PMFT藤韌皮工藝?yán)w維制取工藝探索研究

藺 超，沈銀姣，崔運(yùn)花,2

(1.東華大學(xué)，上海 201620；2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

PMFT藤韌皮工藝?yán)w維制取工藝探索研究

藺 超1，沈銀姣1，崔運(yùn)花1,2

(1.東華大學(xué)，上海 201620；2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

文章采用堿煮工藝制取PMFT藤韌皮工藝?yán)w維，并以纖維的殘膠率、線密度、殘余木質(zhì)素含量、斷裂強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊正交法綜合評(píng)價(jià)工藝?yán)w維的性能。

韌皮纖維；脫膠；工藝

PMFT為蓼科藤本植物，是我國名貴中草藥，每年有大量PMFT藤被廢棄，然而據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，該藤韌皮部含有豐富的纖維素，可以發(fā)現(xiàn)纖維。本文采取預(yù)水及堿煮工藝制取纖維，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定了預(yù)處理與煮練過程的工藝數(shù)據(jù)范圍。利用試驗(yàn)分析預(yù)水時(shí)間、堿煮濃度、堿煮溫度、堿煮時(shí)間對(duì)纖維性能的影響。采用模糊數(shù)學(xué)及正交設(shè)計(jì)的理論方法，建立多個(gè)目標(biāo)評(píng)價(jià)值的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，解決各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化條件不一致的問題，對(duì)PMFT藤韌皮纖維的各指標(biāo)做出了合理的評(píng)價(jià)，以期開發(fā)不同長度的工藝?yán)w維。

1 工藝?yán)w維的制備

1.1 脫膠工藝

經(jīng)預(yù)水處理及堿煮制取PMFT藤韌皮工藝?yán)w維。工藝流程為:

試樣準(zhǔn)備→預(yù)浸→水洗→煮練→水洗→脫水→給油→適當(dāng)干燥→手工梳理→測(cè)試。

預(yù)水：時(shí)間X h，常溫，浴比1∶25。

堿煮：浴比1∶25。氫氧化鈉濃度Y g/L，無水亞硫酸鈉用量2 g/L，多聚磷酸鈉用量3 g/L，硅酸鈉用量3 g/L，堿煮時(shí)間Z h。

水洗：先用熱水洗至纖維無粘滑感，再用流動(dòng)水沖洗10 min。

給油：BSK 2%，時(shí)間30 min，常溫。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

工藝?yán)w維的物理性能主要從以下幾方面進(jìn)行表征，對(duì)纖維的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，探索制備PMFT藤韌皮纖維的較優(yōu)工藝。

1.2.1 殘膠率

參照GB5889—86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》中精干麻、無油精干麻及水麻殘膠率的分析方法。

1.2.2 殘余木質(zhì)素

參照GB5889—86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》中木質(zhì)素含量的定量分析方法。

1.2.3 線密度

采用中段切斷稱重法，夾持梳理的方法梳去其中短纖維，且使纖維完全伸直；然后用Y171B型切斷器切取20 mm長度的纖維，采用JN-B扭力天平(最大量程25 mg，分度值0.05 mg)稱重，統(tǒng)計(jì)纖維根數(shù)，根據(jù)定重制細(xì)度定義求出平均值。

1.2.4 斷裂強(qiáng)度

采用LLY-06E型電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)試?yán)w維強(qiáng)力，設(shè)定上下夾持器的夾持隔距為10 mm，拉伸速度為10 mm/min，測(cè)試50次，記下斷裂強(qiáng)力平均值，計(jì)算出斷裂強(qiáng)度。

1.2.5 長度分布

用手扯法整理試樣，將纖維按長短從左往右排列，用量尺測(cè)量纖維長度，并按10 mm纖維長度組距分組，15 mm長度以下歸為一組，按次序記錄各組長度，對(duì)應(yīng)稱量小絞質(zhì)量并記錄。

1.2.6 模糊數(shù)學(xué)的處理

(1)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集和對(duì)象

正交試驗(yàn)中涉及的指標(biāo)有殘膠率、殘余木質(zhì)素率，線密度及斷裂強(qiáng)度，因此以殘膠率、殘余木質(zhì)素率、線密度及斷裂強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)的指標(biāo)集，分

別記為Y1、Y2、Y3、Y4。U={Y1，Y2，Y3，Y4}。以正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的9組試驗(yàn)為評(píng)價(jià)對(duì)象集。D={d1，d2，…，d9}。

(2)建立隸屬函數(shù)

建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集U對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象集D的隸屬函數(shù)，隸屬度rmn在0～1之間，m=1，2，3，4；n=1，2，…，9。4個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)變成下列隸屬函數(shù)公式。

纖維殘膠率隸屬函數(shù)：

(1)

纖維木質(zhì)素含量隸屬函數(shù)：

(2)

纖維線密度隸屬函數(shù)：

(3)

纖維斷裂強(qiáng)度隸屬函數(shù)：

(2)

由隸屬函數(shù)值構(gòu)成模糊矩陣：

(5)

(3)建立質(zhì)量評(píng)定的權(quán)重系數(shù)

