堿處理對(duì)木棉纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響

李長(zhǎng)龍，常 桑，周 磊

(安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

木棉纖維是一種天然纖維素纖維，是天然纖維中中空度最高的纖維，具有優(yōu)良的隔熱、隔音、保暖、拒水吸油的性能，是很好的浮力材料。但由于木棉纖維強(qiáng)力低，長(zhǎng)度短，表面光滑，抱合力差，難以單獨(dú)紡紗［1］，目前關(guān)于木棉纖維性能及紡紗方面的研究較多。由于經(jīng)過不同質(zhì)量濃度堿處理會(huì)對(duì)木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性能產(chǎn)生影響，國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的研究還鮮有報(bào)道。本文研究了堿處理對(duì)木棉纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響，以期提高木棉纖維的可紡性，擴(kuò)大木棉纖維的開發(fā)及應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

國(guó)產(chǎn)木棉散纖維:線密度為1.86 dtex，長(zhǎng)度為8～32 mm。

1.2 堿處理

室溫下配制質(zhì)量濃度分別為 4、6、8、10、12 g/L的NaOH溶液。采用浴比1∶300對(duì)木棉纖維分別處理，溫度為90℃，時(shí)間為120 min。處理后的纖維用蒸餾水洗凈，直至纖維附著液的pH值在6～7左右，再在40℃條件下烘干，供測(cè)試備用［2］。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 形貌觀察

在日本日立S-4800掃描電子顯微鏡/X射線能譜儀下，觀察纖維的縱向形態(tài)。

1.3.2 質(zhì)量損失率測(cè)試

將堿處理前后的木棉纖維烘干后放在干燥器中干燥24 h后稱量，得到堿處理前后纖維質(zhì)量分別為W0和W1，纖維的質(zhì)量損失率W按下式計(jì)算:

1.3.3 力學(xué)性能測(cè)試

采用單纖維強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測(cè)試，預(yù)加張力0.1 cN，夾持距離設(shè)為10 mm，拉伸速度為10 mm/min。每組試樣測(cè)50次。測(cè)試條件［3］:濕度為(65±2)%，溫度為(20±2)℃。

1.3.4 浸潤(rùn)性能測(cè)試

采用德國(guó)DCAT11界面張力儀對(duì)木棉纖維浸潤(rùn)性能進(jìn)行測(cè)試。

1.3.5 熱性能測(cè)試

采用日本島津DSC-60A自動(dòng)差熱熱重同時(shí)測(cè)定裝置，測(cè)定木棉纖維的熱分解曲線［4］。其中N2升溫速率為 10℃/min，流量為 60 mL/min，溫度為50～600℃。

1.3.6 化學(xué)組成測(cè)試

制取粉末試樣，用日本島津IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試。根據(jù)紅外光譜中吸收峰的強(qiáng)度、位置和形狀，確定纖維的化學(xué)組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿處理對(duì)纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

圖1為放大800倍的木棉纖維縱向掃描電鏡形態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖1(a)為沒有經(jīng)過堿處理的木棉纖維縱向形態(tài)，可看出木棉纖維縱向外觀呈圓柱形，表面光滑，不顯轉(zhuǎn)曲。圖1(b)為經(jīng)過質(zhì)量濃度為8 g/L的堿液處理后的木棉纖維的縱向形態(tài)，可看出，經(jīng)過堿處理木棉纖維表面沿纖維軸向會(huì)出現(xiàn)一些不規(guī)則的刻蝕痕跡。這主要是因?yàn)閴A處理去除了木棉纖維表面的蠟質(zhì)與果膠，使得纖維表面變得粗糙。還可能是因?yàn)榻Y(jié)晶區(qū)以及非結(jié)晶區(qū)有缺陷區(qū)域的大分子鏈被NaOH水解而產(chǎn)生的斑痕和坑穴，從而增大了纖維表面的摩擦因數(shù)，可提高紡紗時(shí)纖維間的抱合力。

圖1 堿處理前后木棉纖維縱向形態(tài)電鏡照片(×800)Fig.1 Longitudinal SEM photos of kapok fiber(×800).(a)Untreated;(b)Treated with NaOH

