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        杞柳纖維提取與性能研究

        2022-08-11 13:51:40卞克玉張宏偉劉建平
        山東紡織科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:杞柳回潮率脫膠

        卞克玉,張宏偉,劉建平

        (常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省特種功能紡織材料工程研究中心,江蘇 常州 213164)

        杞柳是一種易于種植,生長(zhǎng)期短,生長(zhǎng)速度較快的叢生落葉灌木,主要分布在我國(guó)黃河和淮河流域,隸屬于楊柳科柳屬。山東郯城、安微阜南、山東臨沐等地都是全國(guó)有名的杞柳種植基地。杞柳最主要的用途是去外皮后編織一些家用器具,如笆斗、簸箕等,具有一定的實(shí)用性和藝術(shù)性[1,2],在我國(guó)河南、安徽、山東等地使用流傳較廣。杞柳皮中含有一定量的纖維素,可供提取使用。閆紅芹等人[3]在專利“一種杞柳雞毛纖維的制備方法及其應(yīng)用”中介紹了將雞毛纖維和杞柳纖維復(fù)合的方法;程光耀等人[4]在專利“一種改性杞柳皮纖維的制取方法”中提出采用沼液發(fā)酵的方法提取杞柳纖維;王文中等人[5]通過(guò)脫膠方法制得杞皮纖維并將其與棉毛等纖維進(jìn)行混紡開發(fā)混紡紗。本文參考麻類纖維脫膠工藝提取杞柳纖維,并通過(guò)對(duì)纖維性能的檢測(cè)來(lái)分析預(yù)測(cè)其可紡性。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 原料準(zhǔn)備

        以12月份收割的青皮杞柳為原料,用塑料膜覆蓋,并在塑料膜表面鋪上稻草,定期噴水養(yǎng)護(hù),來(lái)年3月初掀開塑料膜,刮去杞柳皮,曬干并用工具捶打,去除其中的一部分非纖維類雜質(zhì),得到杞柳皮原料(見(jiàn)圖1a),將纖維捆扎浸泡在流動(dòng)的河水中,利用水中的微生物進(jìn)行初步脫膠,約15天左右撈出洗凈曬干,然后經(jīng)過(guò)堿煮、酸洗、漂白后可以得到干凈的杞柳纖維(見(jiàn)圖1b和圖1c所示)。

        圖1 杞柳纖維照片

        1.2 化學(xué)藥品和實(shí)驗(yàn)儀器

        化學(xué)藥品:氫氧化鈉(NaOH)、過(guò)氧化氫(H2O2,30%)、精練劑、亞硫酸鈉(Na2SO3)、次氯酸鈉(NaClO)、稀硫酸,均為分析純。

        實(shí)驗(yàn)儀器:DK-S16型恒溫水浴鍋、燒杯、紅外光譜儀、CU-2纖維細(xì)度分析儀、YG004A電子單纖維強(qiáng)力儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、恒溫烘箱、電子天平等。

        1.3 杞柳纖維提取

        提取工藝[6-8]:杞柳皮曬干→初步打擊處理→河水浸泡→堿煮→水洗→酸洗→漂白→水洗→脫水→烘干→上油→開松→得到杞柳纖維。

        杞柳纖維曬干后通過(guò)打擊處理能有效去除其中的雜質(zhì)并初步分離杞柳纖維,對(duì)原始杞柳纖維進(jìn)行切斷處理可得到短纖維。河水浸泡一般要15天左右,若河水溫度高可適當(dāng)縮短浸泡天數(shù),利用水中的微生物進(jìn)行輔助脫膠,去除部分杞柳皮內(nèi)的膠質(zhì)。堿煮工藝主要目的也是脫膠,其工藝條件為:NaOH質(zhì)量濃度20 g/L、NA2SO310 g/L、精練劑10 mL/L、堿煮溫度100 ℃、堿煮時(shí)間3 h。水洗一般采用蒸餾水洗滌。烘干采用90 ℃恒溫烘干100 min。酸洗工藝:稀硫酸濃度為1%,酸洗時(shí)間10 min;漂白工藝為:H2O2(30%)30 mL/L,NaOH 0.5%,漂白溫度90 ℃;漂白時(shí)間30 min。上油時(shí)采用AES表面活性劑,以噴霧形式噴灑在杞柳纖維表面并在塑料袋里封閉24 h,使纖維得到充分浸潤(rùn)和軟化,通過(guò)上述方法可得到潔凈松軟的杞柳纖維。

        1.4 杞柳纖維性能測(cè)試

        化學(xué)結(jié)構(gòu)能分析:采用 Nicolet 5700型紅外光譜儀分析脫膠處理前后杞柳纖維的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)[9,10],KBr 壓片,掃描范圍4000 cm-1。

        纖維形態(tài)觀察:采用普通光學(xué)顯微鏡、美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Nova Nano SEM掃描電鏡觀察纖維形態(tài)。

