回毛坯布組成成分的定性、定量分析技術(shù)

李一東 張騰飛 蔡再生

1. 上海絲綢集團(tuán)股份有限公司，上海 200030；2. 東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620；3. 東華大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家染整工程中心，上海 201620

自然資源的減少促使研究人員著手對(duì)廢舊物品加以利用，開發(fā)生產(chǎn)新的產(chǎn)品。廢舊紡織品的循環(huán)利用不僅有利于環(huán)境保護(hù)，還可以通過開發(fā)再利用變廢為寶[1]。紡織品在從纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槊媪系纳a(chǎn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些紡織廢料[2]，再加上廢棄的舊衣服，每年廢舊紡織品的數(shù)量龐大。過去，機(jī)械設(shè)備和技術(shù)方面的限制使得大部分的廢舊紡織品被采取焚燒處理，且焚燒過程會(huì)產(chǎn)生有毒害氣體，這不僅浪費(fèi)了紡織資源，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題[3]。如果能對(duì)廢舊紡織品進(jìn)行有效的二次回收利用，則不僅可節(jié)約大量的紡織原材料，提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，創(chuàng)造利潤[4-5]，還能減少環(huán)境污染，對(duì)碳達(dá)峰、碳中和具有深遠(yuǎn)意義。

羊毛纖維毛質(zhì)柔軟、彈性好、隔熱性強(qiáng)，歷來屬高檔紡織原材料，其被譽(yù)為“纖維之王”。羊毛制品深受國內(nèi)外消費(fèi)者的喜愛，因此對(duì)羊毛纖維的需求還在增長，但受制于人口的增長、土地資源的減少及牧民的轉(zhuǎn)型，全球羊毛纖維的產(chǎn)量在減少。鑒于羊毛纖維供需的矛盾現(xiàn)狀，廢舊羊毛織物、羊毛邊角料等回收再利用行業(yè)正處于回暖的態(tài)勢?；孛椢锸怯缮a(chǎn)過程中產(chǎn)生的含毛紡織廢棄物、邊角料，以及回收的羊毛制品等，經(jīng)混合后加工制成的一種織物。

目前，國內(nèi)在回收棉、毛、滌綸等產(chǎn)品方面已初步形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。其中，隨著工藝的進(jìn)步，采用環(huán)境友好的方法對(duì)廢舊羊毛織物進(jìn)行回收利用，已引起廣泛的關(guān)注，且人們還在探索其新的應(yīng)用前景[6]。毛紡廢料經(jīng)散纖維處理、混合、梳理、并條、紡紗、織造、染色、整理等工藝加工后得到重新利用[7]，產(chǎn)品成本顯著降低。國內(nèi)較多毛紡企業(yè)已開展再生紡織品的研發(fā)、生產(chǎn)與利用工作，如江蘇省江陰、張家港等地已形成廢舊毛紡織品循環(huán)再利用產(chǎn)業(yè)制造集群。各毛紡廠在生產(chǎn)回毛織物時(shí)主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配料，所生產(chǎn)的回毛坯布本身就帶有一定的顏色，故對(duì)其染淺色、中色比較困難。且回毛坯布成分也比較復(fù)雜，其除了含有羊毛纖維外，可能還會(huì)含有滌綸、黏膠纖維、醋酯纖維等成分，且含量不確定，這將給打樣人員在回毛坯布的染色工藝確認(rèn)上造成較大的困難，使得制定回毛坯布染色工藝及流程等極為繁瑣，耗時(shí)、耗力還不能快速響應(yīng)[8-9]。因此，開發(fā)并生產(chǎn)適用市場、滿足消費(fèi)者需求的回毛產(chǎn)品，亟需回毛坯布成分分析的技術(shù)支持。

本文擬將探討回毛坯布成分的定性、定量分析方法，以期為眾多的回毛利用再開發(fā)生產(chǎn)企業(yè)提供一條可借鑒的、可重復(fù)的技術(shù)路徑。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料

回毛坯布，幅寬150 cm，面密度750 g/m2，由江陰笛科隆毛紡有限公司提供。

1.2 測試方法

基于纖維在外觀形態(tài)和理化性質(zhì)等方面的差異進(jìn)行纖維的鑒別。常見的鑒別方法有手感目測法、燃燒法、化學(xué)溶解法和紅外光譜法等。在實(shí)際測試和分析時(shí)，一般先用物理或化學(xué)方法檢測未知纖維的外觀形態(tài)與理化性質(zhì)，再與相同條件和方法下測得的已知纖維的外觀形態(tài)和理化性質(zhì)相比較，以確定纖維的種類，這是一個(gè)定性分析的過程。對(duì)于混紡產(chǎn)品，則還需進(jìn)一步做定量分析，以了解纖維的混紡比。

1.2.1 手感目測法

參照文獻(xiàn)[10]，使用VHX-6000超景深三維顯微鏡觀察回毛坯布的表面和側(cè)面的形態(tài)，再對(duì)照纖維的標(biāo)準(zhǔn)照片和形態(tài)描述，初步鑒別回毛坯布中的纖維類別。

