堿-尿素預處理溫度對亞麻紗線強伸性的影響

高一傳 王宗偉 劉建立 姜為民 高衛(wèi)東

(1.江南大學，江蘇無錫，214122；2.黑牡丹紡織有限公司，江蘇常州，213000)

麻織物具有自動調(diào)濕、抗過敏、抗菌耐輻射、耐摩擦、導熱性能好、不易產(chǎn)生靜電等獨特的功能，是21世紀理想的綠色天然環(huán)保精品。但由于亞麻纖維結(jié)晶度和取向度較高[1]、單纖維斷裂強度高、伸長變形小、纖維彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度大，使得亞麻紗線斷裂伸長率低、條干不勻率較高，在織造過程中，造成大量的斷頭和布面吊經(jīng)疵點，可織性差[2]。針對亞麻紗線存在的問題，國內(nèi)外學者對亞麻單纖維、亞麻落麻纖維[3]、亞麻二粗纖維[4]、亞麻打成麻[5]等進行物理、化學、生物改性處理，提高亞麻纖維的可紡性，改善亞麻細紗的質(zhì)量。但直接對亞麻細紗進行預處理的研究較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，使用低溫低濃度的堿-尿素體系對亞麻原色紗進行預處理，研究不同預處理溫度對紗線性能的影響，并分析紗線表面結(jié)構(gòu)和微觀形態(tài)變化對紗線強伸性的影響。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：燒堿(NaOH)，尿素(CH4N2O)，冰醋酸(C2H4O)；35.7 tex(28 Nm)雨露亞麻紗線(江蘇新申亞麻有限公司)。

儀器：VHX-5000型超景深三維數(shù)碼顯微鏡(基恩士公司)；YG086型縷紗測長機；FA2104S型電子天平；D2PHASER X型射線衍射儀(德國布魯克AXS有限公司)；NICOLET is10 FT-TR型紅外變化光譜儀(賽默飛世爾科技有限公司)；島津SHIMADZU型電子拉伸試驗機(上海智川工貿(mào)有限公司)；YG155A型紗線捻度機(常州市天祥紡織儀器有限公司)；LHS-80HC-Ⅱ型恒溫恒濕箱(上海一恒科學儀器有限公司)；電熱鼓風干燥箱。

1.2 堿-尿素體系預處理工藝流程

先將原紗在恒溫恒濕箱(溫度21 ℃，相對濕度65%)中預調(diào)濕24 h，測得：紗線捻向Z捻、捻度65.19捻/10 cm，紗線斷裂強力903.699 cN，紗線斷裂伸長率1.983%。配置氫氧化鈉-尿素溶液(氫氧化鈉5%、尿素6%)，將紗線按1∶15浴比、浸漬在配制的溶液中30 min，改變體系處理溫度(-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃)，處理后水洗，在冰醋酸下進行中和，在85 ℃的烘箱下進行烘干，并在恒溫恒濕箱中平衡24 h，測量紗線各項性能[6]。

1.3 性能測試

1.3.1 失重率測定

對預處理前后的亞麻紗試樣進行烘干、稱量，稱量3次，求其平均值，用于計算紗線失重率[7]。

1.3.2 紗線捻度測定

取雨露亞麻紗線和預處理后的雨露亞麻紗線，分別在YG155A型紗線捻度機上進行捻度測試。測定時采用解捻加捻法，預加張力4 cN，測定紗線長度50 cm，每個試樣測量10次，求其平均值，計算紗線捻度。

1.3.3 斷裂強力與斷裂伸長率的測定

分別對預處理后的雨露亞麻紗線和原紗在島津SHIMADZU型電子拉伸試驗機上進行紗線強伸性測試。試驗條件：拉伸速度250 mm/min、試樣夾持距離250 mm。每個試樣測量50次，求其斷裂強力、斷裂伸長率的平均值。計算斷裂強力和斷裂伸長率。

1.3.4 超景深三維試驗

改變體系處理溫度對雨露亞麻紗線預處理，烘干平衡后，經(jīng)數(shù)碼顯微鏡拍照，放大100倍～500倍，分別在不同放大倍數(shù)下觀察不同溫度條件下預處理后的雨露亞麻紗線和原紗表面形態(tài)變化。

1.3.5 X射線衍射試驗

首先將雨露亞麻紗線和預處理后的雨露亞麻紗線剪成粉末，然后調(diào)整入射角5°至50°，分別在X射線衍射儀上進行X射線衍射，測定各個入射角θ以及相對應的X射線衍射強度，以2θ為橫坐標，X射線衍射強度為縱坐標，繪制原紗和不同體系溫度處理后紗線的X射線衍射強度曲線。利用其X射線的衍射圖譜，分析純亞麻紗線經(jīng)過不同溫度條件下預處理后結(jié)晶度和取向度變化情況[8]。

