牛皮絨纖維的制備及其性能

普丹丹，孟博洋，朱進(jìn)忠

(河南工程學(xué)院 紡織工程學(xué)院，河南 鄭州 450007)

牛皮是一種寶貴的資源，然而利用率卻十分有限。每年只有約40%的牛皮用于正面革的生產(chǎn)，大部分被填埋或當(dāng)作廢物處理，這些主要成分為蛋白質(zhì)的有機(jī)垃圾，在長(zhǎng)時(shí)間堆置后會(huì)腐爛變質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)也是對(duì)資源的極大浪費(fèi)[1-3]。因此，開發(fā)利用皮革廢棄物，將污染物轉(zhuǎn)化為有用資源，避免對(duì)環(huán)境造成污染及危害，已是亟待解決的重要課題。

近年來(lái)，如何開發(fā)利用皮革廢棄物受到科研工作者的廣泛關(guān)注。皮革廢棄物的主要成分為膠原蛋白纖維，其主要應(yīng)用于造紙工業(yè)中的增強(qiáng)劑和膠黏劑、染色工藝中的吸附材料、再生皮革以及制備膠原纖維紗線、織物等方面[4-6]，制備膠原纖維也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。王由等[7]在常溫下采用高滲酸浸泡動(dòng)物皮，經(jīng)過(guò)清洗除酸、酶解、研磨等過(guò)程，制備了膠原纖維；張立文[8]采用物理手段回收膠原粉末、短纖維，通過(guò)毛紡、棉紡開松解纖、分級(jí)，將下腳料經(jīng)過(guò)處理變成纖維絨等；尹金良[9]通過(guò)將皮革的邊角料置于水中浸泡使其充分溶脹后，經(jīng)離心機(jī)脫水，真皮造絨機(jī)錘擊成絮狀的真皮纖維團(tuán)，再通過(guò)開松裝置進(jìn)一步開松，制備了棉絮狀膠原纖維。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以制革廢棄物為原料，采用棉紡設(shè)備制備牛皮絨纖維，并對(duì)牛皮絨纖維的外觀形態(tài)，吸濕性能、力學(xué)性能、電學(xué)性能、化學(xué)性能等方面進(jìn)行分析，以期為牛皮絨纖維的開發(fā)應(yīng)用提供參考，同時(shí)也為制革工業(yè)資源的綜合利用提供一條新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：美國(guó)牛皮二層皮邊角料。

試劑：滲透劑(工業(yè)級(jí))、潤(rùn)滑劑(工業(yè)級(jí))、石灰(市售)，鹽酸(37%)、硫酸(75%)、氫氧化鈉(化學(xué)純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司)，間甲酚、甲酸、乙酸、二甲基甲酰胺、二甲苯(化學(xué)純，麥克林生化科技有限公司)。

儀器：Phenom G2型臺(tái)式掃描電子顯微鏡(美國(guó)FEI公司)，XD-1型振動(dòng)式細(xì)度儀(上海新纖儀器有限公司)，YG362型纖維卷曲彈性儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，XQ-1型電子單纖維強(qiáng)力測(cè)試儀(上海新纖儀器有限公司)，Y802N型烘箱(常州第一紡織儀器有限公司)，YG321型纖維比電阻儀(上海瑞紡儀器有限公司)，YG981型纖維油脂快速抽出器(溫州百恩儀器有限公司)。

1.2 牛皮絨纖維的制備

牛皮絨纖維的制備流程為：

①溶液配制。在室溫下配制滲透劑1 g/L, 潤(rùn)滑劑1 g/L, 石灰水1.5 g/L溶液。

②浸泡。將皮革的邊角料置于步驟①中配制的溶液中浸泡24 h，浴比1∶20，溫度50 ℃。

③清洗、脫水。將浸泡后的皮革邊角料用自來(lái)水清洗后置于離心機(jī)中脫水，直至樣品的含水率為50%～60%。

④開松。將經(jīng)過(guò)步驟③的樣品錘擊成蓬松的纖維團(tuán)，然后再用棉紡設(shè)備的開松裝置將蓬松的纖維團(tuán)開解、拉松成牛皮絨纖維。

