棉織物耐酸堿性對比實(shí)驗(yàn)研究

棉織物耐酸堿性對比實(shí)驗(yàn)研究

郭璨1， 李淑靜1， 田廣菓1， 李亮1,2， 劉讓同1,2

(1.中原工學(xué)院； 2. 河南省功能性紡織材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州， 450007)

摘要：對棉織物經(jīng)過酸堿溶液處理后剩余強(qiáng)度下降速度和下降幅度方面的差異進(jìn)行了量化研究。在下降速度方面，酸的破壞為先快后慢，堿的破壞為先慢后快，但都表現(xiàn)出一個(gè)拐點(diǎn)：堿濃度的拐點(diǎn)是130 g/L，硫酸濃度的拐點(diǎn)則是35 g/L；在下降幅度方面，增加相同濃度，酸對棉織物造成的強(qiáng)度下降程度大于堿造成的結(jié)果，其原因與纖維素大分子結(jié)構(gòu)以及酸堿與棉織物的反應(yīng)機(jī)理有關(guān)。

關(guān)鍵詞：棉織物；剩余強(qiáng)度；下降速度；下降幅度

收稿日期：2015-03-23

作者簡介：郭璨(1989-)，女，河南濟(jì)源人，碩士生。

文章編號：1671-6906(2015)04-0028-04

中圖分類號：TS111

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.04.007

Abstract:After the cotton fabric is treated with acid and alkali solution, its residual strength will decline, but there are some differences in decline rate and decline range. In terms of decline rate, the damage of acid is firstly quick and then become slow, while the damage of alkali is firstly slow and then become quick, but they all show an inflexion. Among them, the alkali concentration is 130g/L, and the concentration of sulfuric acid solution is 35g/L. In terms of decline range, when adding the same concentration, the strength loss of cotton fabric resulted from the acid is greater than the alkali. The reason is related to the macromolecular structure and the reaction mechanism between acid-base and cotton fabric.

一般來說棉織物耐堿不耐酸[1-3]。人們對纖維素的耐堿性做過一些研究：郁崇文等研究了堿處理對劍麻纖維性能的影響[4]；曹穎等探討了燒堿濃度對亞麻落麻纖維性能的影響[5]；劉杰等利用堿處理方法對木棉紗線的形態(tài)結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究[6]；趙小平等對棉纖維堿處理后的微觀特征和染色性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了棉纖維堿處理工藝[7]。棉纖維對堿的抵抗能力較大，但會(huì)引起橫向膨化，濃堿會(huì)使棉纖維溶脹并破壞部分結(jié)晶，導(dǎo)致纖維的結(jié)晶度下降25%左右[7]，這也是棉纖維絲光處理的依據(jù)。纖維素對酸比較敏感，酸主要是對纖維素中甙鍵的水解起催化作用，使纖維素聚合度降低，特別是一些強(qiáng)無機(jī)酸(硫酸、硝酸、鹽酸)作用最為強(qiáng)烈。1990年，趙慧峰研究了在棉織物漂白中酸的應(yīng)用[8]。國外早在70年代就開始從事棉防酸產(chǎn)品的開發(fā)，到如今公開發(fā)表這方面的文獻(xiàn)有十幾篇[9]。棉織物的耐酸堿性究竟如何、兩者有何區(qū)別，目前不是很明確，本文將對此展開研究，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

平紋棉織物(規(guī)格為32.66×28.17×238×190.5，織物的經(jīng)向強(qiáng)度為314 N)、硫酸、氫氧化鈉。

1.2表征指標(biāo)與測試方法

表征指標(biāo)為剩余強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度變化率。其中剩余強(qiáng)度采用扯邊紗條樣法在YG061-1500織物強(qiáng)力機(jī)(萊州市電子儀器有限公司生產(chǎn))上進(jìn)行測試，為減少實(shí)驗(yàn)誤差，每種情況下測試5塊并取其平均值。剩余強(qiáng)度變化率計(jì)算公式為：

(1)

式中：Q(i)表示經(jīng)第i種條件處理后織物的經(jīng)向剩余強(qiáng)度；C代表濃度；c則代表某一具體濃度值；a(Q,Cc)分別表示在Cc條件下的剩余強(qiáng)度變化率；x(i)為第i種條件下的濃度，1代表濃度序列中的第一個(gè)值，n代表濃度序列中的最后一個(gè)值。

1.3堿對棉織物的處理實(shí)驗(yàn)

處理時(shí)間30 min，處理溫度為65 ℃，不同氫氧化鈉濃度對棉織物拉伸強(qiáng)度的影響如表1所示。

1.4酸對棉織物的處理實(shí)驗(yàn)

