纖維絲光前后的縱向及橫截面形貌進(jìn)行觀察。

1.4 絲光棉纖維晶形結(jié)構(gòu)測(cè)試

通過(guò)Rigaku D／max-2550型X射線衍射儀（Cu Kα），對(duì)絲光前后棉纖維的晶形結(jié)構(gòu)進(jìn)行X射線衍射能譜分析，入射波長(zhǎng)λ＝1.5406?，管壓40kV，管流200mA，步速4°／min。

1.5 修正系數(shù)計(jì)算

參照AATCC-20A-2005中的溶解方法，以一定浴比將不同絲光程度棉纖維試樣投入已預(yù)熱的59.5%硫酸溶液中，蓋緊瓶塞，將錐形瓶置于一定溫度下的恒溫振蕩水槽，以100次／min的頻率振蕩反應(yīng)一定時(shí)間，然后按照標(biāo)準(zhǔn)清洗、烘干剩余纖維，并計(jì)算修正系數(shù)d值。絲光棉纖維經(jīng)59.5%硫酸溶液降解后的質(zhì)量修正系數(shù)d值的計(jì)算方法為：

式中 m0——降解前絲光棉纖維凈干質(zhì)量（g）；m1——降解后絲光棉纖維凈干質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與討論

2.1 絲光棉的微觀形貌

將絲光棉紗線、絲光再生纖維用掃描電鏡進(jìn)行橫向、縱向形態(tài)觀察，并與未絲光形態(tài)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1及圖2所示。

圖1未絲光棉纖維的縱向與橫截面

圖2 絲光棉纖維的縱向與橫截面

比較圖1和圖2可知，未經(jīng)絲光的棉纖維縱向具有天然扭曲，橫截面呈腰圓形，有明顯的中腔結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），而絲光后，棉纖維在濃堿液中發(fā)生了劇烈的溶脹，棉纖維直徑增大變圓，橫截面由腰子形變?yōu)闄E圓形，甚至圓形，胞腔收縮為一點(diǎn)；且縱向的天然扭曲減小甚至消失，使得纖維表面的皺紋消失，變成十分光滑的圓柱體。

2.2 絲光棉纖維的晶型結(jié)構(gòu)

天然棉纖維屬于纖維素I型，為單斜晶體［9］，晶胞參數(shù)a＝0.834nm；b＝1.04nm；c＝0.789nm；β＝83.2°。圖3為用270g／L氫氧化鈉溶液絲光前后棉纖維的X射線衍射譜圖，譜圖中2θ＝22°附近出現(xiàn)了棉纖維中微晶（002）晶面衍射的極大峰值。與未絲光棉纖維譜圖相比，絲光棉的衍射譜圖并未發(fā)生明顯的位移與峰型變化，說(shuō)明絲光棉的晶型結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化。然而絲光后，棉纖維（002）晶面處的峰強(qiáng)明顯減弱，同時(shí)峰型鈍化，這是因?yàn)闅溲趸c滲入棉纖維破壞了纖維內(nèi)部的氫鍵結(jié)構(gòu)，降低了纖維素纖維晶型結(jié)構(gòu)的有序性，增加了其中的結(jié)構(gòu)缺陷，使得無(wú)定型區(qū)增加，結(jié)晶區(qū)減少，這一現(xiàn)象可從絲光前后棉纖維結(jié)晶度的變化趨勢(shì)上得到印證。絲光前，棉纖維的結(jié)晶度為64.58%，絲光后，棉纖維的結(jié)晶度下降至49.45%。

圖3 絲光前后棉纖維的XRD譜圖

雖然絲光整理對(duì)棉纖維的晶形結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，但是絲光時(shí)堿濃度不同，絲光后棉纖維的結(jié)晶度也不一樣，表1列舉了150～300g／L氫氧化鈉溶液絲光后，棉纖維結(jié)晶度的變化值。

表1不同堿溶液絲光后棉纖維的結(jié)晶度

由表1可知，隨著堿濃度的提高，絲光棉的結(jié)晶度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)堿濃度為270g／L時(shí)，降至最低為49.45%，繼續(xù)增大堿液的濃度，絲光后棉纖維結(jié)晶度不再大幅下降，這是由于過(guò)高濃度的堿液，黏度增大，一方面滲透性降低，不易滲入纖維內(nèi)部破壞氫鍵，另一方面高濃度的堿液易造成纖維表面迅速失水，發(fā)生皺縮，纖維表面變堅(jiān)實(shí)，阻礙堿液滲透。硫酸法定量分析棉／再生纖維素纖維的機(jī)理是硫酸將聚合度、結(jié)晶度低的再生纖維溶解掉，剩余聚合度、結(jié)晶度高的棉纖維，絲光處理使得棉纖維的結(jié)晶度降低，在硫酸溶液中損傷程度增大，這是導(dǎo)致棉纖維修正值增大的主要原因。

