再生纖維素纖維的鑒別方法研究

阮凌峰,吳 乾,李 瑩,孫嘉憶

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海200040)

再生纖維素纖維綠色生態(tài),屬于可再生資源,具有環(huán)保性,同時(shí)擁有優(yōu)良的吸濕性和穿著舒適性,備受消費(fèi)者喜愛[1-2]。隨著紡織科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,再生纖維素纖維形成了三代產(chǎn)品,每一代產(chǎn)品的理化性能得到了很大改良,同時(shí)生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境的污染進(jìn)一步減小,因此,推動(dòng)了再生纖維素纖維的應(yīng)用[3-5]。目前,再生纖維素纖維的鑒別標(biāo)準(zhǔn)有FZ/T 01057-2007[6]、AATCC 20 2011[7]、ASTM D 276[8]以及JIS L 1030-1-2005[9],原理都是用燃燒法、溶解法、紅外光譜法等確定為纖維素纖維,然后結(jié)合顯微鏡法根據(jù)形態(tài)的不同,最終確定纖維的種類。對(duì)于天然纖維素纖維,纖維橫縱向形態(tài)雖然不完全相同,但卻具有明顯的固有特征,比如棉纖維,縱向扁平帶狀、有天然轉(zhuǎn)曲,橫截面有中腔,呈不規(guī)則的腰圓形。而再生纖維素纖維是人造纖維,其橫縱向形態(tài)隨生產(chǎn)工藝的改變而改變,對(duì)于橫截面呈圓形或近似圓形的再生纖維素纖維,如萊賽爾纖維、銅氨纖維及臺(tái)灣臺(tái)化集團(tuán)生產(chǎn)的圓形莫代爾纖維,運(yùn)用現(xiàn)有方法會(huì)造成纖維鑒別的不確定性或無法鑒別[10]。選擇3種再生纖維素纖維,采用堿液將纖維浸漬一段時(shí)間,研究纖維的長度選擇、堿液種類、浸漬時(shí)間、堿液濃度等對(duì)再生纖維素纖維的膨脹率的影響,找出在同一條件下,使不同種類的再生纖維素纖維的膨脹率達(dá)到較大差異,建立纖維種類與膨脹率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而達(dá)到鑒別的目的。

1 材料與儀器

試驗(yàn)材料與儀器見表1。

表1 試驗(yàn)材料與儀器

2 試驗(yàn)方法

將再生纖維素纖維剪成一定長度的纖維,置于載玻片上,蓋上蓋玻片,放置在纖維細(xì)度儀顯微鏡的載物臺(tái)上,用吸管吸一滴堿液滴在蓋玻片一端,測量纖維的直徑,計(jì)算膨脹率。

膨脹率(%)=(纖維膨脹后直徑-纖維直徑)/纖維直徑×100

3 結(jié)果與討論

選擇常用的再生纖維素纖維,采用堿液將纖維浸漬一段時(shí)間,研究纖維的長度選擇、堿液種類、浸漬時(shí)間、堿液濃度等對(duì)再生纖維素纖維膨脹率的影響,找出在同一條件下,使不同種類再生纖維素纖維的膨脹率達(dá)到較大的差異,建立纖維種類與膨脹率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而達(dá)到鑒別的目的,如圖1所示。

圖1 濕膨脹操作方法

3.1 纖維長度的影響

圖2 纖維圖像

采用哈氏切片器將纖維(圖2)切成較短的纖維束,當(dāng)纖維浸漬在堿液中,隨著吸附大量的水分子,纖維直徑不斷增大。由于纖維長度較短,當(dāng)纖維的直徑膨大到與纖維長度近似的尺寸時(shí),堿液不止從纖維的皮層滲入,還會(huì)大量地從橫截面端進(jìn)入纖維內(nèi)部,纖維發(fā)生變形,影響纖維直徑測量的準(zhǔn)確性;纖維較長時(shí),纖維容易交織、纏繞、堆疊在一起,不易分散,交疊處的纖維對(duì)纖維直徑的膨脹會(huì)產(chǎn)生阻礙作用,影響正常纖維膨大直徑的測量,故應(yīng)選取合適的纖維長度進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。由于纖維膨脹后直徑在30～80μm 之間,纖維自身的直徑在5～20μm 之間,故選取0.3～0.8 mm 的纖維長度可以滿足要求,且樣品制作簡單,易操作。

