易 蘇， 陳建芳*, 張 蓉, 譚 征

(1.湖南工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104;2.韶山毛澤東同志紀(jì)念館，湖南 韶山 411301)

人工加速老化對(duì)棉纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響*

易 蘇1， 陳建芳1*, 張 蓉2, 譚 征2

(1.湖南工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104;2.韶山毛澤東同志紀(jì)念館，湖南 韶山 411301)

以白棉為例，采用光老化、熱氧老化、水解老化等人工加速老化的方法對(duì)棉纖維進(jìn)行老化處理，表征了老化前后各樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、力學(xué)性能及白度.研究結(jié)果表明：人工加速老化方法可以強(qiáng)化老化因素，有效確定各因素對(duì)棉纖維老化程度的影響；光、熱、氧化、酸或堿水解等均對(duì)棉纖維的老化有影響，高溫和氧氣的協(xié)同作用及酸水解對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能的影響較大；老化時(shí)間的增加會(huì)使棉纖維結(jié)構(gòu)與性能的損傷增大.

棉纖維；人工加速老化；化學(xué)結(jié)構(gòu)；表面形態(tài)；力學(xué)性能

棉紡織品以其吸濕透氣、抗靜電、穿著舒適、手感柔軟等優(yōu)良性能和低廉的價(jià)格，深受消費(fèi)者喜愛(ài)，應(yīng)用市場(chǎng)廣闊[1].然而，棉紡織品在潮濕、通風(fēng)不良、光線(xiàn)輻射和氧化等環(huán)境中極易發(fā)生色變和老化，使其性能大大降低[2，3].因此，棉紡織品保護(hù)方法研究就顯得十分必要.對(duì)棉纖維老化程度的確定以及老化原因的探索，是研究、選擇及評(píng)價(jià)棉紡織品保護(hù)方法的重要依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3,4].

材料的老化損傷是諸多因素綜合作用的結(jié)果[5～7].只有有效地把握單一環(huán)境下的老化狀況，才能更進(jìn)一步地研究多種因素作用的老化過(guò)程.目前，普遍采用人工加速老化方法模擬單一因素作用的自然老化過(guò)程[3,8～11].

本文采用光、熱氧、水解等人工加速老化方法研究各種外部因素對(duì)棉紡織品纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響.旨在了解各因素對(duì)棉纖維老化程度的影響，為棉紡織品保護(hù)方法研究及后續(xù)防老化材料的制備奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 棉紡織品的人工老化

1.1.1 主要材料 純棉織物：白色商售機(jī)織純棉布.藥品：NaOH、HCI等(AR，市售).

1.1.2 老化條件 老化有如下三種形式.

1) 光老化：樣品置于光照培養(yǎng)箱(GZX-150BS-Ⅲ)，設(shè)置溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為80 Lx，每天光照持續(xù)24 h，光照一定天數(shù)，取出避光密封保存待分析.

2) 熱氧老化：樣品置于恒溫恒濕箱(YG751B)中，設(shè)置溫度為130 ℃，老化一定時(shí)間，取出避光密封保存待分析.

3) 水解老化：室溫下，分別用5% NaOH、5% HCI溶液，避光陰涼處浸泡樣品一定時(shí)間，取出用蒸餾水洗凈陰干，避光密封保存待分析.

1.2 分析方法

1.2.1 紅外光譜分析 采用VECTOR22型傅立葉變換紅外光譜儀(德國(guó)Bruker公司)，用反射法測(cè)定樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu).

1.2.2 外觀形態(tài)及結(jié)構(gòu)分析 采用JOEL JSM 6610LV型掃描電鏡( SEM)(日本理學(xué)株式會(huì)社)，觀察樣品表面結(jié)構(gòu)并拍攝成像，放大倍數(shù)3 000.

1.2.3 力學(xué)性能分析 采用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，按GB /T 3923.1-2004標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定斷裂強(qiáng)力.每塊樣品經(jīng)向測(cè)量3次，取平均值.

1.2.4 白度分析 采用WSB-II型智能數(shù)字白度儀(寧波紡織儀器廠)測(cè)定樣品的白度，將織物折疊成4層( 織物徑、緯方向保持一致)，測(cè)量同一塊織物的3 個(gè)不同點(diǎn)， 取算術(shù)平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

將未老化樣品及經(jīng)光、熱、水解老化的樣品分別進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖1所示，其中A、B、C、D、E曲線(xiàn)分別為未老化、熱氧老化25 d、光老化25 d、NaOH水解老化24 h、HCl水解老化24 h棉樣品紅外光譜圖.

