洋麻/芳綸混紡紗線的耐化學性能探究*

王春紅 何順輝 任子龍

(天津工業大學紡織學院，天津，300387)

對位芳綸因其優異的力學、熱學性能而被廣泛應用于軍工、航天航空、防護等領域［1］。隨著生產技術的進步和生產規模的不斷擴大，芳綸逐步進入民用領域，但是芳綸價格昂貴，且耐酸堿性差［2］。在改善芳綸缺陷的方法中，混紡是簡單有效的途徑之一［3］。在眾多的混紡纖維中，洋麻纖維由于可紡性差而被人們忽略，但洋麻纖維具有比強度和比模量高、質輕價廉、資源豐富及優異的吸濕導電性等優點，將洋麻與芳綸混紡，在降低產品成本的同時，利用洋麻纖維的優異性能可以改善芳綸產品的性能。本文通過對洋麻纖維進行精細化處理，使其能夠與芳綸混紡，以改善芳綸產品的性能，降低芳綸產品的成本。通過測試不同混紡比紗線經過蒸餾水和酸堿處理后的質量和拉伸性能變化，探索化學試劑對紗線性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原料處理

試驗所選洋麻(Kenaf)產自馬來西亞，經過初步漚麻處理。洋麻纖維粗硬、無卷曲，不能直接進行混紡，需要對其進行精細化處理。對位芳綸(Kevlar 49)由美國杜邦公司生產，為使芳綸能夠在棉紡系統上紡紗，需要對其進行處理。原料處理工藝見表1，洋麻纖維堿處理前后及芳綸的性能見表2。

表1 洋麻纖維、芳綸紡前處理

表2 洋麻纖維堿處理前后及芳綸性能

1.2 紡紗

洋麻純紡比較困難，因此在洋麻中加入20%的棉纖維進行混紡，代替純紡洋麻紗線進行性能測試。為了提高紗線強度和條干均勻度，在細紗工序后又增加了并捻聯合工序。試驗用紡紗設備見表3。

表3 紡紗設備一覽表

1.3 紗線性能測試

將每種紗線分別使用蒸餾水、5%NaOH和5%HCl溶液在溫度60℃、浴比1∶30的條件下處理5 h，測試處理前后紗線質量和強度的變化，比較紗線的耐化學性。按照標準ASTM D2256—2002《用單線法測定紗線拉伸性能的試驗方法》測試紗線的拉伸性能，設備為Instron 3369型萬能強力機，夾持距離為250 mm，拉伸速度為300 mm/min。

2 試驗分析

2.1 紗線線密度

不同溶液對紗線線密度的作用效果有較大的差別，經過蒸餾水處理的紗線線密度略微減小，經5%HCl處理后的紗線線密度減小得最多。紗線線密度變化見圖1。

圖1 紗線線密度變化

在蒸餾水的作用下，5種紗線的質量都有少許減小。因為在洋麻脫膠過程中，水解后的半纖維素等物質容易重新附著在纖維表面，經蒸餾水高溫處理，可以使附著在纖維表面的半纖維素等物質脫落，而洋麻纖維中的木質素、果膠質、脂蠟質、水溶物等物質也會部分溶解［4］。同時，通過長時間的高溫蒸餾水處理，紡紗過程中添加的油劑被部分去除。半纖維素和油劑含有許多親水基，去除半纖維素和油劑不僅減輕了紗線的質量，還可以減小紗線的回潮率，因此使紗線的質量減輕。

使用5%HCl處理紗線，紗線的質量都有較為明顯的下降。洋麻纖維的成分主要是纖維素、半纖維素、木質素等，洋麻纖維依靠膠質連接，在酸的作用下，膠質、纖維素、半纖維素以及木質素等都比較容易水解，造成洋麻纖維的斷裂。纖維素大分子依靠1-4甙鍵鏈接，酸釋放出的［H+］打破了纖維素鏈中的甙鍵和葡萄糖中的雜環醚鍵，使纖維素水解。半纖維素酸水解機理與纖維素相似，首先酸釋放的［H+］與水結合生成水合氫離子，它能使半纖維素大分子中糖苷鍵的氧原子迅速質子化而形成共軛酸，降低苷鍵鍵能而使其斷裂，末端形成的正碳離子與水反應最終生成單糖，同時又釋放出質子，后者又與水反應生成水合氫離子，繼續參與新的水解反應。木質素在酸性條件下，在高溫和質子的作用下產生正碳離子，同樣使木質素分解為單糖而發生水解［5-7］。芳綸分子結構具有高度規整性，兩個苯環通過酰胺鍵鏈接。酰胺鍵中的N原子電負性強，且含有孤對電子，易受到HCl溶液中大量的［H+］進攻生成帶正電荷的伯胺基，從而使芳綸水解［8］。酸處理引起的酰胺鍵水解使芳綸表面大分子斷裂和剝離，纖維表面受到刻蝕作用，造成纖維質量損失［9］。

經5%NaOH溶液處理后的紗線線密度也發生明顯的下降。由圖1可知，洋麻含量高的紗線，線密度變化較大。洋麻纖維中，纖維素是耐堿物質，但是半纖維素和木質素在堿性條件下都容易發生水解。半纖維素自身是無序的聚集態，使［OH－］容易與其β糖苷鍵作用發生堿性水解。木質素在堿性介質中，在［OH－］等親核基團作用下使主要醚鍵斷裂，木質素大分子碎片化，部分木質素溶解于反應溶液中。在NaOH與芳綸發生反應的過程中，［OH－］進攻酰胺鍵中的缺電子體C原子，通過一系列反應使 C═O鍵解體，從而使芳綸發生水解［8］。

