生物柴油給油工藝對(duì)棉型亞麻纖維性能的影響

張先順,王向陽,朱玥瑩,鄭光明,楊 樹,曹巧麗,張 陽

(1.河南平棉集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467000; 2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620; 3.天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與科學(xué)工程學(xué)院,天津 300387)

脫膠后的亞麻纖維經(jīng)過機(jī)械開松,可以使黏連的纖維得到進(jìn)一步分離,形成滿足干紡要求的棉型亞麻纖維[1]。但由于亞麻纖維的放濕能力很強(qiáng)[2],在開松和后續(xù)的紡紗工序中,纖維與機(jī)件的摩擦發(fā)熱使纖維中水分迅速揮發(fā),纖維變干且脆硬,使其抱合力減少、強(qiáng)度降低,嚴(yán)重影響紡紗的順利進(jìn)行,并且紡成的紗線毛羽多,條干不勻率高,因此通常在開松后對(duì)亞麻纖維進(jìn)行給油加濕[3-4]。

油劑的質(zhì)量和性能對(duì)亞麻纖維的紡紗加工過程及成紗質(zhì)量具有直接的影響。楊樹等[5]研究了菜籽油、礦物油以及甘油油劑對(duì)精細(xì)化亞麻纖維和漢麻纖維可紡性的影響,得到了3種類型油劑的最佳用量。黃偉等[6]研究了油劑用量、油劑與助劑的混合比例、給油溫度等參數(shù)對(duì)纖維表面的成膜特性、摩擦特性、抗靜電能力及力學(xué)性能的影響,最終得出最佳給油工藝。劉鵬等[7]為解決粘膠纖維生產(chǎn)中易產(chǎn)生靜電的問題,將礦物油、活性劑與抗靜電劑單烷基醚磷酸酯鉀鹽復(fù)配,制備了適用于粘膠短纖維的油劑。而在以上研究中,所用的油劑大都為植物油或礦物油類,礦物油平滑性好但會(huì)使纖維間的抱合力變差,導(dǎo)致輕紗現(xiàn)象,并且保濕能力不足。植物油黏性好,有利于增加纖維間的抱合力,提升纖維強(qiáng)度,但由于黏度較高,使得油劑在纖維中的滲透能力較差[8]。因此,給油需要兼顧給油后纖維的平滑性和抱合性。

生物柴油是一種脂肪酸甲酯或乙酯,通常由動(dòng)植物油、微生物油脂或者廢棄油脂與甲醇等醇類物質(zhì)進(jìn)行酯化等一系列化學(xué)反應(yīng)后形成[9],該反應(yīng)生成脂肪酸甲酯或乙酯使得植物油的碳鏈長度以及分子量降低,從而使黏度減小[10]。

本文首先將生物柴油與滲透劑、抗靜電劑、乳化劑、水復(fù)配成黏度適宜、滲透性高的亞麻預(yù)處理油劑,然后探究油劑用量、給油溫度、給油時(shí)間等參數(shù)對(duì)亞麻纖維的動(dòng)、靜摩擦性能的影響,最后觀察給油前后亞麻纖維的形貌,對(duì)生物柴油油劑處理后的棉型亞麻纖維紡紗并測(cè)試其力學(xué)性能,以期為亞麻紡紗過程中選用適宜的給油加濕工藝提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

棉型亞麻纖維(二粗、機(jī)落),由河南平棉集團(tuán)有限公司提供,細(xì)度為0.455 tex,殘膠率為3%,斷裂強(qiáng)度為4.68 cN/dtex,斷裂伸長率為4.3%。

1.2 試驗(yàn)試劑

生物柴油(濟(jì)南浩鑠化工有限公司);JFC滲透劑(南京棲霞山印染助劑廠);TYW-129抗靜電劑(東莞太洋新材料科技有限公司);OP-10乳化劑(上海鏈集化工有限公司);礦物油油劑(河南平棉集團(tuán)有限公司)。

