全支链马铃薯淀粉在中温浆纱上的应用

杨 树,沈艳琴,武海良

传统常用浆料只在高温下才可溶解或糊化,因而其经纱上浆普遍采用的是高温上浆工艺[1-3]。高温上浆在调煮浆料和保持浆槽中浆液温度上需要消耗大量能源,浆纱成本较高;因此要降低上浆过程中的能耗,有必要对纯棉纱采取中温上浆。中温浆纱是指在50-75℃之间进行的浆纱实践,其调浆温度低,能源消耗少,并可改善浆纱车间工人的工作环境,是一种极具研究价值的浆纱工艺[4-6]。由于中温调浆存在浆液流动性差,浆液被覆纱线及浸透性低等问题,会影响浆纱质量;因此对中温溶解性好,浆纱质量高的浆料进行研究具有重要意义[7]。

马铃薯淀粉因其支链淀粉含量高、浆液黏度稳定、成膜性好且强度高,被誉为淀粉行业中的朝阳产业[8]。荷兰AVEBE公司以生物基因工程得到了100%全支链马铃薯淀粉(SPR),并对其进行了特殊的物理化学变性,制备出了一系列具有优良黏附性及浆膜柔韧性的产品;且与其他浆料相容性好,适合于纯棉纱上浆。本文对该全支链马铃薯淀粉的浆纱性能做了较为系统的测试分析。

1 试验部分

1.1 材料和仪器

试验材料：SPR浆料(荷兰AVEBE公司);JC9.7 tex纯棉精梳纱。

试验仪器：HH-6型数显恒温水浴锅;电子恒速搅拌器;YT821可调漏斗式浆液黏度计;HD021N型电子单纱强力仪;ASS3000型小样浆纱机;YG171B-1型纱线毛羽测试仪;YG026H型电子织物强力机;Y731型抱合力机。

1.2 浆纱工艺

调制两个质量分数为10%的SPR浆液各800 ml,一个升温至63℃,另一个100℃煮开,将煮好的浆液分别倒入提前预热好的小样浆纱机浆槽中供上浆,上浆工艺参数见表1。

表1 上浆工艺参数

1.3 测试方法[9-10]

1.3.1 浆液黏度和黏附力

调制500 ml质量分数为10%的浆液,恒温水浴加热到63℃,保温30 min,使用YT821可调漏斗式浆液黏度计测试黏度值。

淀粉黏附力用粗纱条法进行试验测定。将SPR淀粉配置成质量分数为1%的淀粉糊并升温至63℃保温30 min;将在纱架上绕好的粗纱放入浆液中5 min后取出,晾干后在恒温恒湿室内平衡24 h,并在YG026 H型电子织物强力机上测试。同时使用SPR进行高温试验,形成对比分析。测试条件为拉伸速度50 mm/min,试样夹持距离100 mm,每种样品测试40次,取平均值。

1.3.2 原纱及浆纱性能

(1)拉伸性能 采用HD021N电子单纱强力仪进行测试,测试条件为预加张力10.00 c N,试样夹距500 mm,拉伸速度500 m/min,环境温度25℃,相对湿度65%,测试样本数30组取平均值。拉伸性能计算公式为：

式中 Pj为上浆纱强力均值(c N);Ps为原纱强力均值(c N)。

式中 ε为原纱伸长率均值(%);ε1为上浆纱伸长率均值(%)。

(2)耐磨性 在室温下使用Y731型抱合力机测试,测试条件为纱线静态张力200 c N,磨片空载往返速率143次/min,磨片自压240 g。测试30组结果后取平均值。增磨率计算公式为：

式中 m为上浆纱增磨率(%);mj为上浆纱耐磨次数均值;m0为原纱磨断次数均值。

(3)毛羽降低率 毛羽测试在YG171A型毛羽测试仪进行,试验时纱线测试长度为1 m,通过速度30 m/min,测试30组取其平均值。毛羽降低率计算公式为：

式中 F为毛羽降低率(%);N0为原纱有害毛羽指数均值;N1为上浆纱有害毛羽指数均值。

(4)浆纱回潮率 使用电子天平称取全幅长度约1-3 g的浆纱样品,轻轻扎成一束并置于105～110℃烘箱中烘至恒重,待冷却20 min后继续称其干重,测试精确至0.001 g。浆纱回潮率公式为：

式中 WG为浆纱回潮率(%);Wj为浆纱湿重(g);W为浆纱干重(g)。

(5)浆纱退浆性能 采用氢氧化钠退浆法,退浆率计算要考虑毛羽损失率。将已经回潮的试样称重并于清水中煮沸约10 min,取出后用清水洗净后放入105℃鼓风干燥烘箱内烘至恒重,待冷却20 min后取出称重,数据精确至0.001 g。毛羽损失率计算公式为：

式中 β为浆纱毛羽损失率(%);B为原纱试样煮前干重(g);B1为原纱试样煮后干重(g)。

将已经回潮的试样称重后放入浴比30～40 ml/g,浓度0.5%的NaOH溶液中煮沸10 min后,用清水漂洗至洗净。随即置入105℃鼓风干燥烘箱内烘至恒重,继续冷却20 min后取出称重,数据精确至0.001g。淀粉浆纱退浆率计算公式为：

