NMMO處理對(duì)苧麻纖維性能的影響

張明明, 張　斌, b, 郁崇文, b, 丁金花

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

NMMO處理對(duì)苧麻纖維性能的影響

張明明a, 張斌a, b, 郁崇文a, b, 丁金花a

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

研究了苧麻纖維在N- 甲基嗎啉-N- 氧化物(NMMO)溶液處理后纖維性能的變化．通過(guò)對(duì)處理溫度、處理時(shí)間和NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)等影響因素的研究，得出：隨著處理溫度的升高、處理時(shí)間的延長(zhǎng)和NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，苧麻纖維的斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)呈增加趨勢(shì)，纖維的柔軟性能變好；溫度70 ℃、時(shí)間30 min、NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%為較佳的處理工藝．

苧麻纖維； N- 甲基嗎啉-N- 氧化物；(NMMO)； 性能

苧麻纖維制成的衣服具有挺括、涼爽、吸濕排汗等特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是穿著刺癢．苧麻纖維強(qiáng)力高、伸長(zhǎng)低，模量和扭轉(zhuǎn)剛度大，不易彎曲[1-3]，纖維表現(xiàn)出剛硬的特點(diǎn)，其產(chǎn)生刺癢感的本質(zhì)原因是苧麻纖維結(jié)晶度高、晶區(qū)大，纖維的彈性及柔軟性能較差[4-5]．因此，通過(guò)消晶的方法來(lái)降低苧麻纖維的結(jié)晶度，使其柔軟性能得到改善，是解決苧麻纖維剛硬問(wèn)題的有效途徑之一．

傳統(tǒng)堿液處理中，苧麻精干麻在氫氧化鈉溶液中會(huì)發(fā)生明顯的溶脹現(xiàn)象，溶脹后的精干麻斷裂伸長(zhǎng)率得到提高[6]；苧麻纖維通過(guò)乙二胺/尿素/水混合液的晶內(nèi)溶脹和消晶作用，使得纖維的化學(xué)反應(yīng)性能得到提高[7]．但是，傳統(tǒng)的處理方法存在著較大的環(huán)境污染．N- 甲基嗎啉 -N- 氧化物(NMMO)是一種無(wú)毒可循環(huán)應(yīng)用的試劑，NMMO分子中的強(qiáng)極性官能團(tuán)(N—O)上氧原子可以和纖維素大分子中的羥基形成氫鍵，這種作用先在纖維素的非晶區(qū)進(jìn)行，然后逐漸深入晶區(qū)內(nèi)部[8]，使得晶區(qū)減小，無(wú)定形區(qū)增加，纖維剛度下降．文獻(xiàn)[8]研究指出，苧麻纖維在NMMO水溶液中發(fā)生溶脹現(xiàn)象，纖維直徑明顯增大，但未對(duì)纖維性能的影響進(jìn)行研究．文獻(xiàn)[9]研究指出，在90 ℃時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于65%的NMMO溶液可以使纖維均勻溶脹而不溶解，說(shuō)明控制好NMMO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以實(shí)現(xiàn)均勻溶脹纖維素，這為NMMO用于苧麻纖維的柔軟處理提供了基礎(chǔ)．

本文利用NMMO溶液處理苧麻纖維，研究NMMO溶液處理對(duì)苧麻纖維性能的影響，尤其是對(duì)柔軟性能的影響．

1　試驗(yàn)部分

1.1主要試驗(yàn)材料

苧麻精干麻(堿煮法脫膠)，大竹縣金橋麻業(yè)有限責(zé)任公司，其性能如表1所示.質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的NMMO溶液，廣州沃凱化學(xué)試劑有限公司．

表1　苧麻纖維性能Table 1　Properties of degummed ramie fibers

1.2主要試驗(yàn)儀器及設(shè)備

DK-S16型水浴鍋；FA2004A型電子天平；Y802A型烘箱；YG003A型電子單纖強(qiáng)力儀；Y171B型(刀口寬度15 mm)中段切斷器；HG214-JN-B型扭力天平；Y331N+ 型電子單紗捻度儀．

1.3NMMO溶液對(duì)苧麻纖維的處理

稱取一定質(zhì)量的精干麻，烘干至恒重，待用．將精干麻置于浴比為1∶20的一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NMMO溶液中，水浴升溫至一定溫度，處理一定時(shí)間后取出苧麻纖維，水洗，烘干．

1.4苧麻纖維線密度的測(cè)試

將NMMO處理后的苧麻纖維在相對(duì)濕度為(65±2)%、溫度為(20±1) ℃的恒溫恒濕室中放置48 h，然后用中段切斷稱重法測(cè)試苧麻纖維的線密度．將纖維用鋼梳梳理整齊平行，在中段切斷器上切斷，在扭力天平上稱取束纖維的質(zhì)量m，并測(cè)量其根數(shù)n，按式(1)計(jì)算纖維線密度Tt.