1.3 給油工藝

生物柴油給油工藝:將棉型亞麻纖維均勻鋪放,再利用泵式噴壺噴出霧狀給油溶液進(jìn)行均勻噴灑。油劑由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的生物柴油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的JFC滲透劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的TYW-129抗靜電劑以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的OP-10乳化劑復(fù)配而成。給油溶液由油劑和水組成,油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%,給油溶液與亞麻的質(zhì)量比為1∶16,養(yǎng)生時(shí)間為24 h,養(yǎng)生溫度為40 ℃。

礦物油給油工藝:將棉型亞麻纖維均勻鋪放,再利用泵式噴壺噴出霧狀給油溶液進(jìn)行均勻噴灑。礦物油油劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%,亞麻與給油溶液的質(zhì)量比為1∶16,養(yǎng)生時(shí)間為36 h,養(yǎng)生溫度為35 ℃。

1.4 紡紗試驗(yàn)

分別使用傳統(tǒng)礦物油油劑與生物柴油油劑處理的棉型亞麻纖維進(jìn)行紡紗。紡紗流程:棉型亞麻纖維給油養(yǎng)生→JWF1012型抓棉機(jī)(經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司)→ZFA113C型單軸流開棉機(jī)(常州金壇金紡機(jī)械廠)→FA028C-160型多倉混棉機(jī)(中國紡織機(jī)械和技術(shù)進(jìn)出口有限公司)→JWF1124型精開棉機(jī)(鄭州宏大新型紡機(jī)有限責(zé)任公司)→JWF1204A型梳棉機(jī)(附帶JWF1171型喂棉箱,鄭州紡織機(jī)械有限公司)→FA387型并條機(jī)(兩道,山東青島云龍紡織機(jī)械有限公司)→JWF1416型粗紗機(jī)(天津宏大紡織機(jī)械有限公司)→JWF1510型細(xì)紗機(jī)(經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司)→賜來福Autoconer6自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)(ZENIT+電子清紗器,深圳市英威興達(dá)科技有限公司)

1.4.1 開 清

抓棉機(jī)打手轉(zhuǎn)速820 r/min,JWF1124精開棉機(jī)采用梳針打手,打手轉(zhuǎn)速480 r/min,調(diào)節(jié)板與打手隔距8.0 mm,調(diào)節(jié)板與除塵刀隔距15 mm。

1.4.2 梳 理

錫林轉(zhuǎn)速360 r/min,道夫轉(zhuǎn)速20 r/min,刺輥轉(zhuǎn)速810 r/min,蓋板速度260 mm/min,錫林與每塊蓋板間隔距分別為0.25、0.22、0.20、0.20、0.22 mm,刺輥與錫林隔距0.177 8 mm,錫林與道夫隔距0.127 mm,給棉板與刺輥隔距0.508 mm,成條定量為22 g/(5 m)。

1.4.3 并 條

前羅拉轉(zhuǎn)速450 m/min,羅拉加壓12 kg,羅拉隔距8 mm×18 mm,并合根數(shù)8×8,后區(qū)牽伸倍數(shù):頭并1.7、二并1.2,總牽伸倍數(shù):頭并8.0、二并8.8。紗條定量:半熟條(頭并)22 g/(5 m),熟條(二并)20 g/(5 m)。

1.4.4 粗 紗

捻系數(shù)170,錠速700 r/min,粗紗定量6 g/(10 m),羅拉加壓12 kg,總牽伸倍數(shù)6.67,后區(qū)牽伸倍數(shù)1.2,羅拉隔距12 mm×25 mm×30 mm。

1.4.5 細(xì) 紗

捻系數(shù)550,錠速7 000 r/min,羅拉隔距(前區(qū)×后區(qū))28 mm×40 mm,羅拉加壓(前羅拉×中羅拉×后羅拉)18 kg×14 kg×14 kg,后區(qū)牽伸倍數(shù)1.2,鋼絲圈號(hào)數(shù)為6802/4#。