從圖1可以看出，所有曲線(xiàn)均顯示出纖維素的譜圖特征.在3 200～3 400 cm-1處出現(xiàn)寬而強(qiáng)的吸收峰，歸屬于纖維素分子結(jié)構(gòu)上三種不同類(lèi)型的-OH的伸縮振動(dòng)，這是纖維素的特征吸收峰.同時(shí)由于分子間氫鍵作用，-OH吸收峰向低波數(shù)位移.在2 900 cm-1處有-CH2的伸縮振動(dòng)吸收峰，而在1 500～1 020 cm-1處有與 —C—O—C—伸縮振動(dòng)有關(guān)的連續(xù)特征峰.897.6 cm-1處的一個(gè)紅外吸收帶是D-葡萄糖的特征峰.經(jīng)過(guò)熱氧老化和光老化后，1 371 cm-1吸收峰和665 cm-1吸收峰的面積之比(A1371/A665)發(fā)生變化，說(shuō)明纖維素的比例發(fā)生變化[12].B、C曲線(xiàn)相對(duì)A曲線(xiàn)-OH峰向高波數(shù)位移，這是因?yàn)槊蘩w維在熱和光的作用下部分較弱的氫鍵遭到破壞.D、E曲線(xiàn)相對(duì)A曲線(xiàn)在1 450～1 020 cm-1處多出一系列的吸收峰，這是由于棉纖維在酸和堿的條件下，其中的苷鍵發(fā)生質(zhì)子化，然后斷裂水解成苷元和糖的陽(yáng)碳離子中間體.

2.2 表面形態(tài)及結(jié)構(gòu)分析

用掃描電子顯微鏡觀察不同老化條件下棉纖維表面形態(tài)的變化，如圖2所示，A、B、C、D圖分別為熱氧老化25 d、光老化25 d、NaOH水解老化24 h、HCl水解老化24 h的棉纖維結(jié)構(gòu)圖.從圖2可知，各種老化條件下，棉纖維表面發(fā)生了不同程度的刻蝕，出現(xiàn)表面粗糙、細(xì)紋及凹陷，有的甚至出現(xiàn)較深的小坑和顆粒狀物質(zhì).這說(shuō)明棉織物在光、熱氧、酸堿等條件下均發(fā)生了老化.同時(shí)從圖2可以看出，不同樣品表面受到的破壞程度不同.其中熱氧老化樣品表面刻蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯凹痕和小顆粒狀物質(zhì).HCl水解老化樣品的棉纖維明顯變細(xì)，且纖維表面出現(xiàn)凹痕和較多顆粒狀物質(zhì)，這是由于棉纖維的主要成分纖維素易被酸分解，造成其中的β-苷鍵遭受不同程度破壞并流失，被分解的物質(zhì)重新在纖維材料表面聚集并反應(yīng)，生成了小分子物質(zhì)[13].

2.3 力學(xué)性能分析

采用電子織物強(qiáng)力儀測(cè)定各種老化樣品的拉伸斷裂強(qiáng)力，將測(cè)得數(shù)據(jù)繪圖，得圖3、圖4.

圖3中A、B曲線(xiàn)分別為光、熱氧老化棉樣品拉伸斷裂力峰值.從圖3可以看出棉樣品的力學(xué)性能隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，在0～5 d內(nèi)力學(xué)性能變化趨于平緩，隨后有較大幅度的下降.光老化25 d，樣品力峰值損失達(dá)7.56%.熱氧老化條件下，樣品的力學(xué)性能隨時(shí)間延長(zhǎng)迅速下降，而且曲線(xiàn)下降趨勢(shì)較光老化曲線(xiàn)明顯，由此推斷，實(shí)驗(yàn)條件下熱氧因素對(duì)棉樣品老化速度的影響大于光照因素.這是由于溫度是分子劇烈運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志，高溫環(huán)境促使纖維大分子的振動(dòng)加速，老化反應(yīng)速度提高；由于氧氣的存在，同時(shí)還發(fā)生了熱氧分解，進(jìn)一步使老化反應(yīng)加速，從而導(dǎo)致樣品力學(xué)性能下降.熱氧老化25 d，樣品力峰值損失達(dá)24.9 %.

