艾草改性竹漿纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其性能研究

王麗莎，馮愛(ài)芬

(河北科技大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，河北 石家莊 050018)

艾草是菊科多年生草本植物，艾草葉中含有多種對(duì)人體有益的有機(jī)化合物，主要成分是茶多酚、咖啡堿、脂多糖等具有天然保健功能。艾草改性竹漿纖維是萃取艾草葉中的有效天然物質(zhì)，在紡絲過(guò)程中與紡絲液共混得到的一種新型功能性粘膠纖維，利用獨(dú)特工藝使艾草葉中的天然提取物均勻分布于艾草竹漿纖維內(nèi)部[1]。艾草改性竹漿纖維具有良好的吸濕性，手感柔軟，觸感舒適，其織物具有抗菌廣、功效高及持久性等特點(diǎn)，面料舒適，滑爽，透氣性好，懸垂性好，并有別于市面上銀、銅、鋅等無(wú)機(jī)抗菌纖維，可最大限度地保證抗菌效果，且符合“綠色消費(fèi)”理念[2-4]。天竹?竹漿纖維是利用可再生的竹資源，經(jīng)特殊工藝制造的新型再生纖維素纖維，其保持了竹子原有的抗菌、抑菌作用，同時(shí)也具有吸濕透氣性好、手感柔軟的特點(diǎn)，其織物具有懸垂性好、抗紫外線效果好，易打理，染色性能優(yōu)良，耐磨，不起毛球等特性。艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維廣泛應(yīng)用于兒童服裝、家紡用品、內(nèi)衣、T恤、防護(hù)服飾等領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

材料：艾草改性竹漿纖維，天竹?竹漿纖維，均由河北吉篙化纖有限責(zé)任公司提供，線密度均為1.33 dtex,長(zhǎng)度為38 mm。

試劑：氫氧化鈉、98%濃硫酸(天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司)。

儀器：TM3000型顯微鏡(日本日立株式會(huì)社)，YG751B型電腦式恒溫恒濕箱(寧波紡織儀器廠)，Y(B)802G八籃恒溫烘箱、YG(B)008E型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織儀器有限公司)，感量0.001 g電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用TM3000型掃描電子顯微鏡觀察纖維的橫向和縱向形態(tài)。用哈式切片器制作纖維橫向切片，將纖維切片從載玻片上用鑷子取下平放在載物臺(tái)的導(dǎo)電雙面膠上，然后放在顯微鏡下觀察纖維橫截面；觀察纖維縱向形態(tài)，將單根纖維平放于導(dǎo)電雙面膠上，然后放在顯微鏡下進(jìn)行觀察。

1.3 回潮率測(cè)試

采用YG751B型電腦式恒溫恒濕箱，設(shè)置溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%，將纖維平衡8 h；采用Y(B)802G八籃恒溫烘箱，參照GB/T 6503—2017《化學(xué)纖維 回潮率試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。烘箱工作電壓220 V，功率2.75 kW。

1.4 拉伸性能測(cè)試

采用YG751B型電腦式恒溫恒濕箱，設(shè)置溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%，將纖維平衡16 h；采用YG(B)008E型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)，參照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)：起拉力值1 cN，預(yù)加張力0.06 cN，夾距10 mm，紗線線密度1.33 dtex,速度10 mm/min，定伸長(zhǎng)L1、L2、L3分別為5%、10%、15%。未經(jīng)過(guò)酸堿處理前纖維斷裂強(qiáng)度為F，處理后的斷裂強(qiáng)度為f,纖維斷裂強(qiáng)度損失率按下式計(jì)算：

損失率=(F-f)/F×100%

1.5 耐酸堿性能測(cè)試

在室溫18 ℃，相對(duì)濕度30%的條件下，分別配置體積分?jǐn)?shù)為0%、5%、10%、15%、20%的H2SO4溶液，體積分?jǐn)?shù)為0%、3%、5%、8%、10%的NaOH溶液。將纖維放入溶液中浸泡1 h后取出，用蒸餾水洗凈，放置72 h后使其自然晾干，進(jìn)行回潮率和拉伸性能的測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀形態(tài)

艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維在電子顯微鏡下的橫截面及縱向形態(tài)的SEM照片見(jiàn)圖1、2。

圖1 艾草改性竹漿纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖2 竹漿纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

