微波輔助脫膠棉稈皮纖維的紡紗性能

董 震褚特野陸 寧潘希恒李德華

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2江西恩達麻世紀(jì)科技股份有限公司，江西新余，336600；3.江蘇新金蘭紡織制衣有限公司，江蘇鹽城，224600）

從棉稈皮為代表的廢棄物中獲得有價值的纖維原料是當(dāng)前紡織材料領(lǐng)域的重要研究方向之一［1］。這類纖維原料的共同特征是直徑粗、木質(zhì)素含量高。與其他參數(shù)相比，纖維細度對紡織加工的影響更加關(guān)鍵。因此，降低纖維細度、改善纖維的可紡性是這類材料獲得高價值紡織應(yīng)用的前提［2］。

目前為止，多數(shù)文獻都從脫木質(zhì)素的角度展開研究［3］。木質(zhì)素的去除可以改善纖維細度，使纖維更柔軟，提高纖維的可紡性［4］。但是，作為細胞間的連接物質(zhì)，木質(zhì)素的去除不可避免會引起纖維斷裂強度的下降，對紡紗不利。因此，多數(shù)研究都在上述兩種因素間尋找平衡［5-7］。

我們的前期專利報道了一種既能改善纖維細度，又能避免纖維強度下降的方法［8］。以甘油/NaOH為溶劑，采用微波輔助快速升溫，達到沿纖維徑向從外向內(nèi)定向脫膠的目的。一方面利用甘油的黏度降低NaOH的滲透速度；另一方面利用微波快速升溫至160℃～170℃，減少脫膠時間。通過上述兩種設(shè)計將高溫脫膠行為控制在纖維束外側(cè)。本試驗采用此脫膠技術(shù)獲得棉稈皮纖維，研究其可紡性。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

未處理棉稈皮纖維（直徑65μm，斷裂強度4.0 cN/dtex）；混紡用棉纖維（細度1.5 dtex，長度29.2 mm）；對比用的棉稈皮纖維采用高溫堿煮方法獲得（溫度160℃、時間60 min、浴比40∶1）。

FN300A型羅拉式梳理機（青島精佳紡織機械制造有限公司）；XH200A型電腦微波固液相合成萃取儀（北京祥鵠科技發(fā)展有限公司）；LLY-06B型電子單纖維強力儀（萊州電子儀器有限公司）；KYKY 2800型掃描電鏡（北京中科科儀股份有限公司）；YG061F型電子單紗強力儀（萊州電子儀器有限公司）；YG171L型紗線毛羽測試儀（萊州電子儀器有限公司）。

1.2 微波輔助棉稈皮纖維脫膠

首先，以甘油為溶劑，配置NaOH質(zhì)量分數(shù)為8%的甘油/NaOH溶液；稱取5 g棉稈皮纖維，與10 g甘油/NaOH溶液均勻混合。將上述纖維在900 W功率微波下作用18 s后浸于室溫水中徹底漂洗至中性；纖維干燥，再經(jīng)羅拉式梳理機梳理后用于測試和紡紗。

1.3 棉稈皮纖維性能測試

棉稈皮纖維的形態(tài)在掃描電鏡下觀察，放大500倍。纖維直徑由200根纖維的直徑測量值計算平均值得到。由于微波輔助脫膠條件下，除非纖維解體，其平均長度均大于60 mm，遠超棉型化纖標(biāo)準(zhǔn)長度38 mm。因此，本研究對脫膠過程中的纖維長度變化不作分析。

棉稈皮纖維的木質(zhì)素含量采用GB 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》進行測定。

將10 mm長的棉稈皮纖維在捻度儀上沿自身長軸旋轉(zhuǎn)直至斷裂，記錄旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，定義為撓曲度。采用該法測試棉稈皮纖維的撓曲度。撓曲度越高，表明纖維在紗線中越容易進行內(nèi)外轉(zhuǎn)移，成紗結(jié)構(gòu)越均勻。

