納米纖維素/改性淀粉混合漿液對(duì)PA 56纖維性能的影響

孫燕琳，曹建達(dá)，顏志勇，肖順立，姚勇波，林雪燕，田 修，胡 英*

(1. 桐昆集團(tuán)股份有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314513；2.嘉興學(xué)院 材料與紡織工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001；3.長(zhǎng)三角(嘉興)納米科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，浙江 嘉興 314031)

聚己二酸戊二胺(PA 56)是由戊二胺和己二酸經(jīng)縮聚反應(yīng)而合成，分子結(jié)構(gòu)和聚己二酰己二胺(PA 66)類似[1]。我國(guó)已擁有微生物發(fā)酵生產(chǎn)戊二胺技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能規(guī)?；a(chǎn)生物基PA 56及其纖維材料。PA 56纖維是一種新型生物基纖維材料，具有良好的染色性能和吸濕性能，在服用領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景[2-3]。纖維在織造過程中，承受機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反復(fù)拉伸和磨損作用，使得紗線毛羽突出、起毛，纖維與纖維之間以及纖維與設(shè)備部件之間極易發(fā)生纏結(jié)粘連現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)開口不清、經(jīng)紗斷頭、產(chǎn)生織疵等情況，嚴(yán)重影響織造效果。因此，纖維需要經(jīng)過上漿工藝，使?jié){液與纖維吸附，包覆在纖維表面形成一層光滑、柔韌而牢固的漿膜，增強(qiáng)纖維之間的抱合力，減少毛羽突出，提高纖維之間的抱合力和耐磨性，降低織造過程中的斷頭率。目前有關(guān)PA 56纖維的漿液和上漿工藝的研究鮮有報(bào)道。

漿液主要成分有淀粉、變性淀粉、聚乙烯醇(PVA)及丙烯酸類[4-6]。淀粉成膜比較脆，對(duì)纖維的附著力不夠強(qiáng)，手感粗糙。淀粉可以通過化學(xué)改性為變性淀粉，使得漿液的流動(dòng)黏度降低、耐溫性能提高[7]。PVA漿液比變性淀粉的成膜性能更好，對(duì)化學(xué)纖維的附著力增強(qiáng)，上漿效果明顯增強(qiáng)，然而，PVA 降解所需要的時(shí)間大大高于變性淀粉，其水溶液對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，水處理成本高，研發(fā)無污染的環(huán)保漿液替代PVA漿液是漿料開發(fā)的重要方向[8-12]。

聚酰胺纖維由酰胺鍵連接，分子鏈上有極性基團(tuán)，聚酰胺長(zhǎng)絲上漿主要以丙烯酸及其衍生物作為漿料，漿料與酰胺鍵親和力比較強(qiáng)[13]。生物基PA 56纖維主要采用淀粉等天然材料上漿，但淀粉漿液的成膜性有待提高。纖維素的分子式和淀粉相同，都是葡萄糖分子通過苷鍵連接成高分子鏈，只是重復(fù)單元空間排列不同，淀粉能微溶于水，而纖維素不溶于水，為提高淀粉漿液的成膜性，在淀粉漿液中添加納米纖維素的研究越來越受到關(guān)注[14-16]。

作者通過均質(zhì)機(jī)將微生物纖維素超微粉碎、酸解制成納米纖維素，然后與改性淀粉均勻混合、分散，制成納米纖維素/改性淀粉混合漿液，并用于PA 56纖維上漿，研究納米纖維素/改性淀粉混合漿液對(duì)上漿后PA 56纖維性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料及助劑

PA 56纖維：77.8 dtex/36 f假捻變形絲(DTY)，自制；改性淀粉：自制；納米纖維素干粉：纖維直徑小于80 nm，長(zhǎng)度小于3 μm，自制。

1.2 主要設(shè)備及儀器

NDJ-5S型數(shù)字式黏度計(jì)：上海尼潤(rùn)智能科技有限公司制；GA391型單紗上漿機(jī)：江陰市通源紡機(jī)有限公司制；YG171L型紗線毛羽測(cè)試儀：萊州市電子儀器有限公司制；Y731型抱合力機(jī)：常州紡織儀器廠有限公司制；YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)儀：萊州市電子儀器有限公司制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 改性淀粉漿液的制備

