高一傳 王宗偉 劉建立 姜為民 高衛(wèi)東

(1.江南大學(xué)，江蘇無錫，214122；2.黑牡丹紡織有限公司，江蘇常州，213000)

麻織物具有自動調(diào)濕、抗過敏、抗菌耐輻射、耐摩擦、導(dǎo)熱性能好、不易產(chǎn)生靜電等獨(dú)特的功能，是21世紀(jì)理想的綠色天然環(huán)保精品。但由于亞麻纖維結(jié)晶度和取向度較高[1]、單纖維斷裂強(qiáng)度高、伸長變形小、纖維彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度大，使得亞麻紗線斷裂伸長率低、條干不勻率較高，在織造過程中，造成大量的斷頭和布面吊經(jīng)疵點(diǎn)，可織性差[2]。針對亞麻紗線存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者對亞麻單纖維、亞麻落麻纖維[3]、亞麻二粗纖維[4]、亞麻打成麻[5]等進(jìn)行物理、化學(xué)、生物改性處理，提高亞麻纖維的可紡性，改善亞麻細(xì)紗的質(zhì)量。但直接對亞麻細(xì)紗進(jìn)行預(yù)處理的研究較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，使用低溫低濃度的堿-尿素體系對亞麻原色紗進(jìn)行預(yù)處理，研究不同預(yù)處理溫度對紗線性能的影響，并分析紗線表面結(jié)構(gòu)和微觀形態(tài)變化對紗線強(qiáng)伸性的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：燒堿(NaOH)，尿素(CH4N2O)，冰醋酸(C2H4O)；35.7 tex(28 Nm)雨露亞麻紗線(江蘇新申亞麻有限公司)。

儀器：VHX-5000型超景深三維數(shù)碼顯微鏡(基恩士公司)；YG086型縷紗測長機(jī)；FA2104S型電子天平；D2PHASER X型射線衍射儀(德國布魯克AXS有限公司)；NICOLET is10 FT-TR型紅外變化光譜儀(賽默飛世爾科技有限公司)；島津SHIMADZU型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)(上海智川工貿(mào)有限公司)；YG155A型紗線捻度機(jī)(常州市天祥紡織儀器有限公司)；LHS-80HC-Ⅱ型恒溫恒濕箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 堿-尿素體系預(yù)處理工藝流程

先將原紗在恒溫恒濕箱(溫度21 ℃，相對濕度65%)中預(yù)調(diào)濕24 h，測得：紗線捻向Z捻、捻度65.19捻/10 cm，紗線斷裂強(qiáng)力903.699 cN，紗線斷裂伸長率1.983%。配置氫氧化鈉-尿素溶液(氫氧化鈉5%、尿素6%)，將紗線按1∶15浴比、浸漬在配制的溶液中30 min，改變體系處理溫度(-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃)，處理后水洗，在冰醋酸下進(jìn)行中和，在85 ℃的烘箱下進(jìn)行烘干，并在恒溫恒濕箱中平衡24 h，測量紗線各項性能[6]。

1.3 性能測試

1.3.1 失重率測定

對預(yù)處理前后的亞麻紗試樣進(jìn)行烘干、稱量，稱量3次，求其平均值，用于計算紗線失重率[7]。

1.3.2 紗線捻度測定

取雨露亞麻紗線和預(yù)處理后的雨露亞麻紗線，分別在YG155A型紗線捻度機(jī)上進(jìn)行捻度測試。測定時采用解捻加捻法，預(yù)加張力4 cN，測定紗線長度50 cm，每個試樣測量10次，求其平均值，計算紗線捻度。

1.3.3 斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率的測定

分別對預(yù)處理后的雨露亞麻紗線和原紗在島津SHIMADZU型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行紗線強(qiáng)伸性測試。試驗(yàn)條件：拉伸速度250 mm/min、試樣夾持距離250 mm。每個試樣測量50次，求其斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率的平均值。計算斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率。

1.3.4 超景深三維試驗(yàn)