2.2 堿處理對(duì)纖維質(zhì)量損失率的影響

根據(jù)文獻(xiàn)［5－6］可知，木棉纖維的化學(xué)組成為:64%纖維素，23%半纖維素，13%膠質(zhì)和木質(zhì)素。圖2示出NaOH質(zhì)量濃度對(duì)木棉纖維質(zhì)量損失率的影響。由圖可看出，隨著堿液質(zhì)量濃度的增大，木棉纖維的質(zhì)量損失率總體趨勢(shì)是逐漸增大的，這是因?yàn)閴A處理使得蠟質(zhì)乳化，無機(jī)鹽溶解，脂肪和蛋白質(zhì)水解，去除了低分子的膠質(zhì)成分。經(jīng)適當(dāng)質(zhì)量濃度的堿煮可去除纖維表面的蠟質(zhì)、果膠及半纖維素。半纖維素易被堿液水解而去除，而木質(zhì)素是一種相對(duì)分子質(zhì)量較高的物質(zhì)，在堿液中溶解度不大［7］，但可能會(huì)有少量堿溶木質(zhì)素被溶解而去除。經(jīng)測(cè)試木棉纖維堿處理后質(zhì)量會(huì)降低18%左右。當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度較低的時(shí)候，隨著其質(zhì)量濃度的增加，纖維質(zhì)量損失率增加的幅度比較大;當(dāng)NaOH質(zhì)量損失濃度增加到一定程度(≥10 g/L)時(shí)，隨著堿液質(zhì)量濃度的增加，纖維質(zhì)量損失率趨于平緩。這主要是因?yàn)閴A液質(zhì)量濃度小于10 g/L時(shí)就可使纖維中能參加反應(yīng)的物質(zhì)反應(yīng)完全，再增加質(zhì)量濃度對(duì)提高纖維質(zhì)量損失率沒有明顯效果。在一般情況下，纖維素對(duì)堿的化學(xué)性能比較穩(wěn)定，但是在高濃度、高溫度等條件下纖維素大分子鏈也會(huì)出現(xiàn)斷裂，從而影響木棉纖維的各方面性能，所以前處理過程中堿液的質(zhì)量濃度、溫度都不宜太高。

2.3 堿處理對(duì)纖維力學(xué)性能的影響

圖3示出堿液質(zhì)量濃度對(duì)木棉纖維斷裂強(qiáng)力的影響。由圖可看出，隨著堿液質(zhì)量濃度的增加，木棉纖維的斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)閴A處理可去除木棉纖維的雜質(zhì)和半纖維素，這些成分含量越高，對(duì)纖維強(qiáng)力影響越大，纖維品質(zhì)越低。經(jīng)過堿處理固化了沿纖維長(zhǎng)度方向的弱點(diǎn)，使得纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善，纖維強(qiáng)力得到提升。但是當(dāng)堿液質(zhì)量濃度過高(≥8 g/L)時(shí)，堿液對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的損傷會(huì)大于其對(duì)纖維力學(xué)性能的改善，從而導(dǎo)致纖維出現(xiàn)角質(zhì)層及初生胞壁的溶解，反而使纖維的斷裂強(qiáng)力下降。另外，由于纖維素大分子中含有羥基，如果堿液質(zhì)量濃度過高，纖維會(huì)發(fā)生剝皮現(xiàn)象，對(duì)纖維素產(chǎn)生副損傷，從而會(huì)導(dǎo)致木棉纖維的強(qiáng)力下降。

圖2 NaOH質(zhì)量濃度對(duì)木棉纖維質(zhì)量損失率的影響Fig.2 Effect of weightlessness rate of kapok fiber with different concentration of NaOH treatment

圖3 NaOH質(zhì)量濃度對(duì)木棉纖維斷裂強(qiáng)力的影響Fig.3 Effect of breaking strength of kapok fiber with different concentration of NaOH treatment