按照表1配方稱量改性淀粉和蒸餾水，二者混合攪拌均勻，形成均勻穩(wěn)定不分層的透明漿液，即改性淀粉漿液。根據(jù)改性淀粉質(zhì)量及漿液總質(zhì)量，計(jì)算漿液中改性淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即漿液的固含量。

表1 改性淀粉漿液配方Tab.1 Formula of modified starch size

1.3.2 納米纖維素/改性淀粉混合漿液的制備

將改性淀粉、納米纖維素干粉和蒸餾水按照表2配比稱量，混合攪拌均勻，形成穩(wěn)定不分層的透明漿液，即納米纖維素/改性淀粉混合漿液。根據(jù)漿液中納米纖維素和改性淀粉的質(zhì)量之和，以及漿液總質(zhì)量，計(jì)算混合漿液的固含量。

表2 納米纖維素/改性淀粉混合漿液配方Tab.2 Proportion of nano-cellulose/modified starch size mixture

1.3.3 PA 56纖維上漿

在GA391型單紗上漿機(jī)上對(duì)PA 56纖維進(jìn)行上漿，將漿液均勻分散在長(zhǎng)方形漿液槽中，纖維經(jīng)過漿液槽，漿液吸附黏結(jié)在纖維上，進(jìn)入烘房，烘房溫度設(shè)置為50 °C，纖維進(jìn)入烘房的紗線張力控制在6.0 cN，從烘房到成形筒子之間的紗線張力控制在7.0 cN，通過控制卷繞電機(jī)頻率保持卷繞速度為260 m/min，卷繞成筒，得到不同漿液試樣上漿后的PA 56纖維。

1.4 分析與測(cè)試

漿液黏度：采用數(shù)字式黏度計(jì)測(cè)試漿液黏度，選用2號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r/min，從黏度計(jì)上直接讀出漿液黏度。

纖維力學(xué)性能：根據(jù)GB/T 3916—2013，采用單紗強(qiáng)力機(jī)測(cè)試單根纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。采用等速伸長(zhǎng)型模式，拉伸夾距250 mm，拉伸速度500 mm/min，每個(gè)纖維試樣測(cè)試10次取平均值。

纖維毛羽指數(shù)：根據(jù)FZ/T 01086—2020《紡織品紗線毛羽測(cè)定方法投影計(jì)數(shù)法》規(guī)定，伸出紗線主體的纖維端或圈稱為毛羽，單位長(zhǎng)度紗線上毛羽的總根數(shù)稱為毛羽指數(shù)。按照GB/T 6529—2008《紡織品的調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》，采用YG171L型紗線毛羽測(cè)試儀測(cè)試PA 56纖維的毛羽指數(shù)，設(shè)定環(huán)境溫度20 °C，相對(duì)濕度65%，測(cè)試速度30 m/min，紗線張力0.4 cN/tex，從毛羽測(cè)試儀讀出毛羽指數(shù)。PA 56纖維上漿前后的毛羽指數(shù)之差占上漿前纖維毛羽指數(shù)的百分?jǐn)?shù)為毛羽降低率。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維素對(duì)漿液黏度的影響

從表3可以看出：1#～4#漿液試樣的黏度隨著漿液固含量的增加而增加，漿液固含量從6%增加到8%，漿液黏度從131.0 mPa·s增加到253.1 mPa·s，黏度增長(zhǎng)率達(dá)93.2%；漿液固含量從8%增加到10%，漿液黏度增長(zhǎng)率為17.5%，漿液固含量從10%增加到12%，漿液黏度增長(zhǎng)率為11.8%。這表明漿液中改性淀粉達(dá)到一定含量后，漿液黏度增長(zhǎng)幅度逐漸減少，主要是因?yàn)榈矸鄯肿邮谴蠓肿渔?，產(chǎn)生氫鍵、分子間作用力，分子鏈之間相互纏結(jié)，表現(xiàn)出一定的流動(dòng)黏度，漿液中大分子鏈濃度越多，分子鏈作用機(jī)會(huì)越多，漿液黏度越大，而繼續(xù)提高改性淀粉分子鏈濃度，分子鏈之間的相互作用力不能成比例增加，表現(xiàn)為漿液黏度增長(zhǎng)率減小。