處理時(shí)間為30 min，處理溫度為65 ℃，不同硫酸濃度對棉織物拉伸強(qiáng)度的影響如表2所示。

表1　氫氧化鈉濃度對棉織物拉伸強(qiáng)度的影響

表2　硫酸濃度對棉織物拉伸強(qiáng)度的影響

2分析與討論

2.1經(jīng)氫氧化鈉處理后棉織物的強(qiáng)度損失分析

由表1可以看出，隨著氫氧化鈉濃度的增大，棉織物的剩余強(qiáng)度有下降的趨勢，具體見圖1。對于棉織物，堿只能與纖維素大分子上的羥基發(fā)生作用，形成堿纖維素，它是一種不穩(wěn)定的化合物，經(jīng)水洗后仍能恢復(fù)為原來的纖維素大分子結(jié)構(gòu)，但纖維的超分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。堿液使纖維發(fā)生膨化而破壞部分結(jié)晶區(qū)，使結(jié)晶區(qū)減少，無定形區(qū)增加。因此，棉織物經(jīng)過氫氧化鈉溶液處理后剩余強(qiáng)度會(huì)下降。

圖1　氫氧化鈉濃度與剩余強(qiáng)度的變化曲線

從表1和圖1可以看出，在堿濃度的整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，棉織物的剩余強(qiáng)度下降速度是不一樣的，濃度130 g/L是一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。當(dāng)濃度小于130 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度整體下降速度為a(Q,C<130)=0.149 N/(g/L)，而當(dāng)濃度大于130 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度整體下降速度為a(Q,C>130)=0.532 N/(g/L)。即當(dāng)堿濃度小于130 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度的變化相對較慢；當(dāng)濃度大于130 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度的變化較快。這是因?yàn)橄A溶液只是與棉纖維無定形區(qū)中的羥基發(fā)生作用形成堿纖維素，既沒有破壞大分子主鏈，也沒有對結(jié)晶區(qū)造成破壞，不會(huì)使棉織物強(qiáng)度明顯下降；而濃堿溶液，尤其當(dāng)濃度超過130 g/L時(shí)，有足夠的化學(xué)勢去浸潤、膨脹纖維中的結(jié)晶區(qū)，形成更多的堿纖維素，甚至使纖維素大分子脫離纖維進(jìn)入溶液中，最終使棉織物的剩余強(qiáng)度下降速度加快。

2.2經(jīng)硫酸處理后棉織物的強(qiáng)度損失分析

由表2可以看出，隨著硫酸濃度的增大，棉織物的剩余強(qiáng)度有下降趨勢，具體見圖2。纖維素遇酸后，酸對纖維素分子中的甙鍵水解起催化作用，水解后形成聚合度不同的混合物，即水解纖維素；水解纖維素若繼續(xù)與酸作用，聚合度降至50左右成為纖維素糊精；如果纖維素中甙鍵完全水解斷裂則產(chǎn)物是葡萄糖。所以棉織物經(jīng)硫酸溶液處理后，其強(qiáng)度下降是必然的。

圖2　硫酸濃度與剩余強(qiáng)度的變化曲線

從表2和圖2可以看出，在硫酸濃度的整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，棉織物的剩余強(qiáng)度下降速度是不一樣的，濃度35 g/L是一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。當(dāng)濃度小于35 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度整體下降速度為a(Q,C<35)=3.433 N/(g/L)，而當(dāng)濃度大于35 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度整體下降速度為a(Q,C>35)=0.330 N/(g/L)。對比之下，當(dāng)硫酸濃度小于35 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度的變化相對較快，當(dāng)濃度大于35 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度的變化較慢，說明硫酸溶液濃度較低時(shí)棉織物的損傷速度較大，而硫酸濃溶液對棉織物的損傷速度相對較小。

可以這樣理解：當(dāng)棉織物受酸作用時(shí)，酸能很快地滲入到棉纖維的無定形區(qū)，無定形區(qū)的纖維素鏈?zhǔn)紫人?，出現(xiàn)強(qiáng)度損失；隨著酸量的增加，纖維素水解進(jìn)一步嚴(yán)重，就會(huì)在無定形區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)大分子主鏈的斷裂，較小的鏈段將逐漸增加，強(qiáng)力損傷的增量也會(huì)增加，其結(jié)果就是使纖維素在溶液中的流度迅速增高，大分子很容易分散流動(dòng)，在這個(gè)階段棉織物強(qiáng)度損失的加速度比較大。無定形區(qū)一旦被完全破壞后，由于酸對結(jié)晶區(qū)的滲透很緩慢，因此水解反應(yīng)也變得緩慢，這樣可使纖維素大分子的流度達(dá)到一個(gè)平衡值，若打破這種平衡則需要更多的酸，在這個(gè)階段棉織物強(qiáng)度損失的加速度就會(huì)變小，使強(qiáng)度降低速度變得緩慢一些。

2.3棉織物經(jīng)氫氧化鈉和硫酸溶液處理后的對比分析

從表2和表3可以看出，堿溶液的濃度范圍是10～240 g/L，酸溶液的濃度范圍是5～200 g/L時(shí)，對應(yīng)的棉織物剩余強(qiáng)度范圍是：堿為287.6～211.2 N，酸為273～115.6 N，說明硫酸溶液對棉織物造成的損傷明顯大于氫氧化鈉溶液造成的損傷。

