洋麻/芳綸混紡紗線的耐化學(xué)性能探究*

王春紅 何順輝 任子龍

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387)

對位芳綸因其優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于軍工、航天航空、防護(hù)等領(lǐng)域［1］。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，芳綸逐步進(jìn)入民用領(lǐng)域，但是芳綸價(jià)格昂貴，且耐酸堿性差［2］。在改善芳綸缺陷的方法中，混紡是簡單有效的途徑之一［3］。在眾多的混紡纖維中，洋麻纖維由于可紡性差而被人們忽略，但洋麻纖維具有比強(qiáng)度和比模量高、質(zhì)輕價(jià)廉、資源豐富及優(yōu)異的吸濕導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，將洋麻與芳綸混紡，在降低產(chǎn)品成本的同時(shí)，利用洋麻纖維的優(yōu)異性能可以改善芳綸產(chǎn)品的性能。本文通過對洋麻纖維進(jìn)行精細(xì)化處理，使其能夠與芳綸混紡，以改善芳綸產(chǎn)品的性能，降低芳綸產(chǎn)品的成本。通過測試不同混紡比紗線經(jīng)過蒸餾水和酸堿處理后的質(zhì)量和拉伸性能變化，探索化學(xué)試劑對紗線性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料處理

試驗(yàn)所選洋麻(Kenaf)產(chǎn)自馬來西亞，經(jīng)過初步漚麻處理。洋麻纖維粗硬、無卷曲，不能直接進(jìn)行混紡，需要對其進(jìn)行精細(xì)化處理。對位芳綸(Kevlar 49)由美國杜邦公司生產(chǎn)，為使芳綸能夠在棉紡系統(tǒng)上紡紗，需要對其進(jìn)行處理。原料處理工藝見表1，洋麻纖維堿處理前后及芳綸的性能見表2。

表1 洋麻纖維、芳綸紡前處理

表2 洋麻纖維堿處理前后及芳綸性能

1.2 紡紗

洋麻純紡比較困難，因此在洋麻中加入20%的棉纖維進(jìn)行混紡，代替純紡洋麻紗線進(jìn)行性能測試。為了提高紗線強(qiáng)度和條干均勻度，在細(xì)紗工序后又增加了并捻聯(lián)合工序。試驗(yàn)用紡紗設(shè)備見表3。

表3 紡紗設(shè)備一覽表

1.3 紗線性能測試

將每種紗線分別使用蒸餾水、5%NaOH和5%HCl溶液在溫度60℃、浴比1∶30的條件下處理5 h，測試處理前后紗線質(zhì)量和強(qiáng)度的變化，比較紗線的耐化學(xué)性。按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2256—2002《用單線法測定紗線拉伸性能的試驗(yàn)方法》測試紗線的拉伸性能，設(shè)備為Instron 3369型萬能強(qiáng)力機(jī)，夾持距離為250 mm，拉伸速度為300 mm/min。

2 試驗(yàn)分析

2.1 紗線線密度

不同溶液對紗線線密度的作用效果有較大的差別，經(jīng)過蒸餾水處理的紗線線密度略微減小，經(jīng)5%HCl處理后的紗線線密度減小得最多。紗線線密度變化見圖1。

圖1 紗線線密度變化

在蒸餾水的作用下，5種紗線的質(zhì)量都有少許減小。因?yàn)樵谘舐槊撃z過程中，水解后的半纖維素等物質(zhì)容易重新附著在纖維表面，經(jīng)蒸餾水高溫處理，可以使附著在纖維表面的半纖維素等物質(zhì)脫落，而洋麻纖維中的木質(zhì)素、果膠質(zhì)、脂蠟質(zhì)、水溶物等物質(zhì)也會部分溶解［4］。同時(shí)，通過長時(shí)間的高溫蒸餾水處理，紡紗過程中添加的油劑被部分去除。半纖維素和油劑含有許多親水基，去除半纖維素和油劑不僅減輕了紗線的質(zhì)量，還可以減小紗線的回潮率，因此使紗線的質(zhì)量減輕。

