兩種脫膠工藝對構皮纖維上染性能的影響研究

付瑋康,OLI MOV Kha mda mjon,荊愈涵,李 煒,劉 靜,奚柏君

(紹興文理學院 紡織服裝學院,浙江 紹興312000)

構樹為桑科構屬落葉喬木,在全國大部分省區均有分布。作為我國特有的含纖維經濟林樹種,構樹資源主要應用于造紙行業[1],在其他領域尚未得到較好的利用。近年來,漢麻、黃麻等麻類纖維都已得到較為充分的開發[2-3],桑皮纖維、木芙蓉纖維等一些非麻類纖維也在被研究拓展[4-5],為紡織材料市場注入了新的活力。然而,對構皮纖維等樹皮纖維的研究卻寥寥無幾。

向新柱等[6]的研究表明化學脫膠能夠制取達到紡織用目的的構皮纖維。纖維的染色性能是衡量其在紡織應用上的一個重要指標,但是目前基本沒有對化學脫膠后構皮纖維的染色性能的研究。文中選取合適的脫膠工藝流程及參數,初步研究了脫膠后的構皮纖維的染色性能,通過染色動力學中的多項指標來進行表征,以期為構皮纖維在紡織服裝領域的應用提供一定的參考。

1 試驗部分

1.1 構樹韌皮的脫膠

構樹韌皮的化學組成與其他的韌皮纖維類似,其中木質素約占15%,果膠約占10%[7]。構樹韌皮組成中的膠質和木質素對韌皮纖維的初步加工有較大的負面影響。果膠和木質素的含量越高,膠質分子間的交聯就越復雜,使得纖維的脫膠過程困難,制備的纖維質量不佳。在高溫堿性條件下,木質素及膠質會發生水解作用,可以較好去除木質素和膠質。因此采用高溫堿煮工藝,通過改變部分工藝流程來選取較好的脫膠工藝。

1.1.1 材料、試劑和儀器

構樹皮取自甘肅隴南的新鮮構樹,從樹木上剝取后自然曬干。將曬干后的構樹皮浸泡于生態活性水中2天,直至樹皮變軟易于剝取構樹韌皮。剝取好的構樹韌皮用清水往復沖洗至表面清潔并烘干。

濃H2SO4(AR,浙江中星化工試劑有限公司);Na OH(AR,西隴科學股份有限公司);Na2SO3、Na5P3O10(AR,上海潤捷化學試劑有限公司);Na Cl O2(AR,阿拉丁試劑上海有限公司)。

XMTD203電熱恒溫水浴鍋(江蘇科析儀器有限公司);FA2204C電子天平(上海佑科儀器儀表有限公司);Y802 N八籃恒溫烘箱(溫州方圓儀器有限公司);DZF-6020真空干燥箱(上海齊欣科學儀器有限公司)。

1.1.2 試驗方法

化學脫膠法是針對在強堿、強酸、強氧化劑等化學物質下纖維和膠質的不同耐受性對其進行分離,在盡可能少損傷纖維性能的前提下去除膠質。由構樹皮纖維的化學組成[8]可知,脫膠對象主要是木質素和膠質,利用木質素和膠質對堿液的不穩定性和可溶解性,通過化學脫膠使其脫離纖維主體,從而得到含雜質較少的構皮纖維。

(1)一煮法化學脫膠

工藝:試樣→浸酸→水洗→堿煮→水洗→打纖→漂白→水洗→酸洗→水洗→脫水抖松→預烘→干燥。

浸酸:濃H2SO41.6 g/L,浴比1∶30,水浴溫度65℃,時間3 h。

堿煮:Na OH 17 g/L,Na2SO315 g/L,Na5P3O1015 g/L,浴比1∶30,水浴溫度90℃,時間3.5 h。

漂白:NaCl O22 g/L,浴比1∶20,常溫,時間5 min。

酸洗:濃H2SO42 g/L,浴比1∶20,常溫,時間5 min。

預烘:65℃預烘2 h。

干燥:85℃真空干燥30 min。

(2)二煮法化學脫膠

工藝:試樣→浸酸→水洗→一煮→水洗→二煮→水洗→打纖→漂白→水洗→酸洗→水洗→脫水抖松→預烘→干燥。

浸酸:濃H2SO41.6 g/L,浴比1∶30,水浴溫度65℃,時間3 h。

一煮:Na OH 10 g/L,浴比1∶30,水浴溫度90℃,時間1 h。

二煮:Na OH 2 g/L,Na2SO315 g/L,Na5P3O1015 g/L,浴比1∶30,水浴溫度90℃,時間2 h。

漂白:NaCl O22 g/L,浴比1∶20,常溫,時間5 min。

酸洗:濃H2SO42 g/L,浴比1∶20,常溫,時間5 min。

預烘:65℃預烘2 h。

干燥:85℃真空干燥30 min。

1.2 構皮纖維的染色動力學

染色動力學是研究染色速率快慢的問題,屬于染色過程的基礎物理研究。在本研究中,以相應染色動力學指標和色牢度來評價構皮纖維的染色性能。染色動力學包括纖維的染色速率、染色擴散系數、半染時間等動力學指標,這些指標決定了纖維用某種染料染色的上染過程的特征,包括了上染速率和上染百分率[9]。試驗中,選用對纖維素纖維染色效果較好的活性紅KN-3B染料,對兩種脫膠工藝脫膠后的構皮纖維進行染色性能探究,并設置了成品漢麻纖維作為對照組。

