棉纖維表面非纖維素物質(zhì)對(duì)漿液黏附力的影響

岳鵬飛 祁 彬 姚一軍 沈艷琴

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

棉纖維表面的非纖維素物質(zhì)可保護(hù)細(xì)胞免受環(huán)境的破壞和真菌的侵入［1］。但是，這些非纖維素物質(zhì)形成了天然疏水層，對(duì)產(chǎn)品加工造成不便，如漿紗、染 色 、印花、后整 理等［2?3］。?ZLENEN Erdem Ismal研究發(fā)現(xiàn)纖維表面的蠟質(zhì)以及纖維表面狀態(tài)的改變對(duì)棉纖維吸濕性影響顯著［4］。楊倩、范雪榮等人則發(fā)現(xiàn)影響棉纖維潤(rùn)濕性的主要物質(zhì)是棉蠟，去除果膠有利于更好地去除棉蠟，因?yàn)楣z在初生胞壁的外層作為一種凝集劑，將其他非纖維素物質(zhì)黏附在一起［5?6］。單純地利用果膠酶去除果膠，棉紗的潤(rùn)濕性不會(huì)提高。通過堿性果膠酶［7］、等離子體處理［8］、生物酶［9］等方法雖可有效去除棉纖維中的非纖維素物質(zhì)，但都是在漿紗工序之后完成，所以有必要研究棉纖維表面的非纖維素物質(zhì)對(duì)棉紗上漿性能的影響規(guī)律。

中低溫漿紗技術(shù)作為一種節(jié)能環(huán)保型漿紗技術(shù)受到了重視［10?13］。近年來，已有研究者通過半糊化漿紗［14］、中低 溫水溶性 淀粉［15?16］、滲透劑 處理［17］等方法對(duì)中低溫漿紗技術(shù)開展了大量研究，取得了很大的成果。但是目前中溫漿紗技術(shù)漿紗效果不夠理想，表現(xiàn)為難以上漿、黏附力差。本研究就中溫和高溫條件下非纖維素物質(zhì)對(duì)漿液與棉紗黏附力的影響規(guī)律作以探討，為中溫漿紗技術(shù)推廣提供幫助。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

主要材料：棉14.6 tex紗、棉粗紗（西安紡織集團(tuán)有限責(zé)任公司）；堿性果膠酶、氫氧化鈉、苯、乙醇、硫酸銅（天津天力化學(xué)試劑有限公司）；精練劑JFC（西安科洛化學(xué)試劑有限公司）；SPR中溫水溶淀粉（荷蘭AVEBE漿料公司）。

主要儀器：JC2000C3型接觸角測(cè)量?jī)x（北京商德通科技有限公司）；YG（B）371型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀（溫州際高檢測(cè)儀器有限公司）；HD026N+型織物強(qiáng)力儀（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；HWS?250型恒溫恒濕箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；Quanta?450?PEG型掃描電子顯微鏡（美國(guó)PEI公司）；ISH500型光學(xué)顯微鏡（上海測(cè)維光電技術(shù)有限公司）；SF600型電腦測(cè)配色儀（美國(guó)Datacolor公司）；NETZSCH STA449 F3型熱分析TG/DSC聯(lián)用儀（德國(guó)耐馳公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 棉紗的前處理方法

脫蠟處理：純棉細(xì)紗、粗紗用苯?乙醇（體積比2∶1）溶液在80℃下索氏抽提3 h，然后將樣品取出在室溫下晾干。

堿精練處理：將棉紗浸漬在含有Na OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、精練劑JFC質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的溶液中，浴比1∶20，處理溫度95℃～100℃，處理90 min，將紗線洗凈室溫下晾干。

果膠酶處理：將棉紗浸漬于0.5 g/L果膠酶溶液（p H=8.5）中，浴比1∶20，水浴溫度50℃下反應(yīng)60 min，150 r/min速度振蕩，反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)體系加熱至沸10 min，將酶失活，取出樣品充分水洗后在室溫下晾干。

熱水處理：將純棉原紗沸水浴煮煉90 min后于室溫下晾干。

1.2.2 棉紗芯吸高度測(cè)試

將棉紗均勻纏繞在自制鐵架框上，在不同溫度水中處理一定時(shí)間，晾干后于恒溫恒濕箱（相對(duì)濕度65%，溫度25℃）平衡24 h，測(cè)試紗線的芯吸高度。測(cè)試樣長(zhǎng)度300 mm，一端固定，另一端用張力夾夾住，期間保持附加張力相同，防止退捻，浸入深度5 mm。重鉻酸鉀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，溶液溫度（27±2）℃。測(cè)試30 min內(nèi)溶液上升的高度，每個(gè)試樣測(cè)試20次，取平均值。

