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        堿-尿素預(yù)處理溫度對(duì)亞麻紗線強(qiáng)伸性的影響

        2019-10-22 10:55:38高一傳王宗偉劉建立姜為民高衛(wèi)東
        棉紡織技術(shù) 2019年10期
        關(guān)鍵詞:亞麻伸長(zhǎng)率紗線

        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(wú)錫,214122;2.黑牡丹紡織有限公司,江蘇常州,213000)

        麻織物具有自動(dòng)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(zhǎng)變形小、纖維彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度大,使得亞麻紗線斷裂伸長(zhǎng)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(duì)亞麻紗線存在的問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)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(duì)亞麻原色紗進(jìn)行預(yù)處理,研究不同預(yù)處理溫度對(duì)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(duì)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(cè)長(zhǎng)機(jī);FA2104S型電子天平;D2PHASER X型射線衍射儀(德國(guó)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(duì)濕度65%)中預(yù)調(diào)濕24 h,測(cè)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(zhǎng)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(cè)量紗線各項(xiàng)性能[6]。

        1.3 性能測(cè)試

        1.3.1 失重率測(cè)定

        對(duì)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(jì)算紗線失重率[7]。

        1.3.2 紗線捻度測(cè)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(cè)試。測(cè)定時(shí)采用解捻加捻法,預(yù)加張力4 cN,測(cè)定紗線長(zhǎng)度50 cm,每個(gè)試樣測(cè)量10次,求其平均值,計(jì)算紗線捻度。

        1.3.3 斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定

        分別對(duì)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(cè)試。試驗(yàn)條件:拉伸速度250 mm/min、試樣夾持距離250 mm。每個(gè)試樣測(cè)量50次,求其斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率的平均值。計(jì)算斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率。

        1.3.4 超景深三維試驗(yàn)

        改變體系處理溫度對(duì)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(cè)定各個(gè)入射角θ以及相對(duì)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(hào),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(dòng)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(duì)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(shí),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(shí),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(shí),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(wú)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(shí),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(duì)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(duì)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(duì)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(wú)卷曲,對(duì)亞麻紗線進(jìn)行預(yù)處理后,纖維卷曲,紗線直徑變大、長(zhǎng)度縮短,使得單位長(zhǎng)度內(nèi)的捻回?cái)?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(shí)纖維滑脫根數(shù)減少,紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)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(duì)亞麻紗線捻度的影響

        2.3 紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率

        堿-尿素預(yù)處理溫度對(duì)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(shì),斷裂伸長(zhǎng)率總體呈增大趨勢(shì)。在25 ℃~5 ℃時(shí),由于對(duì)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(duì)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(shí),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(duì)纖維有一定的損傷,造成斷裂強(qiáng)力又逐漸減小。在25 ℃~5 ℃時(shí),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(zhǎng)率增加緩慢;在低溫度下,使用堿-尿素對(duì)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(zhǎng)率增大。

        圖3 堿-尿素預(yù)處理溫度對(duì)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(duì)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(wú)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(lái)越光滑,灰度逐漸下降。

        2.5 X射線衍射測(cè)試分析

        對(duì)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(cè)定入射角θ及相對(duì)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(duì)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(jì)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(jì)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(lái)越小。在溫度低于5 ℃后,結(jié)晶度和取向度的變化更明顯,無(wú)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(wú)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(shí),發(fā)生的水化作用進(jìn)一步迫使已被堿液所潤(rùn)濕和充滿的微纖間隙擴(kuò)大,纖維進(jìn)一步溶脹;同時(shí),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(rùn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)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。

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