2.4 堿處理對(duì)纖維浸潤(rùn)性能的影響

纖維的動(dòng)態(tài)接觸角包括前進(jìn)角和后退角。前進(jìn)角是液體潤(rùn)濕固體表面能力的一種量度，對(duì)拒水性敏感;后退角表示液體從固體表面移去的難易，對(duì)親水性敏感;二者差值為接觸角滯后值，可反映物質(zhì)的潤(rùn)濕性、異質(zhì)均勻性、粗糙度及水在物質(zhì)表面的停留時(shí)間［8］。圖4為Wilhelmy吊片法平衡原理圖。試樣吊片經(jīng)浸入和提出的過程，并用高精度電子天平記錄吊片在不同浸漬位置時(shí)的拉力。測(cè)試完成后，根據(jù)系統(tǒng)軟件分析，得出木棉纖維的前進(jìn)角θ1、后退角θ2及二者的差值接觸滯后角△θ，結(jié)果見表1。由于沒有經(jīng)過堿處理的木棉纖維表面有蠟質(zhì)和果膠的存在，拒水性很強(qiáng)。而經(jīng)過堿液處理的木棉纖維，對(duì)比其滯后角可發(fā)現(xiàn):隨著堿液濃度的增加，纖維表面蠟質(zhì)和果膠被不斷去除，木棉纖維的浸潤(rùn)性能不斷增加;但當(dāng)堿液質(zhì)量濃度＞10 g/L時(shí)，浸潤(rùn)性能又會(huì)出現(xiàn)下降。這主要是因?yàn)檩^高質(zhì)量濃度的NaOH破壞了非結(jié)晶區(qū)大分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵，使得無定形區(qū)自由分子鏈溶解，從而使纖維結(jié)構(gòu)變得更加緊密，不利于水分的滲透［9］。

圖4 Wilhelmy吊片法平衡原理圖Fig.4 Schematic diagram of Wihelmy balance

表1 木棉纖維的動(dòng)態(tài)接觸角Tab.1 Dynamic contact angle of kapok fiber

2.5 堿處理對(duì)纖維熱性能的影響

圖5示出了堿處理前后木棉纖維在氮?dú)夥障碌臒岱纸馇€圖。曲線a為沒有經(jīng)過堿處理的木棉纖維的熱分解曲線，可看出木棉纖維在287℃開始分解。100℃以下主要是木棉纖維中的水分及其他微小雜質(zhì)的分解，到370℃為止主要是纖維素主體部分的分解，350～450℃主要是木質(zhì)素的分解［10］，到600℃木棉纖維的質(zhì)量幾乎不再變化，接近于零。曲線 b、c、d、e、f分別為用質(zhì)量濃度為 4、6、8、10、12 g/L的NaOH處理后木棉纖維的熱分解曲線，可看出經(jīng)過堿處理后，木棉纖維在380℃時(shí)就已經(jīng)基本完成了熱分解過程，這主要是因?yàn)閴A處理去除了大量的木質(zhì)素?？煽闯鰤A處理對(duì)纖維素的熱分解溫度影響不大。

2.6 堿處理對(duì)纖維化學(xué)組成的影響

圖5 堿處理前后木棉纖維TG圖Fig.5 TG of kapok fiber before and after alkali treatment

圖6為堿處理前后的木棉纖維的紅外譜圖，曲線a為未經(jīng)過堿處理的木棉纖維的紅外譜圖。由圖可看出木棉纖維具有K-lason木質(zhì)素和硝酸-乙醇纖維素的特征吸收峰。文獻(xiàn)［11］表明，木質(zhì)素特征基團(tuán)紅外光譜吸收峰主要在1750～1500 cm－1的范圍內(nèi)。木棉纖維1630 cm－1處的吸收峰為木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)的芳香環(huán)骨架基團(tuán)振動(dòng)。其中官能團(tuán)3401 cm－1處為 O—H 伸縮振動(dòng)，2914 cm－1處為C—H鍵的吸收。889 cm－1處附近為C—H面外彎曲振動(dòng)，1742 cm－1處是 ==C O鍵吸收峰。曲線b、c分別為經(jīng)質(zhì)量濃度為8和12 g/L的NaOH處理后的木棉纖維紅外光譜圖，木棉纖維與三者的紅外光譜特征峰極為相似。經(jīng)堿液處理后(曲線b、c)可看出指紋區(qū)在1051 cm－1附近仍出現(xiàn)纖維素特征峰，即β-D-葡萄糖苷鍵的特征吸收峰，處理后此處吸收峰幾乎沒有變化，這說明堿處理對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)影響不大［12］。3401 cm－1處仍有較明顯的O—H伸縮振動(dòng)特征吸收峰，吸收值變大，峰寬增加，面積變大，說明纖維素大分子中游離羥基數(shù)量增多。而在1730 cm－1處半纖維素的特征吸收峰及1630 cm－1處木質(zhì)素的特征吸收峰都有所減弱，這說明堿處理可去除木棉纖維表面的部分半纖維素及木質(zhì)素等雜質(zhì)。堿處理后木棉纖維在1249 cm－1處附近逐漸產(chǎn)生1個(gè)較為明顯的小肩峰，這是處理后纖維素分子中O—H平面彎曲振動(dòng)的特征。纖維素型纖維中，當(dāng)1249 cm－1處出現(xiàn)的峰形越明顯時(shí)，說明該纖維中晶區(qū)與非晶區(qū)比值越大，纖維結(jié)晶度越高［9］。由上述分析可看出，經(jīng)適當(dāng)濃度的堿處理后，木棉纖維結(jié)晶度是有所提高的。