1.2.3 棉紗水滴吸收時(shí)間測(cè)試

將紗線在不同溫度水中處理一定時(shí)間，晾干后，在恒溫恒濕箱（相對(duì)濕度65%，溫度25℃）里平衡24 h，將紗線均勻纏繞在載玻片上，采用JC2000C3型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試棉紗的水滴吸收時(shí)間。將纏好的紗線水平鋪放，距紗線1 cm處垂直滴下水滴（約0.02 mL），記錄水滴被紗線全部吸收所需的時(shí)間，樣本容量10。

1.2.4 棉紗中所含非纖維素物質(zhì)的量

稱取5 g原棉試樣，在105℃～110℃條件下烘至恒重，然后放置在預(yù)先配好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%NaOH溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%JFC溶液中，浴比1∶20，在沸水浴中煮90 min，烘干后稱其質(zhì)量。處理前后的差值即所含非纖維素物質(zhì)的量。

1.2.5 棉紗中非纖維素物質(zhì)去除率

將約2 g棉紗均勻纏繞到自制的鐵框上，放入烘箱烘干到恒重。在不同溫度水中處理一定時(shí)間，自然條件下晾干后，烘干到恒重。處理前后的差值除以非纖維素物質(zhì)的量即為非纖維素物質(zhì)的去除率。

1.2.6 其他測(cè)試

參照文獻(xiàn)［18］的方法測(cè)試粗紗黏附力。拉伸速度50 mm/min，夾持間距100 mm，樣本容量10。

采用掃描電鏡對(duì)棉纖維表面形態(tài)進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)8 000倍；采用光學(xué)顯微鏡觀察棉纖維的染色效果，放大倍數(shù)60倍。

采用配色儀測(cè)定棉纖維的銅鹽染色效果。

采用熱分析TG/DSC聯(lián)用儀測(cè)定棉蠟的熔點(diǎn)。溫度測(cè)定范圍0℃～100℃，溫度以10℃/min的速度上升。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉纖維中非纖維素物質(zhì)的成分分析

脫蠟前后棉纖維表面形態(tài)如圖1所示。從圖1可以看出，棉纖維表面均勻包覆著呈漆膜狀的蠟質(zhì)，其下方可以看到棉纖維生長(zhǎng)過程中由纖維素在初生胞壁沉積而成的原纖網(wǎng)狀組織，這些原纖網(wǎng)狀組織與纖維軸近似平行。棉紗經(jīng)脫蠟處理后，下方的原纖網(wǎng)狀組織粗糙程度明顯增加，可見棉蠟分布在棉纖維的最外層。

圖1 原棉纖維與脫蠟棉纖維表面的電鏡照片

脫蠟前后棉纖維的銅鹽染色效果如圖2所示。由圖2可以看出，棉纖維經(jīng)過脫蠟處理后，染色效果明顯優(yōu)于未脫蠟的棉纖維。可見脫蠟前棉蠟均勻分布在纖維的外表面，阻礙了銅離子與果膠中游離的羧酸根離子結(jié)合，所以銅鹽染色淺；脫蠟之后的棉纖維使果膠暴露出來，有利于銅鹽染色，表明果膠存在于棉蠟的下方，棉蠟分布在棉纖維的最外層。

圖2 脫蠟前后棉纖維銅鹽染色顯微鏡照片

提取棉纖維上的蠟質(zhì)，采用差示掃描量熱法測(cè)定棉蠟的熔點(diǎn)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，棉蠟的差示掃描量熱曲線中出現(xiàn)了3個(gè)熔融峰，說明棉蠟的熔點(diǎn)為52℃、67℃和74℃。

