玉米皮纖維水刺非織造材料的制備及性能

胡文鋒1 趙 奕 陳 晨

1. 上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

我國(guó)的玉米原料資源豐富，每年的玉米產(chǎn)量約2.2億t，占世界玉米總產(chǎn)量的1/4左右。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)玉米總產(chǎn)量的69%用作動(dòng)物飼料，23%用于工業(yè)能耗，7%用于種植和食用，其余1%為廢棄材料[1]。玉米成熟后，玉米秸稈常用作動(dòng)物飼料，玉米皮一般作為廢棄物和燃燒材料，燃燒時(shí)易產(chǎn)生煙氣，其會(huì)污染空氣環(huán)境[2-3]。因此，尋求更多、更合理的玉米利用途徑，進(jìn)一步提高其經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

玉米苞皮含有大量的纖維組織，由其再生得到的玉米皮纖維的力學(xué)性能良好，而且玉米苞皮在微生物作用下易降解，不會(huì)污染環(huán)境，因此它是一種潛在的綠色再生纖維原材料，可替代傳統(tǒng)聚合物纖維材料[4]。有學(xué)者將玉米皮纖維與聚乳酸共混，然后經(jīng)熱壓及阻燃后整理制備具有阻燃性能的玉米皮纖維/聚乳酸復(fù)合材料，其具有比模量和比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，價(jià)格低廉且質(zhì)量較輕，可以用于建材、家具、裝飾材料等領(lǐng)域[5]。近年來(lái)，有學(xué)者嘗試從玉米苞皮中提取出玉米皮纖維并用于制備非織造材料[6-7]。玉米皮纖維的提取方法有多種，如化學(xué)試劑法、機(jī)械加工法及纖維素酶提取法等。提取玉米皮纖維后，利用針刺法和化學(xué)黏合法制備非織造材料[8]。然而，針刺法對(duì)玉米皮纖維的損傷作用大，易造成所制備的非織造材料的拉伸性能低等缺陷；化學(xué)黏合法所使用的黏合劑的生物降解性差，易造成環(huán)境污染。因此，上述兩種提取方法都不夠理想。

水刺法利用高壓高速的水射流對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行往復(fù)穿刺，促使纖網(wǎng)中的纖維發(fā)生位移、穿插而纏結(jié)抱合在一起，達(dá)到加固纖網(wǎng)的目的[9]。當(dāng)水射流穿過(guò)纖網(wǎng)射到托網(wǎng)簾時(shí)，從托網(wǎng)簾上以不同方向反射的水射流作用于纖網(wǎng)反面，因此在整個(gè)水刺過(guò)程中，纖網(wǎng)中的纖維受到水射流正面沖擊及從托網(wǎng)簾上反射的水射流反面沖擊的雙重作用。水刺法對(duì)纖維拉伸性能的損傷作用小，且無(wú)需黏合劑，是一種綠色環(huán)保、高效的非織造材料制備工藝。

鑒于玉米皮纖維屬于再生纖維素纖維，因此本文首先采用再生纖維素纖維常用的提取方法——堿處理法提取玉米皮纖維，研究NaOH溶液濃度對(duì)玉米皮纖維形態(tài)和提取情況的影響，得到最優(yōu)的NaOH溶液濃度；然后將對(duì)應(yīng)的玉米皮纖維與黏膠纖維按不同質(zhì)量配比共混，通過(guò)氣流成網(wǎng)法與水刺法制備玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料，測(cè)試其單位面積質(zhì)量、厚度、頂破性能、拉伸性能、柔軟性和吸水性。

1 試驗(yàn)部分

玉米苞皮收集于當(dāng)?shù)卮笮娃r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，用以提取玉米皮纖維；市售玉米皮纖維由靈廣藥材公司提供；黏膠纖維由蘭精公司提供；漂洗用護(hù)發(fā)素為市售產(chǎn)品；氫氧化鈉(NaOH)溶液、鹽酸(HCl)、醋酸(HAC)溶液等化學(xué)藥品均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1 玉米皮纖維的提取