棉稈皮纖維的斷裂強度、斷裂伸長及楊氏模量等在LLY-06B型電子單纖維強力儀上測試。試驗前，纖維在溫度21℃及相對濕度65%的條件下平衡24 h左右。夾持距離10 mm，拉伸速度10 mm/min。每個數(shù)據(jù)測試200根纖維。

棉稈皮纖維與棉纖維按7∶3的比例手工混和后，按梳棉、并條、粗紗、細紗的加工流程進行紡紗。設(shè) 定3種 紗 線 號 數(shù)18.5 tex、29.5 tex、49.2 tex，在各號數(shù)下紡制不同捻系數(shù)的紗線。

1.4 紗線性能測試

按GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定（CRE法）》，在YG061F型電子單紗強力儀上測試紗線的強度、斷裂伸長率。依據(jù)FZ/T 01086《紡織品紗線毛羽測定方法投影計數(shù)法》，在YG171L型紗線毛羽測試儀上測試3 mm毛羽數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈皮纖維的形態(tài)和尺寸

圖1 是未處理、高溫堿煮及微波脫膠后的棉稈皮纖維表面形態(tài)。

圖1 棉稈皮纖維的表面形態(tài)

由圖1可以看出，未處理的棉稈皮纖維直徑約65μm，表面有大量膠質(zhì)包覆；高溫堿煮后的纖維表面膠質(zhì)較少，纖維直徑降至45μm；微波輔助脫膠后的棉稈皮纖維直徑降至28μm左右，纖維表面較潔凈。棉稈皮纖維內(nèi)的膠質(zhì)以木質(zhì)素為主，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素較難去除，高溫條件下木質(zhì)素能被更有效地降解去除。在本試驗中，經(jīng)900 W功率微波作用18 s后，溶劑溫度已升至170℃，能有效保證木質(zhì)素降解和單細胞剝離。因此，900 W微波條件下易得到直徑細、表面潔凈的棉稈皮纖維。

2.2 棉稈皮纖維的木質(zhì)素含量

經(jīng)測試，未處理、微波脫膠、高溫堿煮棉稈皮纖維的木質(zhì)素含量分別為（16.9±1.5）%、（14±1.6）%、（4.5±0.6）%。未處理的棉稈皮纖維木質(zhì)素含量最高，達到16.9%。高溫堿煮后，棉稈皮纖維木質(zhì)素含量降至4.5%，表明木質(zhì)素在160℃溫度下去除效率高。但是，由于脫膠過程在高溫高壓環(huán)境下進行，纖維內(nèi)外側(cè)的木質(zhì)素被同時去除。雖然900 W功率的微波作用18 s后，溶劑溫度升至170℃，脫膠后的纖維木質(zhì)素含量仍保持在14%的較高水平，表明木質(zhì)素未發(fā)生大量降解或被溶解去除。因此，可以推測，微波條件下棉稈皮纖維的脫膠被控制在纖維束外側(cè)。

2.3 棉稈皮纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線

3種棉稈皮纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 3種棉稈皮纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可以看出，與未處理的棉稈皮纖維相似，微波脫膠后的棉稈皮纖維表現(xiàn)出高強度、高模量的特征，而高溫堿煮后的棉稈皮纖維斷裂強度和模量均出現(xiàn)下降。這一現(xiàn)象與脫膠模式的猜測一致。在高溫高壓堿煮模式下，纖維內(nèi)外側(cè)的膠質(zhì)被同步去除，直接導(dǎo)致纖維強度和模量的下降；采用微波升溫形式，脫膠行為被控制在纖維束外側(cè)，內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)受影響較小。因此，微波處理后的纖維整體表現(xiàn)出強度高、模量高的特征。