1.4.6 絡(luò) 筒

電清工藝參數(shù)為:棉結(jié)(N)6.5,短粗節(jié)直徑比(短粗節(jié)直徑與原紗直徑倍數(shù),DS)2.4、長度(LS)2.2 cm,長粗節(jié)直徑比(DS)1.5、長度(LS)20 cm,長細(xì)節(jié)截面增量(-D)-30%、長度(-L)20 cm,絡(luò)筒速度800 m/min。

1.5 性能測(cè)試

1.5.1 纖維動(dòng)、靜摩擦因數(shù)測(cè)試

參考T/CSTM 00522—2022《化學(xué)纖維摩擦因數(shù)試驗(yàn)方法》,利用Y151型纖維摩擦系數(shù)儀(常州第二紡織機(jī)械有限公司)測(cè)試?yán)w維動(dòng)、靜摩擦因數(shù),按式(1)計(jì)算動(dòng)、靜摩擦因數(shù)值[5]。

μ=0.733[lgf0-lg(f0-m)]

(1)

式中:μ為動(dòng)、靜摩擦因數(shù)值;f0為固定值100;m為扭力天平讀數(shù)。

1.5.2 單紗性能測(cè)試

試樣在恒溫恒濕大氣環(huán)境中(溫度為(20±2)℃,相對(duì)濕度為(65±3)%)調(diào)濕24 h后進(jìn)行測(cè)試。

依據(jù)GB/T 4743—2009《紡織品 卷裝紗 絞紗法線密度的測(cè)定》,使用AL204-IC電子天平(梅特勒托利多科技有限公司)測(cè)試紗線線密度。

依據(jù)GB/T 2543.2—2001《紡織品 紗線捻度的測(cè)定 第2部分:退捻加捻法》,使用Y331 N紗線捻度機(jī)(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)測(cè)試紗線捻度。

依據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定(CRE法)》,使用YG001D型電子單紗強(qiáng)力儀(武漢國量儀器有限公司)測(cè)試單紗力學(xué)性能。

依據(jù)GB/T 3292.2—2009《紡織品 紗線條干不勻試驗(yàn)方法 第2部分:光電法》,使用CT3000條干均勻度測(cè)試分析儀(陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司)測(cè)試單紗條干均勻度及粗細(xì)節(jié)。

2 結(jié)果與分析

紡紗過程中對(duì)給油效果最主要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是動(dòng)摩擦因數(shù)[8],因此在亞麻纖維動(dòng)、靜摩擦因數(shù)分析的基礎(chǔ)上,以纖維與纖維間、纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素顯著性分析。

2.1 油劑用量對(duì)亞麻纖維動(dòng)、靜摩擦因數(shù)的影響

圖1為油劑用量對(duì)亞麻纖維摩擦性能的影響。油劑用量在1.0%～2.0%范圍內(nèi),纖維與纖維間以及纖維與金屬間的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)隨著油劑用量的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),這是由于亞麻纖維凹凸不平的表面在生物柴油的逐漸滲透下形成光滑油膜,表面粗糙度降低。相同工藝下,油劑用量越大,纖維含油率越高,平滑性越好,使得纖維與纖維間以及纖維與金屬間的摩擦因數(shù)減小。纖維與纖維間以及纖維與金屬間的摩擦因數(shù)在油劑用量為2%時(shí)達(dá)到最小值,此時(shí)纖維與纖維間、纖維與金屬間的平滑性最好。當(dāng)油劑用量超過2%時(shí),纖維與金屬之間動(dòng)、靜摩擦因數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),原因是油劑用量進(jìn)一步增大,過多的生物柴油在纖維表面堆砌,降低了纖維表面的平整度,使得摩擦因數(shù)逐漸增大。通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn),油劑用量對(duì)纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)(P1=0<0.01)以及纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)(P2=0<0.01)均具有顯著影響。

圖1 油劑用量對(duì)亞麻纖維摩擦性能的影響Fig.1 Effect of oil dosage on tribological property of flax fiber