1.2.2 燃燒法

參照FZ/T 01057.2—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第2部分：燃燒法》，裁剪4 cm×4 cm的回毛坯布試樣，對(duì)回毛坯布試樣進(jìn)行拆分，用鑷子夾持纖維進(jìn)行燃燒，觀察并辨析纖維燃燒時(shí)的狀態(tài)、氣味,以及燃燒后的殘留物，鑒別回毛坯布中的纖維類別。

1.2.3 化學(xué)溶解法

參照GB/T 2910—2009《紡織品 定量化學(xué)分析》系列標(biāo)準(zhǔn)，選擇相應(yīng)的試劑溶解回毛坯布并加以分析、鑒別。

1.2.4 紅外光譜法

參照FZ/T 01057.8—2012《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法 第8部分：紅外光譜法》標(biāo)準(zhǔn)，鑒別回毛坯布中的纖維類別。

1.2.5 定量分析法

在對(duì)回毛坯布中的組分進(jìn)行初步定性分析后，參考1.2.3節(jié)的溶解方案展開定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 定性分析

先利用手感目測法、燃燒法、化學(xué)溶解法初步判定回毛坯布中的纖維類別，然后對(duì)殘留的未知纖維通過紅外光譜法進(jìn)行鑒定。

2.1.1 手感目測法

觀察的回毛坯布的外觀形態(tài)具體如圖1所示?；孛鞑家蚧厥绽玫拿弿U料來源廣泛，故坯布本身具有一定的顏色且色光復(fù)雜。

圖1 回毛坯布外觀形態(tài)照片

經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)：有些纖維卷曲并富有彈性，且手感柔軟，初步判斷其為羊毛；有些纖維色澤亮麗、富有彈性，且強(qiáng)力較好，初步判斷其為滌綸；還有些纖維呈白色卷曲狀，能夠明顯拉長至自身長度的6倍左右，且彈性回復(fù)率高，外加拉力撤銷后能迅速回彈[11]，初步判斷其為氨綸。

2.1.2 燃燒法

燃燒測試發(fā)現(xiàn)：未知纖維1#靠近火焰發(fā)生卷曲，接觸火焰徐徐燃燒，并伴有毛發(fā)燒焦的臭味，離開火焰后繼續(xù)燃燒，部分自行熄滅，燃燒后灰燼較多且呈黑色松脆塊狀，手捻即成粉末，判斷其為羊毛纖維；未知纖維2#靠近火焰快速熔縮，接觸火焰緩慢燃燒并發(fā)生熔融，同時(shí)伴有黑煙產(chǎn)生，部分有熔滴滴落，火焰呈黃色，離開火焰后可繼續(xù)燃燒，部分自行熄滅，燃燒后的殘留物呈黑硬狀，手捻可碎，判斷其為滌綸[10]；未知纖維3#靠近火焰不發(fā)生熔縮，接觸火焰迅速燃燒，并伴有燒紙的氣味，離開火焰可繼續(xù)燃燒，殘留灰燼呈灰白屑狀，判斷其為纖維素纖維(如棉纖維、麻纖維、黏膠纖維等)；未知纖維4#靠近火焰發(fā)生熔縮，接觸火焰發(fā)生熔融，離開火焰后自行熄滅，燃燒后的殘留物呈灰白色的透明圓珠狀，判斷其為氨綸。

2.1.3 化學(xué)溶解法+紅外光譜分析法

基于手感目測法和燃燒法的測試結(jié)果可知，回毛織物中含羊毛纖維、氨綸、滌綸及纖維素纖維。為進(jìn)一步判斷所含纖維素纖維具體為何種，將回毛坯布試樣放入三角燒瓶中。先按照表1的方案和順序加入所需用量的溶解試劑，在規(guī)定的水浴溫度條件下先后溶去回毛坯布中的羊毛纖維、滌綸和氨綸，清洗、中和、烘干后，得到殘留纖維。

表1 纖維溶解方案1

再利用FT-IR對(duì)殘留纖維進(jìn)行紅外光譜分析。用切片器將殘留纖維切成顆粒狀，與溴化鉀混合后一起研磨；將研磨均勻的混合物壓成薄片，利用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)制備好的測試樣進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 回毛坯布溶解后剩余殘留纖維的紅外光譜

分析圖2可知：3 334.3 cm-1處的寬強(qiáng)峰是由O—H伸縮振動(dòng)引起的；2 888.3 cm-1處的中強(qiáng)峰為C—H的伸縮振動(dòng)峰；1 713.0 cm-1和1 240.9 cm-1處為C—O的伸縮振動(dòng)峰；1 048.1 cm-1附近的吸收峰屬于—C—O—C—的伸縮振動(dòng)峰，880.1 cm-1處的峰可能是C—O的面外彎曲振動(dòng)引起的，722.7 cm-1處的峰是由C—H面內(nèi)搖擺振動(dòng)產(chǎn)生的。這些特征峰和吸收譜帶與FZ/T 01057.8—2012附錄B中所述黏膠纖維的紅外光譜圖相符合。加之其燃燒時(shí)有紙燃味，殘留灰燼呈灰白屑狀，這進(jìn)一步佐證了其為黏膠纖維。

