采用N-甲基吡咯烷酮的苧麻纖維柔軟處理

李夢珍， 張 斌,， 郁崇文,

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

苧麻具有較好的吸濕透氣性和天然抑菌性能，適宜開發夏季服用面料[1-2]。脫膠后的苧麻主要成分為纖維素，是由β-1, 4-糖苷鍵連接六元吡喃環形成的大分子高聚物[3]，在分子鏈內和鏈間分布有大量氫鍵，使分子鏈緊密排列而呈現高度有序的規整性[4]，導致纖維結晶度大，取向度高，纖維剛硬而柔軟性差，受力時不易彎曲扭轉，織物穿著刺癢，在生產高端面料上受到限制[5]。傳統工業中常使用濃堿或液氨對苧麻進行溶脹處理[6-7]，改善其柔軟性能。此外，研究人員先后采用離子液體[8]、N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)[9]、二甲基亞砜(DMSO)[10]和N, N-二甲基乙酰胺(DMAC)[11]等試劑對苧麻纖維進行處理，雖然有一定的柔軟效果，但存在纖維強力受損過大和試劑成本較高、使用量過大等問題。

N-甲基吡咯烷酮(NMP)是一種強極性溶劑，與帶有強極性基團的NMMO、DMSO和DMAC等試劑分子類似，NMP分子中帶有良好的氫鍵受體——吡咯烷酮環，環上的氮、氧原子均帶有孤對電子，能與羥基形成氫鍵，拆散纖維素內原有氫鍵，從而降低纖維素結晶度[4]。Hiroyuki等[12]在LiCl/NMP體系中加入微晶纖維素、苧麻粉等，然后加入1, 2, 3, 4-丁烷四羧酸(BTCA)及催化劑對纖維素進行交聯及接枝，該溶劑體系破壞了纖維素的結晶結構，進而增加了反應可及性。此外，鄭虹等[13]發現，當NMP單獨作用時，可溶脹纖維素而不能將其溶解。岳軍等[4]發現，堿化后的纖維素在極性溶劑NMP作用下，纖維素的氫鍵可進一步被削弱。苧麻纖維的主要成分為纖維素，NMP對苧麻纖維是否具有較好的降晶效果，至今相關研究甚少。為此，本文使用NMP作為溶脹劑對苧麻纖維進行處理，探究不同處理因素對苧麻纖維處理效果的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

1.2 NMP處理苧麻纖維

配制不同質量分數的NMP溶液，定量稱取苧麻精干麻，升溫至指定溫度，按照浴比為1∶20將纖維放入溶液中，恒溫處理一段時間后取出水洗，經烘箱于105 ℃干燥2～3 h。最后置于相對濕度為(65±2)%、 溫度為(20±1) ℃的恒溫恒濕室中平衡回潮48 h，備用。

1.3 測試方法

1.3.1纖維線密度測試

依據GB/T 5884—1986《苧麻纖維支數試驗方法》，采用切斷稱重法測試苧麻纖維的線密度。將梳理整齊的纖維用Y171B型中段切斷器定長切斷，在JN-B型精密扭力天平上稱量并計數，按下式計算苧麻纖維的線密度：

式中：Nt為纖維線密度，tex；m為束纖維質量，g；l為束纖維長度，m；n為束纖維中纖維根數。

1.3.2纖維強伸性能測試

依據GB/T 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強度試驗方法》，采用XQ-1型單纖強力儀測試苧麻纖維的強伸性能，包括斷裂強度和斷裂伸長率。

繼發性甲狀旁腺功能亢進是終末期腎病患者常見的并發癥之一，主要致病原因為血鈣、血磷含量升高導致甲狀旁腺素大量分泌，主要癥狀表現為甲狀旁腺激素的過快增長及甲狀旁腺增生[1-3]。本研究旨在探討甲狀旁腺切除術聯合西那卡塞治療繼發性甲狀旁腺功能亢進患者的療效。現報道如下。

1.3.3纖維柔軟性能測試

根據文獻[14]采用Y331+型單紗捻度儀測試單纖維的柔軟度，纖維在捻度儀上加捻至斷裂的圈數為斷裂回轉數，以斷裂回轉數表征纖維的柔軟性能。

1.3.4結晶結構表征

將試樣剪成粉末，采用D/Max-2550 PC型X射線衍射儀進行測試。測試參數為：銅靶，電壓 40 kV，電流200 mA，2θ為10°～40°。

1.3.5化學結構表征

將試樣置于Nicolet 5700型紅外光譜儀上采用衰減全反射法測試纖維的化學結構。調試參數為：波數范圍 4 000～500 cm-1，分辨率0.09 cm-1，波數精度±0.01 cm-1。

