液氮超低溫處理對服用纖維素纖維性能的影響

翁淑珍

（江西服裝學院，江西南昌 330201）

纖維素纖維在服裝生產(chǎn)中占有重要地位，不僅具有良好的服用性能，更兼具生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量高、成本低、色譜齊全等優(yōu)點，深受消費者的喜愛［1-2］。目前，常見的服裝用纖維素纖維主要分為天然纖維素纖維（如棉、麻等）和再生纖維素纖維（經(jīng)過一系列反應加工的天然纖維素纖維）［3］。纖維材料在一些極端情況（如紫外線輻照與超低溫環(huán)境等）下會發(fā)生性能改變，從而影響其使用性能。從現(xiàn)有的文獻看，超低溫處理主要集中在蠶絲、木質素與棉纖維。高香芬［4］通過正交實驗考察冷凍溫度、冷凍時間、含水率、復溫溫度、復溫時間等因素，確定超低溫冷凍-真空復溫的最佳工藝，從微觀形貌和分子結構分析超低溫冷凍-真空復溫對纖維熱學、力學、抗菌性能的影響。張蔭雷等［5］通過物理與化學方法驗證了液氮產(chǎn)生的超低溫對木質纖維素具有很好的降解作用，且降解產(chǎn)生的多糖量也較高。林燕萍［6］通過分析液氮超低溫冷凍前后棉纖維的分子結構、力學與熱學性能，判斷超低溫處理對棉纖維性能的影響，取得了一定的研究成果，但距大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有較遠的距離。本研究選取了幾種常見的服裝用纖維素纖維，分別測試了超低溫處理前后纖維的物理性能與染色性能，為纖維素纖維在服用領域的進一步開發(fā)利用提供參考。

1 實驗

1.1 材料

纖維：棉纖維、竹原纖維、普通黏膠纖維（市售）。

試劑：液氮（儲存在Thermo C.B.S 儲存式30 L 液氮容器，-196 ℃），碳酸鈉（分析純，蘇州君世化工科技有限公司），氯化鈉（分析純，北京鵬彩化學試劑有限公司），高濃精煉劑JL-F-8（工業(yè)級，淄博云川化工有限公司），活性黃Y-3RS（浙江龍盛集團股份有限公司），皂粉（河北卡地亞洗滌用品有限公司）。

1.2 儀器

YG（B）003A 型電子單纖維強力機（南京皓海儀器儀表有限公司），AE224觸摸式彩屏電子天平（上海恒平科學儀器有限公司），ZH-TH-225B 恒溫恒濕試驗箱（東莞市正航儀器設備有限公司），DHG-9030AD高溫烘箱（北京恒泰豐科試驗設備有限公司），Y151型纖維摩擦因數(shù)測定儀（南通三思機電科技有限公司），V-4802S 大屏幕掃描型雙光束紫外可見分光光度計（上海尤尼柯儀器有限公司），XRD-6100 X 射線衍射儀（日本島津公司）。

1.3 染色工藝

將碳酸鈉15 g/L、氯化鈉50 g/L 與活性黃Y-3RS 1%(omf)配制成染液，并在浴比1∶25 的條件下按照工藝流程對超低溫處理前后的棉纖維、竹原纖維與普通黏膠纖維進行染色；將染色后的纖維在105 ℃干燥，在3 g/L 皂液中反復清洗，使用蒸餾水反復清洗后再次在105 ℃干燥，在標準環(huán)境中調濕24 h（該過程為解冷凍過程）。染色工藝流程如下：

1.4 測試

1.4.1 試樣處理

取棉纖維、竹原纖維與普通黏膠纖維若干，去除纖維表面的雜質與油脂后放置于液氮中，分別在3、6、9、12 h 各取出一部分，并且在標準環(huán)境中調濕24 h后待用。

1.4.2 X 射線衍射

將調濕后的纖維在105 ℃干燥，剪成碎末后利用X 射線衍射儀進行測試。測試參數(shù)：管電壓45 kV，管電流 45 mA，角度范圍 5°～45°，掃描速度 2°/min，Cu靶，波長0.154 nm。