(1)

式中：Tt為麻纖維的線密度，tex；m為束纖維的質(zhì)量，g；n為束纖維的根數(shù)，根．

1.5苧麻纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試

將NMMO處理后的精干麻纖維在相對(duì)濕度為(65±2)%、溫度為(20±1) ℃的恒溫恒濕室中放置48 h，然后在電子單纖強(qiáng)力儀上測(cè)出斷裂強(qiáng)力以及斷裂伸長(zhǎng)率．預(yù)加張力為0.3 cN，夾持距離為20 mm，拉伸速度為20 mm/min．每個(gè)試樣測(cè)試200根纖維，取其平均值．

1.6苧麻纖維柔軟性能的測(cè)試

目前尚無(wú)評(píng)價(jià)紡織纖維柔軟性能的指標(biāo)．纖維柔軟，則其易彎曲扭轉(zhuǎn)，因此，纖維的柔軟性能影響其彎曲扭轉(zhuǎn)等性能，與纖維的彎曲扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān)．鑒于此，本文借鑒紗線加捻的方法，采用一次退捻加捻，將纖維回轉(zhuǎn)至斷裂，以斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)衡量纖維的柔軟性能，如纖維柔軟性能越好，則其斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)越大．

將NMMO處理后的苧麻纖維在相對(duì)濕度為(65±2)%、溫度為(20±1) ℃的恒溫恒濕室中放置48 h，使用電子單紗捻度儀測(cè)試?yán)w維的斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)．樣品夾持長(zhǎng)度為100 mm，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，預(yù)加張力為1.0 cN，一次退捻加捻，記錄纖維回轉(zhuǎn)至斷裂時(shí)的回轉(zhuǎn)數(shù)．每個(gè)試樣測(cè)試200根纖維，取其平均值．

2　結(jié)果與討論

2.1處理溫度對(duì)NMMO處理效果的影響

不同溫度下，將苧麻纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NMMO溶液中處理30 min，然后測(cè)試其性能．處理后，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度的變化曲線如圖1所示.

圖1　不同溫度下苧麻纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化Fig.1　The variations of breaking tenacity and breaking elongation of ramie fibers under different temperatures

由圖1可知，隨著溫度的升高，纖維斷裂強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)．溫度升高后，NMMO分子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，進(jìn)入纖維內(nèi)部的可能性增大，與纖維素大分子上的羥基結(jié)合，破壞纖維素大分子之間原有的氫鍵，纖維斷裂強(qiáng)度下降．當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，纖維的斷裂強(qiáng)度已降至3.65 cN/dtex，如再升高溫度，則纖維強(qiáng)度難以滿足后續(xù)紡紗的要求，故處理溫度不宜超過(guò)70 ℃．由圖1還可看出，溫度低于50 ℃時(shí)，纖維的斷裂伸長(zhǎng)率無(wú)明顯變化，當(dāng)溫度從50 ℃升溫到55 ℃時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率的增幅較明顯，之后隨著溫度的升高，斷裂伸長(zhǎng)率呈逐步增加的趨勢(shì)．這可能是因?yàn)楫?dāng)溫度低于50 ℃時(shí)，NMMO分子運(yùn)動(dòng)能量不足以達(dá)到較大規(guī)模破壞纖維大分子之間氫鍵的水平，宏觀表現(xiàn)為斷裂伸長(zhǎng)率無(wú)明顯變化；當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，纖維素大分子之間的氫鍵被大規(guī)模破壞，晶區(qū)比例下降，無(wú)定形區(qū)增加，斷裂伸長(zhǎng)率有所提高．

苧麻纖維的柔軟性能隨溫度的變化曲線如圖2所示．由圖2可知，隨著溫度的升高，苧麻纖維的斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加，柔軟性能漸好．溫度升高后，NMMO分子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，進(jìn)入纖維素大分子內(nèi)部的可能性增大，纖維素大分子之間的氫鍵被破壞，晶區(qū)降低，無(wú)定形區(qū)比例增大，苧麻纖維的斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加，纖維的柔軟性能逐漸變好．

圖2　不同溫度下苧麻纖維的柔軟性能Fig.2　The softness of ramie fibers under different temperatures

綜合考慮纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)等指標(biāo)，當(dāng)溫度為70 ℃時(shí)纖維處理效果較好．該溫度下，纖維斷裂強(qiáng)力為29.82 cN，斷裂伸長(zhǎng)率為4.26%，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)為348次．與未處理的苧麻纖維相比，斷裂強(qiáng)度下降了27.66%，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)分別提高了44.41%和34.43%．

2.2處理時(shí)間對(duì)NMMO處理效果的影響

溫度為70 ℃，苧麻纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NMMO溶液中處理不同時(shí)間，然后測(cè)試其性能．處理后，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨處理時(shí)間的變化曲線如圖3所示.