改變體系處理溫度對雨露亞麻紗線預(yù)處理，烘干平衡后，經(jīng)數(shù)碼顯微鏡拍照，放大100倍～500倍，分別在不同放大倍數(shù)下觀察不同溫度條件下預(yù)處理后的雨露亞麻紗線和原紗表面形態(tài)變化。

1.3.5 X射線衍射試驗(yàn)

首先將雨露亞麻紗線和預(yù)處理后的雨露亞麻紗線剪成粉末，然后調(diào)整入射角5°至50°，分別在X射線衍射儀上進(jìn)行X射線衍射，測定各個入射角θ以及相對應(yīng)的X射線衍射強(qiáng)度，以2θ為橫坐標(biāo)，X射線衍射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制原紗和不同體系溫度處理后紗線的X射線衍射強(qiáng)度曲線。利用其X射線的衍射圖譜，分析純亞麻紗線經(jīng)過不同溫度條件下預(yù)處理后結(jié)晶度和取向度變化情況[8]。

1.3.6 FT-IR傅立葉紅外光譜試驗(yàn)

將雨露亞麻紗線和預(yù)處理后的雨露亞麻紗線分別在ATR附件上進(jìn)行制樣，在OMNIC軟件中設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，檢查光學(xué)信號，先采集背景，后采集樣品，掃描和輸出紅外光譜圖。利用伸縮振動峰，分析不同溫度條件下預(yù)處理后的亞麻紗線官能團(tuán)變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 紗線失重率

堿-尿素預(yù)處理溫度對亞麻紗線失重率的影響見圖1。從圖1可以看出，在相同條件下，失重率隨著體系處理溫度的降低逐漸增大。在25 ℃～20 ℃時，失重率急劇增加。這是因?yàn)閷喡榧喚€浸漬到堿-尿素預(yù)處理體系中時，預(yù)處理溶液體系的化學(xué)電位明顯高于亞麻紗線體系，而亞麻表面帶有負(fù)電位，使得預(yù)處理溶液進(jìn)入纖維表面及空隙，與膠質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成復(fù)合鹽和溶出膠束并擴(kuò)散進(jìn)入預(yù)處理溶液中，使得紗線失重率變化較快；在20 ℃～5 ℃時，亞麻紗線的失重率基本處于平衡狀態(tài)，是因?yàn)閬喡楸砻嫘纬杀桓驳亩嗵歉叻肿游锬z,阻止預(yù)處理溶液進(jìn)入亞麻纖維內(nèi)部，而且在低濃度堿的條件下，亞麻纖維中很少的羥基與堿發(fā)生化學(xué)作用生成堿纖維素和水分子，水分子只能進(jìn)入纖維無定形區(qū)，使得纖維溶脹度小、破壞的氫鍵也較少，亞麻紗線的失重率基本處于平衡狀態(tài)；當(dāng)體系處理溫度在5 ℃以下時，亞麻紗線失重率又繼續(xù)增大，這是因?yàn)榈蜏貤l件下，使用堿-尿素溶液對亞麻紗線進(jìn)行預(yù)處理，影響Na+與水、OH-與尿素的氫鍵相互作用，纖維素發(fā)生溶脹，纖維素的氫鍵被破壞，降低分子間作用力，水化作用更明顯，靠大量氫鍵連接的果膠、木質(zhì)素、含氮雜質(zhì)被去除，使得亞麻紗線的失重率增大。

圖1 堿-尿素預(yù)處理溫度對亞麻紗線失重率的影響

2.2 紗線捻度

堿-尿素預(yù)處理溫度對亞麻紗線捻度的影響見圖2。從圖2可以看出，在相同條件下，隨著體系處理溫度的降低，亞麻紗線的捻度逐漸增大。亞麻纖維本身剛性大、無卷曲，對亞麻紗線進(jìn)行預(yù)處理后，纖維卷曲，紗線直徑變大、長度縮短，使得單位長度內(nèi)的捻回數(shù)增加。在一定范圍內(nèi)，捻度越高，纖維產(chǎn)生的向心力越大，纖維抱合越好，使纖維間的摩擦力增大，紗線斷裂時纖維滑脫根數(shù)減少，紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率增大。但預(yù)處理后由于堿溶液損傷亞麻纖維且在低溫堿條件下，亞麻纖維發(fā)生劇烈溶脹，使紗線的斷裂強(qiáng)力下降。

