采用N-甲基吡咯烷酮的苎麻纤维柔软处理

李梦珍， 张 斌,， 郁崇文,

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

苎麻具有较好的吸湿透气性和天然抑菌性能，适宜开发夏季服用面料[1-2]。脱胶后的苎麻主要成分为纤维素，是由β-1, 4-糖苷键连接六元吡喃环形成的大分子高聚物[3]，在分子链内和链间分布有大量氢键，使分子链紧密排列而呈现高度有序的规整性[4]，导致纤维结晶度大，取向度高，纤维刚硬而柔软性差，受力时不易弯曲扭转，织物穿着刺痒，在生产高端面料上受到限制[5]。传统工业中常使用浓碱或液氨对苎麻进行溶胀处理[6-7]，改善其柔软性能。此外，研究人员先后采用离子液体[8]、N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)[9]、二甲基亚砜(DMSO)[10]和N, N-二甲基乙酰胺(DMAC)[11]等试剂对苎麻纤维进行处理，虽然有一定的柔软效果，但存在纤维强力受损过大和试剂成本较高、使用量过大等问题。

N-甲基吡咯烷酮(NMP)是一种强极性溶剂，与带有强极性基团的NMMO、DMSO和DMAC等试剂分子类似，NMP分子中带有良好的氢键受体——吡咯烷酮环，环上的氮、氧原子均带有孤对电子，能与羟基形成氢键，拆散纤维素内原有氢键，从而降低纤维素结晶度[4]。Hiroyuki等[12]在LiCl/NMP体系中加入微晶纤维素、苎麻粉等，然后加入1, 2, 3, 4-丁烷四羧酸(BTCA)及催化剂对纤维素进行交联及接枝，该溶剂体系破坏了纤维素的结晶结构，进而增加了反应可及性。此外，郑虹等[13]发现，当NMP单独作用时，可溶胀纤维素而不能将其溶解。岳军等[4]发现，碱化后的纤维素在极性溶剂NMP作用下，纤维素的氢键可进一步被削弱。苎麻纤维的主要成分为纤维素，NMP对苎麻纤维是否具有较好的降晶效果，至今相关研究甚少。为此，本文使用NMP作为溶胀剂对苎麻纤维进行处理，探究不同处理因素对苎麻纤维处理效果的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

1.2 NMP处理苎麻纤维

配制不同质量分数的NMP溶液，定量称取苎麻精干麻，升温至指定温度，按照浴比为1∶20将纤维放入溶液中，恒温处理一段时间后取出水洗，经烘箱于105 ℃干燥2～3 h。最后置于相对湿度为(65±2)%、 温度为(20±1) ℃的恒温恒湿室中平衡回潮48 h，备用。

1.3 测试方法

1.3.1纤维线密度测试

依据GB/T 5884—1986《苎麻纤维支数试验方法》，采用切断称重法测试苎麻纤维的线密度。将梳理整齐的纤维用Y171B型中段切断器定长切断，在JN-B型精密扭力天平上称量并计数，按下式计算苎麻纤维的线密度：

式中：Nt为纤维线密度，tex；m为束纤维质量，g；l为束纤维长度，m；n为束纤维中纤维根数。

1.3.2纤维强伸性能测试

依据GB/T 5886—1986《苎麻单纤维断裂强度试验方法》，采用XQ-1型单纤强力仪测试苎麻纤维的强伸性能，包括断裂强度和断裂伸长率。

继发性甲状旁腺功能亢进是终末期肾病患者常见的并发症之一，主要致病原因为血钙、血磷含量升高导致甲状旁腺素大量分泌，主要症状表现为甲状旁腺激素的过快增长及甲状旁腺增生[1-3]。本研究旨在探讨甲状旁腺切除术联合西那卡塞治疗继发性甲状旁腺功能亢进患者的疗效。现报道如下。

