棉稈皮纖維的草酸軟化處理工藝

李 龍， 張勝靖

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

棉稈皮纖維的草酸軟化處理工藝

李 龍， 張勝靖

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

改進(jìn)棉稈皮纖維在紡織中的應(yīng)用，利用草酸對棉稈皮纖維進(jìn)行軟化處理。采用正交試驗，并結(jié)合直觀分析與方差分析，得到試驗因素對棉稈皮纖維可撓度的影響程度以及棉稈皮纖維軟化處理的最佳工藝參數(shù)。在最佳工藝參數(shù)下，棉稈皮纖維可撓度為2.55 捻/(m·tex)，斷裂強(qiáng)度為3.13 cN/dtex；在顯著水平α=0.01，焙烘溫度對處理后棉稈皮纖維可撓度有顯著影響。通過D/MAX-2400型X射線衍射分析儀對棉稈皮纖維測試與相關(guān)分析計算，得到軟化處理后棉稈皮纖維的結(jié)晶度為64.9%，小于未處理棉稈皮纖維的結(jié)晶度。

棉稈皮纖維； 草酸； 軟化； 可撓度

Abstract Oxalic acid was used for the softening of cotton-straw bast fiber so as to improve the fibers′ textile application. By orthogonal experiment and intuitive analysis and variance analysis methods, the influence degree of experimental factors on the flexibility of cotton-straw bast fiber and the optimum parameters of the fiber softening treatment were obtained. Under the optimum parameters, the flexibility of.cotton-straw bast fiber was 2.55 twist/(m·tex) and the strength of the fiber was 3.13 cN/dtex. At significance level α of 0.01, curing temperature played significant influence on the fiber flexibility. Based on X-ray diffraction analysis on D/MAX-2400 and related calculations, it was shown that the crystallinity of the treated fibers was 64.9%, which was less than that of untreated fibers.

Keywords cotton-straw bast fiber; oxalic acid; softening; flexibility

棉稈皮纖維是將棉稈外韌皮脫膠獲得的天然纖維素纖維。但是，棉稈皮纖維剛性大，柔軟性差，在梳理過程中纖維難以成網(wǎng)成條，影響紡紗加工，因此，需要對其進(jìn)行軟化處理。關(guān)于天然纖維素纖維的軟化，雷雷等[1]綜述了黃麻纖維軟化的化學(xué)和生化方法，包括采用H2O2、H2O2和K2S2O8混合試劑、NaOH、HCl等試劑[2-3]，以及采用化學(xué)軟化劑或生物化學(xué)試劑對黃麻纖維進(jìn)行軟化處理[4-5]。張金秋等[6]利用陽離子DT-150A柔軟劑對大麻纖維進(jìn)行柔軟整理以改善其可紡性。韓菊[7]針對黃麻纖維剛硬、成紗質(zhì)量差等問題，利用草酸改性和環(huán)氧化合物對黃麻纖維進(jìn)行交聯(lián)改性，在所選處理條件下，草酸對黃麻纖維改性可以改善纖維柔軟度。交聯(lián)是用交聯(lián)劑使2個或多個分子偶聯(lián)從而使這些分子結(jié)合在一起的過程，經(jīng)過交聯(lián)可以提高聚合物的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。草酸具有交聯(lián)活性，是由于其本身的雙鍵能夠在催化劑作用下與氨基、羧基等化合物加成，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子[8]。草酸交聯(lián)改性不需要合成環(huán)氧化合物交聯(lián)劑，簡單方便。因此，為了改善棉稈皮纖維的可撓度，增加其柔軟度，改進(jìn)棉稈皮纖維梳理成網(wǎng)成條性，本文采用草酸對棉稈皮纖維進(jìn)行軟化處理。

1 原料與性能測試

1.1 原 料

棉稈皮產(chǎn)自西安市灞橋區(qū)，棉稈收割后手工剝皮曬干。棉稈皮纖維由棉稈皮化學(xué)脫膠制得[9]。試驗前需對脫膠的纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_松。

1.2 性能測試

可撓度測試：取主體部分的纖維，將其手扯梳理后用Y171D纖維切斷器切成等長30 mm纖維束，用Y321捻度儀對纖維束進(jìn)行加捻，直至纖維束斷裂，記錄斷裂時的捻回數(shù)，并在量程為10 mg的扭力天平上稱量捻斷的纖維束質(zhì)量，根據(jù)式(1)計算纖維的可撓度[10]，測試在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行。

(1)

式中：D為纖維的可撓度，捻/(m·tex)；n為斷裂捻回數(shù)，捻；L為纖維夾持長度，mm；G為纖維質(zhì)量，mg。

拉伸性能：參照GB/T 18147.5—2000《亞麻纖維試驗方法 第5部分 斷裂強(qiáng)度試驗方法》取適量纖維，用手扯法將纖維整理成束，從中取出100根長度大于20 mm的纖維排列在黑絨板上。在電子單纖維強(qiáng)力機(jī)上進(jìn)行纖維拉伸，纖維夾距為10 mm，拉伸速度為10 mm/min。