        纖維實(shí)際回潮率測(cè)試:參考麻類纖維回潮率的測(cè)試方法,用八籃恒溫烘箱烘燥纖維并稱重計(jì)算。

        纖維強(qiáng)力測(cè)試:在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室使用電子單纖維強(qiáng)力儀對(duì)杞柳纖維強(qiáng)力進(jìn)行測(cè)試。儀器參數(shù):夾持隔距20 mm,拉伸速度20 mm/min,預(yù)加張力為0.3 g。測(cè)試300 根杞柳纖維。

        纖維細(xì)度測(cè)試:采用中段切取稱重法,將試樣放置標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下進(jìn)行處理,然后將整理好的纖維放在Y171型纖維切斷器切斷(20 mm片段),對(duì)切得的纖維進(jìn)行稱重計(jì)算。

        纖維直徑測(cè)試:采用CU-2 纖維細(xì)度分析儀,倍率100,連續(xù)測(cè)試多根纖維縱向不同位置的寬度并進(jìn)行記錄。

        纖維長(zhǎng)度測(cè)試:稱取1 g纖維,借助黑絨板、鑷子、直尺,手工測(cè)量每一根纖維的長(zhǎng)度,記錄所測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。

        2 結(jié)果分析

        2.1 杞柳纖維紅外圖譜分析

        紅外分析結(jié)果如圖2所示。從圖2可知,經(jīng)過(guò)處理后的杞柳纖維與苧麻纖維紅外光譜圖相似,紅外光譜圖中3330 cm-1附近是羥基伸縮振動(dòng)特征峰,2900 cm-1附近是碳?xì)滏I伸縮振動(dòng)形成,1031cm-1附近為C—O—C鍵,895 cm-1附近為β-D-葡萄糖苷的特征峰。說(shuō)明杞柳纖維也屬于纖維素類纖維,纖維成份與麻纖維相似。

        圖2 杞柳纖維處理前后紅外光譜圖

        2.2 纖維形態(tài)分析

        如圖3所示是杞柳纖維在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài),由圖3(a)(b)可見(jiàn)提取的杞柳纖維未完全分開,大量單根纖維集束在一起,細(xì)度較粗。

        圖3 杞柳纖維縱向外觀

        為了進(jìn)一步分析杞柳纖維縱向形態(tài),采用掃描電鏡對(duì)杞柳纖維脫膠前后縱截面進(jìn)行了觀察[11,12],如圖4(a)~(d)所示。由圖4(a)、(b)可見(jiàn)脫膠前杞柳纖維表面粗糙,含有較多雜質(zhì),纖維表面被果膠、半纖維素、木質(zhì)素和其他雜質(zhì)覆蓋。由圖4(c)(d)可見(jiàn),經(jīng)脫膠處理的杞柳纖維表面雜質(zhì)去除明顯,但纖維直徑并未明顯變細(xì),纖維仍呈束狀分布,與光學(xué)纖維鏡下觀察結(jié)果相似。可見(jiàn),通過(guò)常規(guī)化學(xué)方法很難將杞柳纖維變成單根纖維。

        圖4 杞柳纖維縱向掃描電鏡

        2.3 纖維強(qiáng)力 細(xì)度與回潮率

        計(jì)算得到杞柳纖維細(xì)度為3.92 tex,遠(yuǎn)粗于苧麻纖維(苧麻纖維一般在0.5 tex~0.67 tex左右),主要原因是杞柳纖維未能充分分離成單根纖維。杞柳纖維強(qiáng)力均值為36.0 cN,斷裂強(qiáng)度為0.92 cN/dtex,斷裂伸長(zhǎng)率均值為0.6%,如表1所示。杞柳纖維斷裂強(qiáng)力較高的主要原因是內(nèi)部纖維未完全分解成單纖維,纖維較粗的緣故。杞柳纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率較低,主要是因?yàn)槔w維較脆。纖維的回潮率約為10.2%,說(shuō)明杞柳纖維回潮率較高,與麻纖維接近,具有較好的吸濕性;纖維直徑平均約為70.3 μm,相對(duì)于普通麻類纖維要粗,另外因?yàn)殍搅w維粗細(xì)并不均勻,纖維未完全劈開,所以寬度數(shù)據(jù)波動(dòng)較大;纖維平均長(zhǎng)度約為94.4 mm,長(zhǎng)度較長(zhǎng),紡紗時(shí)需要做切斷處理。

        表1 杞柳纖維與苧麻纖維強(qiáng)力比較

        3 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)機(jī)械打擊、河水浸漬、脫膠與漂白等工序可以制得杞柳纖維,該纖維色澤微黃,手感較粗糙,纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng),細(xì)度較粗,強(qiáng)力較高,斷裂伸長(zhǎng)率較小,較脆,紡紗性能一般,目前可用作非織造加工原料。

        通過(guò)上述方法制得的杞柳纖維并不能完全分開,類似工藝?yán)w維,未來(lái)有待于通過(guò)其他工藝進(jìn)一步分離劈裂成單纖維,同時(shí)要通過(guò)一定的方法處理改善其脆性。

        杞柳纖維原料有著廣泛的來(lái)源,隨著未來(lái)杞柳纖維提取工藝的優(yōu)化,杞柳纖維的提取率、性能將得到一步提高,可以有效拓寬杞柳皮的利用范圍,提升杞柳產(chǎn)品的附加值。

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