竹筍殼纖維熱濕性能研究

倪海燕，付世偉

竹筍殼纖維熱濕性能研究

倪海燕1，付世偉2

（1. 閩江學(xué)院 服裝與藝術(shù)工程學(xué)院，福建 福州 350122；2. 福建省纖維檢驗(yàn)局，福建 福州 350026）

分析自然脫落竹筍殼提取物竹筍殼纖維的熱濕性能，為開發(fā)利用竹林資源竹筍殼提供理論依據(jù)。主要研究了竹筍殼纖維在不同熱處理溫度條件下的吸濕性能和放濕性能，分析熱濕條件對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率以及纖維摩擦性能的影響。結(jié)果表明：隨著溫度的升高和熱處理時(shí)間的增加，竹筍殼纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率逐漸下降；溫度對(duì)竹筍殼纖維的摩擦性能影響不大；隨著環(huán)境相對(duì)濕度的提高，竹筍殼纖維的斷裂強(qiáng)度不斷下降，斷裂伸長率變化平緩；濕度的增大，竹筍殼纖維的動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)都呈增大的趨勢，且相對(duì)濕度越高，纖維的靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值越大。

竹筍殼纖維；熱濕性能；拉伸；摩擦

竹筍殼纖維是從竹林中自然脫落竹筍殼中提取的一種新型天然纖維素纖維，竹筍殼是竹筍生長時(shí)的外層包皮，起保護(hù)竹筍的作用，隨著竹筍成竹自然脫落下來的農(nóng)副產(chǎn)品。我國竹資源十分豐富，是世界主要的產(chǎn)竹國，具有巨大的廉價(jià)竹筍殼原料市場。多年來，竹筍殼的研究應(yīng)用主要在食用、藥用及工藝制品等方面，其在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用幾乎空白，僅在一些服飾配件方面有所應(yīng)用[1]，開發(fā)竹筍纖維對(duì)豐富紡織用天然植物纖維資源和提高竹林資源竹筍殼的使用價(jià)值有很大的意義。從上世紀(jì)90年代后，人們開始關(guān)注豐富的竹林資源竹筍殼的應(yīng)用價(jià)值，最初的研究主要側(cè)重于食用和藥物用兩方面。竹筍殼在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用，近幾年才開始研究[2-4]。針對(duì)竹筍殼纖維的研究主要是提取工藝、纖維的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等方面[5-6]。為了能更深入地利用竹筍殼纖維資源，需要對(duì)纖維的性能做全面的研究，從而加快其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)進(jìn)程。本文主要研究竹筍殼纖維的熱濕性能，并分析不同的熱濕處理?xiàng)l件，對(duì)竹筍殼纖維拉伸性能和摩擦性能的影響，為竹筍殼纖維產(chǎn)品開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

竹筍殼原料采自福建省順昌縣華家山毛竹采育場，竹筍殼長在42～67 cm之間，寬度為16～25 cm。文中實(shí)驗(yàn)纖維試樣采用物理化學(xué)脫膠法提取，制得的竹筍殼纖維細(xì)度均值約1 100公支。

1.2 設(shè)備

YG747通風(fēng)式快速八籃烘箱，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；美國INSTRON5565型電子萬能材料強(qiáng)力機(jī)；Y151型纖維摩擦系數(shù)測定儀，常州第二紡織機(jī)械廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 竹筍殼纖維的吸放濕性能

測試熱處理對(duì)竹筍殼纖維吸放濕性能的影響，試驗(yàn)前依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9995-1997對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行充分調(diào)試，稱取一定量的竹筍殼纖維試樣，根據(jù)紡織纖維在加工和服用過程中的實(shí)際情況，分別將10 g纖維試樣放置于70、90、110、130和150℃的烘箱環(huán)境中加熱烘干，間隔一定時(shí)間記錄1次試樣的質(zhì)量，并繪制出纖維放濕過程中的質(zhì)量變化曲線。把經(jīng)過不同溫度烘干處理過的纖維試樣，置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中吸濕，觀察熱處理后竹筍殼纖維的吸濕性能。每隔一定時(shí)間測試?yán)w維試樣的質(zhì)量，并繪制出竹筍殼纖維吸濕質(zhì)量變化曲線[7]。

1.3.2 竹筍殼纖維的拉伸性能

竹筍殼纖維在不同熱濕條件下處理后，采用Instron5565萬能強(qiáng)力機(jī)測試?yán)w維的拉伸性能，夾持距離20 mm，預(yù)加張力0.2 cN，拉伸速度20 mm/min，每個(gè)試驗(yàn)測試50次，取其平均值，該試驗(yàn)測試指標(biāo)取斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率。