2.2 養(yǎng)生時(shí)間對(duì)亞麻纖維動(dòng)、靜摩擦因數(shù)的影響

圖2為養(yǎng)生時(shí)間對(duì)亞麻纖維摩擦性能的影響,養(yǎng)生時(shí)間在16～24 h內(nèi),纖維與纖維間以及纖維與金屬間的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)呈下降趨勢(shì),但24 h后動(dòng)、靜摩擦因數(shù)的變化趨于平緩。原因是浸漬時(shí)間在16～24 h內(nèi),纖維與纖維之間以及纖維內(nèi)部仍含有水分;浸漬24 h后,由于濃度梯度的原因,滲透進(jìn)入纖維中的油劑將纖維與纖維間以及纖維內(nèi)部的水分完全置換出來,纖維對(duì)油劑的吸收能力達(dá)到飽和,因此動(dòng)、靜摩擦因數(shù)的變化基本趨于平緩。通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn),養(yǎng)生時(shí)間對(duì)纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)(P1=0.202>0.05)、纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)(P2=0.385>0.05)均沒有顯著性影響。

圖2 養(yǎng)生時(shí)間對(duì)亞麻纖維摩擦性能的影響Fig.2 Effects of storage time on tribological properties of flax fibers

2.3 養(yǎng)生溫度對(duì)亞麻纖維動(dòng)、靜摩擦因數(shù)的影響

圖3為養(yǎng)生溫度對(duì)亞麻纖維摩擦性能的影響,溫度在20～40 ℃時(shí),纖維與纖維間以及纖維與金屬間的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)隨著溫度的增加而降低,給油溫度為40 ℃時(shí)達(dá)到最小值,當(dāng)溫度繼續(xù)增加,動(dòng)、靜摩擦因數(shù)隨之增大。原因是溫度升高有助于加劇分子熱運(yùn)動(dòng),加速油劑滲透效率,增大纖維含油率,但隨著溫度繼續(xù)升高,激烈的布朗熱運(yùn)動(dòng)將引起解吸過程,使油劑從纖維滲透到給油溶液中的速度高于纖維吸收油劑的速度,使得纖維動(dòng)、靜摩擦因數(shù)增大。通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn)養(yǎng)生溫度對(duì)纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)(P1=0.002<0.01)、纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)(P2=0<0.01)具有極顯著性影響。

圖3 養(yǎng)生溫度對(duì)亞麻纖維摩擦性能的影響Fig.3 Effects of storage temperature on tribological properties of flax fibers

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)以及方差分析的結(jié)果進(jìn)行CCD響應(yīng)面設(shè)計(jì),確定養(yǎng)生時(shí)間為24 h,然后以2個(gè)顯著因素養(yǎng)生溫度A(40 ℃)、油劑用量B(2%)為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn),每個(gè)因素設(shè)置-1、0、1的3個(gè)水平,表1為響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)表。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)Tab.1 Response surface optimization design

使用Design Expert 12.0軟件對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到養(yǎng)生溫度、油劑用量與纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)的擬合方程(式(2))以及纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)的擬合方程(式(3))。

Y1=0.759 045-0.009 857A-0.300 438B+

0.000 550AB+0.000 105A2+0.067 634B2

(2)

Y2=0.718 674-0.00 9451A-0.310 383B+

0.000 555AB+0.000 100A2+0.007 0021B2

(3)

式中:Y1為纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù);Y2為纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù);A為養(yǎng)生溫度,℃;B為油劑用量,%。

對(duì)模型進(jìn)行回歸系數(shù)方差分析,得到線性回歸模型P值小于0.05,模型顯著;失擬項(xiàng)P值大于0.05,表現(xiàn)為不顯著,表明模型擬合度較好;Y1的預(yù)測(cè)R2(0.936 7)與調(diào)整后R2(0.985 3)以及Y2的預(yù)測(cè)R2(0.942 5)與調(diào)整后R2(0.986 8)差值均小于0.2,說明二次方程的擬合程度好并且響應(yīng)值與自變量之間具有顯著的線性關(guān)系[11]。