2.3 棉纖維絲光程度的評(píng)價(jià)

棉纖維在硫酸溶液中的損傷程度與絲光度存在一定關(guān)系，所以需要對(duì)棉纖維的絲光度做準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。目前，對(duì)棉纖維絲光程度的評(píng)價(jià)通常是利用絲光后棉纖維的吸附性能提高這一特性來(lái)進(jìn)行的，具體可通過(guò)測(cè)定纖維對(duì)染料、氫氧化鋇或碘的吸附量來(lái)衡量。本研究選擇最常用的氫氧化鋇吸附量法（鋇值法）來(lái)評(píng)價(jià)不同濃度堿處理后棉纖維的絲光程度。鋇值越大，表示絲光后纖維的吸附性能越好，絲光效果也越佳［10］。圖4顯示的是經(jīng)過(guò)不同濃度（150～300g／L）氫氧化鈉溶液絲光后，棉纖維吸附氫氧化鋇量的變化趨勢(shì)。

圖4 不同堿濃度處理后棉纖維鋇值變化曲線圖

由圖4可知，棉纖維的絲光程度大小與所用堿溶液的濃度成正比，150g／L氫氧化鈉溶液處理時(shí)，鋇值最小，然后隨堿濃度增大而上升，當(dāng)堿溶液濃度達(dá)到270g／L時(shí)，鋇值最大為151，繼續(xù)提高堿濃度，鋇值基本不再變化。根據(jù)染整工藝學(xué)定義，鋇值＜105，表示未絲光；105≤鋇值＜135，表示部分絲光，135≤鋇值＜150，表示充分絲光，鋇值≥150，表示完全絲光。通常絲光棉制品的鋇值要求在135以上。為進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)于絲光程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并掌握現(xiàn)有市場(chǎng)銷售絲光棉的絲光程度，研究選取市售相同線密度的絲光和未絲光的棉紗線分別進(jìn)行鋇值測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2所示。其中未絲光棉紗線平均鋇值為102，小于105，而絲光棉紗線平均鋇值為140，屬于充分絲光，這說(shuō)明市場(chǎng)上的絲光棉纖維的絲光程度在本研究范圍內(nèi)。

表2 絲光棉紗線和未絲光棉紗線的鋇值

2.4 不同溶解工藝對(duì)絲光棉纖維降解程度的影響

經(jīng)過(guò)絲光處理的棉纖維在硫酸溶液中損傷程度，除了與絲光度有關(guān)系外，還與溶解的工藝條件密切相關(guān)。

2.4.1 反應(yīng)溫度

控制反應(yīng)時(shí)間為30min，振動(dòng)頻率為100次／min，浴比為1∶100，溫度變化范圍20～35℃，不同絲光度的棉纖維的修正值變化如圖5所示。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)絲光棉修正值的影響

由圖5可看出，絲光棉的修正值隨溫度的升高不斷變大，反應(yīng)溫度超過(guò)30℃后棉纖維損傷嚴(yán)重；隨絲光度的增大，棉纖維損傷增大，修正值d逐漸變大；并且不同絲光度棉纖維的修正值d間的差異隨溫度升高逐漸擴(kuò)大。當(dāng)溫度升高到40℃時(shí)，棉纖維在59.5%硫酸中開(kāi)始溶解，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，棉纖維逐漸變成透明膠體，在抽濾過(guò)程中堵塞玻璃砂芯。所以必須嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度，防止棉纖維損傷嚴(yán)重，造成定量結(jié)果不準(zhǔn)確。

2.4.2 反應(yīng)時(shí)間

控制反應(yīng)溫度為20℃，振動(dòng)頻率為100次／min，浴比為1∶100，時(shí)間變化范圍30～60min，不同絲光度的棉纖維的修正值變化如圖6所示。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)絲光棉修正值的影響

由圖6可看出，絲光棉在59.5%硫酸中的修正值隨溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，變化趨勢(shì)較小。說(shuō)明在20℃下，棉纖維在59.5%硫酸中質(zhì)量較為穩(wěn)定，修正值維持在1.02左右。

2.4.3 浴比

控制反應(yīng)溫度為20℃，時(shí)間為30min，振動(dòng)頻率為100次／min，浴比為1.50～1∶200，不同絲光度的棉纖維的修正值變化如圖7所示。

圖7 浴比對(duì)絲光棉修正值的影響

從圖7可知，絲光棉在59.5%硫酸中隨浴比的增大修正值變化較小。在浴比為1∶50時(shí)，絲光棉的修正值d小于1.02，接近1.01，是由于浴比小，硫酸溶液較少，無(wú)法完全浸沒(méi)絲光棉纖維；隨浴比的增大，絲光棉可以完全浸沒(méi)在硫酸溶液中，但其質(zhì)量損傷基本未變，說(shuō)明在20℃，30min工藝條件下，在59.5%硫酸中棉纖維損傷較小，隨浴比變化棉纖維質(zhì)量損失少，修正值為1.02左右，基本不發(fā)生降解。