1.3.3 竹筍殼纖維的摩擦性能

在Y151型纖維摩擦系數(shù)測定儀上測試不同熱濕條件處理下的竹筍殼纖維的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)。采用絞盤法測試，在直徑為8 mm的金屬芯軸上，均勻地包覆一層纖維，做成摩擦用的纖維輥，然后調(diào)節(jié)纖維輥的空間位置，以保證測試試樣在纖維輥上的包圍角為180°，纖維兩端采用100 mg的張力夾，測定纖維各自的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)，動(dòng)態(tài)測試時(shí)纖維輥轉(zhuǎn)速為30 r/min，根據(jù)歐拉公式，纖維在絞盤上的摩擦系數(shù)可通過公式（1）求得[8-9]。

式中，f0為張力夾質(zhì)量，mg；m為扭力天平讀數(shù)，mg；θ為纖維與絞盤之間的包角；μ為纖維與絞盤之間的摩擦系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 竹筍殼纖維吸放濕性能受溫度的影響

竹筍殼纖維在不同熱處理溫度下的質(zhì)量變化情況，依據(jù)“1.3.1”的方法，可得出竹筍殼纖維的放濕質(zhì)量變化曲線，如圖1所示。由圖1可知，隨著熱處理溫度的升高，纖維烘干所需的時(shí)間越短；并且溫度越高，試樣開始階段質(zhì)量變化越快，曲線斜率越大，這說明纖維的放濕速度越快。這是由于纖維在熱處理初期，纖維內(nèi)部分子間的自由水較多，隨著溫度的增大，自由水分子的動(dòng)能增大，纖維的放濕速度就越快。在熱處理后期，纖維放濕量主要來源于纖維中與大分子緊密結(jié)合的水分子，此類水分子的蒸發(fā)需克服分子間氫鍵的作用，故纖維的放濕速度下降明顯[9-10]。

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，將上述熱處理烘干的5組試樣進(jìn)行吸濕試驗(yàn)，間隔一定時(shí)間稱取試樣質(zhì)量，得到試樣吸濕量變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，在吸濕初期約1.5 h內(nèi)，纖維的吸濕量增加很快；約4 h后，纖維的吸濕曲線變化趨于平緩，并且5條曲線基本重合，這說明熱處理溫度對(duì)竹筍殼纖維的吸濕能力損害不大。

圖1 竹筍殼纖維放濕受溫度的影響

圖2 竹筍殼纖維吸濕受溫度的影響

2.2 竹筍殼纖維拉伸性能受溫度的影響

將纖維試樣分別在不同溫度20、70、90、110、130和150℃的環(huán)境下熱處理10 min和30 min后，然后按“1.3.2”的方法測試?yán)w維的拉伸性能[11-12]，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 竹筍殼纖維斷裂強(qiáng)度受溫度的影響

圖4 竹筍殼纖維斷裂伸長率受溫度的影響

由圖3可知，竹筍殼纖維的斷裂強(qiáng)度隨著熱處理溫度的升高而降低，處理溫度低于110℃時(shí)，纖維強(qiáng)度下降不明顯，當(dāng)熱處理溫度高于此溫度后，竹筍殼纖維斷裂強(qiáng)度隨著溫度升高呈顯著下降，如110℃處理10 min后，斷裂強(qiáng)度降為原值的95%，而150℃處理10 min后斷裂強(qiáng)度僅為原值的80%；同時(shí)，熱處理時(shí)間對(duì)纖維的斷裂強(qiáng)度也有影響，在一定溫度下纖維斷裂強(qiáng)度隨熱處理時(shí)間的增加呈下降趨勢，如150℃處理10 min斷裂強(qiáng)度下降到80%，而150℃處理30 min后斷裂強(qiáng)度下降到65%。

由圖4可知，熱處理溫度低于110℃，纖維的斷裂伸長率變化不明顯，但高于110℃后，竹筍殼纖維斷裂伸長率隨著處理溫度的升高呈下降規(guī)律，如110℃處理10 min后纖維斷裂伸長率為原值的93%，150℃處理10 min后斷裂強(qiáng)度僅為原值的81%；處理時(shí)間對(duì)竹筍殼纖維的斷裂伸長率也有一定的影響，相同溫度下斷裂伸長率隨熱處理時(shí)間的增加呈下降趨勢，如150℃處理10 min斷裂強(qiáng)度為原值的81%，而150℃處理30 min后斷裂強(qiáng)度為原值的63%。