表3 漿液試樣的黏度對(duì)比 Tab.3 Viscosity comparison of different size samples

從表3還可以看出：對(duì)于5#～8#漿液試樣，隨著漿液固含量的增加，漿液黏度增加；漿液固含量由11.3%增加到14.8%，漿液黏度增長(zhǎng)率為108.9%，漿液固含量從14.8%增加到18.2%，漿液黏度增長(zhǎng)率為24.2%，漿液固含量從18.2%增加到21.4%，漿液黏度增長(zhǎng)率為14.3%。這是因?yàn)闈{液中改性淀粉和納米纖維素含量達(dá)到一定值后，漿液中大分子鏈濃度也達(dá)到一定值，繼續(xù)增加改性淀粉和納米纖維素含量，即繼續(xù)增加大分子鏈濃度，分子鏈之間的相互作用力增加幅度降低，因而漿液黏度增長(zhǎng)率降低。

對(duì)比1#和5#漿液試樣，1#漿液中含有30 g改性淀粉，漿液黏度為131.0 mPa·s，5#漿液中含有30 g改性淀粉和30 g納米纖維素，漿液黏度為136.5 mPa·s，5#漿液黏度只比1#漿液增加5.5 mPa·s，黏度增長(zhǎng)率只有4.2%，表明漿液黏度主要來自改性淀粉，納米纖維素對(duì)漿液黏度的貢獻(xiàn)很小，這可能是因?yàn)榧{米纖維素不溶于水，在水中的溶脹度很小，分散在漿液中的纖維素分子鏈數(shù)量比較少，分子鏈之間的纏結(jié)點(diǎn)更少，纖維素分子鏈形成的黏度很小。

對(duì)比4#和5#漿液試樣，4#漿液含改性淀粉60.0 g，固含量為12.0%，黏度為332.3 mPa·s，5#漿液含改性淀粉30.0 g、納米纖維素30.0 g，固含量為11.3%，黏度為136.5 mPa·s，5#漿液的黏度只有4#漿液黏度的41.1%，這表明在漿液固含量相同情況下，減少改性淀粉用量，增加納米纖維素用量，漿液黏度大大降低，主要原因是納米纖維素不溶于水，分散在淀粉分子中，增加淀粉分子鏈之間的距離，阻礙淀粉大分子鏈之間的纏結(jié)，起到增塑劑的作用，使得淀粉漿液黏度降低。因此，在改性淀粉中添加納米纖維素，可降低漿液黏度，有利于漿液對(duì)纖維的上漿。

2.2 漿液對(duì)PA 56纖維力學(xué)性能的影響

從表4可以看出：未上漿時(shí)，PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度為3.47 cN/dtex，使用漿液上漿后纖維斷裂強(qiáng)度均增大；比較1#～4#漿液試樣，經(jīng)2#漿液上漿后，PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度最高，達(dá)3.62 cN/dtex，經(jīng)1#漿液上漿后纖維的斷裂強(qiáng)度最低，為3.57 cN/dtex，經(jīng)3#和4#漿液上漿后PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度均為3.60 cN/dtex；經(jīng)1#和2#漿液上漿后，PA 56纖維斷裂伸長(zhǎng)率比未上漿的纖維明顯增加，經(jīng)3#和4#漿液上漿后纖維的斷裂伸長(zhǎng)率略有下降；比較1#～4#漿液試樣，經(jīng)2#漿液上漿，可有效提高PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，這表明固含量8%的改性淀粉漿液增強(qiáng)PA 56纖維之間抱合力的效果更顯著。

表4 不同漿液上漿后PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Tab.4 Breaking strength and elongation at break of PA 56 fiber after sizing with different sizes

從表4還可以看出：經(jīng)5#～8#漿液試樣上漿后，PA 56纖維斷裂強(qiáng)度沒有明顯差異，為3.63～3.67 cN/dtex，都比1#～4#漿液試樣上漿后的高；7#漿液上漿后，PA 56纖維的斷裂伸長(zhǎng)率最高，達(dá)28.50%，7#漿液增韌效果較好；5#漿液以納米纖維素替代了4#漿液中部分改性淀粉，經(jīng)4#與5#漿液上漿后，PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度沒有明顯差異，但5#漿液上漿后PA 56纖維的斷裂伸長(zhǎng)率比4#漿液上漿后增加23.8%，這表明漿液中的納米纖維素起到了增韌作用。