棉織物經(jīng)酸堿溶液分別處理后強(qiáng)度均是下降的，但兩者下降的速度不一樣。在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，堿溶液使棉織物強(qiáng)度下降的速度是0.332 N/(g/L)(整個(gè)范圍內(nèi)的平均值:(287.6-211.2)/(240-10))，而酸溶液為0.807 N/(g/L)(整個(gè)范圍內(nèi)的平均值:(273-115.6)/(200-5))。在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)棉織物強(qiáng)度下降速度的分布中，存在明顯的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前酸溶液造成的強(qiáng)度下降速度3.433 N/(g/L)明顯大于堿溶液造成的棉織物下降速度0.149 N/(g/L)，在拐點(diǎn)之后兩者分別為0.330 N/(g/L)和0.532 N/(g/L)，相對比較接近。

上述結(jié)果也是酸堿溶液對棉織物破壞機(jī)理差異的一種表現(xiàn)，堿只與纖維素大分子中的羥基發(fā)生反應(yīng)，會(huì)影響纖維的超分子結(jié)構(gòu)，但不危及大分子主鏈，造成棉織物強(qiáng)度下降是有限的；而酸則不同，酸會(huì)對纖維素大分子主鏈上的甙鍵水解起催化作用，加速纖維素的水解，使纖維素大分子降解為纖維素短鏈，甚至變成葡萄糖，使棉織物的強(qiáng)度明顯下降，所以酸溶液對棉織物會(huì)造成更深的損傷。

由圖1和圖2可以看出，雖然棉織物經(jīng)酸堿溶液處理后強(qiáng)度均下降，但下降規(guī)律和趨勢是不同的，堿溶液造成的是凸型下降，酸溶液造成的則是凹型下降。其原因與纖維素大分子結(jié)構(gòu)、酸堿與棉織物的反應(yīng)機(jī)理等有關(guān)。眾所周知，纖維素是由葡萄糖?；ㄟ^甙鍵鏈接的高分子聚合物，作為鏈節(jié)的葡萄糖?；?，擁有3個(gè)羥基、1個(gè)甙鍵。堿溶液主要與羥基作用形成堿纖維素，酸溶液只是對甙鍵的水解起催化作用。從數(shù)量上講，形成1 mol的堿纖維素需要消耗3 mol的NaOH，相當(dāng)于消耗120 g/L堿，而甙鍵的水解則只需要硫酸一一對應(yīng)即可，即1 mol甙鍵需要1 mol硫酸，相當(dāng)于98 g/L硫酸。因此要使纖維達(dá)到同樣的強(qiáng)度下降，NaOH的消耗量明顯多于硫酸的消耗量，即實(shí)現(xiàn)棉織物相同的強(qiáng)度下降需要較小硫酸濃度。在相同的濃度變化條件下，酸造成棉織物強(qiáng)度下降的曲線陡峭，而堿造成棉織物強(qiáng)度下降的曲線則比較平緩。當(dāng)無定形區(qū)反應(yīng)結(jié)束后，對于結(jié)晶區(qū)，堿溶液首先需要去浸潤、膨脹，然后反應(yīng)形成堿纖維素。由于結(jié)晶區(qū)的破壞，提高了堿纖維素在溶液中的流度，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度下降；而硫酸溶液只是催化甙鍵的水解，不能浸潤和膨脹結(jié)晶區(qū)，只有與硫酸接觸的甙鍵才會(huì)水解，而結(jié)晶區(qū)內(nèi)部的大分子無法接觸到硫酸溶液，無法實(shí)現(xiàn)結(jié)晶區(qū)中其他大分子甙鍵的水解，從而使纖維的強(qiáng)度下降減緩。

3結(jié)語

經(jīng)過酸堿溶液處理后，棉織物剩余強(qiáng)度會(huì)下降，但下降速度和下降幅度有差異。

(1)下降速度：酸的破壞為先快后慢，堿的破壞為先慢后快，都表現(xiàn)出來一個(gè)拐點(diǎn)。在堿濃度的整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)，130 g/L是一個(gè)明顯的濃度拐點(diǎn)。當(dāng)堿濃度小于130 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度和強(qiáng)度損失率的變化相對較??；當(dāng)濃度大于130 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度和強(qiáng)度損失率的變化較大。在硫酸濃度的整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)，35 g/L是一個(gè)明顯的濃度拐點(diǎn)，當(dāng)濃度小于35 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度整體下降速度大；而當(dāng)濃度大于35 g/L時(shí)，剩余強(qiáng)度整體下降速度小。

(2)下降幅度：相同濃度條件下，酸對棉織物造成的損傷大于堿對棉織物造成的損傷。

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(責(zé)任編輯：姜海芹)

Experimental Comparative Study on Acid-base and

Resistance Properties of Cotton Fabric

GUO Can1, LI Shu-jing1, TIAN Guang-guo1, LI Liang1,2, LIU Rang-tong1,2

(1.Zhongyuan University of Technology;

2.The Key Laboratory of Functional Garment Material in Henan Province， Zhengzhou 450007, China)

Key words:cotton fabric; residual strength; descending rate; decrease amplitude