按1 ∶10的浴比，分別稱(chēng)取15 g玉米苞皮并放入盛有一定體積、不同濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為0.50%、1.00%、1.50%、2.00%、6.00%、8.00%、10.00%)的NaOH溶液的燒杯中，并置于70 ℃水浴中加熱1 h，以溶解玉米苞皮中除纖維素以外的物質(zhì)；然后在燒杯中滴入濃度為10.00%(體積分?jǐn)?shù))醋酸溶液，用以調(diào)節(jié)混合液的pH值至7.0～7.5；最后將提取物經(jīng)濾網(wǎng)過(guò)濾，并在護(hù)發(fā)素濃度為5.00%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水浴中漂洗5 min ，再次經(jīng)濾網(wǎng)過(guò)濾，得到分散較均勻的濕態(tài)玉米皮纖維并于50 ℃烘箱中烘燥，獲得干態(tài)玉米皮纖維。不同NaOH溶液濃度條件下玉米皮纖維的提取情況見(jiàn)表1。

表1 不同NaOH溶液濃度條件下玉米皮纖維的提取情況

從纖維形態(tài)看，NaOH溶液濃度為2.00%時(shí)所提取的玉米皮纖維形態(tài)最佳，故后續(xù)采用此條件下提取的玉米皮纖維(下文稱(chēng)為“自提取玉米皮纖維”)進(jìn)行測(cè)試及制備水刺非織造材料。根據(jù)式(1)計(jì)算NaOH溶液濃度為2.00%時(shí)所提取的玉米皮纖維得率。纖維標(biāo)準(zhǔn)回潮率的測(cè)定依據(jù)GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測(cè)定 烘箱干燥法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

(1)

式中：Y——纖維得率，%；

M1——提取的玉米皮纖維質(zhì)量，g;

M0——玉米苞皮質(zhì)量，g。

1.2 纖維的細(xì)度和拉伸斷裂強(qiáng)力測(cè)試

纖維的細(xì)度可由其直徑表征。采用YG002型纖維細(xì)度分析儀(常州第二紡織儀器廠有限公司)測(cè)定自提取玉米皮纖維、市售玉米皮纖維及黏膠纖維的直徑。每種纖維隨機(jī)取50根，每根纖維取3個(gè)部位進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果取平均值。根據(jù)GB/T 14463—2008《粘膠短纖維》標(biāo)準(zhǔn)，采用YG005A型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)(溫州百恩儀器有限公司)對(duì)自提取玉米皮纖維、市售玉米皮纖維及黏膠纖維進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

1.3 玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的制備及性能測(cè)試

1.3.1 制備

采用自提取玉米皮纖維和黏膠纖維共混制備水刺非織造材料，其工藝流程如圖1所示。將自提取玉米皮纖維和黏膠纖維以不同質(zhì)量配比(5 ∶5、4 ∶6、3 ∶7)共混并輸入Rando-40B型氣流成網(wǎng)機(jī)(美國(guó)Random機(jī)械公司)成網(wǎng)，然后經(jīng)T6616型水刺機(jī)(德國(guó)Fleissner公司)加固，最后在室溫環(huán)境中晾干，得到3種玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料樣品。

圖1 玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造 材料的制備工藝流程

1.3.2 厚度

根據(jù)FZ/T 60004—1991《非織造布厚度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，采用YG141N型數(shù)字式織物厚度儀(常州市雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司)測(cè)定樣品的厚度。每種樣品剪取尺寸為10 cm×10 cm的試樣5塊，結(jié)果取平均值。

1.3.3 單位面積質(zhì)量

根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，采用FA2004電子天平(寧波紡織儀器廠)測(cè)定樣品的單位面積質(zhì)量。每種樣品剪取尺寸為10 cm×10 cm 的試樣5塊，結(jié)果取平均值。

1.3.4 頂破性能

參照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》標(biāo)準(zhǔn)，采用YG031S型電子頂破強(qiáng)力機(jī)(溫州百恩儀器有限公司)，測(cè)定樣品的頂破強(qiáng)力。每種樣品剪取尺寸為5 cm×5 cm的試樣3塊， 結(jié)果取平均值。隔距設(shè)置為20 cm，試驗(yàn)速度設(shè)置為100 mm/min。

