堿-尿素體系兩步法對(duì)純亞麻紗線改性研究

高一傳,曹新偉,王宗偉,孔志方,朱博,王蕾,劉建立,高衛(wèi)東

(1.江南大學(xué) 江蘇省功能紡織品工程技術(shù)研究中心,江蘇 無(wú)錫 214122；2.黑牡丹紡織有限公司,江蘇 常州 213000)

亞麻制品獨(dú)特的抗菌、抗紫外線、防靜電的功能,使得亞麻服裝倍受人民喜愛[1]。但作為束纖維濕紡紗的亞麻紗[2-5],由于纖維本身高結(jié)晶度和高取向度、斷裂伸長(zhǎng)小、無(wú)卷曲,使得亞麻紗線漿染困難。如何利用高新技術(shù)彌補(bǔ)亞麻天然纖維產(chǎn)品的缺陷,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者做了大量研究[6-10],但很少有人系統(tǒng)的對(duì)亞麻預(yù)處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文利用單因素分析和正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,根據(jù)亞麻紗線強(qiáng)伸性變化來(lái)確定最佳堿-尿素兩步法預(yù)處理工藝參數(shù)[7]；并從微觀方面,表征亞麻紗線在經(jīng)過(guò)堿-尿素兩步法預(yù)處理后亞麻纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化,分析紗線強(qiáng)伸性等機(jī)械物理性質(zhì)發(fā)生改變的原因。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

燒堿、尿素、冰醋酸均為工業(yè)品；24 Nm半漂純亞麻紗線。

VHX-5000超景深三維數(shù)碼顯微鏡；YG086縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)；FA2104S電子天平；GZX-9146MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱；D2PHASER X射線衍射儀；NICOLET is10 FT-IR紅外變化光譜儀；AGS-X島津電子拉伸試驗(yàn)機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)縷紗測(cè)長(zhǎng)器,取100 m長(zhǎng)的24公支純亞麻紗線,稱取重量。將紗線按浴比浸漬在濃度15%的氫氧化鈉溶液中15 min,水洗,用冰醋酸中和。將中和、脫水后的紗線按浴比浸入尿素溶液中15 min。水洗,在90 ℃烘干、平衡。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定 在島津電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行紗線強(qiáng)伸性測(cè)試,每個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量30次,求其斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率的平均值。計(jì)算斷裂伸長(zhǎng)率及斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)。

1.3.2 超景深三維實(shí)驗(yàn) 按照工藝流程進(jìn)行堿-尿素預(yù)處理,烘干平衡后,將經(jīng)數(shù)碼顯微鏡拍照后,放大倍率100～500倍,分別不同放大倍數(shù)下觀察預(yù)處理后的亞麻紗線和原紗表面形態(tài)變化。將紗線退捻,撥出纖維,放大倍率100～500倍,觀察亞麻原纖維預(yù)處理后纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)變化。

1.3.3 X射線衍射實(shí)驗(yàn) 將亞麻原紗和使用最優(yōu)組合順序進(jìn)行預(yù)處理后的亞麻紗線,剪成粉末,然后調(diào)整入射角5～80°,分別在X射線衍射儀上進(jìn)行X射線衍射,測(cè)定各個(gè)入射角θ以及相對(duì)應(yīng)的X射線衍射強(qiáng)度,以2θ為橫坐標(biāo),X射線衍射強(qiáng)度為縱坐標(biāo),繪制原紗和進(jìn)行堿-尿素預(yù)處理后紗線的C射線衍射強(qiáng)度的曲線。利用其X射線的衍射圖譜,分析純亞麻紗線經(jīng)過(guò)堿-尿素兩步法預(yù)處理后結(jié)晶度變化情況。

1.3.4 FTIR傅里葉紅外光譜實(shí)驗(yàn) 將亞麻原紗和使用最優(yōu)組合順序進(jìn)行預(yù)處理后的亞麻紗線分別在ATR附件上進(jìn)行制樣,在OMNIC軟件中設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù),檢查光學(xué)信號(hào),先采集背景,后采集樣品,掃描和輸出紅外光譜圖。利用伸縮振動(dòng)峰,分析亞麻紗堿-尿素兩步法預(yù)處理后官能團(tuán)的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 氫氧化鈉濃度 由圖1可知,隨著堿濃度的提高,亞麻紗線的斷裂強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)、斷裂伸長(zhǎng)率呈遞增趨勢(shì)。堿溶液使纖維素溶脹,導(dǎo)致紗線的斷裂強(qiáng)力下降；纖維素溶脹,內(nèi)應(yīng)力減少；木質(zhì)素、半纖維素的破壞,纖維內(nèi)部結(jié)晶度上升,提高了紗線的斷裂伸長(zhǎng)率。進(jìn)行預(yù)處理后為了保證斷裂強(qiáng)力并且提高亞麻紗線的斷裂伸長(zhǎng)率,應(yīng)將堿濃度控制在10%～20%。