1.3.6表觀形貌觀察

將試樣黏在電鏡臺上，對其噴金處理后采用 TM 3000 型掃描電子顯微鏡觀察纖維的表觀形貌，加速電壓為15 kV。

2 結果及討論

2.1 NMP質量分數對纖維處理效果的影響

將苧麻于溫度為90 ℃的NMP溶液中處理 40 min，研究NMP質量分數對纖維強伸性能及柔軟性能的影響，結果如圖1所示。可知，當NMP質量分數增加時，苧麻纖維的斷裂伸長率隨之增加，斷裂強度隨之降低。NMP質量分數增大，則進入苧麻纖維內部的NMP分子相應增多，對苧麻大分子鏈間氫鍵的破壞也愈加劇烈，苧麻分子間作用力減弱，拉伸時所受滑移阻力變小，因此，斷裂強度降低，而斷裂伸長率增加。

圖1 NMP質量分數對苧麻纖維強伸性能和柔軟性能的影響Fig.1 Effect of NMP mass fraction on tensile properties(a)and softness (b) of ramie fiber

由圖1還可知，當NMP質量分數增加時，苧麻纖維的斷裂回轉數先增加后降低。溶脹過程中，NMP分子破壞了苧麻分子鏈中原有氫鍵，使其柔順性增加。隨著進入苧麻纖維中NMP分子數持續增加，苧麻分子鏈的線性完整性和剛性被破壞，強力受損，斷裂回轉數也隨之降低。以斷裂回轉數和伸長率為評價指標，兼顧其強度，NMP質量分數為15%時，苧麻纖維綜合性能較佳，此時，苧麻纖維的斷裂回轉數為 472圈，斷裂強度為6.88 cN/dtex，斷裂伸長率為3.35%，斷裂回轉數和斷裂伸長率較處理前分別增加了69.78%和17.54%。

2.2 處理時間對纖維處理效果的影響

將苧麻于溫度為90 ℃，質量分數為20%的NMP溶液中處理40～120 min，研究處理時間對苧麻纖維強伸性能及柔軟性能的影響，結果如圖2所示。

由圖2可知，當處理時間增加時，苧麻纖維的斷裂伸長率隨之增加，斷裂強度隨之降低。延長處理時間，NMP分子從苧麻纖維表面漸漸滲透到大分子內，鏈間氫鍵被逐步破壞，晶格被溶脹，無序區增加，苧麻分子鏈間束縛減弱，受拉伸時鏈間滑移變大，纖維延展性增加，抵抗外力形變能力弱化，從而強度降低。

由圖2還可知，隨著處理時間不斷延長，苧麻纖維的斷裂回轉數先增加后減少。處理時間從 40 min 增加到 60 min 時，NMP極性分子進入苧麻纖維長鏈大分子間隙，破壞苧麻分子間的氫鍵，苧麻分子鏈的剛性被削弱，柔軟性增強。繼續增加處理時間，溶脹作用加劇，苧麻纖維損傷增大，因此，斷裂回轉數逐漸降低。以斷裂回轉數和伸長率為評價指標，同時考慮斷裂強度，處理時間為60 min時，苧麻纖維的綜合性能相對較佳，此時，斷裂回轉數為470圈，斷裂強度為6.70 cN/dtex，斷裂伸長率為3.71%，斷裂回轉數和斷裂伸長率較處理前分別增加了69.06%和31.23%。

圖2 處理時間對苧麻纖維強伸性能和柔軟性能的影響Fig.2 Effect of treatment time on tensile properties (a) and softness(b) of ramie fiber

2.3 處理溫度對纖維處理效果的影響

將苧麻于不同溫度條件下，用質量分數20%的NMP溶液處理40 min， 研究處理溫度對纖維強伸性能及柔軟性能的影響，結果如圖3所示。可知，當處理溫度升高時，苧麻纖維的斷裂伸長率隨之增加，斷裂強度隨之降低。升溫時，NMP分子熱運動加劇，同時其進出苧麻大分子的速率加快。長鏈大分子間的氫鍵遭受破壞，晶區消減，苧麻分子鏈間的作用力減弱，滑移阻力降低，導致苧麻纖維的強度降低，伸長率增加。