1.3.3纤维柔软性能测试

根据文献[14]采用Y331+型单纱捻度仪测试单纤维的柔软度，纤维在捻度仪上加捻至断裂的圈数为断裂回转数，以断裂回转数表征纤维的柔软性能。

1.3.4结晶结构表征

将试样剪成粉末，采用D/Max-2550 PC型X射线衍射仪进行测试。测试参数为：铜靶，电压 40 kV，电流200 mA，2θ为10°～40°。

1.3.5化学结构表征

将试样置于Nicolet 5700型红外光谱仪上采用衰减全反射法测试纤维的化学结构。调试参数为：波数范围 4 000～500 cm-1，分辨率0.09 cm-1，波数精度±0.01 cm-1。

1.3.6表观形貌观察

将试样黏在电镜台上，对其喷金处理后采用 TM 3000 型扫描电子显微镜观察纤维的表观形貌，加速电压为15 kV。

2 结果及讨论

2.1 NMP质量分数对纤维处理效果的影响

将苎麻于温度为90 ℃的NMP溶液中处理 40 min，研究NMP质量分数对纤维强伸性能及柔软性能的影响，结果如图1所示。可知，当NMP质量分数增加时，苎麻纤维的断裂伸长率随之增加，断裂强度随之降低。NMP质量分数增大，则进入苎麻纤维内部的NMP分子相应增多，对苎麻大分子链间氢键的破坏也愈加剧烈，苎麻分子间作用力减弱，拉伸时所受滑移阻力变小，因此，断裂强度降低，而断裂伸长率增加。

图1 NMP质量分数对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响Fig.1 Effect of NMP mass fraction on tensile properties(a)and softness (b) of ramie fiber

由图1还可知，当NMP质量分数增加时，苎麻纤维的断裂回转数先增加后降低。溶胀过程中，NMP分子破坏了苎麻分子链中原有氢键，使其柔顺性增加。随着进入苎麻纤维中NMP分子数持续增加，苎麻分子链的线性完整性和刚性被破坏，强力受损，断裂回转数也随之降低。以断裂回转数和伸长率为评价指标，兼顾其强度，NMP质量分数为15%时，苎麻纤维综合性能较佳，此时，苎麻纤维的断裂回转数为 472圈，断裂强度为6.88 cN/dtex，断裂伸长率为3.35%，断裂回转数和断裂伸长率较处理前分别增加了69.78%和17.54%。

2.2 处理时间对纤维处理效果的影响

将苎麻于温度为90 ℃，质量分数为20%的NMP溶液中处理40～120 min，研究处理时间对苎麻纤维强伸性能及柔软性能的影响，结果如图2所示。

由图2可知，当处理时间增加时，苎麻纤维的断裂伸长率随之增加，断裂强度随之降低。延长处理时间，NMP分子从苎麻纤维表面渐渐渗透到大分子内，链间氢键被逐步破坏，晶格被溶胀，无序区增加，苎麻分子链间束缚减弱，受拉伸时链间滑移变大，纤维延展性增加，抵抗外力形变能力弱化，从而强度降低。

由图2还可知，随着处理时间不断延长，苎麻纤维的断裂回转数先增加后减少。处理时间从 40 min 增加到 60 min 时，NMP极性分子进入苎麻纤维长链大分子间隙，破坏苎麻分子间的氢键，苎麻分子链的刚性被削弱，柔软性增强。继续增加处理时间，溶胀作用加剧，苎麻纤维损伤增大，因此，断裂回转数逐渐降低。以断裂回转数和伸长率为评价指标，同时考虑断裂强度，处理时间为60 min时，苎麻纤维的综合性能相对较佳，此时，断裂回转数为470圈，断裂强度为6.70 cN/dtex，断裂伸长率为3.71%，断裂回转数和断裂伸长率较处理前分别增加了69.06%和31.23%。

图2 处理时间对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响Fig.2 Effect of treatment time on tensile properties (a) and softness(b) of ramie fiber

2.3 处理温度对纤维处理效果的影响

将苎麻于不同温度条件下，用质量分数20%的NMP溶液处理40 min， 研究处理温度对纤维强伸性能及柔软性能的影响，结果如图3所示。可知，当处理温度升高时，苎麻纤维的断裂伸长率随之增加，断裂强度随之降低。升温时，NMP分子热运动加剧，同时其进出苎麻大分子的速率加快。长链大分子间的氢键遭受破坏，晶区消减，苎麻分子链间的作用力减弱，滑移阻力降低，导致苎麻纤维的强度降低，伸长率增加。