軟化效率：軟化效率是指軟化纖維與未處理纖維的可撓度之差占未處理纖維可撓度的百分比，用式(2)計算，用來說明軟化的效果。

(2)

式中：M為軟化效率，%；D1、D2分別為軟化處理前后纖維的可撓度，捻/(m·tex)。

X射線衍射：采用D/MAX-2400型X射線衍射分析儀對棉稈皮纖維進(jìn)行測試。測試條件為：Ni片濾波，靶型Cu，輻射Cu-Ka，電壓46 kV，電流100 mA，測試范圍2θ為6°～36°，掃描速度8(°)/min。

1.3 試驗設(shè)計

棉稈皮纖維素纖維草酸處理工藝流程為：纖維預(yù)處理→交聯(lián)劑浸潤→焙烘。

預(yù)處理條件為：草酸鈉2%(o.w.f)，溫度45 ℃，時間30 min，浴比1∶10，處理后水洗去多余鈉鹽。

交聯(lián)劑浸潤條件為：草酸X%(o.w.f)，乙醇與草酸質(zhì)量比1∶1.95，溶脹劑尿素2%(o.w.f)，催化劑氯化鎂2%(o.w.f)，時間20 min，浴比1∶10，溫度45 ℃，處理后抖松纖維，在60 ℃烘箱中烘3 h。

焙烘條件為：焙烘溫度X℃，焙烘時間Xmin。

2 結(jié)果分析

2.1 正交試驗

對處理棉稈皮纖維素纖維的草酸用量、焙烘溫度、焙烘時間進(jìn)行正交試驗。不考慮交互作用，評價指標(biāo)為可撓度。正交試驗因素水平見表1。正交試驗結(jié)果與直觀分析結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗因素水平表

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論[11]，由表2的極差分析可以看出，對可撓度的影響程度是B>A>C，即焙烘溫度>草酸用量>焙烘時間。試驗的最佳工藝為A2B1C1，即草酸用量為2%(o.w.f)，焙烘溫度為80 ℃，焙烘時間為3 min。在此條件下，所得的棉稈皮纖維可撓度最大，纖維最柔軟。

對表2的試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，判斷試驗的3個因素對可撓度的試驗結(jié)果是否產(chǎn)生顯著影響?？蓳隙鹊姆讲罘治鼋Y(jié)果見表3。在顯著水平α=0.01，焙烘溫度對處理后棉稈皮纖維的可撓度有顯著影響。

表3 方差分析及F檢驗

2.2 焙烘溫度對纖維性能影響

根據(jù)正文試驗得到優(yōu)化工藝，結(jié)合顯著性因素，試驗方案如下：

交聯(lián)劑浸漬時草酸用量為2%(o.w.f)，焙烘溫度為70、80、100、120、130 ℃，焙烘時間為3 min，其余試驗條件同1.3。不同焙烘溫度下的試驗結(jié)果見表4?？梢?，在草酸用量、焙烘時間一定的情況下，可撓度隨著焙烘溫度的增加先增大后減小，在80 ℃附近達(dá)到最大值；斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著焙烘溫度的增加急劇降低，說明草酸在軟化纖維的過程中對纖維損傷較大。在最佳工藝(焙烘溫度80 ℃)得到處理后纖維的可撓度為2.55 捻/(m·tex)，斷裂強(qiáng)度為3.13 cN/dtex，未處理纖維的可撓度為2.13 捻/(m·tex)，斷裂強(qiáng)度為3.72 cN/dtex，軟化效率為19.72%。

表4 不同焙烘溫度下纖維的性能

為了進(jìn)一步說明纖維的損傷程度，做對比試驗：草酸用量為3%(o.w.f)，焙烘溫度為140 ℃，焙烘時間為7 min，其余條件不變。在上述條件處理后短纖維很多，這是由于殘留強(qiáng)酸和高溫的共同作用使得棉稈皮工藝?yán)w維的結(jié)構(gòu)遭到了破壞，大量纖維斷裂造成，纖維已經(jīng)不具備使用的基本性能，在較小外力的作用下便會成為粉末。

2.3 X射線衍射測試

圖1示出未處理纖維與處理后纖維的XRD測試圖。將圖1曲線用PeakFit軟件進(jìn)行分析，采用曲線平滑，取基線，高斯擬合，分峰計算，分析參數(shù)見表5、6。

結(jié)晶區(qū)(纖維素Ⅰ)結(jié)晶區(qū)面積特征峰位置非晶區(qū)面積1(101)127.7915.462(101)113.3716.65235.323(002)263.7822.72

表6 處理纖維XRD分析參數(shù)

運(yùn)用式(3)計算結(jié)晶度Cr[12]。

(3)