圖1 氫氧化鈉濃度對(duì)紗線斷裂強(qiáng)力和 斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.1 Effect of sodium hydroxide concentration on yarn breaking strength and elongation at break

2.1.2 尿素濃度 由圖2可知,隨著尿素濃度的提高,紗線的斷裂強(qiáng)度呈先減小后增大趨勢(shì),濃度>5%以上,又呈減小趨勢(shì)、斷裂伸長(zhǎng)率在3%尿素濃度時(shí)有一定的減小。低濃度的尿素基本上不會(huì)改變紗線的拉伸性能,濃度達(dá)到4%以上,可以使亞麻纖維發(fā)生溶脹作用。加入尿素可以提高預(yù)處理效果,更好保證亞麻紗線的強(qiáng)伸性。為了獲得更好處理效果,尿素濃度應(yīng)該控制在4%～6%。

圖2 尿素濃度對(duì)紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.2 Effect of urea concentration on yarn breaking strength and elongation at break

2.1.3 堿處理時(shí)間 由圖3可知,隨著堿處理時(shí)間延長(zhǎng),斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率都呈先增大后減小趨勢(shì)。5 min時(shí)堿溶液與紗線處于平衡狀態(tài),10 min左右,纖維內(nèi)的木質(zhì)素、果膠等與堿溶液發(fā)生作用,使木質(zhì)素、果膠含量減少,表現(xiàn)為斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率顯著提高。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),堿溶液使纖維素溶脹,導(dǎo)致紗線的斷裂強(qiáng)力下降,纖維損傷逐漸變大,紗線斷裂伸長(zhǎng)率下降。為了保證紗線的強(qiáng)伸性,堿處理時(shí)間應(yīng)在10～25 min[3]。

圖3 氫氧化鈉處理時(shí)間對(duì)紗線 斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.3 Effect of sodium hydroxide treatment time on yarn breaking strength and elongation at break

2.1.4 尿素處理時(shí)間 由圖4可知,隨著尿素處理時(shí)間的延長(zhǎng),斷裂強(qiáng)力先增大后減小,然后趨于穩(wěn)定,斷裂伸長(zhǎng)率先增大,后趨于穩(wěn)定,加入尿素可以提高紗線的強(qiáng)伸性。為了獲得好的處理效果,應(yīng)將尿素處理時(shí)間控制在10～15 min。

圖4 尿素處理時(shí)間對(duì)紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.4 Effect of urea treatment time on yarn breaking strength and elongation at break

2.1.5 浴比 由圖5可知,降低浴比,紗線的斷裂強(qiáng)力總的呈上升趨勢(shì),斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小。浴比高時(shí),紗線溶脹作用較大,紗線斷裂強(qiáng)力損失最多,減少浴比,斷裂強(qiáng)力減少的較少。纖維素溶脹,內(nèi)應(yīng)力減少,紗線的斷裂伸長(zhǎng)率增大,浴比較小時(shí),紗線斷裂伸長(zhǎng)率與浴比較大時(shí)相比明顯下降。為了保證紗線的強(qiáng)伸性,應(yīng)將浴比控制在1∶12.5～1∶20之間。

圖5 浴比對(duì)紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.5 Effect of bath ratio on yarn breaking strength and elongation at break

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇氫氧化鈉濃度、尿素濃度、堿處理時(shí)間、尿素處理時(shí)間、浴比水平進(jìn)行5因素4水平正交實(shí)驗(yàn),因素、水平見表1。

表1 因素水平Table 1 Factors and levels

以紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率為指標(biāo)按下列公式進(jìn)行權(quán)重分析,利用變異系數(shù)法來(lái)確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

Fi=mifi+nigi

(1)

(2)

(3)

其中Fi——正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

fi、gi——斷裂強(qiáng)力和斷裂長(zhǎng)度,i代表實(shí)驗(yàn)1～16；

mi、ni——斷裂強(qiáng)力和斷裂長(zhǎng)度的權(quán)重；

αi、βi——斷裂強(qiáng)力和斷裂長(zhǎng)度的變異系數(shù)。

由表2可知,預(yù)處理最優(yōu)組合為A1B3C2D2E3。即堿-尿素兩步法預(yù)處理的最佳參數(shù)為：氫氧化鈉濃度13%,尿素濃度5.5%,堿處理時(shí)間15 min,尿素處理時(shí)間15 min,浴比為1∶17.5。按照最佳工藝參數(shù)對(duì)純亞麻紗線進(jìn)行堿-尿素預(yù)處理后,紗線的斷裂強(qiáng)力由1 083.98 cN減小到698.612 cN,斷裂伸長(zhǎng)率從1.938 8%增大到9.976%。