由圖1、2可見(jiàn)，當(dāng)橫截面和縱向形態(tài)放大至相同的倍數(shù)時(shí)，艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維的尺寸差異不大。艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維的橫截面均為鋸齒形狀，纖維中存在著許多不同微孔。竹漿纖維比艾草改性竹漿纖維的鋸齒形明顯，艾草改性竹漿纖維內(nèi)部微孔略多于竹漿纖維。艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維的縱向均有深淺不一的凹槽，造成凹凸不平的外觀，有的深陷其內(nèi)部，造成纖維上有較大的裂縫，這種結(jié)構(gòu)使纖維具有較好的抱合力和摩擦力，有利于纖維紡制成紗。同時(shí)，可以明顯看到艾草改性竹漿纖維縱向凹槽比竹漿纖維小，縱向表面微孔比竹漿纖維多。表現(xiàn)在宏觀上，艾草改性竹漿纖維的手感較竹漿纖維略滑爽。纖維的吸濕性、濕滯性、光學(xué)和各種力學(xué)性質(zhì)都與纖維的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.2 回潮率

2.2.1 回潮率曲線

纖維材料能夠吸收水分，不同結(jié)構(gòu)的紡織纖維吸收水分的能力是不同的。通常把纖維材料在大氣中吸收或放出氣態(tài)水的能力稱為吸濕性，可以用回潮率或含水率來(lái)表示[5]。艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維被不同濃度的H2SO4溶液和NaOH溶液處理后的回潮率見(jiàn)圖3、4。

圖3 不同濃度H2SO4處理后纖維的回潮率

圖4 不同濃度NaOH處理后纖維的回潮率

由圖3可知，當(dāng)H2SO4體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，艾草改性竹漿纖維的回潮率略高于竹漿纖維的回潮率。2種纖維經(jīng)過(guò)H2SO4溶液處理后回潮率均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在H2SO4體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，艾草改性竹漿纖維的回潮率增加比較緩慢，并隨著H2SO4體積分?jǐn)?shù)增加而逐漸增大。竹漿纖維的回潮率隨著H2SO4體積分?jǐn)?shù)增加而呈現(xiàn)穩(wěn)定增大的趨勢(shì)。由圖4可知，當(dāng)NaOH體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，艾草改性竹漿纖維的回潮率略高于竹漿纖維的回潮率。2種纖維經(jīng)過(guò)NaOH溶液處理后回潮率均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并呈先快后慢的特點(diǎn)，2種纖維回潮率曲線大致相同。

2.2.2 回潮率分析

由圖1、2可知，艾草改性竹漿纖維內(nèi)部微孔略多于竹漿纖維，因此艾草改性竹漿纖維的吸濕性能優(yōu)于竹漿纖維。經(jīng)過(guò)H2SO4溶液處理后2種纖維的回潮率均增大，這是因?yàn)榘莞男灾駶{纖維和竹漿纖維都屬于纖維素纖維，H2SO4溶液使纖維素中的部分纖維大分子水解，所形成的親水基團(tuán)增加的多，因此經(jīng)過(guò)H2SO4溶液處理的纖維吸濕性能增強(qiáng)。

艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維經(jīng)過(guò)NaOH溶液處理后回潮率減小，在測(cè)量回潮率的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)NaOH體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，處理的纖維表面產(chǎn)生了膠狀物，烘干后膠狀物發(fā)生了硬化，纖維相互擠壓不容易產(chǎn)生變形，這是因?yàn)槟z狀物質(zhì)覆蓋了纖維，阻止了纖維上的親水集團(tuán)和水分子結(jié)合，同時(shí)也影響纖維空隙之間的吸濕，所以經(jīng)過(guò)NaOH溶液處理后纖維回潮率減小[6-7]。

2.2.3 回潮率回歸方程

根據(jù)高等數(shù)學(xué)知識(shí)，應(yīng)用Matlab數(shù)學(xué)分析軟件，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出2種纖維回潮率與H2SO4和NaOH體積分?jǐn)?shù)的回歸方程，式中：x為體積分?jǐn)?shù)，%；Y為纖維的回潮率，%。擬合結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 纖維回潮率與體積分?jǐn)?shù)的回歸方程

回歸方程顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表2。取顯著水平α=2.5%，查得F0.975(1,3)=17.44，F(xiàn)0.975(2,2)=39,F0.975(1,4)=12.22,F0.975(3,2)=39.17[8]。因?yàn)镕大于F0.975，則以上4組方程通過(guò)檢驗(yàn)，得出酸堿溶液的濃度對(duì)纖維的回潮率有顯著影響。

