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。
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)。
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。
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)。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。