热水处理对棉纤维拉伸、表面摩擦和热稳定性能的影响

薛海军,张 辉,王红红

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048;2.西安工程大学 产业用纺织品协同创新中心,陕西 西安 710048)

0 引 言

棉纤维或织物在退浆、煮练、漂白、丝光、染色和后整理等生产加工过程中会不断地经受热水的作用[1],而且热水温度越高,越有利于去除棉纤维上的浆料、果胶和色素等杂质,如高温高压煮练温度可提高到135 ℃,时间会缩短1～2 h[2]。在染色方面,由于传统染色工艺的染色时间比较长、能耗高,使用分散/活性染料能够在高温、低pH条件下进行一浴一步法染色,而且活性染料高温染色的得色量接近常规染色工艺,少数染料甚至比常规染色工艺的得色量还要高[3]。因为高温使得染料分子的热运动加剧,移染性增加,染色织物的匀染性和色牢度会有所提高[4-5],同时还减少了电解质促染剂的大量使用,避免废水中盐含量浓度过高[6],降低对染色质量的影响[7-8]。

此外,研究者还采用纳米技术对棉纤维进行改性处理[9-10],其中简单易行、低耗高效的水热合成技术较为实用[11]。在高温高压热水环境下生成的纳米颗粒可负载在棉纤维表面,赋予抗菌[12-14]、抗紫外线[15]、自清洁[16]、电子可穿戴[17-18]和疏水[19]等功能。但是,以往研究均忽略了热水对棉纤维结构和性能的作用。YANAI使用液氨与热水对棉纤维进行连续处理,发现纤维体积会发生溶胀和尺寸稳定2个阶段变化,干折皱回复角和抗弯性能会变差,而保水性、湿折皱回复角和吸水性能会变好,洗涤收缩率有所下降,其原因是因为棉纤维在液氨溶胀过程中无定形区中的氢键发生了结构重排所致[20],而废旧的棉纤维在高于200 ℃(亚临界)中会碳化形成不规则颗粒物[21]。朱林林采用水热法对棉纤维进行热水处理,虽然测定了纤维的拉伸和表面摩擦等性能,但由于受到分析仪器的限制,未对纤维结构变化的原因进行深入分析[22]。文中使用热水对棉纤维进行高温高压处理,研究热水温度和作用时间对棉纤维拉伸、表面摩擦和热稳定性能的影响规律,并借助扫描电镜、红外光谱和X射线衍射技术对棉纤维结构进行分析。

1 实 验

1.1 材料、试剂与仪器

1.1.1 材料及试剂 实验所用的棉纤维细度为1.64～1.74 dtex,长度为27～31 mm。化学试剂主要有氢氧化钠、丙酮和无水乙醇,试剂的纯度级别均为分析纯,实验用水为去离子水。

1.1.2 仪器 JXF-6均相反应器(烟台松岭化工设备有限公司),YG001N型电子单纤维强力仪(南通宏达实验仪器有限公司),Y151型单纤维摩擦仪(常州第二纺织机械厂),TGA/SDTA851e型热重/微分热同步分析仪(瑞士梅特勒公司),FTIR-7600型傅里叶红外光谱仪(澳洲Lambda公司),JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜(日本电子株式会社),D/MAX-Rapid II型面探微区X射线衍射仪(日本理学)。

1.2 实验方法

1.2.1 棉纤维前处理 将5.0 g的棉纤维浸泡在浓度为0.075 mol/L,体积为250 mL的氢氧化钠溶液中,在80 ℃水浴锅中处理30 min,然后用200 mL的去离子水漂洗10 min,重复3次;接着依次浸泡在体积200 mL的丙酮、无水乙醇溶液中10 min,最后用200 mL去离子水洗涤10 min,重复3次,80 ℃烘干备用。