式中 S为退浆率(%);W0为试样退浆前干量(g);W1为试样退浆后干量(g);β为毛羽损失率(%)。

2 结果与讨论

2.1 全支链马铃薯淀粉的结构

支链淀粉聚合度较大、分支较多,属具有高度分支结构的大分子;主链间由α-1,4糖苷键连接,分支点处通过α-1,6糖苷键与主链相连。支链淀粉的分支是成簇并以螺旋形式存在的,侧链有序排列生成许多小结晶区。由于支链淀粉的高度分支性,晶体结构不太紧密,糊化时易伸展,水分子易渗透到支链淀粉颗粒内部使颗粒润湿胀大,形成网状结构,所以全支链淀粉易溶于水,凝沉性弱,具有很高的黏着力[11]。

采用双波长比色法测定SPR支链淀粉的含量,分光光度法的原理是直链淀粉与碘的结合物呈蓝色,支链淀粉与碘的结合物呈紫色[12],其吸光度值测试结果见表2。

通过双波长比色法检测出SPR淀粉浆料中支链淀粉的含量达95%以上。支链淀粉分子链短且分叉多,因此SPR具有很高的黏着力,对亲水性纤维具有良好的黏附性,在不同温度及各种剪切作用下,黏度稳定性高。

采用SEM对淀粉颗粒的外貌进行了测试,其测试结果见图1。

表2 SPR直链淀粉、支链淀粉与碘结合物的吸光度值

图1 马铃薯原淀粉与SPR的扫描电镜图

图1 示出马铃薯原淀粉表面光滑,经过醚化改性后得到的全支链马铃薯淀粉SPR表面出现凹痕或裂缝,这改变了淀粉分子链运动能力,减弱了淀粉分子间的相互作用,增加了淀粉分子的膨胀能力与水溶性,从而降低了淀粉的糊化温度,使其可中温溶解。

采用红外光谱测试了全支链马铃薯淀粉,其结果见图2。

图2 红外光谱

从图2可看出,马铃薯原淀粉在3 415 cm-1处宽的吸收峰为O-H键的对称伸缩振动,2 932 cm-1处为CH2的不对称伸缩振动,991 cm-1处的吸收峰为C-OH键的弯曲振动,而全支链马铃薯淀粉SPR的红外光谱图中,在3 295 cm-1出现-O-H键的对称伸缩振动,峰型变窄是因为接上了醚化基团后,原-OH吸收峰的缔合作用受到影响,但吸收峰的强度增加,在2 926 cm-1、1 413 cm-1、1 331 cm-1、847 cm-1处均出现了淀粉的特征吸收峰,在1 078 cm-1出现C-O-C对称伸缩振动,证明SPR发生了醚化作用。

2.2 浆液性能及对纱线黏附力

使用SPR淀粉浆料在含固为10%时63℃煮浆,并与高温进行对比,测试浆液的黏度及其波动率,测试结果见表3。

表3 SPR的黏度及黏度稳定性

由表3可知,在63℃下SPR浆液黏度为7.4 s,与高温浆液黏度相差0.6 s,都表现出了良好的流动性,且黏度稳定性高均达到97.7%及以上。

浆液对纯棉粗纱的黏附力测试结果见表4。

表4 SPR对纯棉粗纱的黏附力测试值

由表4可知,高温条件下SPR淀粉浆料对纯棉粗纱的黏附力要大于中温条件下的,这是由于温度低浆液的表面张力大,浆液黏度略有增加,不利于对纱线的润湿和浸透,使得浸透到粗纱内部的淀粉分子减少,纱线内部的纤维和外部的淀粉分子难以形成较为稳固的结构,黏附力降低。但二者相差不大,对粗纱都具有良好的黏附效果。

2.3 浆纱性能

采用ASS3000型小样浆纱机进行上浆后,测试了JC9.7 tex原纱及其上浆纱性能,结果如表5所示。

表5 JC9.7 tex原纱和上浆纱性能

由表5可看出,95℃下上浆纱的断裂强力最大为217.7 c N,65℃下上浆纱的断裂强力略低为208 c N,二者相差不大,与原纱相比增强率都在26%以上。纱线断裂伸长率减小,均低于25%,可满足织造要求。毛羽指数大幅降低,降低率均在20%以上,纱体表面毛羽得到较好伏贴,能满足织造过程对上浆纱毛羽指数的要求。退浆率在11%～14%之间,上浆效果良好。高温浆纱和中低温浆纱得到的上浆纱性能基本上保持一致,表明用SPR进行中低温浆纱可达到或接近高温浆纱的效果。

3 结论

(1)SPR全支链马铃薯淀粉浆料的中温(63℃)溶解性能优良,浆液流动性好;含固量为10%时浆液黏度为7.4 s,黏度稳定性高达97.7%;黏附力强,保证了浆纱过程中浆液对纱线有良好的浸透及被覆性。

(2)SPR中温上浆纯棉纱的断裂强力提高显著,较原纱增强了25%以上;断裂伸长率略减小,毛羽降低率达20%以上;纱线耐磨次数显著增加,增磨率为220%,保障了上浆纱质量。

(3)SPR淀粉浆料可满足精梳纯棉纱上浆要求,实现了中温浆纱,可大大降低能源消耗。