不管是洋麻還是芳綸，對酸的敏感度要遠遠大于堿，這兩種纖維在酸性條件下更容易水解，所以表現為在酸性條件下，紗線的線密度變化較大。

2.2 紗線強度

由圖2可知，紗線在經過蒸餾水處理后，強度都有一定的增加。洋麻纖維有較多的孔隙，在蒸餾水的長時間處理下，水分容易進入纖維內部，使纖維橫向發生膨脹，纖維間抱合力增強。蒸餾水高溫處理可以減小紡紗過程中因纖維受力不勻而產生的內應力，增強紗線結構的穩定性。此外，通過蒸餾水的處理，使紗線的質量減輕，線密度減小，在紗線強力不變的情況下使紗線強度有所增加。

圖2 紗線強度變化

紗線經過HCl處理后，強度都有較大幅度的下降。芳綸是由于酰胺鍵的水解導致分子鏈斷裂，從纖維的表面向內部延伸，致使芳綸強度大幅度下降。酸還可以破壞芳綸的皮芯結構，使纖維的表面形成不規則的剝離，導致纖維粗細發生變化，在受力過程中，會發生應力集中現象［10］。觀察洋麻/芳綸混紡紗線，發現強度損失率要小于純芳綸和純纖維素纖維紗線。分析認為，由紗線中纖維的轉移機理可知，芳綸較細軟，洋麻纖維較粗硬，洋麻纖維分布在紗線外層［11］，當酸處理紗線時，會先與外面的洋麻纖維反應，然后再向內與芳綸反應，外層的洋麻起到了保護內層芳綸的作用。混紡紗線中，芳綸是紗線強度的主要承擔者，所以混紡紗經過酸處理后強度下降得不如純芳綸那么大。觀察處理后的紗線也可發現，混紡紗經過酸處理后，輕微觸碰就會有洋麻碎屑落下。洋麻和芳綸耐酸性較差，酸處理能夠使酰胺鍵和纖維素大分子水解，使紗線強度有較大損失，其中純芳綸紗線強度損失達64.16%，純洋麻紗線強度損失達82.66%。根據強度損失情況可知，洋麻對酸更為敏感，會先于芳綸與酸反應，起到保護芳綸的作用。比較洋麻/芳綸混紡紗線強度損失率可知，洋麻含量越高，強度損失率越低。由此可以推斷，洋麻起到了保護芳綸的作用，減小了強度損失率。

不同紗線經過NaOH處理后，強度的變化也不同。洋麻/棉(80/20)紗線的強度變大，其他紗線強度降低。分析認為，纖維素纖維的耐堿性較好，堿處理可以去除半纖維素、木質素、膠質等，但是纖維素是主要的受力體，而棉纖維幾乎都是纖維素，堿處理可以使纖維素發生溶脹，大分子鏈間的氫鍵被拆散，舒解了紗線中貯存的內應力。溶脹使纖維直徑增大變圓，紗線結構更緊密，從而使洋麻/棉(80/20)紗線的強度增加。堿可以促使芳綸中酰胺鍵水解，導致大分子鏈斷裂，芳綸的結構遭到破壞，從而導致芳綸強度降低。從含有芳綸的4種紗線來看，基本上呈現出隨芳綸含量增加，強度損失增大的趨勢。因此，在堿性環境下，洋麻也能起到保護芳綸的作用。

3 結語

(1)經蒸餾水處理后，能夠去除附著在纖維表面的半纖維素和施加的油劑，使紗線線密度減小，強度增加。

(2)根據纖維轉移理論，洋麻纖維在紗線外層，起到了保護芳綸的作用。經過酸堿處理的洋麻與芳綸混紡紗線的強度損失率比純芳綸紗線的強度損失率要小。

(3)洋麻和芳綸對酸的敏感程度不同，洋麻更容易與酸反應，起到了保護芳綸的作用。

［1］袁金慧，江欞，馬家舉，等.芳綸的應用和發展［J］.高科技纖維與應用，2005，30(4)：27-30.

［2］黃故.芳綸纖維在特殊條件下的強力分析［J］.紡織學報，2006，27(1)：23-26.

［3］曾翠霞.芳綸功能紡織品的研究與應用現狀［J］.紡織導報，2008(7)：124-126.

［4］鄭來久，郁崇文.黃紅麻纖維化學改性及其與棉混紡的研究［J］.東華大學學報：自然科學版，2002，28(5)：94-98.

［5］錢微君，馮新星，陳建勇.水質對大麻纖維浸泡脫膠效果的影響［J］.紡織學報，2006，27(6)：19-22.

［6］莊新姝，王樹榮，袁振宏，等.纖維素超低酸水解產物的分析［J］.農業工程學報，2007，23(2)：177-182.

［7］金強，張紅漫，嚴立石，等.生物質半纖維素稀酸水解反應［J］.化學進展，2010，22(4)：664-672.

［8］陶用珍，管映亭.木質素的化學結構及其應用［J］.纖維素科學與技術，2003，11(1)：42-55.

［9］唐娜，陳建勇，張華鵬.Nomex縫紉線耐酸堿性能研究［J］.浙江理工大學學報，2012，29(2)：164-168.

［10］李龍，郭楠.酸處理條件下芳綸纖維的結構與性能［J］.西安工程大學學報.2008，22(2)：139-142.

［11］于偉東.紡織材料學［M］.北京：中國紡織出版社，2006.