使用5%HCl處理紗線，紗線的質(zhì)量都有較為明顯的下降。洋麻纖維的成分主要是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，洋麻纖維依靠膠質(zhì)連接，在酸的作用下，膠質(zhì)、纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素等都比較容易水解，造成洋麻纖維的斷裂。纖維素大分子依靠1-4甙鍵鏈接，酸釋放出的［H+］打破了纖維素鏈中的甙鍵和葡萄糖中的雜環(huán)醚鍵，使纖維素水解。半纖維素酸水解機(jī)理與纖維素相似，首先酸釋放的［H+］與水結(jié)合生成水合氫離子，它能使半纖維素大分子中糖苷鍵的氧原子迅速質(zhì)子化而形成共軛酸，降低苷鍵鍵能而使其斷裂，末端形成的正碳離子與水反應(yīng)最終生成單糖，同時(shí)又釋放出質(zhì)子，后者又與水反應(yīng)生成水合氫離子，繼續(xù)參與新的水解反應(yīng)。木質(zhì)素在酸性條件下，在高溫和質(zhì)子的作用下產(chǎn)生正碳離子，同樣使木質(zhì)素分解為單糖而發(fā)生水解［5-7］。芳綸分子結(jié)構(gòu)具有高度規(guī)整性，兩個(gè)苯環(huán)通過酰胺鍵鏈接。酰胺鍵中的N原子電負(fù)性強(qiáng)，且含有孤對電子，易受到HCl溶液中大量的［H+］進(jìn)攻生成帶正電荷的伯胺基，從而使芳綸水解［8］。酸處理引起的酰胺鍵水解使芳綸表面大分子斷裂和剝離，纖維表面受到刻蝕作用，造成纖維質(zhì)量損失［9］。

經(jīng)5%NaOH溶液處理后的紗線線密度也發(fā)生明顯的下降。由圖1可知，洋麻含量高的紗線，線密度變化較大。洋麻纖維中，纖維素是耐堿物質(zhì)，但是半纖維素和木質(zhì)素在堿性條件下都容易發(fā)生水解。半纖維素自身是無序的聚集態(tài)，使［OH－］容易與其β糖苷鍵作用發(fā)生堿性水解。木質(zhì)素在堿性介質(zhì)中，在［OH－］等親核基團(tuán)作用下使主要醚鍵斷裂，木質(zhì)素大分子碎片化，部分木質(zhì)素溶解于反應(yīng)溶液中。在NaOH與芳綸發(fā)生反應(yīng)的過程中，［OH－］進(jìn)攻酰胺鍵中的缺電子體C原子，通過一系列反應(yīng)使 C═O鍵解體，從而使芳綸發(fā)生水解［8］。

不管是洋麻還是芳綸，對酸的敏感度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堿，這兩種纖維在酸性條件下更容易水解，所以表現(xiàn)為在酸性條件下，紗線的線密度變化較大。

2.2 紗線強(qiáng)度

由圖2可知，紗線在經(jīng)過蒸餾水處理后，強(qiáng)度都有一定的增加。洋麻纖維有較多的孔隙，在蒸餾水的長時(shí)間處理下，水分容易進(jìn)入纖維內(nèi)部，使纖維橫向發(fā)生膨脹，纖維間抱合力增強(qiáng)。蒸餾水高溫處理可以減小紡紗過程中因纖維受力不勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)紗線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，通過蒸餾水的處理，使紗線的質(zhì)量減輕，線密度減小，在紗線強(qiáng)力不變的情況下使紗線強(qiáng)度有所增加。

圖2 紗線強(qiáng)度變化

紗線經(jīng)過HCl處理后，強(qiáng)度都有較大幅度的下降。芳綸是由于酰胺鍵的水解導(dǎo)致分子鏈斷裂，從纖維的表面向內(nèi)部延伸，致使芳綸強(qiáng)度大幅度下降。酸還可以破壞芳綸的皮芯結(jié)構(gòu)，使纖維的表面形成不規(guī)則的剝離，導(dǎo)致纖維粗細(xì)發(fā)生變化，在受力過程中，會發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象［10］。觀察洋麻/芳綸混紡紗線，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度損失率要小于純芳綸和純纖維素纖維紗線。分析認(rèn)為，由紗線中纖維的轉(zhuǎn)移機(jī)理可知，芳綸較細(xì)軟，洋麻纖維較粗硬，洋麻纖維分布在紗線外層［11］，當(dāng)酸處理紗線時(shí)，會先與外面的洋麻纖維反應(yīng)，然后再向內(nèi)與芳綸反應(yīng)，外層的洋麻起到了保護(hù)內(nèi)層芳綸的作用?；旒徏喚€中，芳綸是紗線強(qiáng)度的主要承擔(dān)者，所以混紡紗經(jīng)過酸處理后強(qiáng)度下降得不如純芳綸那么大。觀察處理后的紗線也可發(fā)現(xiàn)，混紡紗經(jīng)過酸處理后，輕微觸碰就會有洋麻碎屑落下。洋麻和芳綸耐酸性較差，酸處理能夠使酰胺鍵和纖維素大分子水解，使紗線強(qiáng)度有較大損失，其中純芳綸紗線強(qiáng)度損失達(dá)64.16%，純洋麻紗線強(qiáng)度損失達(dá)82.66%。根據(jù)強(qiáng)度損失情況可知，洋麻對酸更為敏感，會先于芳綸與酸反應(yīng)，起到保護(hù)芳綸的作用。比較洋麻/芳綸混紡紗線強(qiáng)度損失率可知，洋麻含量越高，強(qiáng)度損失率越低。由此可以推斷，洋麻起到了保護(hù)芳綸的作用，減小了強(qiáng)度損失率。

