碱处理对木棉纤维结构及性能的影响

李长龙，常 桑，周 磊

(安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖 241000)

木棉纤维是一种天然纤维素纤维，是天然纤维中中空度最高的纤维，具有优良的隔热、隔音、保暖、拒水吸油的性能，是很好的浮力材料。但由于木棉纤维强力低，长度短，表面光滑，抱合力差，难以单独纺纱［1］，目前关于木棉纤维性能及纺纱方面的研究较多。由于经过不同质量浓度碱处理会对木棉纤维的形态结构及物理化学性能产生影响，国内外关于这方面的研究还鲜有报道。本文研究了碱处理对木棉纤维结构及性能的影响，以期提高木棉纤维的可纺性，扩大木棉纤维的开发及应用。

1 实验部分

1.1 材料

国产木棉散纤维:线密度为1.86 dtex，长度为8～32 mm。

1.2 碱处理

室温下配制质量浓度分别为 4、6、8、10、12 g/L的NaOH溶液。采用浴比1∶300对木棉纤维分别处理，温度为90℃，时间为120 min。处理后的纤维用蒸馏水洗净，直至纤维附着液的pH值在6～7左右，再在40℃条件下烘干，供测试备用［2］。

1.3 测试方法

1.3.1 形貌观察

在日本日立S-4800扫描电子显微镜/X射线能谱仪下，观察纤维的纵向形态。

1.3.2 质量损失率测试

将碱处理前后的木棉纤维烘干后放在干燥器中干燥24 h后称量，得到碱处理前后纤维质量分别为W0和W1，纤维的质量损失率W按下式计算:

1.3.3 力学性能测试

采用单纤维强力机进行测试，预加张力0.1 cN，夹持距离设为10 mm，拉伸速度为10 mm/min。每组试样测50次。测试条件［3］:湿度为(65±2)%，温度为(20±2)℃。

1.3.4 浸润性能测试

采用德国DCAT11界面张力仪对木棉纤维浸润性能进行测试。

1.3.5 热性能测试

采用日本岛津DSC-60A自动差热热重同时测定装置，测定木棉纤维的热分解曲线［4］。其中N2升温速率为 10℃/min，流量为 60 mL/min，温度为50～600℃。

1.3.6 化学组成测试

制取粉末试样，用日本岛津IRPrestige-21型傅里叶变换红外光谱仪测试。根据红外光谱中吸收峰的强度、位置和形状，确定纤维的化学组成。

2 结果与讨论

2.1 碱处理对纤维形态结构的影响

图1为放大800倍的木棉纤维纵向扫描电镜形态结构图。图1(a)为没有经过碱处理的木棉纤维纵向形态，可看出木棉纤维纵向外观呈圆柱形，表面光滑，不显转曲。图1(b)为经过质量浓度为8 g/L的碱液处理后的木棉纤维的纵向形态，可看出，经过碱处理木棉纤维表面沿纤维轴向会出现一些不规则的刻蚀痕迹。这主要是因为碱处理去除了木棉纤维表面的蜡质与果胶，使得纤维表面变得粗糙。还可能是因为结晶区以及非结晶区有缺陷区域的大分子链被NaOH水解而产生的斑痕和坑穴，从而增大了纤维表面的摩擦因数，可提高纺纱时纤维间的抱合力。

图1 碱处理前后木棉纤维纵向形态电镜照片(×800)Fig.1 Longitudinal SEM photos of kapok fiber(×800).(a)Untreated;(b)Treated with NaOH

2.2 碱处理对纤维质量损失率的影响

根据文献［5－6］可知，木棉纤维的化学组成为:64%纤维素，23%半纤维素，13%胶质和木质素。图2示出NaOH质量浓度对木棉纤维质量损失率的影响。由图可看出，随着碱液质量浓度的增大，木棉纤维的质量损失率总体趋势是逐渐增大的，这是因为碱处理使得蜡质乳化，无机盐溶解，脂肪和蛋白质水解，去除了低分子的胶质成分。经适当质量浓度的碱煮可去除纤维表面的蜡质、果胶及半纤维素。半纤维素易被碱液水解而去除，而木质素是一种相对分子质量较高的物质，在碱液中溶解度不大［7］，但可能会有少量碱溶木质素被溶解而去除。经测试木棉纤维碱处理后质量会降低18%左右。当NaOH质量浓度较低的时候，随着其质量浓度的增加，纤维质量损失率增加的幅度比较大;当NaOH质量损失浓度增加到一定程度(≥10 g/L)时，随着碱液质量浓度的增加，纤维质量损失率趋于平缓。这主要是因为碱液质量浓度小于10 g/L时就可使纤维中能参加反应的物质反应完全，再增加质量浓度对提高纤维质量损失率没有明显效果。在一般情况下，纤维素对碱的化学性能比较稳定，但是在高浓度、高温度等条件下纤维素大分子链也会出现断裂，从而影响木棉纤维的各方面性能，所以前处理过程中碱液的质量浓度、温度都不宜太高。

2.3 碱处理对纤维力学性能的影响

图3示出碱液质量浓度对木棉纤维断裂强力的影响。由图可看出，随着碱液质量浓度的增加，木棉纤维的断裂强力呈现出先增加后下降的趋势，这是因为碱处理可去除木棉纤维的杂质和半纤维素，这些成分含量越高，对纤维强力影响越大，纤维品质越低。经过碱处理固化了沿纤维长度方向的弱点，使得纤维内部结构得到改善，纤维强力得到提升。但是当碱液质量浓度过高(≥8 g/L)时，碱液对纤维结构的损伤会大于其对纤维力学性能的改善，从而导致纤维出现角质层及初生胞壁的溶解，反而使纤维的断裂强力下降。另外，由于纤维素大分子中含有羟基，如果碱液质量浓度过高，纤维会发生剥皮现象，对纤维素产生副损伤，从而会导致木棉纤维的强力下降。

