薛海軍,張 輝,王紅紅

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西 西安 710048)

0 引 言

棉纖維或織物在退漿、煮練、漂白、絲光、染色和后整理等生產(chǎn)加工過(guò)程中會(huì)不斷地經(jīng)受熱水的作用[1],而且熱水溫度越高,越有利于去除棉纖維上的漿料、果膠和色素等雜質(zhì),如高溫高壓煮練溫度可提高到135 ℃,時(shí)間會(huì)縮短1～2 h[2]。在染色方面,由于傳統(tǒng)染色工藝的染色時(shí)間比較長(zhǎng)、能耗高,使用分散/活性染料能夠在高溫、低pH條件下進(jìn)行一浴一步法染色,而且活性染料高溫染色的得色量接近常規(guī)染色工藝,少數(shù)染料甚至比常規(guī)染色工藝的得色量還要高[3]。因?yàn)楦邷厥沟萌玖戏肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)加劇,移染性增加,染色織物的勻染性和色牢度會(huì)有所提高[4-5],同時(shí)還減少了電解質(zhì)促染劑的大量使用,避免廢水中鹽含量濃度過(guò)高[6],降低對(duì)染色質(zhì)量的影響[7-8]。

此外,研究者還采用納米技術(shù)對(duì)棉纖維進(jìn)行改性處理[9-10],其中簡(jiǎn)單易行、低耗高效的水熱合成技術(shù)較為實(shí)用[11]。在高溫高壓熱水環(huán)境下生成的納米顆?？韶?fù)載在棉纖維表面,賦予抗菌[12-14]、抗紫外線[15]、自清潔[16]、電子可穿戴[17-18]和疏水[19]等功能。但是,以往研究均忽略了熱水對(duì)棉纖維結(jié)構(gòu)和性能的作用。YANAI使用液氨與熱水對(duì)棉纖維進(jìn)行連續(xù)處理,發(fā)現(xiàn)纖維體積會(huì)發(fā)生溶脹和尺寸穩(wěn)定2個(gè)階段變化,干折皺回復(fù)角和抗彎性能會(huì)變差,而保水性、濕折皺回復(fù)角和吸水性能會(huì)變好,洗滌收縮率有所下降,其原因是因?yàn)槊蘩w維在液氨溶脹過(guò)程中無(wú)定形區(qū)中的氫鍵發(fā)生了結(jié)構(gòu)重排所致[20],而廢舊的棉纖維在高于200 ℃(亞臨界)中會(huì)碳化形成不規(guī)則顆粒物[21]。朱林林采用水熱法對(duì)棉纖維進(jìn)行熱水處理,雖然測(cè)定了纖維的拉伸和表面摩擦等性能,但由于受到分析儀器的限制,未對(duì)纖維結(jié)構(gòu)變化的原因進(jìn)行深入分析[22]。文中使用熱水對(duì)棉纖維進(jìn)行高溫高壓處理,研究熱水溫度和作用時(shí)間對(duì)棉纖維拉伸、表面摩擦和熱穩(wěn)定性能的影響規(guī)律,并借助掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射技術(shù)對(duì)棉纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料及試劑 實(shí)驗(yàn)所用的棉纖維細(xì)度為1.64～1.74 dtex,長(zhǎng)度為27～31 mm。化學(xué)試劑主要有氫氧化鈉、丙酮和無(wú)水乙醇,試劑的純度級(jí)別均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.1.2 儀器 JXF-6均相反應(yīng)器(煙臺(tái)松嶺化工設(shè)備有限公司),YG001N型電子單纖維強(qiáng)力儀(南通宏達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司),Y151型單纖維摩擦儀(常州第二紡織機(jī)械廠),TGA/SDTA851e型熱重/微分熱同步分析儀(瑞士梅特勒公司),FTIR-7600型傅里葉紅外光譜儀(澳洲Lambda公司),JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社),D/MAX-Rapid II型面探微區(qū)X射線衍射儀(日本理學(xué))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 棉纖維前處理 將5.0 g的棉纖維浸泡在濃度為0.075 mol/L,體積為250 mL的氫氧化鈉溶液中,在80 ℃水浴鍋中處理30 min,然后用200 mL的去離子水漂洗10 min,重復(fù)3次;接著依次浸泡在體積200 mL的丙酮、無(wú)水乙醇溶液中10 min,最后用200 mL去離子水洗滌10 min,重復(fù)3次,80 ℃烘干備用。