2.3 拉伸性能

纖維是長(zhǎng)徑比很大的柔性物體，軸向拉伸是其受力的主要形式，纖維的彎曲性能也與其拉伸性能有關(guān)，因此纖維的拉伸性能是衡量纖維力學(xué)性能的重要指標(biāo)。纖維的拉伸性能包括強(qiáng)度和伸長(zhǎng)2個(gè)方面，纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率與紡織加工性能和紡織品的服用性能有著密切的關(guān)系[9]。艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維被不同體積分?jǐn)?shù)的H2SO4溶液和NaOH溶液處理后其拉伸性能見(jiàn)表3、4。

表2 回歸方程顯著性檢驗(yàn)分析

表3 不同體積分?jǐn)?shù)H2SO4處理后纖維的拉伸性能

表4 不同體積分?jǐn)?shù)NaOH處理后纖維的拉伸性能

由表3、4可知，未經(jīng)過(guò)溶液處理的2種纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都不高，這與纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，2種纖維的縱向均有深淺不一的凹槽，造成纖維上有較大的裂縫，這是2種纖維斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率較低的原因之一。此外，艾草改性竹漿纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率略低于竹漿纖維，這是因?yàn)榘莞男灾駶{纖維經(jīng)過(guò)改性后纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)略有變化，內(nèi)部的微孔多于竹漿纖維，因此艾草改性竹漿纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率與竹漿纖維相比會(huì)偏低。隨著酸堿體積分?jǐn)?shù)的增加，艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中經(jīng)過(guò)堿處理后2種纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降較大，斷裂強(qiáng)度損失率見(jiàn)圖5、6。

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)H2SO4處理后纖維的斷裂強(qiáng)度損失率

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)NaOH處理后纖維的斷裂強(qiáng)度損失率

由圖5、6可以看出，同等條件下，竹漿纖維的質(zhì)量損失率均高于艾草改性竹漿纖維。2種纖維的斷裂強(qiáng)度損失增長(zhǎng)率均隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)其斷裂強(qiáng)度損失率與體積分?jǐn)?shù)較好地符合二次多項(xiàng)式關(guān)系Y=a+bx+cx2(式中：a、b、c均為常數(shù)；x為溶液體積分?jǐn)?shù)，%；Y為斷裂強(qiáng)度損失率，%)，擬合的相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.95以上。

2種纖維的斷裂強(qiáng)度受H2SO4溶液的影響較小，斷裂強(qiáng)度損失率增長(zhǎng)呈先快后慢的特點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)體積分?jǐn)?shù)20%H2SO4處理后，2種纖維的斷裂強(qiáng)度損失率分別為17.52%和26.02%，并且隨體積分?jǐn)?shù)的增加而呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2種纖維的斷裂強(qiáng)度受NaOH體積分?jǐn)?shù)的影響比較大，斷裂強(qiáng)度損失率增長(zhǎng)呈先慢后快的特點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)體積分?jǐn)?shù)10%NaOH處理后2種纖維的斷裂強(qiáng)度損失率分別為57.69%和65.04%，并且隨體積分?jǐn)?shù)的增加而呈現(xiàn)急速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)NaOH體積分?jǐn)?shù)超過(guò)8%時(shí)，對(duì)2種纖維來(lái)說(shuō)損傷都很大，纖維已經(jīng)失去利用價(jià)值，因此2種纖維應(yīng)當(dāng)盡量避免使用堿處理。這是因?yàn)?種纖維經(jīng)NaOH溶液處理后纖維素大分子發(fā)生了堿水解反應(yīng)，該反應(yīng)會(huì)使纖維素的部分苷鍵斷裂、聚合度下降[10]，因此2種纖維受NaOH溶液處理后斷裂強(qiáng)度下降得比較明顯。

3 結(jié) 論

①未經(jīng)溶液處理的艾草改性竹漿纖維的回潮率大于竹漿纖維，但其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均小于竹漿纖維。

②艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維的回潮率均隨H2SO4溶液體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨體積分?jǐn)?shù)增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，竹漿纖維的斷裂強(qiáng)度損失率大于艾草改性竹漿纖維。2種纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率受酸溶液的影響小，表明2種纖維具有一定的耐酸性。

③艾草改性竹漿纖維和竹漿纖維的回潮率均隨NaOH溶液體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨體積分?jǐn)?shù)增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，竹漿纖維的斷裂強(qiáng)度損失率大于艾草改性竹漿纖維。2種纖維的耐堿性較差，當(dāng)NaOH體積分?jǐn)?shù)超過(guò)8%時(shí)，對(duì)纖維損傷都很大，纖維已經(jīng)失去利用價(jià)值，因此在使用2種纖維時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免堿處理。