綜合比較，7#漿液上漿后， PA 56纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的改善效果最好，這表明固含量為18.2%的納米纖維素/改性淀粉混合漿液對(duì)PA 56纖維的增強(qiáng)增韌效果最好。

2.3 漿液對(duì)PA 56纖維毛羽指數(shù)的影響

通常，超過3 mm的毛羽為有害毛羽，生產(chǎn)中一般以4 mm毛羽指數(shù)作為控制指標(biāo)。從表5可以看出：未經(jīng)上漿的PA 56纖維中4 mm毛羽指數(shù)高達(dá)36.2根/m；經(jīng)1#～8#漿液上漿后，纖維毛羽指數(shù)顯著降低，為1.4～8.2根/m，這表明經(jīng)漿液上漿后纖維抱合力增強(qiáng)，毛羽突出減少。

表5 不同漿液上漿后PA 56纖維的毛羽指數(shù)Tab.5 Hairiness index of PA 56 fibers after sizing with different sizes

從表6可以看出：對(duì)比1#～4#漿液試樣，經(jīng)2#漿液上漿后PA 56纖維的4 mm毛羽降低率最高，為90.6%，且4 mm毛羽指數(shù)最小(為3.4根/m)，表明固含量8%的改性淀粉漿液PA 56纖維黏結(jié)更加緊密，漿液的成膜性最好；對(duì)比5#～8#漿液試樣，經(jīng)5#，6#，7#，8#漿液上漿后，PA 56纖維的4 mm毛羽降低率分別為92.2%，92.8%，94.5%，96.1%，隨著納米纖維素/改性淀粉混合漿液的固含量增加，PA 56纖維上漿后的4 mm毛羽指數(shù)逐漸減少、4 mm毛羽降低率呈增大趨勢(shì)；對(duì)比5#和4#漿液試樣，經(jīng)5#，4#漿液上漿后，PA 56纖維的4 mm毛羽降低率分別為92.2%，82.3%，表明5#漿液比4#漿液更能緊密黏合PA 56纖維，具有更強(qiáng)的黏著力和滲透性，在PA 56纖維表面的成膜性能更好，毛羽突出大大減少，這說明漿液中以納米纖維素替代部分改性淀粉，更有利于漿液成膜。

表6 不同漿液上漿后PA 56纖維的4 mm毛羽降低率Tab.6 4 mm hairiness reduction rate of PA 56 fibers after sizing with different sizes

3 結(jié)論

a. 以納米纖維素、改性淀粉為原料，均勻混合、分散，制得納米纖維素/改性淀粉混合漿液。漿液黏度隨漿液固含量的增加而增加，漿液固含量達(dá)一定值后，漿液黏度的增加幅度降低；在漿液固含量不變的情況下，以納米纖維素替代部分改性淀粉，漿液黏度會(huì)減小，漿液黏度主要來自改性淀粉，納米纖維素對(duì)漿液黏度的貢獻(xiàn)很小。

b. PA 56纖維經(jīng)改性淀粉漿液和納米纖維素/改性淀粉混合漿液上漿后，PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度都增加；經(jīng)固含量為8%的改性淀粉漿液上漿后，PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率改善效果最好；在漿液固含量不變的情況下，采用納米纖維素/改性淀粉混合漿液上漿后PA 56纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率比單一的改性淀粉漿液上漿的更高，混合漿液固含量為18.2%時(shí)，PA 56纖維上漿后的增強(qiáng)增韌效果最好。

c. 經(jīng)改性淀粉漿液及納米纖維素/改性淀粉混合漿液上漿后，PA 56纖維的4 mm毛羽指數(shù)顯著降低；漿液固含量不變的情況下，采用納米纖維素替代部分改性淀粉，PA 56纖維的4 mm毛羽降低率更高，納米纖維素可有效提高漿液在PA 56纖維表面的成膜性能。