熱水處理對棉纖維拉伸、表面摩擦和熱穩(wěn)定性能的影響

薛海軍,張 輝,王紅紅

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西 西安 710048)

0 引 言

棉纖維或織物在退漿、煮練、漂白、絲光、染色和后整理等生產(chǎn)加工過程中會不斷地經(jīng)受熱水的作用[1],而且熱水溫度越高,越有利于去除棉纖維上的漿料、果膠和色素等雜質(zhì),如高溫高壓煮練溫度可提高到135 ℃,時間會縮短1～2 h[2]。在染色方面,由于傳統(tǒng)染色工藝的染色時間比較長、能耗高,使用分散/活性染料能夠在高溫、低pH條件下進行一浴一步法染色,而且活性染料高溫染色的得色量接近常規(guī)染色工藝,少數(shù)染料甚至比常規(guī)染色工藝的得色量還要高[3]。因為高溫使得染料分子的熱運動加劇,移染性增加,染色織物的勻染性和色牢度會有所提高[4-5],同時還減少了電解質(zhì)促染劑的大量使用,避免廢水中鹽含量濃度過高[6],降低對染色質(zhì)量的影響[7-8]。

此外,研究者還采用納米技術(shù)對棉纖維進行改性處理[9-10],其中簡單易行、低耗高效的水熱合成技術(shù)較為實用[11]。在高溫高壓熱水環(huán)境下生成的納米顆?？韶?fù)載在棉纖維表面,賦予抗菌[12-14]、抗紫外線[15]、自清潔[16]、電子可穿戴[17-18]和疏水[19]等功能。但是,以往研究均忽略了熱水對棉纖維結(jié)構(gòu)和性能的作用。YANAI使用液氨與熱水對棉纖維進行連續(xù)處理,發(fā)現(xiàn)纖維體積會發(fā)生溶脹和尺寸穩(wěn)定2個階段變化,干折皺回復(fù)角和抗彎性能會變差,而保水性、濕折皺回復(fù)角和吸水性能會變好,洗滌收縮率有所下降,其原因是因為棉纖維在液氨溶脹過程中無定形區(qū)中的氫鍵發(fā)生了結(jié)構(gòu)重排所致[20],而廢舊的棉纖維在高于200 ℃(亞臨界)中會碳化形成不規(guī)則顆粒物[21]。朱林林采用水熱法對棉纖維進行熱水處理,雖然測定了纖維的拉伸和表面摩擦等性能,但由于受到分析儀器的限制,未對纖維結(jié)構(gòu)變化的原因進行深入分析[22]。文中使用熱水對棉纖維進行高溫高壓處理,研究熱水溫度和作用時間對棉纖維拉伸、表面摩擦和熱穩(wěn)定性能的影響規(guī)律,并借助掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射技術(shù)對棉纖維結(jié)構(gòu)進行分析。

1 實 驗

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料及試劑 實驗所用的棉纖維細(xì)度為1.64～1.74 dtex,長度為27～31 mm?；瘜W(xué)試劑主要有氫氧化鈉、丙酮和無水乙醇,試劑的純度級別均為分析純,實驗用水為去離子水。

1.1.2 儀器 JXF-6均相反應(yīng)器(煙臺松嶺化工設(shè)備有限公司),YG001N型電子單纖維強力儀(南通宏達(dá)實驗儀器有限公司),Y151型單纖維摩擦儀(常州第二紡織機械廠),TGA/SDTA851e型熱重/微分熱同步分析儀(瑞士梅特勒公司),FTIR-7600型傅里葉紅外光譜儀(澳洲Lambda公司),JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社),D/MAX-Rapid II型面探微區(qū)X射線衍射儀(日本理學(xué))。

1.2 實驗方法

1.2.1 棉纖維前處理 將5.0 g的棉纖維浸泡在濃度為0.075 mol/L,體積為250 mL的氫氧化鈉溶液中,在80 ℃水浴鍋中處理30 min,然后用200 mL的去離子水漂洗10 min,重復(fù)3次;接著依次浸泡在體積200 mL的丙酮、無水乙醇溶液中10 min,最后用200 mL去離子水洗滌10 min,重復(fù)3次,80 ℃烘干備用。

1.2.2 棉纖維純水熱處理 稱取0.5 g前處理好的棉纖維,浸泡在80 mL去離子水中,將棉纖維連同水溶液一起添加到100 mL的聚四氟乙烯內(nèi)膽中,再將其密封,設(shè)置均相反應(yīng)器的反應(yīng)溫度分別為100 ℃,110 ℃,120 ℃,130 ℃和140 ℃,轉(zhuǎn)速設(shè)置為恒定轉(zhuǎn)速200 r/min,處理時間分別為1 h,2 h,3 h,4 h和5 h。處理結(jié)束后,取出反應(yīng)釜冷卻至室溫,將處理過的棉纖維用去離子水洗滌,重復(fù)3次。最后,在80 ℃烘箱中烘干。