式中：Sc為結(jié)晶區(qū)面積；Sn為非結(jié)晶區(qū)面積。

由式(3)計算得到未處理試樣的結(jié)晶度為68.2%，草酸處理試樣的結(jié)晶度為64.9%，草酸處理試樣的結(jié)晶度小于未處理試樣的結(jié)晶度，棉稈皮纖維結(jié)晶度的降低使纖維得以軟化。

3 結(jié) 論

在對棉稈皮纖維的草酸軟化處理中，焙烘溫度對處理后棉稈皮纖維可撓度的影響程度最大，草酸用量次之，焙烘時間影響程度最小。草酸溶液處理可以實(shí)現(xiàn)對棉稈皮纖維的軟化。草酸對棉稈皮纖維軟化的優(yōu)化條件為：草酸用量2%，焙烘溫度80 ℃，焙烘時間3 min。草酸優(yōu)化條件的軟化處理，降低了纖維的結(jié)晶度，使纖維的柔軟度增加。

[1] 雷雷, 陳效文, 徐欽. 化學(xué)和生化方法進(jìn)行黃麻軟化的研究進(jìn)展[J]. 中國纖檢, 2009(3):68-71. LEI Lei, CHEN Xiaowen, XU Qin. Research development of jute fibers using chemical and biochemistry methods[J]. China Fiber Inspection, 2009(3):68-71.

[2] CHAKRAVARTY A C. Crimp produced in jute fibres by treatment with solution of sodium hydroxide[J]. Textile Research Journal, 1962, 32:525-528.

[3] GHOSH P, SAMANTA K, DAS D. Effect of selective pretreatment and different resin post treatments on jute viscose upholstery fabric[J]. Indian Journal of Fibre and Textile Research, 1994, 19:277-280.

[4] GHOSH P, SAMANTA K, BASU G. Effect of selective chemical treatments of jute fibre on textile related properties and processibility[J]. Indian Journal of Fibre and Textile Research, 2004, 29:85-89.

[5] CHATTOPADHAYA S N, DAY A, SANYA L S K. Jute

for apparel use: mixed enzyme treatment[J]. Indian Textile Journal, 1997, 107:14-19.

[6] 張金秋, 張建春, 王善元. 柔軟整理對大麻纖維性能的影響[J]. 紡織學(xué)報, 2010, 31(4): 98-102. ZHANG Jinqiu, ZHANG Jianchun, WANG Shanyuan. Effect of softening finishing on properties of hemp fiber[J]. Journal of Textile Research, 2010, 31(4): 98-102.

[7] 韓菊.黃麻纖維環(huán)氧化合物交聯(lián)改性研究[D].上海：東華大學(xué)，2007: 34-36. HAN Ju. The study on the modification of jute fibers with epoxies cross linker[D]. Shanghai: Donghua University, 2007:34-36.

[8] 趙華山, 姜膠東, 吳大誠, 等. 高分子物理學(xué)[M]. 北京:紡織工業(yè)出版社, 1982:23-26. ZHAO Huashan, JIANG Jiaodong, WU Dacheng, et al. Polymer Physics[M]. Beijing: Textile Industry Press, 1982: 23-26.

[9] 盛冠忠. 棉稈皮的化學(xué)處理及其性能研究[D]. 西安：西安工程大學(xué), 2009:28-35. SHENG Guanzhong. Chemical treatment of cotton-stalk bark and fiber properties[D]. Xi′an: Xi′an Polytechnic University,2009: 28-35.

[10] 徐蓓蕾.黃麻纖維精細(xì)化改性和可紡性能研究[D].上海：東華大學(xué)，2007:38. XU Beilei. Study on the refining modifying and spinning property of jute fiber [D]. Shanghai: Donghua University, 2007:38.

[11] 汪榮鑫. 數(shù)理統(tǒng)計[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社, 1987:148-157. WANG Rangxin. Mathematical Statistic[M]. Xi′an: Xi′an Jiaotong University Press, 1987:148-157.

[12] 劉瑞剛, 胡學(xué)超, 章潭莉. 棉纖維素在NMMO中溶解前后結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化[J].中國紡織大學(xué)學(xué)報,1998(4):7-10. LIU Ruigang, HU Xuechao, ZHANG Tanli. Transformation of cystalline structure of linter pulp during dissolving in NMMO·H2O (N-methyl-morpholine-N-oxide/H2O)[J]. Journal of China Textile University, 1998(4):7-10.

Softening treatment of cotton-straw bast fibers by oxalic acid

LI Long, ZHANG Shengjing

(SchoolofTextile&Material,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China)

10.13475/j.fzxb.20141204304

2014-12-26

2015-10-07

教育部科學(xué)研究重點(diǎn)項目(208140)；陜西省科技計劃(工業(yè)攻關(guān))項目(2008K06-10)；陜西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專項資金項目資助(陜教財(2011)176)；陜西省咸陽市科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2012k16-09)

李龍(1964—)，男，教授，博士。主要研究方向為天然纖維材料資源及其紡織技術(shù)。 E-mail: lilong2188@126.com。

TS 120.2

A