權(quán)重系數(shù)反映各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度，根據(jù)PMFT藤韌皮纖維的指標(biāo)因子，建立評(píng)定的權(quán)重系數(shù)A。A=[0.25(Y1)，0.25(Y2)，0.25(Y3)，0.25(Y4)]，簡(jiǎn)記作A=[0.25，0.25，0.25，0.25]。各指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值為G，由權(quán)重系數(shù)A與模糊矩陣R經(jīng)模糊變換得：G=A×R。

2 各因子對(duì)脫膠工藝的影響

確定脫膠工藝所需研究的參數(shù)和水平，建立PMFT藤韌皮脫膠實(shí)驗(yàn)因子水平表，正交表選用L9(43)，因子與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因子及水平表

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)PMFT藤韌皮纖維的殘膠率、木質(zhì)素含量、線密度、斷裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。通過9個(gè)實(shí)驗(yàn)得出PMFT藤工藝?yán)w維的各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)殘膠率、殘余木質(zhì)素、線密度、斷裂強(qiáng)度進(jìn)行分析，得出直觀分析表[1-2]，如表3所示。

表2 工藝?yán)w維各指標(biāo)值

從表3可以看出：四種因素對(duì)各指標(biāo)的影響程度不一致。對(duì)殘膠率的影響程度由大到小依次為：堿煮溫度、堿煮時(shí)間、堿煮濃度、預(yù)水時(shí)間；對(duì)殘余木質(zhì)素含量的影響程度依次為：堿煮溫度、堿煮濃度、堿煮時(shí)間、預(yù)水時(shí)間；對(duì)線密度的影響程度依次為：堿煮溫度、堿煮濃度、堿煮時(shí)間、預(yù)水時(shí)間；對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響程度依次為：堿煮濃度、堿煮時(shí)間、堿煮溫度、預(yù)水時(shí)間。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表

根據(jù)正交結(jié)果分析，得出各指標(biāo)的較優(yōu)工藝和最佳工藝，見表4。

由于各指標(biāo)的較優(yōu)工藝和最佳工藝存在差異，不能直觀地判斷纖維性能的優(yōu)良。因此，采用模糊數(shù)學(xué)[3]，綜合評(píng)價(jià)纖維的性能。表5列出了纖維的綜合評(píng)價(jià)值G。

表4 各考核指標(biāo)的因素組合

表5 各項(xiàng)指標(biāo)隸屬度值及綜合評(píng)價(jià)值

由表5可知：根據(jù)差值R的大小差異，判斷各因素對(duì)纖維性能的影響程度由大到小依次為：堿煮溫度、堿煮時(shí)間、堿煮濃度、預(yù)水時(shí)間。參照綜合指標(biāo)值G，根據(jù)G值得大小，對(duì)9種試驗(yàn)方案進(jìn)行排序，排在第一的為較優(yōu)工藝。PMFT藤韌皮纖維的脫膠優(yōu)化工藝的較優(yōu)工藝參數(shù)為：A1B3C3D3(即預(yù)水時(shí)間3 h、堿煮溫度100℃、堿煮濃度10 g/L、堿煮時(shí)間3 h)。PMFT藤韌皮纖維的脫膠優(yōu)化工藝為：A2B3C3D2，即預(yù)水時(shí)間2 h，堿煮濃度10 g/L，堿煮溫度100℃，堿煮時(shí)間2 h。

3 正交實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證及探索試驗(yàn)

對(duì)較優(yōu)工藝與最佳工藝的驗(yàn)證及與其他實(shí)驗(yàn)方案的比較。試驗(yàn)1為較優(yōu)工藝的驗(yàn)證，試驗(yàn)2為最優(yōu)工藝制備纖維的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，試驗(yàn)3至5為其他試驗(yàn)的比較。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

在各工藝條件下，纖維的殘膠率、木質(zhì)素含量、線密度、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率如表6所示。由試驗(yàn)1～3發(fā)現(xiàn)，堿煮時(shí)間的增加，有利于膠質(zhì)的去除，木質(zhì)素含量的降低，提高纖維細(xì)度，但同時(shí)損傷了纖維的強(qiáng)伸性能。由試驗(yàn)2、4、5發(fā)現(xiàn)，堿煮濃度的提高，也會(huì)產(chǎn)生同樣的效果。

表6 試驗(yàn)工藝參數(shù)及結(jié)果

纖維的長度直接影響其加工性能，因此對(duì)纖維長度的測(cè)量具有重要意義。由于PMFT藤平行伸直度差，伸直狀態(tài)復(fù)雜，經(jīng)手工剝皮后，再經(jīng)過脫膠、梳理之后纖維長度變化大、離散性大。另外，在堿煮過程中，膠質(zhì)的去除，使纖維間的聯(lián)系減弱，纖維的強(qiáng)力減弱，使纖維在梳理過程中易被分裂劈細(xì)。用多個(gè)指標(biāo)來表征長度：平均長度、長度變異系數(shù)、短纖率。由于PMFT藤韌皮纖維長度較短、斷裂強(qiáng)度小、存在并條現(xiàn)象等原因，參照GB/T18147.3—2000《大麻長度試驗(yàn)方法》中手排分組測(cè)量法，測(cè)定PMFT藤韌皮纖維的長度分布[4-5]。各工藝條件下，長度指標(biāo)值見表7。