圖3 處理溫度對苧麻纖維強伸性能和柔軟性能的影響Fig.3 Effect of treatment temperature on tensile properties(a) and softness(b) of ramie fiber

由圖3還可知，隨著處理溫度逐漸升高，苧麻纖維的斷裂回轉數先增加后保持穩定。從60 ℃升至80 ℃，隨溫度升高，苧麻纖維的斷裂回轉數增加。升高溫度，NMP分子在溶液和苧麻纖維中的運動程度加劇，進入纖維長鏈中破壞長鏈大分子間的氫鍵，使晶區消減，因此，苧麻纖維耐彎折扭轉能力降低，柔軟度增加。80 ℃后繼續升溫，則對斷裂回轉數的影響較小。這是由于可被破壞的氫鍵不再隨溫度的升高而增加，致使苧麻纖維的斷裂回轉數變化不再明顯。以斷裂回轉數和斷裂伸長率為評價指標，考慮必要的纖維強度，認為溫度為80 ℃時，苧麻纖維的綜合性能相對較佳。此時，斷裂回轉數為445圈，斷裂強度為7.01 cN/dtex，斷裂伸長率為3.36%，斷裂回轉數和斷裂伸長率較處理前分別增加了60.07%和17.89%。

綜合考慮不同因素對苧麻纖維強伸性能和柔軟性能的影響，NMP處理苧麻纖維的較佳工藝條件為：NMP質量分數15%，處理時間60 min，處理溫度80 ℃。

2.4 結晶性能分析

圖4示出較佳工藝處理前后苧麻纖維的X射線衍射圖。

圖4 處理前后苧麻纖維的X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction spectra of ramie fibers before and after treatment

由圖4可知，處理前后的苧麻纖維衍射峰沒有明顯變化。通常15°和23°處為I型纖維素和II型纖維素的特征峰，圖4中2條曲線在2θ為15°和23°處均有明顯特征峰，表明處理后纖維中沒有生成新的晶型。經Jade 6.0軟件對圖譜分析計算，得到處理前后纖維的結晶度分別為80.37%和70.19%，可見處理后纖維的結晶度下降了12.67%，表明苧麻纖維內晶區消減。

2.5 化學結構分析

圖5示出經較佳工藝處理前后苧麻纖維的紅外光譜圖。可知，處理前后苧麻纖維的紅外光譜圖幾乎完全相同，均有明顯的纖維素I型特征譜帶。在纖維素圖譜中，3 336、3 332 cm-1處為—OH伸縮振動峰，2 898、2 896 cm-1處為飽和C—H的伸縮振動峰，1 428、1 426 cm-1處為C—H的面內彎曲振動峰，1 186、1 184 cm-1處為C—O的伸縮振動峰。處理前后纖維的特征峰大致相同，表明NMP處理并未改變苧麻纖維的化學基團。

圖5 處理前后苧麻纖維的紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrum of ramie fibers before and after treatment

2.6 表觀形貌分析

圖6示出經較佳工藝處理前后苧麻纖維的表觀形貌。

圖6 處理前后苧麻纖維的掃描電鏡照片(×1 500)Fig.6 SEM images of ramie fibers before(a) and after(b) treatment(×1 500)

由圖6可知，處理后的苧麻纖維表觀形態發生了較明顯的變化，處理前纖維表面有明顯麻節，并且縱向有天然溝壑，經溶脹處理后，苧麻纖維的表面變得粗糙，麻節被弱化，原有的豎紋沿縱向延伸形成劈裂，因此，對纖維進行柔軟處理時，應盡可能減少纖維劈裂損傷。

3 結 論

1) 采用N-甲基吡咯烷酮對苧麻纖維進行柔軟處理，當NMP質量分數增加，處理時間延長或處理溫度升高時，苧麻纖維的斷裂伸長率隨之增加，而斷裂強度隨之降低。當NMP質量分數增加或處理時間延長，苧麻纖維的斷裂回轉數先增加后減小。當處理溫度升高，苧麻纖維的斷裂回轉數先增加后保持穩定。

2) 通過實驗得出較佳處理工藝參數：NMP質量分數為15%，處理時間為60 min，處理溫度為 80 ℃。經該工藝處理后，苧麻纖維結晶度降低了12.67%；處理過程沒有改變苧麻纖維的化學基團；處理后苧麻纖維表面麻節弱化，縱向形成裂縫。