圖4中A、B曲線(xiàn)分別為NaOH、HCl水解老化棉樣品拉伸斷裂力峰值.從圖4可見(jiàn)棉樣品的力學(xué)性能隨水解老化時(shí)間的延長(zhǎng)而下降.在NaOH水解老化條件下，樣品在最開(kāi)始的2 h內(nèi)力學(xué)性能有較大的下降，隨后變化趨于平緩，在10 h后棉的拉伸斷裂力峰值損失也僅為6.41 %，這說(shuō)明棉具有良好的耐堿性.在HCl水解老化條件下，棉的力學(xué)性能急速下降，老化10 h，棉的力峰值損失達(dá)12.9 %，這表示棉受酸的損傷很?chē)?yán)重，耐酸性不好.

2.4 白度分析

觀察各種老化棉樣品，表面均有一定程度的泛黃，測(cè)試白度，結(jié)果如表2、表3所示.

表2 光、熱氧老化條件下棉白度值

表2表示光、熱氧老化棉樣品的白度值，表3表示水解老化棉樣品白度值.由表2、表3數(shù)據(jù)可知，各種老化樣品白度均有所降低，這是各因素作用于棉織物表面，引起其表面的大分子鏈發(fā)生斷裂，甚至發(fā)生炭化，從而影響其白度所致.同時(shí)從表2、3數(shù)據(jù)可見(jiàn)棉織物的白度隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)而減小，這是由于隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，棉織物表面受到的破壞逐漸增強(qiáng)，更多的大分子鏈發(fā)生斷裂甚至炭化，從而導(dǎo)致棉織物白度下降和棉織物泛黃.從表中數(shù)據(jù)還可知熱氧老化對(duì)棉織物的白度影響顯著，其白度值減小43.9 %.這是由于高溫環(huán)境使纖維分子振動(dòng)加速，導(dǎo)致纖維有機(jī)物分子和分子側(cè)基可能發(fā)生側(cè)基斷裂、官能團(tuán)分離，宏觀表現(xiàn)即白度降低.

表3 水解老化條件下棉白度值

3 結(jié) 論

(1) 人工加速老化商售棉紡織品可以強(qiáng)化老化因素，造成不同程度的棉纖維老化.各因素對(duì)棉纖維老化程度的影響可以通過(guò)表征其老化前后的化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、力學(xué)性能、白度等方面的變化來(lái)確定.

(2) 光、熱、氧化、酸或堿水解等均能使棉纖維產(chǎn)生不同程度的老化；實(shí)驗(yàn)條件下，高溫和氧氣的協(xié)同作用及酸水解對(duì)棉纖維的結(jié)構(gòu)及性能的影響較大.如，5 % HCl催化水解24 h，棉纖維明顯變細(xì)，且纖維表面出現(xiàn)凹痕和較多顆粒狀物質(zhì)，HCl水解10 h，棉樣品拉伸斷裂力峰值損失達(dá)12.9 %；在130 ℃溫度條件下熱氧老化25 d，棉纖維表面刻蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯凹痕和小顆粒狀物質(zhì)，棉樣品拉伸斷裂力峰值損失24.9 %，白度減小43.9 %.

(3) 老化時(shí)間增長(zhǎng)，棉纖維結(jié)構(gòu)及性能的受損程度增大.

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責(zé)任編輯：朱美香

Effect of Artificial Aging on Structure and Properties of Cotton Fibers

YISu1,CHENJian-fang1*,ZHANGRong2,TANZheng2

(1.The Institute of Hunan Engineering, Xiangtan 411104;2.Shaoshan Comrade Mao Zedong Memorial Museum,Shaoshan 411301 China)

Cotton fabrics, such as white cotton fabrics, were treated by artificial accelerated aging experiment, including light aging, thermal oxygen aging and hydrolyze aging. Their changes of surface morphology, whiteness, mechanical properties and the chemical structure before and after aging were characterized. Results showed that: The method of artificially aging experiment could intensify the aging factors of cotton fibers, and could be used to identify influences of the factors on the aging of cotton fibers；These factors, including light, heat, oxygen, acid and alkali hydrolysis and others had effects on cotton fibers aging; The synergy of high temperature and oxygen and the acid hydrolysis had a significant impact on the structure and properties of cotton fibers; Damages in structure and properties of cotton fibers would become more severe as the aging time increases.

cotton fibers; artificial aging; chemical structure; surface morphology; mechanical property

2014-10-21

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011FJ4151)；韶山毛澤東同志紀(jì)念館合作項(xiàng)目(2012)

陳建芳(1965— ),女，湖南 長(zhǎng)沙人，博士，教授.E-mail:cjf1228@aliyun.com

TS101.9

A

1000-5900(2015)01-0072-04