1.3.5 拉伸性能

根據(jù)GB/T 24218.3—2010《 紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》標(biāo)準(zhǔn)，采用HD026N+電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州百恩儀器有限公司)測(cè)定樣品的拉伸性能。每種樣品剪取尺寸為25 cm×5 cm的縱、橫向試樣各5塊，結(jié)果取平均值。隔距設(shè)置為20 cm，拉伸速度設(shè)置為100 mm/min。

1.3.6 柔軟性

材料的柔軟性可由其抗彎剛度表征。依據(jù)GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測(cè)定 第1部分：斜面法》標(biāo)準(zhǔn)，采用LLY-01B型電子硬挺度儀(萊州市電子儀器有限公司)測(cè)定樣品的抗彎剛度。每種樣品剪取尺寸為25.00 mm×250.00 mm的縱、橫向試樣各5塊。按式(2)計(jì)算樣品的抗彎剛度。

G=m×C3×10-3

(2)

式中：G——抗彎剛度，mN·cm；

m——單位面積質(zhì)量，g/m2；

C——彎曲長(zhǎng)度，cm。

1.3.7 吸水性

材料的吸水性通常由其吸水率表征。依據(jù)GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第6部分：吸收性的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，采用ME204E型電子天平(瑞士梅特勒托利多公司)測(cè)定樣品吸水前后的質(zhì)量，按式(3)計(jì)算樣品的吸水率。每種樣品剪取尺寸為76.00 mm×100.00 mm的試樣5 塊。

(3)

式中：ωm——吸水率，%；

m0——吸水前質(zhì)量，g；

m1——吸水后質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維的細(xì)度與拉伸斷裂強(qiáng)力

圖2比較了自提取玉米皮纖維、市售玉米皮纖維和黏膠纖維的細(xì)度與拉伸強(qiáng)力。

圖2 3種纖維的細(xì)度與拉伸斷裂強(qiáng)力

從圖2可以看出，與市售玉米皮纖維直徑相比，自提取玉米皮纖維直徑約高出28.88%；黏膠纖維的直徑最小，自提取玉米皮纖維直徑約為黏膠纖維直徑的14倍。相比于市售玉米皮纖維的提取條件，自提取玉米皮纖維所使用的NaOH溶液的濃度較低(2.00%)，其對(duì)纖維的水解作用較弱，且未經(jīng)大規(guī)模機(jī)械攪拌，纖維受到的機(jī)械破壞很少，因此自提取玉米皮纖維的細(xì)度較大。根據(jù)式(1)計(jì)算，可知自提取玉米皮纖維的提取得率約為31.00%。另外，自提取玉米皮纖維的拉伸斷裂強(qiáng)力約為市售玉米皮纖維的拉伸斷裂強(qiáng)力的6倍，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏膠纖維的拉伸斷裂強(qiáng)力，約為黏膠纖維的拉伸斷裂強(qiáng)力的61倍。

玉米苞皮一般包含58.00%纖維素、34.32%半纖維素、4.39%木質(zhì)素和3.29%果膠[10]。由于其主要成分為纖維素，玉米皮纖維的吸水性良好，與再生纖維素纖維(如黏膠纖維)混合，有潛力制備成吸水性能良好且拉伸斷裂強(qiáng)力較大的水刺非織造材料。

2.2 玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的性能

下文中的“玉米皮纖維”均為自提取玉米皮纖維。

2.2.1 厚度、單位面積質(zhì)量與頂破強(qiáng)力

由圖3可知，3種玉米皮纖維/黏膠纖維(纖維質(zhì)量配比為5 ∶5、4 ∶6、3 ∶7)水刺非織造材料的厚度差異不明顯(分別為1.52、1.51、1.41 mm)，單位面積質(zhì)量基本相同，這表明改變纖維質(zhì)量配比基本不影響梳理和水刺效果。從圖3還可以看出，玉米皮纖維含量越多，玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的頂破強(qiáng)力越大：纖維質(zhì)量配比為5 ∶5時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的頂破強(qiáng)力，比纖維質(zhì)量配比為4 ∶6時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出6.40%，比纖維質(zhì)量配比為3 ∶7時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出15.70%。由圖2可知，自提取玉米皮纖維的拉伸斷裂強(qiáng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏膠纖維的拉伸斷裂強(qiáng)力，而且玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料采用自提取玉米皮纖維制備，因此隨著玉米皮纖維含量的增加，玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的的頂破強(qiáng)力增大。