⑤烘干。將制得的牛皮絨纖維置于空氣中12 h后，放入60 ℃的烘箱中干燥4 h，密封備用。

1.3 測(cè)試方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

外觀形態(tài)：采用Phenom G2臺(tái)式掃描電子顯微鏡，對(duì)牛皮絨纖維的外觀形態(tài)進(jìn)行觀察。

纖維長(zhǎng)度：按照GB/T 19722—2005《洗凈綿羊毛》手排圖法，對(duì)牛皮絨纖維的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試。由于牛皮絨纖維較短，且相互纏結(jié)在一起，測(cè)試時(shí)將纖維經(jīng)過(guò)整理后，由長(zhǎng)到短、一端平齊、均勻地排列在黑絨板上，測(cè)量5次，取平均值。

纖維線密度：按照GB/T 16256—2008《紡織纖維線密度試驗(yàn)方法 振動(dòng)儀法》，采用XD-1型振動(dòng)式細(xì)度儀對(duì)牛皮絨纖維的線密度進(jìn)行測(cè)試，試樣測(cè)定50根。

纖維卷曲性能：按照GB/T 14338—2008《化學(xué)纖維 短纖維卷曲性能試驗(yàn)方法》，采用YG362型纖維卷曲彈性儀對(duì)牛皮絨纖維的卷取個(gè)數(shù)、卷曲彈性率、卷曲率、彈性回復(fù)率等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，樣本容量20。

單纖維拉伸性能：按照GB/T 4711—1984《羊毛單纖維斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)試驗(yàn)方法》，采用XQ-1型電子單纖維強(qiáng)力測(cè)試儀測(cè)試牛皮絨纖維的拉伸性能，每組試樣測(cè)量50根。

回潮率：按照GB/T 6500—2008《毛絨纖維回潮率試驗(yàn)方法 烘箱法》對(duì)牛皮絨纖維進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算，樣本容量10。

含油率：按照GB/T 6977—2008《洗凈羊毛乙醇萃取物、灰分、植物性雜質(zhì)、總堿不溶物含量試驗(yàn)方法》，采用YG981型纖維油脂快速抽出器對(duì)牛皮絨纖維的含油率進(jìn)行測(cè)試，樣本容量10。

抗靜電性能：按照GB/T 14342—2015《化學(xué)纖維 短纖維比電阻試驗(yàn)方法》對(duì)牛皮絨纖維的電阻值進(jìn)行測(cè)試，然后計(jì)算出質(zhì)量比電阻，樣本容量10。

溶解性能：按照FZ/T 0105714—2007《紡織纖維鑒別實(shí)驗(yàn)方法 溶解性實(shí)驗(yàn)方法》，對(duì)牛皮絨纖維進(jìn)行部分化學(xué)試劑進(jìn)行溶解性實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀形態(tài)

纖維的外觀形態(tài)不僅影響其各項(xiàng)物理性能和表面性能，還直接影響其可紡性能[10]。因此，采用Phenom G2臺(tái)式掃描電子顯微鏡對(duì)牛皮絨纖維的外觀形態(tài)進(jìn)行分析。牛皮絨纖維SEM照片見圖1。

圖1 牛皮絨纖維的SEM照片(×2 000)

由圖1可知：在放大2 000倍SEM圖像下，大部分牛皮絨纖維被開松，還有小部分纖維沒(méi)有被完全開松。牛皮絨纖維的直徑約為19.4 μm，纖維縱向形態(tài)不完全一致，呈扁平狀，部分有橫節(jié)。牛皮絨纖維的外觀形態(tài)表明其符合紡織纖維的一般特征，具有一定的可紡性。

為了進(jìn)一步表征牛皮絨纖維的外觀形態(tài)，參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其長(zhǎng)度和線密度進(jìn)行測(cè)試與分析，結(jié)果如表1所示。

表1 牛皮絨纖維規(guī)格

由表1可知：牛皮絨纖維的線密度范圍為0.65～2.45 dtex，線密度離散度較大。根據(jù)纖維線密度與直徑的換算關(guān)系可知，牛皮絨纖維的直徑結(jié)果在線密度范圍內(nèi)，二者基本吻合。牛皮絨纖維的長(zhǎng)度范圍為5.6～17.8 mm，平均長(zhǎng)度為14.4 mm，大于15 mm的纖維約占60%左右，相較于常規(guī)的紡織纖維，該纖維的長(zhǎng)度偏短，不宜紡低線密度紗，可紡高線密度紗或與其他纖維進(jìn)行混紡。