圖2 堿-尿素預(yù)處理溫度對亞麻紗線捻度的影響

2.3 紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率

堿-尿素預(yù)處理溫度對亞麻紗線強(qiáng)伸性的影響見圖3。從圖3可以看出，隨著預(yù)處理體系溫度的降低，亞麻紗線的斷裂強(qiáng)力呈先增大后減小的變化趨勢，斷裂伸長率總體呈增大趨勢。在25 ℃～5 ℃時，由于對亞麻紗線預(yù)處理可以去除亞麻纖維中的果膠、木質(zhì)素、雜質(zhì)，使得纖維柔軟而富有彈性，減小纖維的軸向分力，使得紗線斷裂強(qiáng)力增大。溫度越低，對Na+與水、OH-與尿素的氫鍵相互作用越有利，在亞麻紗線表面形成氫鍵復(fù)合物，使得紗線的斷裂強(qiáng)力持續(xù)增大。當(dāng)在5 ℃以下時，隨著溫度的降低，纖維表面溶脹度變大，小部分的纖維素開始溶解，且堿溶液對纖維有一定的損傷，造成斷裂強(qiáng)力又逐漸減小。在25 ℃～5 ℃時，堿-尿素預(yù)處理可去除一部分纖維素伴生物雜質(zhì)(半纖維素、木質(zhì)素、果膠、含氮雜質(zhì))，破壞氫鍵，使得分子間作用力減小，紗線斷裂伸長率增加緩慢；在低溫度下，使用堿-尿素對亞麻纖維進(jìn)行預(yù)處理，由于亞麻纖維中存在大量的羥基(呈弱酸性)，可與堿發(fā)生作用，生成堿纖維素和大量水，水分子可進(jìn)入纖維素?zé)o定形區(qū)，使得纖維素發(fā)生溶脹，破壞纖維素的氫鍵，降低分子間作用力。隨著溫度的降低，亞麻纖維素溶脹愈明顯，使得斷裂伸長率增大。

圖3 堿-尿素預(yù)處理溫度對亞麻紗線強(qiáng)伸性的影響

2.4 超景深三維試驗(yàn)

利用超景深顯微鏡對亞麻原紗和不同體系溫度預(yù)處理后的紗線進(jìn)行觀察，放大300倍，結(jié)果見圖4。

(a)原紗

(b)25 ℃

(c)20 ℃

(d)15 ℃

(e)10 ℃

(f)5 ℃

(g)0 ℃

(h)-5 ℃

(i)-10 ℃

圖4 原紗和不同溫度堿-尿素預(yù)處理后紗線效果圖

從圖4可以看出，亞麻原紗表面附著物較多、不光滑、且存在大量膠質(zhì)，纖維分裂度較小，幾乎無卷曲，灰度也較大；經(jīng)過堿-尿素體系預(yù)處理后，亞麻紗線內(nèi)部纖維表面的木質(zhì)素、果膠等雜質(zhì)被去除，亞麻纖維由束纖維變成單纖維，紗線表面更加光滑。隨著溫度的降低紗線表面的膠質(zhì)等雜質(zhì)被去除，纖維卷曲數(shù)明顯增加，纖維發(fā)生溶脹，紗線的直徑明顯增大，紗線表面越來越光滑，灰度逐漸下降。

2.5 X射線衍射測試分析

對亞麻原紗和不同體系溫度預(yù)處理后的紗線烘干平衡后在X射線衍射儀上，測定入射角θ及相對應(yīng)的X射線衍射強(qiáng)度，繪制的X射線衍射強(qiáng)度曲線見圖5。由圖5可以看出，亞麻紗線在不同溫度預(yù)處理后X射線衍射曲線形狀及衍射峰所對應(yīng)的衍射角都發(fā)生了明顯的變化。