圖3　不同時(shí)間下苧麻纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化Fig.3　The variations of breaking tenacity and breaking elongation of ramie fibers with different treating time

由圖3可知，隨著時(shí)間的增加，在前20 min內(nèi)，纖維斷裂強(qiáng)度的下降和斷裂伸長(zhǎng)率的增加均較明顯，20 min后，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率基本保持不變．時(shí)間增加可使NMMO分子進(jìn)入纖維內(nèi)部的幾率增大，破壞纖維素大分子之間氫鍵的概率變大，故纖維斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加；20 min之后，纖維溶脹達(dá)到平衡，故纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率基本保持不變．

苧麻纖維的柔軟性能隨處理時(shí)間的變化曲線如圖4所示．由圖4可知，隨著時(shí)間的增加，纖維斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加，柔軟性能逐漸變好．前30 min柔軟性能得到明顯改善，30 min之后，柔軟性能的改善趨于平衡．隨著處理時(shí)間的增加，NMMO分子進(jìn)入纖維內(nèi)部的概率變大，纖維素大分子之間的氫鍵被破壞，無(wú)定形區(qū)增大，纖維扭轉(zhuǎn)剛度下降，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加，纖維的柔軟性能得到明顯提高．30 min后纖維溶脹達(dá)到平衡，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)基本保持不變，柔軟性能趨于不變．

圖4　不同處理時(shí)間下苧麻纖維的柔軟性能Fig.4　The softness of ramie fibers with different treating time

綜合考慮苧麻纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)等指標(biāo)，處理時(shí)間選擇30 min較適宜．該時(shí)間下，纖維斷裂強(qiáng)力為22.69 cN，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)分別為4.19%和341次．與未處理的苧麻纖維相比，斷裂強(qiáng)度下降了31.14%，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)分別提高了42.03%和31.61%．

2.3NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NMMO處理效果的影響

溫度為70 ℃，苧麻纖維在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NMMO溶液中處理30 min，然后測(cè)試其性能．處理后，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖5所示.由圖5可知，隨著NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，纖維斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加．NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高后，更多的NMMO分子進(jìn)入晶區(qū)內(nèi)，破壞纖維素大分子之間的氫鍵，結(jié)晶區(qū)減少，無(wú)定形區(qū)增加，以致纖維斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加．從斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率考慮，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的NMMO溶液處理后纖維性能較好，因?yàn)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)40%和50%下纖維的斷裂強(qiáng)度太低，無(wú)法滿足后續(xù)紡紗要求，故選擇30%為處理的最佳NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

圖5　不同NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下苧麻纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化Fig.5　The variations of breaking tenacity and breaking elongation of ramie fibers with different mass fraction of NMMO

苧麻纖維的柔軟性能隨NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖6所示．由圖6可知，隨著NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，纖維斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加，柔軟性能總體呈變好趨勢(shì)．NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在低于20%時(shí)，纖維斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加不太明顯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%后，纖維斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加很明顯．NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高后，NMMO分子進(jìn)入到晶區(qū)內(nèi)部破壞纖維素大分子之間氫鍵的概率增加，晶區(qū)破壞后無(wú)定形區(qū)增加，纖維的扭轉(zhuǎn)剛度降低，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加，纖維的柔軟性能得到改善．

圖6　不同NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下苧麻纖維的柔軟性能Fig.6　The softness of ramie fibers with different mass fraction of NMMO

綜合考慮苧麻纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)等指標(biāo)，NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)為最佳．在該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，纖維斷裂強(qiáng)力為32.05 cN，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)分別為4.73%和398次．與未處理的苧麻纖維相比，斷裂強(qiáng)度下降了40.11%，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)分別提高了60.34%和53.67%．

3　結(jié)　語(yǔ)

(1) 隨著處理溫度的升高、處理時(shí)間的延長(zhǎng)和NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，苧麻纖維的斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)呈增加趨勢(shì)，纖維的柔軟性能變好．

(2) 通過(guò)不同工藝條件下，對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)的分析比較，NMMO處理苧麻纖維的較佳工藝為：溫度為70 ℃，處理時(shí)間為30 min，NMMO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%．

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Effect of NMMO on Property of Ramie Fibers

ZHANGMing-minga,ZHANGBina, b,YUChong-wena, b,DINGJin-huaa

(a. College of Textiles; b. Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education, Donghua University,Shanghai 201620, China)

The properties of ramie fibers treated by N-methylmorpholine-N-oxide(NMMO) solution were studied. By the investigation of temperature, time and the mass fraction of NMMO, some conclusions were drawn. The breaking tenacity of ramie fibers showed down trend along with the increasing of temperature, time and the mass fraction of NMMO, while the breaking elongation and the breaking rotation number of ramie fibers were increased. The softness of ramie fibers was gotten better. The optimum conditions of treating in NMMO solution were 70 ℃, 30 min and 30% NMMO mass fraction.

ramie fibers； N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO)；property

1671-0444(2015)03-0293-04

2014-03-17

國(guó)家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CARS-19)

張明明(1990—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)槠r麻纖維改性.E-mail: zhangmm199045@126.com

張斌(聯(lián)系人)，男，副教授，E-mail: zhangbin@dhu.edu.cn

TS 102.2

A