2.2 卷曲性能

卷曲是紡織纖維特殊的特征之一，其不僅可以增加紡紗時(shí)纖維間的抱合力，從而提高成紗強(qiáng)力，還可以提高纖維及其紡織品的彈性、抗皺性、保暖性等[11]。采用YG362型纖維卷曲彈性儀對(duì)牛皮絨纖維性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，得到：卷曲數(shù)5.5個(gè)/(25 mm),卷曲率8.9%，卷曲彈性率76.7%，卷曲彈性回復(fù)率5.2%。牛皮絨纖維卷曲數(shù)較少，僅為5.5個(gè)/(25 mm)。纖維卷曲數(shù)影響纖維間的摩擦力和抱合力，由于牛皮絨纖維卷曲數(shù)少，纖維之間抱合力差，不利于紡織加工和成紗質(zhì)量。纖維卷曲率的大小于卷曲數(shù)與卷曲波的形態(tài)有關(guān)，牛皮絨纖維的卷曲數(shù)較少，卷曲波不明顯，所以卷曲率也較小，為8.9%。牛皮絨纖維的卷曲彈性率和卷曲彈性回復(fù)率都比較小，分別為76.7%和5.2%。纖維的卷曲彈性率和卷曲回復(fù)率與纖維自身的剛度有關(guān)，牛皮絨纖維的初始模量較小，其剛度相應(yīng)較小，因而卷曲彈性率和卷曲回復(fù)率也較低。卷曲彈性率和卷曲彈性回復(fù)率小說(shuō)明纖維受力之后，卷曲明顯降低，紡紗過(guò)程中纖維間的抱合力減小，影響成紗的強(qiáng)力。

卷曲與纖維的可紡性、成紗質(zhì)量關(guān)系密切。由于牛皮絨纖維直接從皮革開松得到，纖維表面光滑，卷曲數(shù)少，纖維間的抱合力差，不利于纖維成紗強(qiáng)力的提高。

2.3 拉伸性能

拉伸性能是紡織纖維重要的物理性能，其決定纖維的用途。采用XQ-1型電子單纖維強(qiáng)力測(cè)試儀對(duì)牛皮絨纖維的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 牛皮絨纖維拉伸性能

由表2可知：牛皮絨纖維干態(tài)斷裂強(qiáng)度與濕態(tài)斷裂強(qiáng)度的平均值分別為14.8、10.2 cN/dtex，相比于文獻(xiàn)[12]同類纖維高得多，說(shuō)明牛皮絨纖維抵抗外力破壞能力比較強(qiáng)，具有很好的使用價(jià)值。牛皮絨纖維的濕態(tài)斷裂強(qiáng)度比干態(tài)斷裂強(qiáng)度小，而且濕態(tài)斷裂伸長(zhǎng)率的平均值亦小于干態(tài)斷裂伸長(zhǎng)率的平均值，說(shuō)明牛皮絨纖維在干態(tài)下的拉伸性能優(yōu)于在濕態(tài)下的。這是由于在潮濕狀態(tài)下纖維分子間的結(jié)合力減弱，纖維的斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率降低。牛皮絨纖維的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的變化范圍較大，說(shuō)明纖維的拉伸性能不均勻，這對(duì)其加工及使用都會(huì)產(chǎn)生不利影響。所以，在紡紗過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂破浜瑵窳?，以保證紡紗過(guò)程的順利進(jìn)行。

初始模量的大小反映了纖維受較小拉伸力時(shí)抵抗變形的能力。牛皮絨纖維初始模量的平均值為19.2 cN/dtex，相對(duì)較小，說(shuō)明牛皮絨纖維在小負(fù)荷作用下比較容易變形，纖維較柔軟，適宜開發(fā)手感柔軟、懸垂性好的紡織品。

2.4 吸濕性能

纖維的吸濕性能不僅能引起自身質(zhì)量的變化，還能引起一系列其他性能的變化。紡織材料常用的衡量吸濕性能的指標(biāo)為回潮率。參照GB/T 6500—2008《毛絨纖維回潮率試驗(yàn)方法 烘箱法》，測(cè)試得到牛皮絨纖維的回潮率約為16.8%，明顯高于蠶絲(約11.0%)[13]、羊毛(約13.5%)[13]、大豆蛋白復(fù)合纖維(約8.6%)[14]等其他幾種蛋白質(zhì)纖維，說(shuō)明牛皮絨纖維的吸濕性能較好。另外，纖維的回潮率越大，也表明其吸濕放熱性能越好。因此，牛皮絨纖維可用于保暖防潮紡織品的開發(fā)。