圖5 原紗和不同溫度堿-尿素預(yù)處理后X射線衍射圖

利用X射線衍射圖計算處理前和不同溫度處理后亞麻纖維的結(jié)晶度和取向度，計算結(jié)果見表1。

表1不同溫度處理后亞麻纖維的結(jié)晶度和取向度

試樣結(jié)晶度/%取向度/%原紗25 ℃處理20 ℃處理15 ℃處理10 ℃處理5 ℃處理0 ℃處理-5 ℃處理-10 ℃處理88.067.062.056.053.042.542.040.039.085.069.065.059.056.049.045.043.042.0

由X射線衍射圖譜和亞麻纖維結(jié)晶度、取向度變化可知，堿-尿素預(yù)處理后纖維的結(jié)晶度和取向度減小，且隨著預(yù)處理溫度的降低，結(jié)晶度和取向度越來越小。在溫度低于5 ℃后，結(jié)晶度和取向度的變化更明顯，無定形區(qū)增加，原纖與纖維軸之間的夾角變小。這是由于在低溫條件下，亞麻纖維素纖維在堿-尿素預(yù)處理體系中發(fā)生劇烈溶脹，堿分子與纖維素大分子上羥基結(jié)合，導(dǎo)致纖維素氫鍵分子間力的削弱，迫使纖維素大分子間距離增大，改變其序態(tài)，使結(jié)晶度下降，無定形區(qū)擴(kuò)張。而尿素也是一種吸濕性強(qiáng)、水化能力較大的有機(jī)化合物，因此當(dāng)堿液中存在微量的尿素時，發(fā)生的水化作用進(jìn)一步迫使已被堿液所潤濕和充滿的微纖間隙擴(kuò)大，纖維進(jìn)一步溶脹；同時，堿可與纖維素發(fā)生反應(yīng)，生成堿纖維素，使纖維素發(fā)生潤脹，增加了纖維素的內(nèi)表面積，并在一定程度上降低了纖維素的結(jié)晶度和取向度。預(yù)處理后結(jié)晶度降低，分子間距離增大，分子間作用力減小，斷裂伸長率增加；取向度及大分子鏈主軸與原纖維軸的平行程度降低，原纖與纖維軸之間的夾角變小，斷裂伸長率隨之增大。

2.6 FT-IR傅立葉紅外光譜分析

取烘干平衡后的亞麻原紗和不同體系溫度預(yù)處理后的紗線，在FT-IR型傅立葉紅外光譜儀上進(jìn)行紅外光譜測試，獲得紅外光譜圖，見圖6。

(a)25 ℃～10 ℃

(b)5 ℃～-10 ℃

3 結(jié)論

(1)亞麻紗線失重率隨著體系處理溫度的降低逐漸增大；紗線捻度隨體系處理溫度的降低逐漸增大；紗線斷裂強(qiáng)力隨處理溫度的降低先增大后減小，紗線斷裂伸長率隨著溫度的降低逐漸增大；隨著預(yù)處理體系溫度的降低，亞麻紗線內(nèi)部纖維表面的木質(zhì)素、果膠等大部分雜質(zhì)被去除，纖維發(fā)生溶脹，纖維直徑變大，單根纖維之間的表面附著物明顯減少，紗線表面更加光滑，紗線細(xì)度更細(xì)，纖維卷曲度也明顯增加；結(jié)晶度和取向度明顯變小，纖維微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維分子間距離增大，纖維分子間作用力減小，使得亞麻紗線的斷裂強(qiáng)力減小，斷裂伸長率增大。

(2)將堿-尿素預(yù)處理體系溫度控制在-5 ℃至-10 ℃之間將實(shí)現(xiàn)低濃度堿對亞麻紗線的改性，保證原紗的斷裂強(qiáng)力損失不大，并使紗線斷裂伸長率從1.983%提高到3.647%，提高了亞麻紗線的質(zhì)量，改善了亞麻經(jīng)紗可織性差的缺點(diǎn)。低溫低濃度的堿-尿素預(yù)處理體系相比于電子束輻射活化、濃堿化學(xué)改性、液氨處理、超聲波改性、生物酶處理等其他改性手段更加合理可靠，工藝簡單、節(jié)約成本和能源，更容易滿足現(xiàn)代亞麻生產(chǎn)的需求。