3.2 堿液種類的影響

采用單一種類的堿液測試?yán)w維直徑的膨脹率,作為纖維種類的鑒別依據(jù)稍顯單薄,且紡織面料的纖維都經(jīng)過染色后整理等染料、助劑的影響,纖維的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)受到影響,與未經(jīng)任何化學(xué)試劑處理的原纖維的濕膨脹率會(huì)略有不同,故需提供盡量多組參數(shù),對(duì)纖維進(jìn)行分析鑒別。選取了三級(jí)水、氨水、碳酸鈉、碳酸氫鈉、燒堿配制5組溶液,觀察不同再生纖維素纖維的濕膨脹率,分析濕膨脹率與纖維種類的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而達(dá)到定性鑒別的目的,試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖3 不同種類的再生纖維素纖維

圖4 三級(jí)水浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

圖5 氨水浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

圖6 碳酸氫鈉浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

由圖3～圖7知,三級(jí)水、氨水、碳酸氫鈉、碳酸鈉浸漬后,3種纖維直徑膨脹比較小,無明顯變化,很難作為鑒別的依據(jù)。對(duì)比圖3與圖8,發(fā)現(xiàn)3種纖維直徑膨脹較大,但幾種纖維間的膨脹差異較為接近,無法直接作為鑒別的有效依據(jù)。為了尋找更為直接的鑒別依據(jù),重點(diǎn)研究了燒堿溶液對(duì)再生纖維素纖維的膨脹規(guī)律。

圖7 碳酸鈉浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

圖8 燒堿浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

3.3 再生纖維素纖維在燒堿溶液中的膨脹規(guī)律

研究燒堿溶液對(duì)再生纖維素纖維直徑有較大膨脹作用的原理,可以從棉纖維的絲光效應(yīng)[11]得到啟發(fā)。

濃燒堿溶液對(duì)纖維素纖維作用產(chǎn)生堿纖維素。

棉纖維經(jīng)燒堿溶液處理發(fā)生劇烈的不可逆溶脹原因是鈉離子體積小,它可以進(jìn)入到纖維的晶區(qū);同時(shí)Na+是一種水化能力很強(qiáng)的離子,環(huán)繞在一個(gè)Na+周圍的水分子多達(dá)66個(gè)之多,以至形成一個(gè)水化層。當(dāng)Na+進(jìn)入纖維內(nèi)部并與纖維結(jié)合時(shí),大量的水分也被帶入,因而引起了劇烈溶脹,由于能進(jìn)入晶區(qū),因此溶脹是不可逆的。再生纖維素纖維由于與棉纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)相同,再生纖維素纖維在堿液中也會(huì)發(fā)生同樣的反應(yīng),只是由于再生纖維素纖維的微觀結(jié)構(gòu)與棉纖維略有不同,比如結(jié)晶度、聚合度都低很多,相對(duì)于棉纖維絲光采用的濃堿液,再生纖維素纖維在相對(duì)較低濃度的堿液中即可達(dá)到最大的膨脹率。從堿液浸漬的時(shí)間及堿液的濃度兩個(gè)方面研究再生纖維素纖維的膨脹規(guī)律。

3.3.1 燒堿浸漬時(shí)間的影響

將再生纖維素纖維剪成0.3～0.8 mm,置于載玻片上,蓋上蓋玻片,放置在纖維細(xì)度儀顯微鏡的載物臺(tái)上,用吸管吸一滴堿液滴在蓋玻片一端,開始記時(shí)。隨堿液浸漬時(shí)間0.5、1、2、3、4、5、6 min分別測量視野中固定選取的5根纖維的直徑,重復(fù)30～40次試驗(yàn),取纖維膨脹直徑的平均值,計(jì)算纖維在堿液浸漬中隨時(shí)間延長膨脹率的變化。采用燒堿濃度110 g/L,浸漬時(shí)間從最初浸漬30 s到6 min時(shí)間內(nèi),不同種類再生纖維素纖維的直徑膨脹率的變化,如圖9、圖10所示。