2.4 纖維的撓曲度

撓曲度可間接反映纖維沿著紗線徑向轉(zhuǎn)移的性能。經(jīng)測試，未處理、微波脫膠、高溫堿煮棉稈皮纖維的撓曲度分別為（8.6±1.0）圈、（12.1±1.3）圈、（15.7±1.7）圈。由此可以看出，未處理棉稈皮纖維的撓曲度僅8.6圈，這與緊密堆砌的纖維結(jié)構(gòu)有關(guān)。高溫堿煮后，纖維內(nèi)外側(cè)的木質(zhì)素被同步去除，結(jié)構(gòu)變得松軟，撓曲度值升高，這一現(xiàn)象與高溫堿煮后棉稈皮纖維較低的楊氏模量是一致的。在微波輔助脫膠過程中，膠質(zhì)是沿著纖維束徑向從外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐步去除的。脫膠后的纖維內(nèi)側(cè)緊湊，外側(cè)松軟。因此，微波脫膠后的棉稈皮纖維撓曲度高于未處理的棉稈皮纖維，但低于高溫堿煮后的棉稈皮纖維。

2.5 棉稈皮纖維混紡紗的性能

不同號數(shù)棉稈皮纖維混紡紗的斷裂強度測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 棉稈皮纖維混紡紗與純棉紗斷裂強度的比較

由圖3可以看出，捻系數(shù)相同時，棉稈皮纖維混紡紗的斷裂強度基本低于相同號數(shù)的純棉紗；號數(shù)相同時，棉稈皮纖維混紡紗的臨界捻系數(shù)值均高于純棉紗。在本研究中，18.5 tex、29.5 tex、49.2 tex混紡紗的最高斷裂強度分別達到16.0 cN/tex、16.9 cN/tex及17.5 cN/tex，遠高于前期研究中高溫堿煮棉稈皮纖維混紡紗的12.0 cN/tex，這得益于纖維細度和強度的改善。雖然微波脫膠后的棉稈皮纖維撓曲度測試值略低于高溫堿煮后的纖維，但纖維直徑小和強度高的優(yōu)勢改善了混紡紗的性能。

棉稈皮纖維混紡紗的斷裂伸長率如圖4所示。由圖4可以看出，棉稈皮纖維混紡紗的斷裂伸長率隨捻系數(shù)升高逐漸升高，而純棉紗的斷裂伸長率經(jīng)過初期上升階段后出現(xiàn)臨界值。這一現(xiàn)象的原因是兩種紗線內(nèi)纖維間抱合力的差異。棉稈皮纖維的直徑比棉纖維粗，缺少棉纖維的天然轉(zhuǎn)曲，與棉纖維之間的抱合力不足。捻系數(shù)的升高可以改善兩種纖維間的抱合，提高混紡紗的斷裂伸長率。純棉紗的捻系數(shù)存在臨界值，超過此臨界值后，繼續(xù)升高捻系數(shù)反而會損傷紗線的彈性和延伸性，導(dǎo)致紗線斷裂伸長率下降。

圖4 棉稈皮纖維混紡紗與純棉紗斷裂伸長率的比較

棉稈皮纖維混紡紗的3 mm毛羽數(shù)測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 棉稈皮纖維混紡紗與純棉紗3 mm毛羽數(shù)的比較

圖5 中，純棉紗和棉稈皮纖維混紡紗的3 mm毛羽數(shù)都存在一個臨界值。低于臨界值時，3 mm毛羽數(shù)隨捻系數(shù)增加呈減小趨勢，這是因為加捻利于纖維沿紗線徑向的轉(zhuǎn)移，減少了頭端暴露的機會。但是，捻系數(shù)過高會使纖維頭端垂直于紗線表面，同時極易引起小辮子紗現(xiàn)象。與純棉紗相比，棉稈皮纖維混紡紗的臨界捻系數(shù)較高，這也說明棉稈皮纖維的可紡性不如棉纖維，棉稈皮纖維混紡紗的成紗結(jié)構(gòu)不如純棉紗。

3 結(jié)論

（1）微波輔助脫膠方法可在不損傷纖維結(jié)構(gòu)強度的前提下，獲得可紡性較好的棉稈皮纖維。該纖維表現(xiàn)出直徑細、撓曲度好、強度高的優(yōu)點。

（2）用微波輔助脫膠方法獲得的棉稈皮纖維可紡性顯著優(yōu)于高溫堿煮獲得的棉稈皮纖維。

（3）在紡紗應(yīng)用表現(xiàn)上，棉稈皮纖維直徑和強度的改善可彌補自身結(jié)構(gòu)脆性的不足。