2.3 竹筍殼纖維摩擦性能受溫度的影響

纖維試樣在不同溫度20、70、90、110、130和150℃的條件下分別處理30 min后，置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下吸濕平衡，然后按照“1.3.3”的方法測試竹筍殼纖維的摩擦性能[13]，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可看出，經(jīng)不同熱處理溫度處理后，竹筍殼纖維間的摩擦系數(shù)差異不大，且靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值變化小，其原因竹筍殼纖維置于大氣環(huán)境下吸濕后，纖維表層含水量較多，含水量對(duì)纖維間的摩擦有影響，但由于熱處理對(duì)竹筍殼纖維的吸濕性能影響不大，故纖維之間的摩擦性差異很小。

表1 竹筍殼纖維摩擦性能受溫度的影響

2.4 竹筍殼纖維拉伸性能受濕度的影響

在相對(duì)濕度為10%、40%、65%、85%和95%的條件下，分別對(duì)竹筍殼纖維充分調(diào)濕，然后測試竹筍殼纖維的拉伸性能，測試方法依據(jù)“1.3.2”，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 竹筍殼纖維斷裂強(qiáng)度受濕度的影響

圖6 竹筍殼纖維斷裂伸長率受濕度的影響

由圖5可知，竹筍殼纖維的斷裂強(qiáng)度隨著相對(duì)濕度的增大不斷下降，當(dāng)相對(duì)濕度高于65%后，纖維的斷裂強(qiáng)度下降幅度變大；相對(duì)濕度為95%時(shí)纖維斷裂強(qiáng)度僅為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下纖維的65.7%。這是由于竹筍殼纖維吸收大量的水分，纖維吸濕膨脹明顯，使纖維中大分子鏈間的距離增大，分子鏈相互作用力變小，水分子鏈間部分交聯(lián)點(diǎn)被水分子破壞，從而導(dǎo)致竹筍殼纖維斷裂強(qiáng)度變小。

由圖6可看出，竹筍殼纖維的斷裂伸長率隨相對(duì)濕度的增大變化不大，呈平緩下降。這是由于隨著相對(duì)濕度的增大，竹筍殼纖維的吸濕量增加，大量水分子的進(jìn)入，使纖維中分子鏈間的滑移更容易；另外，由于纖維吸濕后斷裂強(qiáng)度變小，則總體而言，竹筍殼纖維的斷裂伸長率變化緩和。

2.5 竹筍殼纖維摩擦性能受濕度的影響

竹筍殼纖維分別在10%、40%、65%、85%和95%不同相對(duì)濕度下充分調(diào)濕后，環(huán)境溫度為20℃，然后測試?yán)w維的摩擦性能，測試方法見“1.3.3”，測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，竹筍殼纖維的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)都隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增加而增大，且相對(duì)濕度越高，纖維動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值越大。這主要是由于竹筍殼纖維具有較好的吸濕性能，纖維表層含水較多，纖維間表層的水分子依靠氫鍵作用緊密結(jié)合，從而增大纖維之間的粘著力，因此，竹筍殼纖維在紡紗織造過程中，要嚴(yán)格把控車間濕度。

表2 竹筍殼纖維摩擦性能受濕度的影響

3 討論

1）在不同熱處理溫度的條件下，溫度越高，竹筍殼纖維放濕速度越快；熱處理溫度對(duì)竹筍殼纖維的吸濕性能影響很小。

2）經(jīng)不同溫度和時(shí)間熱處理后，竹筍殼纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率都隨著溫度的升高而降低，溫度和時(shí)間具有等效作用，但溫度對(duì)纖維拉伸性能衰減的影響更大；隨著熱處理溫度的升高，纖維之間的摩擦系數(shù)相差不大。

3）隨著相對(duì)濕度的增大，竹筍殼纖維的斷裂強(qiáng)度下降明顯，但纖維的斷裂伸長率變化不大，呈平緩下降；纖維的動(dòng)靜摩擦系數(shù)都呈增大的趨勢，并且環(huán)境相對(duì)濕度越高，纖維的靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值越大，因此竹筍殼纖維在紡紗加工中應(yīng)重視車間濕度的調(diào)控。

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TS102.2

A

1004-8405(2015)02-0044-06

2015-01-19

閩江學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目（MYK14007）。

倪海燕（1980～），女，副教授；研究方向：紡織材料與功能性產(chǎn)品。mjuhaiyan@163.com