過(guò)氧化尿素漂白亞麻短纖維的表征

高 潔，佟 瀟，張彩玉，孟維丹

（1.齊齊哈爾大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)圖書(shū)館，黑龍江齊齊哈爾 161006）

亞麻纖維是天然植物纖維，因獨(dú)特的紡錘形結(jié)構(gòu)和果膠質(zhì)斜邊孔，吸濕透氣性好，穿著挺括大方，被譽(yù)為清涼高貴的纖維，備受時(shí)尚消費(fèi)者的喜愛(ài)［1］。亞麻紗的原料來(lái)自櫛梳麻，以櫛梳麻為原料紡紗叫長(zhǎng)麻紡紗，以短麻為原料紡紗叫短麻紡紗［2］。短麻既具有亞麻本身的優(yōu)點(diǎn)，又存在許多缺點(diǎn)，如雜質(zhì)含量高、纖維粗硬，短纖維之間性能差別大，可紡性較差，只能進(jìn)行濕紡加工［3］，所以只能生產(chǎn)一些較低端的產(chǎn)品。為了彌補(bǔ)亞麻短纖維的這些不足，對(duì)短纖維進(jìn)行煮漂處理以去除部分雜質(zhì)，在提高纖維分裂度及白度的基礎(chǔ)上，盡量減少纖維的損傷，改善短纖維的可紡性能，便于后續(xù)加工，使亞麻產(chǎn)品多元化發(fā)展。亞麻短纖維的分裂度和長(zhǎng)度與膠質(zhì)含量密不可分，如果完全脫膠，亞麻纖維長(zhǎng)度較短，紡紗困難。因而只能采取半脫膠，而究竟將膠質(zhì)脫到何種程度應(yīng)依據(jù)纖維的性質(zhì)和紡紗支數(shù)確定。本研究采用過(guò)氧化尿素進(jìn)行漂白，既能滿(mǎn)足對(duì)亞麻短纖維白度的要求，又能盡量保護(hù)纖維，提高亞麻短纖維的加工水平。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：亞麻短纖維（齊齊哈爾克山金鼎亞麻有限公司）；滲透劑JFC（分析純，嘉興華晟助劑工業(yè)有限公司），焦磷酸鈉（分析純，吉林省軍區(qū)化工廠(chǎng)），絡(luò)合劑EDTA（分析純，吳江恒達(dá)精細(xì)化工有限公司）。

儀器：HH-SII6型數(shù)顯水浴鍋（金壇華峰儀器有限公司），Y802K型快速烘箱（萊州電子儀器有限公司），Spectrum型紅外光譜儀（美國(guó)PE公司），S-3400型掃描電子顯微鏡（日本日立公司），F(xiàn)A1004型電子分析天平（上海上平儀器公司），STA 449 F3 Jupiter型熱分析儀（德國(guó)NETZSCH公司），Y171D型纖維切片器（常州第二紡織機(jī)械廠(chǎng)），D8型X射線(xiàn)衍射儀（德國(guó)BRUKER-AXS公司）。

1.2 過(guò)氧化尿素漂白工藝

過(guò)氧化尿素5 g/L，pH 8～9，JFC 2 g/L，穩(wěn)定劑焦磷酸鈉3 g/L，EDTA 3 g/L，45 min，80 ℃，浴比1∶40。

1.3 測(cè)試

紅外光譜：取1～2 mg亞麻短纖維粉末和100 mg溴化鉀放入研缽中研磨混勻，制成薄片，在紅外光譜儀上進(jìn)行測(cè)定。光譜范圍4 000～400 cm-1，光譜精度0.008 cm-1，光譜分辨率0.5 cm-1，光譜準(zhǔn)確度0.02 cm-1，信噪比180 000∶1。

X-射線(xiàn)衍射：將亞麻短纖維粉末安放在X-射線(xiàn)衍射儀的玻璃樣品架上，在穩(wěn)定條件下進(jìn)行分析。管電壓20～60 kV，管電流10～300 mA，掃描速率2°/min，角度5°～30°。

表觀(guān)形貌：在掃描電子顯微鏡下觀(guān)察。測(cè)試條件為溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%，加速電壓30 kV，測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理。

熱性能：用熱分析儀測(cè)試。N2氣氛，氣體流量20 mL/min，升溫速率10 ℃/min，測(cè)試溫度0～600 ℃，樣品質(zhì)量2～7 mg，檢測(cè)范圍25/100/600，參比Al2O3。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜

由圖1可以看出，在3 500～3 300 cm-1處有較寬的特征峰，為O—H伸縮振動(dòng)吸收峰。2 920 cm-1左右是C—H伸縮振動(dòng)吸收峰，在此區(qū)域中，漂白前后亞麻短纖維在2 918、2 854 cm-1處均有一個(gè)雙峰，歸屬于—CH3和—CH2—的對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，是纖維素的特征吸收峰［4-5］。1 640 cm-1左右為糖醛酸羧基的吸收峰，為果膠的特征吸收峰［6-7］，漂白后亞麻短纖維的吸收峰低于未漂白亞麻短纖維，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)煮練和漂白后，果膠去除較多，大大破壞了膠質(zhì)的緊密結(jié)構(gòu)，粘結(jié)程度減弱，分裂度提高；但此吸收峰并沒(méi)有消失，說(shuō)明果膠沒(méi)有完全去除，保留的膠質(zhì)使短纖維相互連接，保持了纖維的特性。1 236 cm-1附近為酚型結(jié)構(gòu)木質(zhì)素的對(duì)羥基特征吸收峰，漂白后亞麻短纖維在此處的吸收峰稍微偏低，表明亞麻短纖維中木質(zhì)素被部分去除。1 158 cm-1處是β-d-葡萄糖苷鍵及C—O—C的吸收峰［8］，漂白前后吸收峰無(wú)明顯變化。750 cm-1附近為—OH的面外變形振動(dòng)峰，過(guò)氧化尿素漂白后，—OH伸縮振動(dòng)峰的面積增大，說(shuō)明極性羥基的數(shù)量有所增多。

圖1 漂白前(a)后(b)亞麻短纖維的紅外光譜圖

2.2 X-射線(xiàn)衍射

由圖2可看出，亞麻短纖維在2θ=14.60°、16.25°和22.47°處的衍射峰［9］分別對(duì)應(yīng)于101、101和002晶面，漂白前后亞麻短纖維的結(jié)晶形態(tài)基本無(wú)變化。與未漂白亞麻短纖維相比，漂白后亞麻短纖維在2θ=22.47°處的衍射峰更尖，強(qiáng)度更強(qiáng)，說(shuō)明002晶面的晶粒尺寸增大。此外，漂白后亞麻短纖維的XRD曲線(xiàn)下的面積明顯小于未漂白亞麻短纖維，即晶面面積減小，結(jié)晶度降低，說(shuō)明漂白破壞了亞麻短纖維的部分結(jié)晶區(qū)。

圖2 漂白前(a)后(b)亞麻短纖維的X-射線(xiàn)衍射圖

2.3 掃描電子顯微鏡

由圖3a可知，未漂白亞麻短纖維表面附著大量非纖維素和膠質(zhì)等雜質(zhì)，表面粗糙，粘結(jié)程度大，纖維束密集，成為了纖維簇。此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)勢(shì)必阻礙亞麻短纖維在紡紗牽伸過(guò)程中的縱向位移，可紡性差，紡紗難度大，成紗支數(shù)低，亞麻紗線(xiàn)的質(zhì)量指標(biāo)提升受到限制，產(chǎn)品檔次較低。由圖3b可知，漂白后的亞麻短纖維表面粗糙結(jié)構(gòu)明顯改善，裂解程度增大，纖維變細(xì)且相對(duì)均勻，柔韌性增加，短纖維表面平整、光滑，改善紡紗后成紗支數(shù)和紗線(xiàn)質(zhì)量。

圖3 漂白前(a)后(b)亞麻短纖維的掃描電子顯微鏡圖像（×1 000）

2.4 熱性能

由圖4可知，與未漂白亞麻短纖維相比，漂白亞麻短纖維的質(zhì)量銳減點(diǎn)［10］向低溫方向移動(dòng)。當(dāng)由較低溫升至100 ℃左右時(shí)，短纖維有少量的質(zhì)量損失，減少約7%，原因是纖維中的游離水及結(jié)晶水揮發(fā)，這個(gè)階段為亞麻短纖維的干燥階段，是一個(gè)吸熱過(guò)程。而后隨著溫度的升高，亞麻短纖維的質(zhì)量變化較平緩。溫度升高至298～350 ℃時(shí)，漂白前后亞麻短纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速降低，而且漂白后亞麻短纖維的質(zhì)量下降速率比未漂白亞麻短纖維要高，原因是纖維素葡萄糖環(huán)C2、C3上的羥基被氧化成醛基，部分葡萄糖環(huán)斷裂開(kāi)環(huán)，纖維結(jié)晶區(qū)內(nèi)的氫鍵被破壞，導(dǎo)致漂白亞麻短纖維內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)加快，所以質(zhì)量下降速率更明顯。該階段是亞麻短纖維的炭化階段［11］，在此溫度范圍內(nèi)質(zhì)量變化（失重）最大，此時(shí)纖維素結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵斷裂并分解成CO2、CH4等低分子質(zhì)量的揮發(fā)性化合物和焦油產(chǎn)物，同時(shí)放出反應(yīng)熱［12］。繼續(xù)升高溫度至380 ℃以上，炭化階段結(jié)束，纖維進(jìn)入勻速失重階段，熱失重下降的速率逐漸減慢。

圖4 漂白前后亞麻短纖維的TG和DSC曲線(xiàn)

3 結(jié)論

過(guò)氧化尿素漂白亞麻短纖維是一種可行的亞麻前處理方法。漂白后，亞麻短纖維的結(jié)晶形態(tài)基本無(wú)變化，部分結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化為無(wú)定形區(qū)，結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性降低，極性基團(tuán)羥基的數(shù)量增多，表面光澤度增加，微觀(guān)結(jié)構(gòu)和表觀(guān)形態(tài)均有一定的變化。