各影響因素的強(qiáng)弱為：氫氧化鈉濃度>浴比>堿處理時(shí)間>尿素處理時(shí)間>尿素濃度。

2.3 超景深三維實(shí)驗(yàn)效果圖

按照正交實(shí)驗(yàn)確定最佳組合參數(shù)進(jìn)行堿-尿素預(yù)處理,烘干平衡后在超景深三維數(shù)碼顯微鏡下進(jìn)行拍照,增大倍數(shù),觀察原紗和堿-尿素預(yù)處理后紗線的區(qū)別,結(jié)果見圖6、圖7。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment results

圖6 300倍下原紗和堿-尿素預(yù)處理后紗線效果圖Fig.6 300 X yarn effect diagram after pretreatment of raw yarn and alkali-urea a.原紗；b.堿-尿素預(yù)處理后紗線

圖7 400倍下亞麻纖維和堿-尿素預(yù)處理后纖維效果圖Fig.7 400 X effect diagram of flax fiber and alkali-urea pretreated fiber c.原紗；d.堿-尿素預(yù)處理后紗線

由圖6、圖7可知,未進(jìn)行處理的紗線表面附著物多,不光滑,且存在條紋；經(jīng)過(guò)堿-尿素預(yù)處理后,亞麻紗線內(nèi)部纖維表面的木質(zhì)素、果膠等大部分雜質(zhì)被去除,單根纖維之間的表面附著物明顯減少,亞麻纖維也由束纖維變成單纖維,纖維表面更加光滑,紗線細(xì)度更細(xì),纖維卷曲度也明顯增加。纖維縱向有裂節(jié)出現(xiàn),使得亞麻紗線的斷裂強(qiáng)度減少[4]。

2.4 X射線衍射測(cè)試分析

按照正交實(shí)驗(yàn)確定最佳組合參數(shù)進(jìn)行堿-尿素預(yù)處理,烘干平衡后在X射線衍射儀上測(cè)定,結(jié)果見圖8[5]。

由圖8可知,經(jīng)過(guò)堿-尿素兩步法預(yù)處理后,亞麻纖維的結(jié)晶度和取向度與原紗相比明顯下降。通過(guò)積分法,可以計(jì)算亞麻纖維結(jié)晶度56%下降到23%[6]。堿溶液滲透到纖維的內(nèi)部,對(duì)亞麻纖維進(jìn)行了活化處理,使得纖維本身發(fā)生溶脹作用,纖維素大分子間分子間距離大,以至于氫鍵、范德華力等作用力強(qiáng)度減弱,堿液通過(guò)無(wú)定形區(qū)逐漸進(jìn)入結(jié)晶區(qū)。堿-尿素溶液對(duì)亞麻紗線進(jìn)行預(yù)處理后,明顯破壞亞麻纖維結(jié)晶區(qū)的完整度,使得纖維的結(jié)晶度和取向度下降、紗線的斷裂伸長(zhǎng)率增大,為后續(xù)漿染工序奠定基礎(chǔ)[7]。

圖8 原紗和堿-尿素預(yù)處理后的X射線衍射圖Fig.8 X-ray diffraction of raw yarn and alkali-urea pretreated yarn

2.5 FTIR傅里葉紅外光譜分析

按照正交實(shí)驗(yàn)確定最佳組合參數(shù)進(jìn)行堿-尿素預(yù)處理,烘干平衡后在FTIR傅里葉紅外光譜儀上進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見圖9。

圖9 原紗和堿-尿素預(yù)處理后紗線的紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectra of raw yarn and alkali-urea pretreated yarn

3 結(jié)論

(1)堿-尿素兩步法預(yù)處理紗線的最佳工藝為：氫氧化鈉濃度13%,尿素濃度5.5%,堿處理時(shí)間15 min,尿素處理時(shí)間15 min,浴比為1∶17.5；各影響因素的強(qiáng)弱為：氫氧化鈉濃度>浴比>堿處理時(shí)間>尿素處理時(shí)間>尿素濃度。

(2)純亞麻紗線在經(jīng)過(guò)堿-尿素兩步法預(yù)處理后,亞麻紗線內(nèi)部纖維表面的木質(zhì)素、果膠等大部分雜質(zhì)被去除,單根纖維之間的表面附著物明顯減少,亞麻纖維也由束纖維變成單纖維,纖維表面更加光滑,紗線細(xì)度更細(xì),纖維卷曲度也明顯增加；結(jié)晶度和取向度明顯變小,纖維微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,纖維分子間作用力減小,分子空間排列有規(guī)律、整齊、緊密,纖維容易變形和溶脹,纖維的斷裂強(qiáng)度減小,斷裂伸長(zhǎng)率增大。純亞麻紗線在經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,漿液、染液和一些其他助劑更容易進(jìn)入亞麻紗線內(nèi)部,為后道亞麻紗線漿染奠定了基礎(chǔ),有效改善亞麻紗線上漿難、染色難、滲透難的缺點(diǎn)；并且提高紗線斷裂伸長(zhǎng)率,可有效緩解漿紗時(shí)干、濕分絞和織造斷頭、織造時(shí)織造效率低、亞麻織物手感粗硬、洗滌后縮水、變硬等問(wèn)題。