不同紗線經(jīng)過NaOH處理后，強(qiáng)度的變化也不同。洋麻/棉(80/20)紗線的強(qiáng)度變大，其他紗線強(qiáng)度降低。分析認(rèn)為，纖維素纖維的耐堿性較好，堿處理可以去除半纖維素、木質(zhì)素、膠質(zhì)等，但是纖維素是主要的受力體，而棉纖維幾乎都是纖維素，堿處理可以使纖維素發(fā)生溶脹，大分子鏈間的氫鍵被拆散，舒解了紗線中貯存的內(nèi)應(yīng)力。溶脹使纖維直徑增大變圓，紗線結(jié)構(gòu)更緊密，從而使洋麻/棉(80/20)紗線的強(qiáng)度增加。堿可以促使芳綸中酰胺鍵水解，導(dǎo)致大分子鏈斷裂，芳綸的結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而導(dǎo)致芳綸強(qiáng)度降低。從含有芳綸的4種紗線來看，基本上呈現(xiàn)出隨芳綸含量增加，強(qiáng)度損失增大的趨勢。因此，在堿性環(huán)境下，洋麻也能起到保護(hù)芳綸的作用。

3 結(jié)語

(1)經(jīng)蒸餾水處理后，能夠去除附著在纖維表面的半纖維素和施加的油劑，使紗線線密度減小，強(qiáng)度增加。

(2)根據(jù)纖維轉(zhuǎn)移理論，洋麻纖維在紗線外層，起到了保護(hù)芳綸的作用。經(jīng)過酸堿處理的洋麻與芳綸混紡紗線的強(qiáng)度損失率比純芳綸紗線的強(qiáng)度損失率要小。

(3)洋麻和芳綸對酸的敏感程度不同，洋麻更容易與酸反應(yīng)，起到了保護(hù)芳綸的作用。

［1］袁金慧，江欞，馬家舉，等.芳綸的應(yīng)用和發(fā)展［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2005，30(4)：27-30.

［2］黃故.芳綸纖維在特殊條件下的強(qiáng)力分析［J］.紡織學(xué)報(bào)，2006，27(1)：23-26.

［3］曾翠霞.芳綸功能紡織品的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2008(7)：124-126.

［4］鄭來久，郁崇文.黃紅麻纖維化學(xué)改性及其與棉混紡的研究［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，28(5)：94-98.

［5］錢微君，馮新星，陳建勇.水質(zhì)對大麻纖維浸泡脫膠效果的影響［J］.紡織學(xué)報(bào)，2006，27(6)：19-22.

［6］莊新姝，王樹榮，袁振宏，等.纖維素超低酸水解產(chǎn)物的分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(2)：177-182.

［7］金強(qiáng)，張紅漫，嚴(yán)立石，等.生物質(zhì)半纖維素稀酸水解反應(yīng)［J］.化學(xué)進(jìn)展，2010，22(4)：664-672.

［8］陶用珍，管映亭.木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用［J］.纖維素科學(xué)與技術(shù)，2003，11(1)：42-55.

［9］唐娜，陳建勇，張華鵬.Nomex縫紉線耐酸堿性能研究［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(2)：164-168.

［10］李龍，郭楠.酸處理?xiàng)l件下芳綸纖維的結(jié)構(gòu)與性能［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào).2008，22(2)：139-142.

［11］于偉東.紡織材料學(xué)［M］.北京：中國紡織出版社，2006.