圖3 棉纖維蠟質(zhì)的差示掃描量熱曲線

2.2 非纖維素物質(zhì)對(duì)棉紗潤(rùn)濕性的影響

原紗的芯吸高度為0.2 cm，對(duì)棉紗分別進(jìn)行果膠酶處理、熱水煮煉、脫蠟處理、脫蠟/果膠酶處理、堿精練處理，處理后棉紗的芯吸高度分別為1.3 cm、1.8 cm、2.6 cm、2.8 cm、3.2 cm。由此可以看出，堿精練處理去除了棉紗上非纖維素物質(zhì)，使棉紗的潤(rùn)濕性提高。熱水溫度高于棉蠟的熔點(diǎn)時(shí)，棉蠟熔融分散到熱水中，改善了棉纖維潤(rùn)濕性，芯吸高度上升，非纖維物質(zhì)對(duì)棉紗的潤(rùn)濕性有較大的影響，可視為一個(gè)物理性的憎水阻擋層，而脫蠟處理使紗線的潤(rùn)濕性得到提高。但經(jīng)果膠酶處理后，棉紗的潤(rùn)濕性仍然不足，說明僅僅去除果膠質(zhì)對(duì)棉纖維的潤(rùn)濕性改善不明顯。脫蠟處理后再經(jīng)過果膠酶處理，棉紗的潤(rùn)濕性得到很大提高，表明棉蠟分布在棉纖維的表面，果膠分布在棉纖維的初生胞壁，并使其他非纖維素物質(zhì)黏合在一起。棉蠟是非纖維素物質(zhì)中影響棉紗潤(rùn)濕性的主要因素。

2.3 水處理溫度、時(shí)間對(duì)棉紗潤(rùn)濕性的影響

在漿紗過程中，漿紗機(jī)速度決定了棉經(jīng)紗在漿槽中所停留的時(shí)間，通常紗線在漿槽中停留2 s～4 s，時(shí)間較短。因此對(duì)不同水溫處理不同時(shí)間的棉紗的芯吸高度、水滴吸收時(shí)間、非纖維素物質(zhì)的去除率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 熱處理溫度和時(shí)間對(duì)棉紗潤(rùn)濕性、非纖維素物質(zhì)去除率的影響

從表1可以看出，原紗潤(rùn)濕性差，而隨著熱水溫度的升高和處理時(shí)間增加，棉蠟去除，更多的纖維素點(diǎn)暴露出來，棉紗的潤(rùn)濕性越來越好。從表1還可以看出，水溫對(duì)非纖維素物質(zhì)的去除率影響很大，但是隨著水處理時(shí)間縮短，處理溫度對(duì)非纖維素物質(zhì)的去除率影響減小。這是因?yàn)槊蘩w維上棉蠟去除需要一定的時(shí)間。上述結(jié)果表明，棉蠟需經(jīng)95℃處理5 s左右的時(shí)間才可以去除。而95℃熱水處理3 s后，非纖維素物質(zhì)去除率雖沒有增加，但熱水改變了棉纖維上疏水性非纖維素物質(zhì)的重新分布，使纖維素點(diǎn)暴露出來，棉紗的潤(rùn)濕性得到提高。

2.4 非纖維素物質(zhì)對(duì)漿液與棉紗黏附力的影響

采用中溫可溶淀粉漿料SPR測(cè)試漿液與棉紗的黏附力。表2為在不同的漿液溫度下，SPR漿液對(duì)原棉粗紗和堿精練棉粗紗上漿率和黏附力的影響。

表2 非纖維素物質(zhì)對(duì)漿液與棉紗黏附力、上漿率的影響

從表2可以看出，在不同的漿液溫度下，漿液對(duì)堿精練棉粗紗的黏附力變化很小，說明去除非纖維素物質(zhì)后，漿液溫度的變化對(duì)漿液與棉紗黏附力的影響較小。而對(duì)于原棉纖維，漿液溫度顯著影響到了漿液對(duì)棉紗的黏附力，這是由于測(cè)定黏附力的過程中棉粗紗在高溫漿液中浸漬5 min，棉纖維表面的棉蠟熔融到漿液中，漿液對(duì)棉紗的親和性提高。

從表2還可以看出，隨著漿液溫度的降低，原棉粗紗上漿率迅速下降，而堿精練粗紗上漿率變化很小，由此說明去除棉纖維表面的非纖維素物質(zhì)有利于漿液對(duì)棉紗的滲透，提高上漿率。

3 結(jié)論

（1）棉纖維表面的非纖維素物質(zhì)影響漿液對(duì)棉紗的滲透性和潤(rùn)濕性能。高溫漿液與中溫漿液對(duì)棉紗的黏附性和上漿率有顯著差異。

（2）棉蠟呈漆狀分布在棉纖維的外層，果膠分布在棉蠟的下方，棉蠟的熔點(diǎn)在50℃～75℃。

（3）溫度高于棉蠟熔點(diǎn)的水可使棉纖維上棉蠟熔融再分布，暴露出更多的纖維素接觸點(diǎn)，可使棉紗的潤(rùn)濕性得到提高。