2.4.4 振動(dòng)頻率

控制反應(yīng)溫度為20℃，時(shí)間為30min，浴比為1∶100，振動(dòng)頻率為0～150次／min，不同絲光度的棉纖維的修正值變化如圖8所示。

圖8 反應(yīng)振頻對(duì)絲光棉修正值的影響

靜置不振動(dòng)，棉纖維質(zhì)量基本不變，因?yàn)榱蛩崛芤何礉B透到纖維內(nèi)部，棉纖維基本未損傷；隨振動(dòng)頻率從60次／min提高到150次／min，棉纖維的損傷較小，受絲光度影響不明顯。振動(dòng)頻率越大，棉紗線松散程度越大，但對(duì)質(zhì)量損傷影響較小，修正值d由1.01逐漸增大，最大接近1.03，棉纖維損傷程度在可控范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）棉纖維經(jīng)過(guò)絲光處理后，纖維自身的性能變化，導(dǎo)致其在化學(xué)溶劑中損傷程度增大。由于59.5%硫酸溶液在溶解再生纖維素纖維的同時(shí)也會(huì)打斷棉纖維大分子上的1，4-甙鍵，造成棉纖維聚合度降低。由于聚合度較高的緣故，在再生纖維完全溶解后，棉纖維并未完全溶解，只是在無(wú)定型區(qū)發(fā)生質(zhì)量損失，且其損傷程度隨溶解工藝的變化而變化，其降解程度發(fā)生變化。其中溶解溫度的影響最大，當(dāng)溫度升高到30℃以上，棉纖維開(kāi)始溶解，降解程度較大，質(zhì)量損失不穩(wěn)定，所以必須嚴(yán)格控制溶解溫度。溶解時(shí)間、浴比、振蕩頻率的影響相對(duì)較小。

（2）部分再生纖維素纖維在溶解過(guò)程中，硫酸溶液難以滲透入纖維內(nèi)部，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工藝條件下難以完全溶解，需要通過(guò)升高溫度、延長(zhǎng)溶解時(shí)間來(lái)達(dá)到完全溶解的目的。但是時(shí)間的延長(zhǎng)、溫度的升高反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致絲光棉纖維損傷增大，質(zhì)量修正值相應(yīng)增大。

［1］ 閆克路.染整工藝原理（上冊(cè)）［M］.北京：中國(guó)紡織出版社，2009.93－111.

［2］ 趙小平，王建坤，王 儲(chǔ)，等.棉纖維堿處理后的微觀特征和染色性能［J］.印染，2011（6）：12－15.

［3］ 梁佳鈞.莫代爾織物的染整加工［J］.印染與整理，2003，8（4）：56－60.

［4］ H G Shinouda，D H Fleita.Infra-red study on the oxidation of cotton cellulose，viscoserayon and their hydrolysis residues［J］.European Polymer Journal，1975，11（7）：491－494.

［5］ F J Kolpark，Mark weih，John Blackwell.Merecerization of cellulose 1：determination of the structure of mercerized cotton［J］.Polyer，1978，19（2）：123－131.

［6］ F J Kolpark，john Blackwell.Merecerization of cellulose 2：the morophology of mercerized cotton cellulose［J］.Polyer，1978，19（2）：132－135.

［7］ AATCC Test Method 20A-2012，Method NO.3［S］.

［8］ FZ／T 01101－2008，紡織品纖維含量的測(cè)定物理法［S］.

［9］ Chen H L，Alex Y.X-ray diffractometric study of microcrystallite size of naturally colored cottons［J］.Journal of Applied Polymer Science，2000，76（9）：1466－1471.

［10］蘇翔林.棉針織物絲光概況（一）［J］.針織工業(yè)，1982，（1）：57－63.

Influence of 59.5%Sulfuric Acid Solution on the Chemical Degradation Degree of Mercerized Cotton

LI Ying，ZHOU Zhao-yi，HUANG Xing－yang
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai 200040，China）

Based on AATCC-20A-2012，reaction duration，temperature and bath ratio were selected to research chemical degradation degree of mercerized cotton in 59.5%sulfuric acid solution.With the correction factor of mercerized cotton as evaluation indicator，it was found that the reaction temperature played the most important role in chemical degradation procedure，while reaction duration，bath ratio and oscillation frequency had minimal effects.

mercerized cotton；sulfuric acid；correction factor；testing chemical degradation

TS192.5

A

1673－0356（2015）06－0036－04

10.19507/j.cnki.1673-0356.2015.06.011

2015-07-20；

2015-08-29

李 瑩（1988-），女，助理工程師，碩士，主要從事面料成分分析工作。