1.2.1 試驗材料、試劑和儀器

兩種工藝脫膠后的構皮纖維(一煮法脫膠工藝所制構皮纖維以A指代,二煮法脫膠工藝所制構皮纖維以B指代),普通漢麻纖維(細度16μm)。

活性紅KN-3B染料(C.I.Reactive Red 180);Na Cl(AR,西隴科學股份有限公司);Na2CO3(AR,國藥集團化學試劑有限公司);去離子水。

活性紅KN-3B染料化學結構如圖1所示。

圖1 活性紅KN-3B染料化學結構式

SP-756P紫外可見分光光度計(上海光譜儀器有限公司);XMTD203電熱恒溫水浴鍋(江蘇科析儀器有限公司);FA2204C電子天平(上海佑科儀器儀表有限公司);SNG-3000型高分辨率掃描電子顯微鏡。

1.2.2 試驗方法

工藝曲線如圖2所示(僅研究染料的吸附與擴散)。

圖2 染色工藝曲線

2 結果與討論

2.1 構樹韌皮脫膠測試分析

2.1.1 構皮纖維宏觀形態

脫膠之后的構皮纖維如圖3所示。

由圖3可以看出,兩種脫膠工藝所制得的構皮纖維在宏觀形態上有較大的差別,二煮法纖維分離度較好,且色澤亮白,手感與漢麻纖維類似。

隨機取兩種脫膠工藝制得纖維試樣1 g各3份,放置烘箱中烘至恒重后,放入到裝有150 ml、濃度20 g/L Na OH溶液的三角燒瓶中沸煮3 h,洗凈后繼續烘干至恒重。所得數據及評價見表1。

由表1可以看出,采用二煮法脫膠工藝的構皮纖維殘膠率更低,雜質殘留及纖維分離程度都明顯優于一煮法。在纖維色澤方面,一煮法構皮纖維略微偏淡黃。在斷裂強力上,二煮構皮纖維強力損失較大,其原因可能是多次堿煮導致構皮纖維無定形區橫向連接鍵斷裂,從而損失部分斷裂強力。

圖3 脫膠后的構皮纖維

表1 兩種脫膠工藝殘膠率及綜合評價

2.1.2 構皮纖維微觀結構(SEM)

使用掃描電子顯微鏡對構樹韌皮及其脫膠后的構皮纖維進行觀察。

圖4 構皮纖維的微觀結構

由圖4中A可以看出,直接剝取的構樹韌皮表面被果膠質和木質素緊密包覆,纖維幾乎不可見,說明構樹韌皮的木質素、果膠質含量較高,不經脫膠處理的構樹韌皮較難有效利用。由圖4中B可以看出,構樹皮纖維縱向表面粗糙但較為平整,有少量類似麻纖維的橫節豎紋和類似棉的不明顯的轉曲,因此在理論上擁有較好的纖維間抱合力。構樹皮纖維的單纖維長度較短,一般為10~20 mm,單獨紡紗有一定難度,可以采用束纖維進行紡紗。圖4中C為一煮法構皮纖維,圖4中D為二煮法構皮纖維,通過兩者對比,可以明顯看出一煮法工藝脫膠程度相對較弱,纖維間還有較多膠質殘余,二煮法纖維表面脫膠完成度較高,所含雜質相對較少。從圖4可看出,構皮纖維表面存在輕微裂隙,這可能是導致強度相對不高的原因。構皮纖維的細度在10~15μm,因為纖維細度較小及微隙的存在,有利于纖維吸濕放濕。構皮纖維中空,為閉合管狀型,橫截面呈近橢圓形[10],結合構皮纖維縱向特征,若將構皮纖維制成織物,那么該織物理論上將擁有較好的強度和吸濕透氣性,因此構皮纖維在紡織服裝上的應用具有較高的可行性和較好的經濟效益。

日前，國家知識產權局正式受理無錫市順安土工材料有限公司遞交的“一種無梭織機制造X型模袋的方法”（簡稱“X型混凝土布”）發明專利請求書。該發明將為堰塞湖、山體滑坡、堤岸塌方治理提供新的技術，可以為加固圍堤提供支撐，大大減輕抗洪救災壓力。