1.3.6 FT-IR傅立葉紅外光譜試驗

將雨露亞麻紗線和預處理后的雨露亞麻紗線分別在ATR附件上進行制樣，在OMNIC軟件中設(shè)置試驗參數(shù)，檢查光學信號，先采集背景，后采集樣品，掃描和輸出紅外光譜圖。利用伸縮振動峰，分析不同溫度條件下預處理后的亞麻紗線官能團變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 紗線失重率

堿-尿素預處理溫度對亞麻紗線失重率的影響見圖1。從圖1可以看出，在相同條件下，失重率隨著體系處理溫度的降低逐漸增大。在25 ℃～20 ℃時，失重率急劇增加。這是因為將亞麻紗線浸漬到堿-尿素預處理體系中時，預處理溶液體系的化學電位明顯高于亞麻紗線體系，而亞麻表面帶有負電位，使得預處理溶液進入纖維表面及空隙，與膠質(zhì)發(fā)生反應形成復合鹽和溶出膠束并擴散進入預處理溶液中，使得紗線失重率變化較快；在20 ℃～5 ℃時，亞麻紗線的失重率基本處于平衡狀態(tài)，是因為亞麻表面形成被覆的多糖高分子物凝膠,阻止預處理溶液進入亞麻纖維內(nèi)部，而且在低濃度堿的條件下，亞麻纖維中很少的羥基與堿發(fā)生化學作用生成堿纖維素和水分子，水分子只能進入纖維無定形區(qū)，使得纖維溶脹度小、破壞的氫鍵也較少，亞麻紗線的失重率基本處于平衡狀態(tài)；當體系處理溫度在5 ℃以下時，亞麻紗線失重率又繼續(xù)增大，這是因為低溫條件下，使用堿-尿素溶液對亞麻紗線進行預處理，影響Na+與水、OH-與尿素的氫鍵相互作用，纖維素發(fā)生溶脹，纖維素的氫鍵被破壞，降低分子間作用力，水化作用更明顯，靠大量氫鍵連接的果膠、木質(zhì)素、含氮雜質(zhì)被去除，使得亞麻紗線的失重率增大。

圖1 堿-尿素預處理溫度對亞麻紗線失重率的影響

2.2 紗線捻度

堿-尿素預處理溫度對亞麻紗線捻度的影響見圖2。從圖2可以看出，在相同條件下，隨著體系處理溫度的降低，亞麻紗線的捻度逐漸增大。亞麻纖維本身剛性大、無卷曲，對亞麻紗線進行預處理后，纖維卷曲，紗線直徑變大、長度縮短，使得單位長度內(nèi)的捻回數(shù)增加。在一定范圍內(nèi)，捻度越高，纖維產(chǎn)生的向心力越大，纖維抱合越好，使纖維間的摩擦力增大，紗線斷裂時纖維滑脫根數(shù)減少，紗線的斷裂強力和斷裂伸長率增大。但預處理后由于堿溶液損傷亞麻纖維且在低溫堿條件下，亞麻纖維發(fā)生劇烈溶脹，使紗線的斷裂強力下降。

圖2 堿-尿素預處理溫度對亞麻紗線捻度的影響

2.3 紗線的斷裂強力和斷裂伸長率

堿-尿素預處理溫度對亞麻紗線強伸性的影響見圖3。從圖3可以看出，隨著預處理體系溫度的降低，亞麻紗線的斷裂強力呈先增大后減小的變化趨勢，斷裂伸長率總體呈增大趨勢。在25 ℃～5 ℃時，由于對亞麻紗線預處理可以去除亞麻纖維中的果膠、木質(zhì)素、雜質(zhì)，使得纖維柔軟而富有彈性，減小纖維的軸向分力，使得紗線斷裂強力增大。溫度越低，對Na+與水、OH-與尿素的氫鍵相互作用越有利，在亞麻紗線表面形成氫鍵復合物，使得紗線的斷裂強力持續(xù)增大。當在5 ℃以下時，隨著溫度的降低，纖維表面溶脹度變大，小部分的纖維素開始溶解，且堿溶液對纖維有一定的損傷，造成斷裂強力又逐漸減小。在25 ℃～5 ℃時，堿-尿素預處理可去除一部分纖維素伴生物雜質(zhì)(半纖維素、木質(zhì)素、果膠、含氮雜質(zhì))，破壞氫鍵，使得分子間作用力減小，紗線斷裂伸長率增加緩慢；在低溫度下，使用堿-尿素對亞麻纖維進行預處理，由于亞麻纖維中存在大量的羥基(呈弱酸性)，可與堿發(fā)生作用，生成堿纖維素和大量水，水分子可進入纖維素無定形區(qū)，使得纖維素發(fā)生溶脹，破壞纖維素的氫鍵，降低分子間作用力。隨著溫度的降低，亞麻纖維素溶脹愈明顯，使得斷裂伸長率增大。