1.2.2 棉纤维纯水热处理 称取0.5 g前处理好的棉纤维,浸泡在80 mL去离子水中,将棉纤维连同水溶液一起添加到100 mL的聚四氟乙烯内胆中,再将其密封,设置均相反应器的反应温度分别为100 ℃,110 ℃,120 ℃,130 ℃和140 ℃,转速设置为恒定转速200 r/min,处理时间分别为1 h,2 h,3 h,4 h和5 h。处理结束后,取出反应釜冷却至室温,将处理过的棉纤维用去离子水洗涤,重复3次。最后,在80 ℃烘箱中烘干。

1.3 测试方法

1.3.1 拉伸性能 依据GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》进行测定棉纤维处理前、后的拉伸性能的变化,测试参数设定满足标准要求,测试根数为300根(此时t=1.96,CV=31%～43%,满足95%的置信水平)。

1.3.2 表面摩擦性能 采用绞盘法[23]测定棉纤维热水处理前、后的动态和静态摩擦系数,测试根数为30根(此时t=2.04,变异系数CV=1.79%～4.64%,满足95%的置信水平)。根据公式(1)计算棉纤维的静态摩擦系数μs和动态摩擦系数μd。

μs(μd)=0.733 1[W/(W-m)]

(1)

式中:W是施加在棉纤维上的初始张力;m是绞盘平衡时的张力。

1.3.3 热稳定性能 测定棉纤维热水处理前、后的TG曲线,考查其热失重情况,在氮气气氛中,氮气流量为10 mL/min,温度变化范围为40～600 ℃,升温速率10 ℃/min。

1.3.4 微观形貌 观察棉纤维热水处理前、后的表面形貌特征,电压10 kV,放大倍数3 000倍。

1.3.5 红外光谱 采用溴化钾压片法测定棉纤维结构变化,将干燥后的样品按照一定的比例,与KBr混合均匀后压制成片状,在波长为400～4 000 cm-1的范围中进行扫描,扫描次数为32次。

1.3.6 X射线衍射 测定分析棉纤维结晶度和取向度的变化,管电压40 kV,管电流50 mA,曝光时间800 s。根据Segal经验公式(2)计算棉纤维的结晶指数[24-25]：

(2)

式中:I002和Iam分别是衍射角2θ在22.8°和18.5°时的强度。并根据式(3)计算棉纤维的取向度：

χ=(360-∑hi)/360

(3)

式中:hi是衍射峰的半高宽。

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

图1给出了棉纤维在不同温度热水处理不同时间后的断裂强度和断裂伸长率以及120 ℃处理3 h的特征应力-应变曲线。在一定反应温度条件下,反应时间越长,棉纤维的断裂强度和断裂伸长率会逐渐降低,反应温度越高,棉纤维的断裂强度和断裂伸长率下降越为明显。这是因为高温热水会使得棉纤维中的大分子链热运动能量增加,链段柔曲性得到增强,纤维素大分子链之间的结合力有所削弱,部分氢键发生断裂,从而在棉纤维内部产生一定的缺陷和孔隙,部分纤维素也可能发生降解[26],导致纤维素大分子受力后比较容易产生滑脱,因此断裂强度和断裂伸长率有所下降。棉纤维经120 ℃热水处理3 h,其应力-应变特征曲线的起始和中间阶段没有明显变化,损失的是后续拉伸部分。

(a) 断裂强度

(b) 断裂伸长率

(c) 应力-应变曲线图 1 棉纤维拉伸性

2.2 表面摩擦性能

图2给出了棉纤维在不同温度热水处理不同时间的静态和动态摩擦性能。随着热水反应时间的延长,棉纤维的静态和动态摩擦系数均呈下降趋势,反应温度越高,静态和动态摩擦系数下降越明显。棉纤维经过热水处理之后,纤维内部的杂质会逐渐溶解到水中[27],纤维变得比较柔软和圆润,表面光洁程度有所增加,天然转曲数会有所减少(见电镜照片)。热水反应温度越高、反应时间越长,棉纤维会变得更加柔软和圆润,不仅容易产生变形,而且与摩擦杆之间的接触面积相对减小。因此静态和动态摩擦系数会有所下降。