圖4為養(yǎng)生溫度、油劑用量對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)影響的響應(yīng)面圖。應(yīng)用響應(yīng)面分析法對(duì)回歸模型進(jìn)行分析,得到的最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)及相應(yīng)的摩擦因數(shù)為養(yǎng)生溫度41.7 ℃,油劑用量為2.05%,纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)為0.245,纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)為0.203。

圖4 養(yǎng)生溫度、油劑用量對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響Fig.4 Influence of health maintaining temperature and oil dosage on kinetic friction coefficient.(a) Dynamic friction coefficient between fibers;(b) Dynamic friction coefficient between fiber and metal

采用最佳工藝進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn),纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)實(shí)測(cè)值為0.243,與預(yù)測(cè)值的誤差為0.82%,纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)實(shí)測(cè)值為0.205,與預(yù)測(cè)值的誤差為0.99%,表明該模型能夠較好地預(yù)測(cè)給油后纖維的摩擦性能。

2.5 給油前后亞麻纖維掃描電鏡照片

亞麻纖維給油前后的掃描電鏡照片如圖5所示。因?yàn)閬喡槔w維脫膠工藝為半脫膠,由圖5可以看出脫膠后得到的棉型亞麻纖維表面仍有部分膠質(zhì)殘留,經(jīng)過給油處理后,油劑在纖維表層形成油膜,與亞麻纖維結(jié)合較牢固,纖維表面毛疵數(shù)減少,表面光滑整潔。

圖5 給油前后亞麻纖維掃描電鏡照片(×1 000)Fig.5 SEM images of flax fibers before (a) and after (b) oiling process(×1 000)

2.6 成紗質(zhì)量對(duì)比

分別使用傳統(tǒng)礦物油油劑與生物柴油油劑處理的棉型亞麻纖維紡制了45.6 tex的亞麻純紡紗(捻度均為785 捻/m)并進(jìn)行力學(xué)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖6和表2所示。由于生物柴油對(duì)纖維抱合力強(qiáng),平滑性好,生物柴油給油工藝相較于礦物油給油工藝紡制的亞麻純紡紗的斷裂強(qiáng)度以及斷裂伸長率分別提升了4.3%、4.41%,條干CV值、千米細(xì)節(jié)-50%、千米粗節(jié)+50%、千米粗節(jié)+100%、千米麻粒+200%和千米麻粒+400%分別降低了6.07%、22.97%、9.58%、9.76%、5.13%、16.56%。

表2 45.6 tex的亞麻純紡紗性能對(duì)比Tab.2 Performance comparison of 45.6 tex pure flax yarn

圖6 45.6 tex亞麻純紡紗力學(xué)測(cè)試圖Fig.6 Mechanics test chart of 45.6tex pure flax yarn

3 結(jié) 論

將生物柴油與滲透劑、抗靜電劑、乳化劑、水復(fù)配成黏度適宜、滲透性高的亞麻預(yù)處理油劑,以纖維動(dòng)、靜摩擦因數(shù)為指標(biāo),研究了油劑用量、給油時(shí)間、給油溫度對(duì)棉型亞麻纖維摩擦性能的影響,并進(jìn)行單因素顯著性分析以及響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì),得出以下結(jié)論:

①油劑用量對(duì)纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)、纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)具有顯著性影響;養(yǎng)生時(shí)間對(duì)纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)均沒有顯著性影響;養(yǎng)生溫度對(duì)纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)、纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)具有顯著性影響。

②以纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)以及纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析,得到最優(yōu)的給油參數(shù)為養(yǎng)生溫度41.7 ℃,油劑用量為2.05%,養(yǎng)生時(shí)間24 h,纖維與纖維間動(dòng)摩擦因數(shù)為0.245,纖維與金屬間動(dòng)摩擦因數(shù)為0.203。

③生物柴油預(yù)處理的棉型亞麻纖維紡制的純亞麻紗成紗質(zhì)量高于傳統(tǒng)礦物油處理紡制的亞麻紗,有效改善亞麻纖維的可紡性,解決給油工藝中礦物油平滑性好但纖維間的抱合力差以及植物油黏性好滲透能力較差的問題。