图2 NaOH质量浓度对木棉纤维质量损失率的影响Fig.2 Effect of weightlessness rate of kapok fiber with different concentration of NaOH treatment

图3 NaOH质量浓度对木棉纤维断裂强力的影响Fig.3 Effect of breaking strength of kapok fiber with different concentration of NaOH treatment

2.4 碱处理对纤维浸润性能的影响

纤维的动态接触角包括前进角和后退角。前进角是液体润湿固体表面能力的一种量度，对拒水性敏感;后退角表示液体从固体表面移去的难易，对亲水性敏感;二者差值为接触角滞后值，可反映物质的润湿性、异质均匀性、粗糙度及水在物质表面的停留时间［8］。图4为Wilhelmy吊片法平衡原理图。试样吊片经浸入和提出的过程，并用高精度电子天平记录吊片在不同浸渍位置时的拉力。测试完成后，根据系统软件分析，得出木棉纤维的前进角θ1、后退角θ2及二者的差值接触滞后角△θ，结果见表1。由于没有经过碱处理的木棉纤维表面有蜡质和果胶的存在，拒水性很强。而经过碱液处理的木棉纤维，对比其滞后角可发现:随着碱液浓度的增加，纤维表面蜡质和果胶被不断去除，木棉纤维的浸润性能不断增加;但当碱液质量浓度＞10 g/L时，浸润性能又会出现下降。这主要是因为较高质量浓度的NaOH破坏了非结晶区大分子结构中的氢键，使得无定形区自由分子链溶解，从而使纤维结构变得更加紧密，不利于水分的渗透［9］。

图4 Wilhelmy吊片法平衡原理图Fig.4 Schematic diagram of Wihelmy balance

表1 木棉纤维的动态接触角Tab.1 Dynamic contact angle of kapok fiber

2.5 碱处理对纤维热性能的影响

图5示出了碱处理前后木棉纤维在氮气氛下的热分解曲线图。曲线a为没有经过碱处理的木棉纤维的热分解曲线，可看出木棉纤维在287℃开始分解。100℃以下主要是木棉纤维中的水分及其他微小杂质的分解，到370℃为止主要是纤维素主体部分的分解，350～450℃主要是木质素的分解［10］，到600℃木棉纤维的质量几乎不再变化，接近于零。曲线 b、c、d、e、f分别为用质量浓度为 4、6、8、10、12 g/L的NaOH处理后木棉纤维的热分解曲线，可看出经过碱处理后，木棉纤维在380℃时就已经基本完成了热分解过程，这主要是因为碱处理去除了大量的木质素。可看出碱处理对纤维素的热分解温度影响不大。

2.6 碱处理对纤维化学组成的影响

图5 碱处理前后木棉纤维TG图Fig.5 TG of kapok fiber before and after alkali treatment

图6为碱处理前后的木棉纤维的红外谱图，曲线a为未经过碱处理的木棉纤维的红外谱图。由图可看出木棉纤维具有K-lason木质素和硝酸-乙醇纤维素的特征吸收峰。文献［11］表明，木质素特征基团红外光谱吸收峰主要在1750～1500 cm－1的范围内。木棉纤维1630 cm－1处的吸收峰为木质素分子结构的芳香环骨架基团振动。其中官能团3401 cm－1处为 O—H 伸缩振动，2914 cm－1处为C—H键的吸收。889 cm－1处附近为C—H面外弯曲振动，1742 cm－1处是 ==C O键吸收峰。曲线b、c分别为经质量浓度为8和12 g/L的NaOH处理后的木棉纤维红外光谱图，木棉纤维与三者的红外光谱特征峰极为相似。经碱液处理后(曲线b、c)可看出指纹区在1051 cm－1附近仍出现纤维素特征峰，即β-D-葡萄糖苷键的特征吸收峰，处理后此处吸收峰几乎没有变化，这说明碱处理对纤维素结构影响不大［12］。3401 cm－1处仍有较明显的O—H伸缩振动特征吸收峰，吸收值变大，峰宽增加，面积变大，说明纤维素大分子中游离羟基数量增多。而在1730 cm－1处半纤维素的特征吸收峰及1630 cm－1处木质素的特征吸收峰都有所减弱，这说明碱处理可去除木棉纤维表面的部分半纤维素及木质素等杂质。碱处理后木棉纤维在1249 cm－1处附近逐渐产生1个较为明显的小肩峰，这是处理后纤维素分子中O—H平面弯曲振动的特征。纤维素型纤维中，当1249 cm－1处出现的峰形越明显时，说明该纤维中晶区与非晶区比值越大，纤维结晶度越高［9］。由上述分析可看出，经适当浓度的碱处理后，木棉纤维结晶度是有所提高的。

图6 碱处理前后木棉纤维红外谱图Fig.6 FT-IR spectra of kapok fiber before and after alkali treatment

3 结论

碱处理会对木棉纤维的形态结构及物理化学性能产生影响。经过碱处理木棉纤维表面会变得粗糙;随着碱液质量浓度的增加，木棉纤维断裂强力先增大后降低，但整体比未经过处理的木棉纤维的断裂强力大;当碱液质量浓度≤10 g/L时木棉纤维的浸润性能逐渐增大，当质量浓度＞10 g/L时纤维的浸润性能出现下降;此外碱处理去除了纤维表面的果胶、蜡质、脂肪、木质素等化学组分，使得木棉纤维热分解完成温度降低。综上可知，木棉纤维在碱处理过程中碱液质量浓度在8～10 g/L之间为宜。

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