圖6 堿處理前后木棉纖維紅外譜圖Fig.6 FT-IR spectra of kapok fiber before and after alkali treatment

3 結(jié)論

堿處理會(huì)對(duì)木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性能產(chǎn)生影響。經(jīng)過堿處理木棉纖維表面會(huì)變得粗糙;隨著堿液質(zhì)量濃度的增加，木棉纖維斷裂強(qiáng)力先增大后降低，但整體比未經(jīng)過處理的木棉纖維的斷裂強(qiáng)力大;當(dāng)堿液質(zhì)量濃度≤10 g/L時(shí)木棉纖維的浸潤(rùn)性能逐漸增大，當(dāng)質(zhì)量濃度＞10 g/L時(shí)纖維的浸潤(rùn)性能出現(xiàn)下降;此外堿處理去除了纖維表面的果膠、蠟質(zhì)、脂肪、木質(zhì)素等化學(xué)組分，使得木棉纖維熱分解完成溫度降低。綜上可知，木棉纖維在堿處理過程中堿液質(zhì)量濃度在8～10 g/L之間為宜。

［1］ MANSOU S H.Kapok［J］.Journal of Applied Polymer Science，2006，102(6):58 －61.

［2］ 劉杰，王府梅.堿處理對(duì)含木棉纖維紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)和性能的影響［J］.紡織學(xué)報(bào)，2009，30(12):55 －60.LIU Jie，WANG Fumei.Effect of alkali treatment on structure and propertiesofyarn containing kapok fiber［J］.Journal of Textile Research，2009，30(12):55－60.

［3］ 王劍英，奚柏君，沈蘭萍.堿處理對(duì)黃麻纖維性能的影響［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2013(4):27－28.WANG Jianying，XI Bojun，SHEN Lanping.Effect of alkaline treatmenton propertiesofjute fiber［J］.Advanced Textile Technology，2013(4):27 －28.

［4］ 肖紅，于偉東，施楣梧.木棉纖維的基本結(jié)構(gòu)和性能［J］.紡織學(xué)報(bào)，2005，26(4):4 －6.XIAO Hong，YU Weidong，SHI Meiwu.Structures and performances of the kapok fiber［J］.Journal of Textile Research，2005，26(4):4 －6.

［5］ FENGEL D.Studies on kapok［J］.Holzforsehun，1986，40(6):325－330.

［6］ ALKA Goel.Agro based fibres［J］.Colourage，1999，46(6):26－28.

［7］ 趙欣，高樹珍，王大偉.亞麻紡織與染整［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2007:94.ZHAO Xin，GAO Shuzhen，WANG Dawei.Flax Textile and Dyeing and Finishing［M］.Beijing:China Textile ＆Apparel Press，2007:94.

［8］ 鳳權(quán).功能性納米纖維的制備及固定化酶研究［D］.無錫:江南大學(xué)，2012:23 －27.FENG Quan.Study on the preparation of functional nanofibers and their applications far enzyme immobilization［D］.Wuxi:Jiangnan University，2012:23－27.

［9］ 楊建慧，顧俊晶，楊旭紅.堿處理對(duì)竹漿纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響［J］.棉紡織技術(shù)，2010，38(10):634－636.YANG Jianhui，GU Junjing，YANG Xuhong.Effect of alkali treatment on bamboo fiber micro-structure［J］.Cotton Textile Technology，2010，38(10):634 －636.

［10］ 駱介禹，駱希明.纖維素基質(zhì)材料阻燃技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:26－31.LUO Jieyu，LUO Ximing.Flame Retardant Technology of Cellulose Matrix Materials［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2003:26 －31.

［11］ 蔣挺大.木質(zhì)素［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:47－48.JIANG Tingda.Lignin［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2009:47 －48.

［12］ ALBANO C，ICHAZO M.Effects of filler treatments on the mechanical and morphological behavior of PP/wood four PP/sisal fibre ［J］.Material Research Innovation，2001，4(5/6):284－ 293.