2.2 構皮纖維染色動力學分析

2.2.1 染色速率曲線及上染百分率

染色速率曲線是染料在纖維上附著速率的表征。圖5為90℃下A、B以及麻纖維的染色速率曲線,曲線的斜率反應了染料在纖維上的上染速率。

圖5 3種纖維90℃時的染色速率曲線

由圖5中3種纖維的染色速率變化曲線可以看出,二煮法構皮纖維曲線斜率與漢麻纖維接近,且遠好于一煮法構皮纖維,說明二煮法構皮纖維上染速率較高。漢麻纖維作為一種大規模工業化生產的成熟服裝用纖維,上染百分率較為優異,達到了32%。對比圖5中兩種脫膠工藝的構皮纖維,可以看出二煮法脫膠制得的構皮纖維在上染百分率和上染平衡時間都明顯優于一煮法。值得注意的是,二煮法構皮纖維上染平衡時間相較漢麻纖維更短,這說明脫膠程度好的構皮纖維上染效率較好,這可能是因為構皮纖維細度為10~15μm,而漢麻纖維細度為15~17μm,構皮纖維與染液接觸的相對表面積較大,從而其上染效率更高。由于漢麻纖維表面粗糙,有縱向縫隙和孔洞,橫向伴有枝節,所以在最大上染百分率上優于構皮纖維。

2.2.2 染色擴散系數

染色擴散系數是染色動力學中一個重要的特征參數,同一染料對不同纖維存在染色性能差異的主要原因就是纖維材料內在物化性質。由于脫膠工藝的不同,A、B兩份試樣染色擴散系數必然不同,進而通過染色系數這一客觀指標倒推兩種化學脫膠工藝優劣。

擴散系數的測定方法較多,從纖維本身結構考慮,采用了希爾公式進行擬合計算,希爾公式是一種染料從無限染浴向柱狀纖維無限長的兩端擴散上染的動力學數學模型。希爾公式如式(1)所示。

式中:M t——t時間纖維上染料染著量;M∞——染色平衡時纖維上染料染著量;D——擴散系數;t——染色時間;r——纖維半徑。

希爾公式的結果為無窮級數,計算較為困難,可以通過查表得到M t/M∞對應的Dt/r2值[11]。M t/M∞在概念意義上等同于C t/C∞(C t和C∞分別是t時間和染色達到平衡時纖維上吸收的上染百分率)。因此,通過SEM圖片測量的試樣直徑,就可以計算出3種纖維對應的染色擴散系數D,計算結果見表2。

表2 樣品在90℃的擴散系數

由表2可知,隨著染色時間的增加,3種纖維的擴散系數都有增大的趨勢,當纖維到達最大上染百分率后,由于染色時間的增加,擴散系數會下降,最后趨于平衡。其中,從數據上二煮法制得的構皮纖維的擴散系數總體上比一煮法要大,這說明二煮法脫膠工藝所制得的構皮纖維上染性能更好,二煮法染色性能要整體優于一煮法。對比二煮法和漢麻纖維,可以看出二煮法構皮纖維在20 min時達到最大值,說明此時已完全上染,達到完全上染的時間比漢麻要短,在上染效率上二煮法構皮纖維要優于普通漢麻纖維。

2.2.3 半染時間

半染時間是指染料上染到纖維達到最大平衡吸附量的一半所需要的時間,即C t=1/2C∞時的所用時間,標志著上染趨向平衡的速率,以t1/2表示半染時間。查表可知,M t/M∞=C t/C∞=0.50時,對應的Dt/r2值為0.062 92。因此有:

從公式(2)可以知道,半染時間t1/2與擴散系數D成反比,與纖維半徑r2成正比。在計算擴散系數時選擇的是希爾模型,是假定在無限染浴且均勻的情況下,染料的持續上染依賴于染料從纖維表面向內部的不斷擴散。但在實際試驗中,染浴必然是有限的,半染時間和擴散系數隨平衡上染百分率的變化而不同。因此需要同時結合半染時間和平衡上染百分率來綜合判斷上染性能。各樣品的半染時間和擴散系數見表3。

表3 3種纖維在90℃的半染時間和擴散系數

3 結論

(1)采用二道堿煮化學脫膠工藝:試樣→浸酸→水洗→一煮→水洗→二煮→水洗→打纖→漂白→水洗→酸洗→水洗→脫水抖松→預烘→干燥,得到的構皮纖維經過測試,結果表明其殘膠率更低,雜質殘留及纖維分離程度都明顯優于一煮法,纖維強力可達到一般紡織用目的。

(2)構皮纖維微觀形態與棉、麻都有不同程度的相似。縱向表面粗糙,具有較好的纖維間摩擦力和抱合力,同時存在輕微裂隙與微孔,導致單纖強力相對不高,但有利于吸濕和放濕。

(3)通過染色速率曲線可以看出,二道堿煮脫膠的構皮纖維染色動力學性能與漢麻纖維接近,優于一道堿煮構皮纖維。擴散系數結果說明:二道堿煮構皮纖維的擴散系數相對較大,平衡上染百分率、擴散系數和半染時間證明了染色速率曲線試驗結果。