圖3 堿-尿素預處理溫度對亞麻紗線強伸性的影響

2.4 超景深三維試驗

利用超景深顯微鏡對亞麻原紗和不同體系溫度預處理后的紗線進行觀察，放大300倍，結(jié)果見圖4。

(a)原紗

(b)25 ℃

(c)20 ℃

(d)15 ℃

(e)10 ℃

(f)5 ℃

(g)0 ℃

(h)-5 ℃

(i)-10 ℃

圖4 原紗和不同溫度堿-尿素預處理后紗線效果圖

從圖4可以看出，亞麻原紗表面附著物較多、不光滑、且存在大量膠質(zhì)，纖維分裂度較小，幾乎無卷曲，灰度也較大；經(jīng)過堿-尿素體系預處理后，亞麻紗線內(nèi)部纖維表面的木質(zhì)素、果膠等雜質(zhì)被去除，亞麻纖維由束纖維變成單纖維，紗線表面更加光滑。隨著溫度的降低紗線表面的膠質(zhì)等雜質(zhì)被去除，纖維卷曲數(shù)明顯增加，纖維發(fā)生溶脹，紗線的直徑明顯增大，紗線表面越來越光滑，灰度逐漸下降。

2.5 X射線衍射測試分析

對亞麻原紗和不同體系溫度預處理后的紗線烘干平衡后在X射線衍射儀上，測定入射角θ及相對應的X射線衍射強度，繪制的X射線衍射強度曲線見圖5。由圖5可以看出，亞麻紗線在不同溫度預處理后X射線衍射曲線形狀及衍射峰所對應的衍射角都發(fā)生了明顯的變化。

圖5 原紗和不同溫度堿-尿素預處理后X射線衍射圖

利用X射線衍射圖計算處理前和不同溫度處理后亞麻纖維的結(jié)晶度和取向度，計算結(jié)果見表1。

表1不同溫度處理后亞麻纖維的結(jié)晶度和取向度

試樣結(jié)晶度/%取向度/%原紗25 ℃處理20 ℃處理15 ℃處理10 ℃處理5 ℃處理0 ℃處理-5 ℃處理-10 ℃處理88.067.062.056.053.042.542.040.039.085.069.065.059.056.049.045.043.042.0

由X射線衍射圖譜和亞麻纖維結(jié)晶度、取向度變化可知，堿-尿素預處理后纖維的結(jié)晶度和取向度減小，且隨著預處理溫度的降低，結(jié)晶度和取向度越來越小。在溫度低于5 ℃后，結(jié)晶度和取向度的變化更明顯，無定形區(qū)增加，原纖與纖維軸之間的夾角變小。這是由于在低溫條件下，亞麻纖維素纖維在堿-尿素預處理體系中發(fā)生劇烈溶脹，堿分子與纖維素大分子上羥基結(jié)合，導致纖維素氫鍵分子間力的削弱，迫使纖維素大分子間距離增大，改變其序態(tài)，使結(jié)晶度下降，無定形區(qū)擴張。而尿素也是一種吸濕性強、水化能力較大的有機化合物，因此當堿液中存在微量的尿素時，發(fā)生的水化作用進一步迫使已被堿液所潤濕和充滿的微纖間隙擴大，纖維進一步溶脹；同時，堿可與纖維素發(fā)生反應，生成堿纖維素，使纖維素發(fā)生潤脹，增加了纖維素的內(nèi)表面積，并在一定程度上降低了纖維素的結(jié)晶度和取向度。預處理后結(jié)晶度降低，分子間距離增大，分子間作用力減小，斷裂伸長率增加；取向度及大分子鏈主軸與原纖維軸的平行程度降低，原纖與纖維軸之間的夾角變小，斷裂伸長率隨之增大。

2.6 FT-IR傅立葉紅外光譜分析

取烘干平衡后的亞麻原紗和不同體系溫度預處理后的紗線，在FT-IR型傅立葉紅外光譜儀上進行紅外光譜測試，獲得紅外光譜圖，見圖6。

(a)25 ℃～10 ℃

(b)5 ℃～-10 ℃

3 結(jié)論

(1)亞麻紗線失重率隨著體系處理溫度的降低逐漸增大；紗線捻度隨體系處理溫度的降低逐漸增大；紗線斷裂強力隨處理溫度的降低先增大后減小，紗線斷裂伸長率隨著溫度的降低逐漸增大；隨著預處理體系溫度的降低，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，纖維發(fā)生溶脹，纖維直徑變大，單根纖維之間的表面附著物明顯減少，紗線表面更加光滑，紗線細度更細，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，纖維分子間距離增大，纖維分子間作用力減小，使得亞麻紗線的斷裂強力減小，斷裂伸長率增大。

(2)將堿-尿素預處理體系溫度控制在-5 ℃至-10 ℃之間將實現(xiàn)低濃度堿對亞麻紗線的改性，保證原紗的斷裂強力損失不大，并使紗線斷裂伸長率從1.983%提高到3.647%，提高了亞麻紗線的質(zhì)量，改善了亞麻經(jīng)紗可織性差的缺點。低溫低濃度的堿-尿素預處理體系相比于電子束輻射活化、濃堿化學改性、液氨處理、超聲波改性、生物酶處理等其他改性手段更加合理可靠，工藝簡單、節(jié)約成本和能源，更容易滿足現(xiàn)代亞麻生產(chǎn)的需求。