1.3 測試方法

1.3.1 拉伸性能 依據(jù)GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》進行測定棉纖維處理前、后的拉伸性能的變化,測試參數(shù)設(shè)定滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,測試根數(shù)為300根(此時t=1.96,CV=31%～43%,滿足95%的置信水平)。

1.3.2 表面摩擦性能 采用絞盤法[23]測定棉纖維熱水處理前、后的動態(tài)和靜態(tài)摩擦系數(shù),測試根數(shù)為30根(此時t=2.04,變異系數(shù)CV=1.79%～4.64%,滿足95%的置信水平)。根據(jù)公式(1)計算棉纖維的靜態(tài)摩擦系數(shù)μs和動態(tài)摩擦系數(shù)μd。

μs(μd)=0.733 1[W/(W-m)]

(1)

式中:W是施加在棉纖維上的初始張力;m是絞盤平衡時的張力。

1.3.3 熱穩(wěn)定性能 測定棉纖維熱水處理前、后的TG曲線,考查其熱失重情況,在氮氣氣氛中,氮氣流量為10 mL/min,溫度變化范圍為40～600 ℃,升溫速率10 ℃/min。

1.3.4 微觀形貌 觀察棉纖維熱水處理前、后的表面形貌特征,電壓10 kV,放大倍數(shù)3 000倍。

1.3.5 紅外光譜 采用溴化鉀壓片法測定棉纖維結(jié)構(gòu)變化,將干燥后的樣品按照一定的比例,與KBr混合均勻后壓制成片狀,在波長為400～4 000 cm-1的范圍中進行掃描,掃描次數(shù)為32次。

1.3.6 X射線衍射 測定分析棉纖維結(jié)晶度和取向度的變化,管電壓40 kV,管電流50 mA,曝光時間800 s。根據(jù)Segal經(jīng)驗公式(2)計算棉纖維的結(jié)晶指數(shù)[24-25]：

(2)

式中:I002和Iam分別是衍射角2θ在22.8°和18.5°時的強度。并根據(jù)式(3)計算棉纖維的取向度：

χ=(360-∑hi)/360

(3)

式中:hi是衍射峰的半高寬。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

圖1給出了棉纖維在不同溫度熱水處理不同時間后的斷裂強度和斷裂伸長率以及120 ℃處理3 h的特征應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在一定反應(yīng)溫度條件下,反應(yīng)時間越長,棉纖維的斷裂強度和斷裂伸長率會逐漸降低,反應(yīng)溫度越高,棉纖維的斷裂強度和斷裂伸長率下降越為明顯。這是因為高溫?zé)崴畷沟妹蘩w維中的大分子鏈熱運動能量增加,鏈段柔曲性得到增強,纖維素大分子鏈之間的結(jié)合力有所削弱,部分氫鍵發(fā)生斷裂,從而在棉纖維內(nèi)部產(chǎn)生一定的缺陷和孔隙,部分纖維素也可能發(fā)生降解[26],導(dǎo)致纖維素大分子受力后比較容易產(chǎn)生滑脫,因此斷裂強度和斷裂伸長率有所下降。棉纖維經(jīng)120 ℃熱水處理3 h,其應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線的起始和中間階段沒有明顯變化,損失的是后續(xù)拉伸部分。

(a) 斷裂強度

(b) 斷裂伸長率

(c) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖 1 棉纖維拉伸性

2.2 表面摩擦性能

圖2給出了棉纖維在不同溫度熱水處理不同時間的靜態(tài)和動態(tài)摩擦性能。隨著熱水反應(yīng)時間的延長,棉纖維的靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)均呈下降趨勢,反應(yīng)溫度越高,靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)下降越明顯。棉纖維經(jīng)過熱水處理之后,纖維內(nèi)部的雜質(zhì)會逐漸溶解到水中[27],纖維變得比較柔軟和圓潤,表面光潔程度有所增加,天然轉(zhuǎn)曲數(shù)會有所減少(見電鏡照片)。熱水反應(yīng)溫度越高、反應(yīng)時間越長,棉纖維會變得更加柔軟和圓潤,不僅容易產(chǎn)生變形,而且與摩擦桿之間的接觸面積相對減小。因此靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)會有所下降。