2.5 含油率

含油率是指纖維含油質(zhì)量占纖維干質(zhì)量的百分率。含油率的高低與纖維的可紡性能關(guān)系密切。含油率高的纖維彈性好、光澤好、強(qiáng)度高；含油率低的纖維枯燥、彈性差、易折斷。采用YG981型纖維油脂快速抽出器測(cè)得牛皮絨纖維的含油率為0.8%，含油率相對(duì)較高，在加工過(guò)程中不容易產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，有利于紡織加工的正常運(yùn)行。

2.6 抗靜電性能

纖維的質(zhì)量比電阻是衡量纖維可紡性能的重要指標(biāo)之一。為了使纖維能順利紡紗，纖維的質(zhì)量比電阻一般控制在1×108(Ω·g)/cm2以內(nèi)。經(jīng)測(cè)試得知，牛皮絨纖維的質(zhì)量比電阻為2.5×109(Ω·g)/cm2。參照表面比電阻與織物抗靜電性能的關(guān)系[13]，牛皮絨纖維的抗靜電性能較好，在后續(xù)加工中不易產(chǎn)生靜電。這一方面是由于牛皮絨纖維的回潮率高，吸濕性能好，導(dǎo)電性能提高；另一方面是由于纖維含油率高，表面光滑，卷曲數(shù)少，纖維之間的摩擦相對(duì)較小。

2.7 溶解性能

纖維的化學(xué)性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對(duì)紡織后加工尤其是染整加工有著較大的影響。將牛皮絨纖維在常見無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、堿及有機(jī)溶劑中進(jìn)行處理后，溶解狀態(tài)如表3所示。

表3 牛皮絨纖維的溶解性能

從表3可知：牛皮絨纖維常溫(24 ℃)不耐無(wú)機(jī)酸，特別是在鹽酸和硫酸等強(qiáng)酸中幾乎全部溶解，在有機(jī)酸甲酸中只有部分溶解，在有機(jī)酸乙酸中不溶解。常溫(24 ℃)牛皮絨纖維在5%的氫氧化鈉溶液中微溶，隨著溫度升高，溶解程度增大，煮沸(100 ℃)后牛皮絨纖維全部溶解。根據(jù)這一反應(yīng)，可以測(cè)定牛皮絨纖維與其他耐堿纖維混紡紡織品中牛皮絨纖維的混紡比例。牛皮絨纖維在常溫下微溶于有機(jī)溶劑間甲酚，不溶于二甲基甲酰胺、二甲苯等有機(jī)溶劑。牛皮絨纖維的溶解性能分析可以為后續(xù)加工特別是染整加工中提供參考。

3 結(jié) 論

利用皮革工業(yè)廢棄物研制牛皮絨纖維，可以為市場(chǎng)開發(fā)一種新型的綠色纖維，有助于紡織產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，也有利于制革工業(yè)資源綜合利用。本文對(duì)牛皮絨纖維的外觀形態(tài)、卷曲性能、拉伸性能、回潮率、含油率、抗靜電性能及溶解性能進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

①牛皮絨纖維呈扁平狀，部分有橫節(jié)，纖維縱向形態(tài)不完全一致。牛皮絨纖維線密度范圍為0.65～2.45 dtex，長(zhǎng)度范圍為5.6～17.8 mm，不宜紡低線密度紗，可紡高線密度紗或與其他纖維進(jìn)行混紡。

②牛皮絨纖維卷曲數(shù)較少，卷曲率較小，且卷曲彈性率和卷曲彈性回復(fù)率亦較小，紡紗過(guò)程中纖維間的抱合力差，不利于纖維成紗強(qiáng)力的提高。

③牛皮絨纖維的拉伸性能較好，且在干態(tài)下的拉伸性能優(yōu)于濕態(tài)下的拉伸性能。在紡紗過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂破浜瑵窳?，以保證紡紗過(guò)程的順利進(jìn)行。牛皮絨纖維初始模量較小，適宜開發(fā)手感柔軟、懸垂性好的紡織品。

④牛皮絨纖維的回潮率較高，約為16.8%，含油率較高，抗靜電性能較好。

⑤牛皮絨纖維常溫下能溶解于強(qiáng)酸，微溶于強(qiáng)堿溶液，不溶于大部分有機(jī)溶劑，100 ℃時(shí)在強(qiáng)堿溶液中能夠全部溶解。