圖9 堿液浸漬時(shí)間對(duì)纖維直徑的影響

圖10 堿液浸漬時(shí)間對(duì)纖維膨脹率的影響

由圖9與圖10知,隨浸漬時(shí)間的延長,不同種類再生纖維素纖維的直徑瞬間膨大。銅氨纖維、莫代爾纖維、大部分萊賽爾纖維在堿液中浸漬1～6 min,甚至更長時(shí)間,膨脹率基本不變,有少部分萊賽爾纖維隨浸漬時(shí)間的延長,膨脹率逐漸增大,直到邊緣模糊,纖維在纖維細(xì)度儀視野中逐漸消失。即大部分再生纖維素纖維在燒堿溶液中直徑瞬間膨大,接下來保持不變,另外小部分萊賽爾纖維在堿液中隨浸漬時(shí)間的延長,膨脹率不斷增大,如圖11。

圖11 萊賽爾纖維隨浸漬時(shí)間的延長直徑膨脹圖

3.3.2 燒堿濃度的影響

將再生纖維素纖維剪成0.3～0.8 mm 長度,置于載玻片上,蓋上蓋玻片,放置在纖維細(xì)度儀顯微鏡的載物臺(tái)上,用吸管吸一滴堿液滴在蓋玻片一端,開始記時(shí),在堿液浸漬2～5 min中測試?yán)w維的直徑變化(測試根數(shù)不少于200根),計(jì)算膨脹率。燒堿濃度為50、70、90、100、110、130 g/L,纖維的直徑變化如圖12、圖13所示。

圖12 堿液濃度對(duì)纖維直徑的影響

由圖12知,3種纖維的直徑膨脹率隨堿液濃度的升高,先增大后減小。由于隨堿液濃度的升高,堿液中Na+增多,進(jìn)入纖維內(nèi)部Na+數(shù)增多,纖維可以吸附更多的水分子,纖維的直徑隨堿液濃度的升高急劇增加;當(dāng)堿液濃度達(dá)到100 g/L 時(shí),纖維向外溶脹達(dá)到最大值,隨堿液濃度進(jìn)一步升高,由于在室溫下測定,堿液黏度上升,堿液變得粘稠,纖維內(nèi)部的Na+反而減少,纖維直徑不升反降。

圖13 纖維直徑的膨脹率隨堿液濃度變化的趨勢圖

由圖13知,纖維直徑的膨脹率隨堿液濃度的增大先上升后下降。在堿液濃度為70 g/L,銅氨纖維和莫代爾纖維的膨脹率接近,最低在350%左右,萊賽爾纖維的直徑膨脹率較小,基本低于250%;堿液濃度為100 g/L時(shí),銅氨纖維的膨脹率≥550%,莫代爾纖維和萊賽爾纖維膨脹率≤450%,且莫代爾纖維在堿液中邊緣模糊,有部分裂痕,萊賽爾纖維邊緣清晰,纖維完整,如圖14～圖15所示。

4 結(jié)語

根據(jù)棉纖維絲光的工藝原理,提出了濕膨脹法,嘗試選用5種堿性強(qiáng)度不同的堿液組成堿劑梯度,研究不同纖維膨脹性的規(guī)律,建立了一系列膨脹性能與纖維種類的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),再生纖維素纖維在堿性較弱的堿液中膨脹率較小,無法作為鑒別的有效依據(jù),故重點(diǎn)研究了對(duì)再生纖維素纖維有較大膨脹率的燒堿溶液,從浸漬時(shí)間到堿液濃度,發(fā)現(xiàn)了存在巨大差異的堿液濃度及膨脹規(guī)律。

圖14 100 g/L堿液莫代爾纖維

圖15 100 g/L堿液萊賽爾纖維

70 g/L燒堿溶液中,銅氨纖維和莫代爾纖維(含臺(tái)化莫代爾纖維)膨脹率≥350%,萊賽爾纖維的膨脹率≤250%。100 g/L 堿液中,銅氨纖維的膨脹率≥550%,莫代爾纖維和萊賽爾纖維膨脹率≤450%,且莫代爾纖維在堿液中邊緣模糊,有部分裂痕,萊賽爾纖維邊緣清晰,纖維完整。銅氨纖維、莫代爾纖維、大部分萊賽爾纖維在燒堿溶液中浸漬2～5 min,膨脹率恒定不變,有少部分萊賽爾纖維隨浸漬時(shí)間的延長,膨脹率逐漸增大,直到邊緣模糊,纖維在纖維細(xì)度儀視野中逐漸消失,對(duì)于有異議的纖維,可以用其他手段方法進(jìn)行相互驗(yàn)證。