(a) 靜態(tài)摩擦性

(b) 動態(tài)摩擦性圖 2 棉纖維表面摩擦性能Fig.2 The surface friction properties of cotton fibers

2.3 熱穩(wěn)定性

選用未處理棉纖維(1#樣品)、120 ℃處理3 h(2#樣品)和140 ℃處理2 h(3#樣品)的棉纖維進行熱穩(wěn)定性分析,其熱失重和微分熱曲線如圖3所示。棉纖維經(jīng)過熱水處理前、后的熱失重和微分熱曲線基本重合在一起,熱起始分解溫度由330.6 ℃分別移至327.8 ℃(2#樣品)和335.5℃(3#樣品),最大峰值溫度由347.7 ℃移至345.2 ℃(2#樣品)和353.8 ℃(3#樣品)。加熱至600 ℃時,其質(zhì)量損失率分別為89.8%(1#樣品)、90.8%(2#樣品)和90.1%(3#樣品)。因此,高溫?zé)崴幚韺γ蘩w維熱穩(wěn)定性影響不明顯。

2.4 表面形貌

圖4給出了棉纖維熱水處理前(1#樣品)、 后(2#樣品)的掃描電鏡照片。 未處理棉纖維較為干癟, 具有明顯的天然轉(zhuǎn)曲, 纖維表面有細(xì)小的皺紋;經(jīng)過熱水處理之后, 棉纖維變得比較圓潤, 天然轉(zhuǎn)曲數(shù)顯著減少, 表面細(xì)絲狀皺紋有所加深,主要是因為棉纖維受高溫?zé)崴饔冒l(fā)生一定程度的溶脹,棉膠和蠟質(zhì)等一些雜質(zhì)從棉纖維表面發(fā)生脫離所致[28-29]。

(a) 熱失重

(b) 微分熱曲線圖 3 棉纖維熱性能Fig.3 The thermal stability of cotton fibers

(a) 處理前

(b) 處理后

2.5 分子結(jié)構(gòu)分析

圖 5 棉纖維純水熱處理前、后的紅外光譜圖

2.6 結(jié)晶度和取向度

圖6給出了棉纖維熱水處理前(1#樣品)、后(2#和3#樣品)的二維X射線衍射圖、X射線衍射曲線和取向度曲線。棉纖維經(jīng)過熱水處理之后,衍射弧斑亮度有所減弱,弧長變短,表明棉纖維結(jié)晶度和取向度有不同程度的減小。未處理棉纖維在衍射角14.8°,16.5°,22.8°和34.6°處出現(xiàn)了明顯的衍射峰,分別對應(yīng)著纖維素I的(101)，(-101)，(002)和(004)晶面[32]。熱水處理后衍射峰角度沒有發(fā)生改變,但特征峰的強度不同程度有所減弱,140 ℃處理2 h下降最為明顯。結(jié)晶度計算結(jié)果表明,未處理棉纖維結(jié)晶度為77.5%,120 ℃處理3 h降至75.2%,140 ℃處理2 h下降至72.8%。取向度曲線表明,熱水處理后的棉纖維對稱性保持較好,但強度均有所下降,其中未處理棉纖維取向度為0.38,120 ℃處理3 h和140 ℃處理2 h的棉纖維取向度分別降至0.33和0.32。雖然纖維素大分子鏈段沿纖維軸向排列比較規(guī)整,但高溫?zé)崴M入到棉纖維中的無定形區(qū)或部分結(jié)晶區(qū),使得纖維素大分子鏈段偏離了纖維軸向,而且熱水反應(yīng)溫度對棉纖維結(jié)晶度和取向度的影響相對于反應(yīng)時間來說更為嚴(yán)重。

(a) 二維X射線衍射圖

(b) X射線衍射曲線

(c) 取向度曲線圖 6 棉纖維純水熱處理前、后X射線測試結(jié)果

Fig.6 The X-ray diffraction results of cotton fibers before and after hot water treament

3 結(jié) 語

棉纖維在100～140 ℃件下經(jīng)過1～5 h的熱水處理,由于結(jié)晶度和取向度下降,導(dǎo)致棉纖維的斷裂強度和斷裂伸長率會不同程度地減小。棉纖維經(jīng)過熱水處理,天然轉(zhuǎn)曲減少,柔軟圓潤,使得棉纖維表面靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)不同程度地減小。熱水反應(yīng)溫度越高、反應(yīng)時間越長,棉纖維拉伸性能損傷越嚴(yán)重,表面靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)下降越大。相反,熱水處理對棉纖維的分子結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性能影響不明顯。