1.2.2 棉纖維純水熱處理 稱取0.5 g前處理好的棉纖維,浸泡在80 mL去離子水中,將棉纖維連同水溶液一起添加到100 mL的聚四氟乙烯內(nèi)膽中,再將其密封,設(shè)置均相反應(yīng)器的反應(yīng)溫度分別為100 ℃,110 ℃,120 ℃,130 ℃和140 ℃,轉(zhuǎn)速設(shè)置為恒定轉(zhuǎn)速200 r/min,處理時(shí)間分別為1 h,2 h,3 h,4 h和5 h。處理結(jié)束后,取出反應(yīng)釜冷卻至室溫,將處理過(guò)的棉纖維用去離子水洗滌,重復(fù)3次。最后,在80 ℃烘箱中烘干。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 拉伸性能 依據(jù)GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定棉纖維處理前、后的拉伸性能的變化,測(cè)試參數(shù)設(shè)定滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,測(cè)試根數(shù)為300根(此時(shí)t=1.96,CV=31%～43%,滿足95%的置信水平)。

1.3.2 表面摩擦性能 采用絞盤法[23]測(cè)定棉纖維熱水處理前、后的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦系數(shù),測(cè)試根數(shù)為30根(此時(shí)t=2.04,變異系數(shù)CV=1.79%～4.64%,滿足95%的置信水平)。根據(jù)公式(1)計(jì)算棉纖維的靜態(tài)摩擦系數(shù)μs和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)μd。

μs(μd)=0.733 1[W/(W-m)]

(1)

式中:W是施加在棉纖維上的初始張力;m是絞盤平衡時(shí)的張力。

1.3.3 熱穩(wěn)定性能 測(cè)定棉纖維熱水處理前、后的TG曲線,考查其熱失重情況,在氮?dú)鈿夥罩?氮?dú)饬髁繛?0 mL/min,溫度變化范圍為40～600 ℃,升溫速率10 ℃/min。

1.3.4 微觀形貌 觀察棉纖維熱水處理前、后的表面形貌特征,電壓10 kV,放大倍數(shù)3 000倍。

1.3.5 紅外光譜 采用溴化鉀壓片法測(cè)定棉纖維結(jié)構(gòu)變化,將干燥后的樣品按照一定的比例,與KBr混合均勻后壓制成片狀,在波長(zhǎng)為400～4 000 cm-1的范圍中進(jìn)行掃描,掃描次數(shù)為32次。

1.3.6 X射線衍射 測(cè)定分析棉纖維結(jié)晶度和取向度的變化,管電壓40 kV,管電流50 mA,曝光時(shí)間800 s。根據(jù)Segal經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算棉纖維的結(jié)晶指數(shù)[24-25]：

(2)

式中:I002和Iam分別是衍射角2θ在22.8°和18.5°時(shí)的強(qiáng)度。并根據(jù)式(3)計(jì)算棉纖維的取向度：

χ=(360-∑hi)/360

(3)

式中:hi是衍射峰的半高寬。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

圖1給出了棉纖維在不同溫度熱水處理不同時(shí)間后的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率以及120 ℃處理3 h的特征應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在一定反應(yīng)溫度條件下,反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),棉纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)逐漸降低,反應(yīng)溫度越高,棉纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降越為明顯。這是因?yàn)楦邷責(zé)崴畷?huì)使得棉纖維中的大分子鏈熱運(yùn)動(dòng)能量增加,鏈段柔曲性得到增強(qiáng),纖維素大分子鏈之間的結(jié)合力有所削弱,部分氫鍵發(fā)生斷裂,從而在棉纖維內(nèi)部產(chǎn)生一定的缺陷和孔隙,部分纖維素也可能發(fā)生降解[26],導(dǎo)致纖維素大分子受力后比較容易產(chǎn)生滑脫,因此斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有所下降。棉纖維經(jīng)120 ℃熱水處理3 h,其應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線的起始和中間階段沒(méi)有明顯變化,損失的是后續(xù)拉伸部分。

(a) 斷裂強(qiáng)度

(b) 斷裂伸長(zhǎng)率

(c) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖 1 棉纖維拉伸性

2.2 表面摩擦性能

圖2給出了棉纖維在不同溫度熱水處理不同時(shí)間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦性能。隨著熱水反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),棉纖維的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)均呈下降趨勢(shì),反應(yīng)溫度越高,靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)下降越明顯。棉纖維經(jīng)過(guò)熱水處理之后,纖維內(nèi)部的雜質(zhì)會(huì)逐漸溶解到水中[27],纖維變得比較柔軟和圓潤(rùn),表面光潔程度有所增加,天然轉(zhuǎn)曲數(shù)會(huì)有所減少(見電鏡照片)。熱水反應(yīng)溫度越高、反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),棉纖維會(huì)變得更加柔軟和圓潤(rùn),不僅容易產(chǎn)生變形,而且與摩擦桿之間的接觸面積相對(duì)減小。因此靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)會(huì)有所下降。