图3 处理温度对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响Fig.3 Effect of treatment temperature on tensile properties(a) and softness(b) of ramie fiber

由图3还可知，随着处理温度逐渐升高，苎麻纤维的断裂回转数先增加后保持稳定。从60 ℃升至80 ℃，随温度升高，苎麻纤维的断裂回转数增加。升高温度，NMP分子在溶液和苎麻纤维中的运动程度加剧，进入纤维长链中破坏长链大分子间的氢键，使晶区消减，因此，苎麻纤维耐弯折扭转能力降低，柔软度增加。80 ℃后继续升温，则对断裂回转数的影响较小。这是由于可被破坏的氢键不再随温度的升高而增加，致使苎麻纤维的断裂回转数变化不再明显。以断裂回转数和断裂伸长率为评价指标，考虑必要的纤维强度，认为温度为80 ℃时，苎麻纤维的综合性能相对较佳。此时，断裂回转数为445圈，断裂强度为7.01 cN/dtex，断裂伸长率为3.36%，断裂回转数和断裂伸长率较处理前分别增加了60.07%和17.89%。

综合考虑不同因素对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响，NMP处理苎麻纤维的较佳工艺条件为：NMP质量分数15%，处理时间60 min，处理温度80 ℃。

2.4 结晶性能分析

图4示出较佳工艺处理前后苎麻纤维的X射线衍射图。

图4 处理前后苎麻纤维的X射线衍射图Fig.4 X-ray diffraction spectra of ramie fibers before and after treatment

由图4可知，处理前后的苎麻纤维衍射峰没有明显变化。通常15°和23°处为I型纤维素和II型纤维素的特征峰，图4中2条曲线在2θ为15°和23°处均有明显特征峰，表明处理后纤维中没有生成新的晶型。经Jade 6.0软件对图谱分析计算，得到处理前后纤维的结晶度分别为80.37%和70.19%，可见处理后纤维的结晶度下降了12.67%，表明苎麻纤维内晶区消减。

2.5 化学结构分析

图5示出经较佳工艺处理前后苎麻纤维的红外光谱图。可知，处理前后苎麻纤维的红外光谱图几乎完全相同，均有明显的纤维素I型特征谱带。在纤维素图谱中，3 336、3 332 cm-1处为—OH伸缩振动峰，2 898、2 896 cm-1处为饱和C—H的伸缩振动峰，1 428、1 426 cm-1处为C—H的面内弯曲振动峰，1 186、1 184 cm-1处为C—O的伸缩振动峰。处理前后纤维的特征峰大致相同，表明NMP处理并未改变苎麻纤维的化学基团。

图5 处理前后苎麻纤维的红外光谱图Fig.5 Infrared spectrum of ramie fibers before and after treatment

2.6 表观形貌分析

图6示出经较佳工艺处理前后苎麻纤维的表观形貌。

图6 处理前后苎麻纤维的扫描电镜照片(×1 500)Fig.6 SEM images of ramie fibers before(a) and after(b) treatment(×1 500)

由图6可知，处理后的苎麻纤维表观形态发生了较明显的变化，处理前纤维表面有明显麻节，并且纵向有天然沟壑，经溶胀处理后，苎麻纤维的表面变得粗糙，麻节被弱化，原有的竖纹沿纵向延伸形成劈裂，因此，对纤维进行柔软处理时，应尽可能减少纤维劈裂损伤。

3 结 论

1) 采用N-甲基吡咯烷酮对苎麻纤维进行柔软处理，当NMP质量分数增加，处理时间延长或处理温度升高时，苎麻纤维的断裂伸长率随之增加，而断裂强度随之降低。当NMP质量分数增加或处理时间延长，苎麻纤维的断裂回转数先增加后减小。当处理温度升高，苎麻纤维的断裂回转数先增加后保持稳定。

2) 通过实验得出较佳处理工艺参数：NMP质量分数为15%，处理时间为60 min，处理温度为 80 ℃。经该工艺处理后，苎麻纤维结晶度降低了12.67%；处理过程没有改变苎麻纤维的化学基团；处理后苎麻纤维表面麻节弱化，纵向形成裂缝。