(a) 静态摩擦性

(b) 动态摩擦性图 2 棉纤维表面摩擦性能Fig.2 The surface friction properties of cotton fibers

2.3 热稳定性

选用未处理棉纤维(1#样品)、120 ℃处理3 h(2#样品)和140 ℃处理2 h(3#样品)的棉纤维进行热稳定性分析,其热失重和微分热曲线如图3所示。棉纤维经过热水处理前、后的热失重和微分热曲线基本重合在一起,热起始分解温度由330.6 ℃分别移至327.8 ℃(2#样品)和335.5℃(3#样品),最大峰值温度由347.7 ℃移至345.2 ℃(2#样品)和353.8 ℃(3#样品)。加热至600 ℃时,其质量损失率分别为89.8%(1#样品)、90.8%(2#样品)和90.1%(3#样品)。因此,高温热水处理对棉纤维热稳定性影响不明显。

2.4 表面形貌

图4给出了棉纤维热水处理前(1#样品)、 后(2#样品)的扫描电镜照片。 未处理棉纤维较为干瘪, 具有明显的天然转曲, 纤维表面有细小的皱纹;经过热水处理之后, 棉纤维变得比较圆润, 天然转曲数显著减少, 表面细丝状皱纹有所加深,主要是因为棉纤维受高温热水作用发生一定程度的溶胀,棉胶和蜡质等一些杂质从棉纤维表面发生脱离所致[28-29]。

(a) 热失重

(b) 微分热曲线图 3 棉纤维热性能Fig.3 The thermal stability of cotton fibers

(a) 处理前

(b) 处理后

2.5 分子结构分析

图 5 棉纤维纯水热处理前、后的红外光谱图

2.6 结晶度和取向度

图6给出了棉纤维热水处理前(1#样品)、后(2#和3#样品)的二维X射线衍射图、X射线衍射曲线和取向度曲线。棉纤维经过热水处理之后,衍射弧斑亮度有所减弱,弧长变短,表明棉纤维结晶度和取向度有不同程度的减小。未处理棉纤维在衍射角14.8°,16.5°,22.8°和34.6°处出现了明显的衍射峰,分别对应着纤维素I的(101)，(-101)，(002)和(004)晶面[32]。热水处理后衍射峰角度没有发生改变,但特征峰的强度不同程度有所减弱,140 ℃处理2 h下降最为明显。结晶度计算结果表明,未处理棉纤维结晶度为77.5%,120 ℃处理3 h降至75.2%,140 ℃处理2 h下降至72.8%。取向度曲线表明,热水处理后的棉纤维对称性保持较好,但强度均有所下降,其中未处理棉纤维取向度为0.38,120 ℃处理3 h和140 ℃处理2 h的棉纤维取向度分别降至0.33和0.32。虽然纤维素大分子链段沿纤维轴向排列比较规整,但高温热水进入到棉纤维中的无定形区或部分结晶区,使得纤维素大分子链段偏离了纤维轴向,而且热水反应温度对棉纤维结晶度和取向度的影响相对于反应时间来说更为严重。

(a) 二维X射线衍射图

(b) X射线衍射曲线

(c) 取向度曲线图 6 棉纤维纯水热处理前、后X射线测试结果

Fig.6 The X-ray diffraction results of cotton fibers before and after hot water treament

3 结 语

棉纤维在100～140 ℃件下经过1～5 h的热水处理,由于结晶度和取向度下降,导致棉纤维的断裂强度和断裂伸长率会不同程度地减小。棉纤维经过热水处理,天然转曲减少,柔软圆润,使得棉纤维表面静态和动态摩擦系数不同程度地减小。热水反应温度越高、反应时间越长,棉纤维拉伸性能损伤越严重,表面静态和动态摩擦系数下降越大。相反,热水处理对棉纤维的分子结构和热稳定性能影响不明显。