綜上分析可判斷，本文使用的回毛坯布為羊毛纖維、滌綸、黏膠纖維、氨綸的混紡產(chǎn)品。

2.2 定量分析

為更好地幫助企業(yè)對(duì)回毛坯布進(jìn)行染色，本文將對(duì)回毛坯布中纖維組成成分做進(jìn)一步的定量分析。第一步，對(duì)回毛坯布進(jìn)行溶解。設(shè)定羊毛纖維為第一組分、滌綸為第二組分、黏膠纖維為第三組分、氨綸為第四組分，纖維溶解試驗(yàn)方案如表2所示。

根據(jù)表2的溶解方案及順序，將準(zhǔn)備好的回毛坯布放入三角燒瓶中，首先加入100 mL NaClO溶液，充分潤濕后于室溫水浴中處理40 min，隨后過濾、排液，再依次用水清洗、稀乙酸中和；其次，將殘留物放入加有100 mL苯酚/四氯乙烷溶液的三角燒瓶中，充分潤濕后于(40±5)℃水浴中處理10 min，隨后過濾、排液，再依次用乙醇和水充分清洗；最后，將所得殘留物放入加有200 mL H2SO4溶液的三角燒瓶中，充分潤濕后于(50±5)℃水浴中處理60 min，隨后過濾、排液，再用稀氨水處理。每次清洗后先利用重力排液，再利用真空抽吸排液，最后烘干、冷卻、稱取質(zhì)量。

表2 纖維溶解試驗(yàn)方案2

溶解的各組分纖維的凈干質(zhì)量百分率(即各組分纖維占回毛坯布的質(zhì)量分?jǐn)?shù))計(jì)算方法：

P1=100%-(P2+P3+P4)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：P1——第一組分的凈干質(zhì)量百分率，%；

P2——第二組分的凈干質(zhì)量百分率，%；

P3——第三組分的凈干質(zhì)量百分率，%；

P4——第四組分的凈干質(zhì)量百分率，%；

m0——未處理回毛坯布試樣干燥后的質(zhì)量，g；

m1——經(jīng)第一種試劑溶解去除第一組分后，殘留物的干態(tài)質(zhì)量，g；

m2——經(jīng)第一、第二種試劑溶解去除第一、第二組分后，殘留物的干態(tài)質(zhì)量，g；

m3——經(jīng)第一、第二、第三種試劑溶解去除第一、第二、第三組分后，殘留物的干態(tài)質(zhì)量，g；

d11——第二組分在第一種試劑中的質(zhì)量損失修正系數(shù)，取1.00；

d12——第三組分在第一種試劑中的質(zhì)量損失修正系數(shù)，取1.01；

d13——第四組分在第一種試劑中的質(zhì)量損失修正系數(shù)，取1.00；

d21——第三組分在第一、第二種試劑中的質(zhì)量損失修正系數(shù)，取1.00；

d22——第四組分在第一、第二種試劑中的質(zhì)量損失修正系數(shù)，取1.00；

d31——第四組分在第一、第二、第三種試劑中的質(zhì)量損失修正系數(shù)，取1.00。

由表3可知，本文所用回毛坯布中羊毛纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)占80.3%，滌綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)占14.9%，氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)占3.3%，黏膠纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)占1.5%。

表3 回毛織物中各組分纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 結(jié)論

(1)在紡織纖維的鑒別過程中，如果只采用單一的鑒別方法，檢驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)存在一定的誤差，因此可在節(jié)約時(shí)間與鑒別成本的基礎(chǔ)上，綜合各種纖維鑒別方法，如手感目測法、燃燒法、紅外光譜法、熱重分析法、化學(xué)溶解法等，快速地對(duì)回毛坯布的組分進(jìn)行定性、定量的分析和鑒別。

(2)采用化學(xué)溶解法鑒別纖維需遵循以下原則：①盡量減少試劑鑒定的次數(shù)。②不常見的纖維，如玻璃纖維等特種纖維在服用面料中使用很少，故出現(xiàn)的可能性極小，可先加以排除。③盡可能優(yōu)先考慮尼龍、聚丙烯酸纖維、聚酯纖維等常見纖維。④初步確認(rèn)所含纖維品種后，選擇纖維溶解試劑時(shí)，應(yīng)選用纖維在其中溶解度存在較大差別的試劑。要使用“纖維溶解”的試劑，盡量不使用“纖維部分溶解”或“纖維微溶”的試劑，以提高纖維鑒別的效率和準(zhǔn)確性。⑤所用試劑的濃度應(yīng)反復(fù)校對(duì)，并進(jìn)行重復(fù)測試，以減小試驗(yàn)誤差。

(3)通過對(duì)回毛坯布中纖維的定性、定量分析和測試發(fā)現(xiàn)，所用回毛坯布中羊毛纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)占80.3%、滌綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)占14.9%、氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)占3.3%、黏膠纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)占1.5%。

(致謝：特別感謝東華大學(xué)化學(xué)化生與生物工程學(xué)院朱錦對(duì)本論文的數(shù)據(jù)與構(gòu)思做出的貢獻(xiàn)。)