(a) 靜態(tài)摩擦性

(b) 動(dòng)態(tài)摩擦性圖 2 棉纖維表面摩擦性能Fig.2 The surface friction properties of cotton fibers

2.3 熱穩(wěn)定性

選用未處理棉纖維(1#樣品)、120 ℃處理3 h(2#樣品)和140 ℃處理2 h(3#樣品)的棉纖維進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析,其熱失重和微分熱曲線如圖3所示。棉纖維經(jīng)過(guò)熱水處理前、后的熱失重和微分熱曲線基本重合在一起,熱起始分解溫度由330.6 ℃分別移至327.8 ℃(2#樣品)和335.5℃(3#樣品),最大峰值溫度由347.7 ℃移至345.2 ℃(2#樣品)和353.8 ℃(3#樣品)。加熱至600 ℃時(shí),其質(zhì)量損失率分別為89.8%(1#樣品)、90.8%(2#樣品)和90.1%(3#樣品)。因此,高溫?zé)崴幚韺?duì)棉纖維熱穩(wěn)定性影響不明顯。

2.4 表面形貌

圖4給出了棉纖維熱水處理前(1#樣品)、 后(2#樣品)的掃描電鏡照片。 未處理棉纖維較為干癟, 具有明顯的天然轉(zhuǎn)曲, 纖維表面有細(xì)小的皺紋;經(jīng)過(guò)熱水處理之后, 棉纖維變得比較圓潤(rùn), 天然轉(zhuǎn)曲數(shù)顯著減少, 表面細(xì)絲狀皺紋有所加深,主要是因?yàn)槊蘩w維受高溫?zé)崴饔冒l(fā)生一定程度的溶脹,棉膠和蠟質(zhì)等一些雜質(zhì)從棉纖維表面發(fā)生脫離所致[28-29]。

(a) 熱失重

(b) 微分熱曲線圖 3 棉纖維熱性能Fig.3 The thermal stability of cotton fibers

(a) 處理前

(b) 處理后

2.5 分子結(jié)構(gòu)分析

圖 5 棉纖維純水熱處理前、后的紅外光譜圖

2.6 結(jié)晶度和取向度

圖6給出了棉纖維熱水處理前(1#樣品)、后(2#和3#樣品)的二維X射線衍射圖、X射線衍射曲線和取向度曲線。棉纖維經(jīng)過(guò)熱水處理之后,衍射弧斑亮度有所減弱,弧長(zhǎng)變短,表明棉纖維結(jié)晶度和取向度有不同程度的減小。未處理棉纖維在衍射角14.8°,16.5°,22.8°和34.6°處出現(xiàn)了明顯的衍射峰,分別對(duì)應(yīng)著纖維素I的(101)，(-101)，(002)和(004)晶面[32]。熱水處理后衍射峰角度沒(méi)有發(fā)生改變,但特征峰的強(qiáng)度不同程度有所減弱,140 ℃處理2 h下降最為明顯。結(jié)晶度計(jì)算結(jié)果表明,未處理棉纖維結(jié)晶度為77.5%,120 ℃處理3 h降至75.2%,140 ℃處理2 h下降至72.8%。取向度曲線表明,熱水處理后的棉纖維對(duì)稱性保持較好,但強(qiáng)度均有所下降,其中未處理棉纖維取向度為0.38,120 ℃處理3 h和140 ℃處理2 h的棉纖維取向度分別降至0.33和0.32。雖然纖維素大分子鏈段沿纖維軸向排列比較規(guī)整,但高溫?zé)崴M(jìn)入到棉纖維中的無(wú)定形區(qū)或部分結(jié)晶區(qū),使得纖維素大分子鏈段偏離了纖維軸向,而且熱水反應(yīng)溫度對(duì)棉纖維結(jié)晶度和取向度的影響相對(duì)于反應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)更為嚴(yán)重。

(a) 二維X射線衍射圖

(b) X射線衍射曲線

(c) 取向度曲線圖 6 棉纖維純水熱處理前、后X射線測(cè)試結(jié)果

Fig.6 The X-ray diffraction results of cotton fibers before and after hot water treament

3 結(jié) 語(yǔ)

棉纖維在100～140 ℃件下經(jīng)過(guò)1～5 h的熱水處理,由于結(jié)晶度和取向度下降,導(dǎo)致棉纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)不同程度地減小。棉纖維經(jīng)過(guò)熱水處理,天然轉(zhuǎn)曲減少,柔軟圓潤(rùn),使得棉纖維表面靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)不同程度地減小。熱水反應(yīng)溫度越高、反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),棉纖維拉伸性能損傷越嚴(yán)重,表面靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)下降越大。相反,熱水處理對(duì)棉纖維的分子結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性能影響不明顯。