表7 試驗(yàn)工藝參數(shù)及長度指標(biāo)

從表7中可以看出，纖維的平均長度分布在36～44 mm，長度變異系數(shù)較高，達(dá)50%以上，短絨率為13%～19%。在相同濃度下，隨著堿煮時(shí)間的延長，纖維的平均長度、主體長度下降，短纖率上升。堿煮時(shí)間相同，纖維的長度隨著堿煮濃度的增加而略有下降。堿煮濃度、時(shí)間過長，脫膠過度，纖維的損傷程度變大，使纖維的長度變異系數(shù)增大，短纖率增加，可紡性能降低。但若堿煮濃度、時(shí)間縮短會(huì)導(dǎo)致脫膠不足，工藝?yán)w維雖長度增加，但其線密度過大，可紡性降低。

纖維長度分布在一定的范圍值內(nèi)。圖1所示為5種纖維的長度-質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖，不同的堿煮工藝，纖維的長度-質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布各不相同。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，更傾向于選擇短絨率較少的工藝。因此，通過對(duì)工藝條件的控制，使長短纖維之間的比例分配更趨合理，從而達(dá)到提高紡紗效果的目的。如圖1所示，5種試驗(yàn)方案所得的纖維的短絨率都較高，隨著堿煮時(shí)間的延長，纖維短絨率增加。各纖維的長度主要分布在10～50 mm，纖維最長長度未超過110 mm。

圖1 纖維長度—質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

紡織纖維的基本物理機(jī)械指標(biāo)與紡織加工及紗線質(zhì)量密切相關(guān)。表8所示為何首烏藤韌皮纖維與其他纖維的長度、細(xì)度比較，何首烏藤韌皮纖維的工藝長度較短，斷裂強(qiáng)度較低，但纖維細(xì)度具有優(yōu)勢(shì)，斷裂伸長與其他纖維接近。通過不斷改善制備工藝，進(jìn)一步提高纖維的長度及斷裂強(qiáng)度，可應(yīng)用于紡織加工。

表8 其他纖維的長度、細(xì)度及強(qiáng)伸性數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文對(duì)PMFT韌皮纖維的堿煮制取工藝進(jìn)行了探索研究，通過試驗(yàn)分析得出以下結(jié)論：

4.1 堿煮處理有利于膠質(zhì)的去除，改善纖維細(xì)度，但纖維損傷程度變大，纖維強(qiáng)伸性能下降。影響纖維可紡性的主要因素為堿煮溫度、堿煮時(shí)間、堿煮濃度。

4.2 通過正交實(shí)驗(yàn)探索的優(yōu)化工藝為：預(yù)水時(shí)間2 h，堿煮濃度10 g/L，堿煮溫度100℃，堿煮時(shí)間2 h。纖維各指標(biāo)為：殘膠率8.21%，殘余木質(zhì)素含量6.98%，線密度17.25 dtex，斷裂強(qiáng)度1.38 cN/dtex。

4.3 堿煮工藝對(duì)纖維的損傷較大，纖維短纖率、長度變異系數(shù)較大，強(qiáng)伸性下降。因工藝參數(shù)不同，纖維的可紡性指標(biāo)數(shù)值略有不同，纖維的各指標(biāo)值分布在如下范圍：平均長度36～44 mm；長度變異系數(shù)52%～58%；短纖率13%～19%；主體長度50～54 mm；線密度17～19 dtex；斷裂強(qiáng)度1.34～1.50 cN/dtex，斷裂伸長率3.14%～3.84%。

[1] 曹穎.亞麻纖維的精細(xì)化改性和可防性能的研究[D].上海：東華大學(xué),2005.

[2] 徐蓓蕾.黃麻纖維精細(xì)化改性和可防性能研究[D].上海：東華大學(xué),2007.

[3] 李龍,趙領(lǐng)航.棉秸稈提取天然纖維素纖維的工藝及其纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)[J].紡織學(xué)報(bào),2013,34(2):13—17.

[4] 王威,黃故.椰殼纖維長度分布[J].紡織學(xué)報(bào),2008,29(9):9—12.

[5] 高雙鳳,李龍,趙亞梅.棉稈皮纖維的長度分布[J].纖維素科學(xué)與術(shù),2012,20(3):39—42.

Research on the Refining Process of PMFT Rattan Pholem Fiber

LinChao1,ShenYinjiao1,CuiYunhua1.2

(1.Donghua University,Shanghai 201620,China; 2. Key Laboratory of Textile Science&Technology of Ministry of Education,Shanghai 201620,China)

Processing fiber of PMFT Rattan pholem were derived by alkali cooking.The fibre′s properties were evaluated by orthogonal experiments that took residual gum,residual lignin content,linear density,fracture strength as indicators.

bast fiber; degumming; technology

2014-12-03

藺 超(1988—)，男,內(nèi)蒙古烏蘭布察人,碩士研究生。

TS102

A

1009-3028(2015)01-0001-06