1.4.3 物理性能

使用電子單纖維強力機與纖維摩擦因數(shù)測定儀分別測試纖維的斷裂強度與摩擦因數(shù)，每組試樣測試30 根，排除極端異常數(shù)據(jù)后，取測試結果的平均值。將調濕后的纖維在105 ℃干燥，稱重后再次調濕24 h，再次稱重，利用兩者質量差與干燥時的稱重質量之比表征超低溫處理前后的吸濕回潮率。測試10組，排除極端異常數(shù)據(jù)后，取測試結果的平均值。

1.4.4 上染率與固色率

參照公式計算超低溫處理前后棉纖維、竹原纖維與普通黏膠纖維的上染率與固色率：

式中：A0為纖維染色前染液的吸光度；At為纖維染色后染液的吸光度；V0為纖維染色前染液的體積；AA為纖維染色后殘液與皂液混合液的吸光度；VA為纖維染色后殘液與皂液混合液的體積。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射

利用分峰積分面積比方法計算棉纖維、竹原纖維與普通黏膠纖維超低溫處理前后的結晶度［7］，結晶度變化曲線見圖1。

圖1 纖維結晶度與超低溫處理時間的關系曲線

由圖1可知，纖維的結晶度隨著超低溫處理時間的延長而減小。原因是在超低溫液氮作用下，纖維素纖維裂解為多糖，由大分子鏈段向小分子鏈段及多糖變化，結晶度下降，無定形區(qū)增加將導致吸濕回潮率增大與斷裂強度下降，從而影響纖維的使用性能。

2.2 物理性能

由圖2～4 可知，棉纖維、竹原纖維與普通黏膠纖維的斷裂強度均隨著超低溫處理時間的延長而降低，而摩擦因數(shù)與吸濕回潮率則隨著超低溫處理時間的延長而增大。因為液氮的超低溫能夠使纖維素纖維降解為多糖，且效果明顯［5］。由此可知，經(jīng)過液氮處理，纖維素纖維內部的大分子鏈段出現(xiàn)一定程度的裂解，使纖維內部的親水基團增多。同時，根據(jù)纖維素晶型結構可知，棉纖維與竹原纖維是典型的纖維素Ⅰ單斜晶型結構，每個晶胞有兩個重復單元，在結晶區(qū)的高分子方向上平行排列；普通黏膠纖維則屬于纖維素Ⅱ，為無數(shù)微晶體與非晶區(qū)交織在一起，當纖維處在超低溫狀態(tài)下，纖維的高分子鏈段發(fā)生斷裂，使纖維間的晶型結構發(fā)生變化，減少了纖維的結晶區(qū)，增加了纖維的無定形區(qū)。這也導致了纖維斷裂強度的下降，吸濕回潮率的上升。因為在超低溫條件下，纖維表面出現(xiàn)微纖化現(xiàn)象，且出現(xiàn)一些坑穴，使纖維摩擦因數(shù)增大；纖維的微纖化與坑穴也造成了纖維強力弱環(huán)的增加，導致纖維力學性能的下降。3 種纖維中，斷裂強度變化幅度較小的是棉纖維，因為棉纖維的分子質量較大，聚合度較高，使得棉纖維的均方末端距高于竹原纖維與普通黏膠纖維。

圖2 纖維斷裂強度與超低溫處理時間的關系曲線

圖3 纖維摩擦因數(shù)與超低溫處理時間的關系曲線

圖4 纖維吸濕回潮率與超低溫處理時間的關系曲線

2.3 染色性能

由圖5～6 可知，棉纖維、竹原纖維與普通黏膠纖維的上染率與固色率均隨著超低溫處理時間的延長而增大。這是由于經(jīng)過超低溫處理后，纖維的結晶度下降，無定形區(qū)增加，染料更容易進入纖維內部，從而增加了纖維對染料的吸附率與吸附能力。同時，纖維素纖維在液氮作用下降解為多糖，而富含大量親水性基團的多糖提高了染料的上染率與固色率，從而提高了纖維的染色性能。

圖5 纖維上染率與超低溫處理時間的關系曲線

圖6 纖維固色率與超低溫處理時間的關系曲線

3 結論

將棉纖維、竹原纖維與普通黏膠纖維在液氮中進行超低溫處理，纖維的結晶度與力學性能均有不同程度的下降，而摩擦因數(shù)、上染率及固色率均有不同程度的提高。在保障纖維力學性能的條件下，合理控制超低溫處理時間可使纖維的可紡性與染色性能得到進一步優(yōu)化。