圖3 3種玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的厚度、 單位面積質(zhì)量及頂破強(qiáng)力

2.2.2 拉伸性能

圖4所示為3種玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料(纖維質(zhì)量配比為5 ∶5、4 ∶6、3 ∶7)的縱、橫向拉伸斷裂強(qiáng)力。

圖4 3種玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的 拉伸斷裂強(qiáng)力

從圖4可以看出，隨著玉米皮纖維含量的減少，玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的縱、橫向拉伸斷裂強(qiáng)力都逐漸下降。纖維質(zhì)量配比為5 ∶5時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力，比纖維質(zhì)量配比為4 ∶6時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出12.86%， 比纖維質(zhì)量配比為3 ∶7時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出26.41%。相似地，纖維質(zhì)量配比為5 ∶5時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的橫向拉伸斷裂強(qiáng)力，比纖維質(zhì)量配比為4 ∶6時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出10.86%，比纖維質(zhì)量配比為3 ∶7時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出26.49%。從圖4還可以看出，3種玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力均大于其橫向拉伸斷裂強(qiáng)力(分別提高20.13%、 18.06%、 20.20%)。通過(guò)計(jì)算得到3種玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力比分別為1.20、1.18、1.20，說(shuō)明其縱、橫向拉伸斷裂強(qiáng)力差異較小，非織造材料的拉伸強(qiáng)力各向同性較高。

2.2.3 柔軟性和吸水性

表2比較了3種玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料(纖維質(zhì)量配比為5 ∶5、4 ∶6、3 ∶7)的抗彎剛度和吸水率。

表2 3種玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的抗彎剛度與吸水率

從表2可以看出，隨著玉米皮纖維含量的減少，玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的抗彎剛度逐漸增大。纖維質(zhì)量配比為3 ∶7時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的抗彎剛度，比纖維質(zhì)量配比為5 ∶5時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出12.67%，較纖維質(zhì)量配比為4 ∶6 時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出9.03%。由此可知，玉米皮纖維的含量減少，玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的柔軟性下降。此外，不同纖維質(zhì)量配比所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的抗彎剛度變異系數(shù)相當(dāng)，說(shuō)明3種非織造材料的纖網(wǎng)均勻性基本一致。

從表2還可以看出，隨著玉米皮纖維含量的減少，玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的吸水率逐漸增大。纖維質(zhì)量配比為3 ∶7時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的吸水率，比纖維質(zhì)量配比為5 ∶5時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出35.07%，比纖維質(zhì)量配比為4 ∶6時(shí)所得到的玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料高出14.10%。其原因應(yīng)與2種纖維的標(biāo)準(zhǔn)回潮率有關(guān)，通過(guò)測(cè)定得到玉米皮纖維和黏膠纖維的標(biāo)準(zhǔn)回潮率分別為11.20%和14.85%，因此玉米皮纖維的含量越少，玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的吸水性越強(qiáng)。

3 結(jié)論

在玉米皮纖維的提取過(guò)程中，當(dāng)NaOH溶液濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致玉米苞皮中的纖維素過(guò)度水解，獲得的玉米皮纖維外觀較差；當(dāng)NaOH溶液濃度過(guò)低時(shí)，無(wú)法水解玉米苞皮中的果膠等成分，難以獲得玉米皮纖維。利用自提取玉米皮纖維與黏膠纖維以不同的質(zhì)量配比共混制備玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料，并對(duì)其厚度、單位面積質(zhì)量、頂破強(qiáng)力、拉伸斷裂強(qiáng)力、柔軟性和吸水性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，隨著玉米皮纖維的含量增加，玉米皮纖維/黏膠纖維水刺非織造材料的頂破強(qiáng)力與拉伸斷裂強(qiáng)力逐漸提高，其抗彎剛度和吸水率則逐漸降低。通過(guò)調(diào)節(jié)纖維質(zhì)量配比，可制備不同性能特征的玉米皮纖維水刺非織造材料 。