碱处理对PHA纤维性能的影响

廖杏梅，周露露，王祥荣

（苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215123）

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一类由微生物在氮、磷、微量元素等营养缺乏，碳源充足的不均衡条件下合成的脂肪族聚酯［1］，具有生物可降解性、生物相容性和多变的材料学性能，现已引起医学、生物、材料、纺织等领域的广泛关注［2-4］。

在纺织领域，静电纺丝是PHA 纤维成形的主要手段［5］，由静电纺丝纤维构成的无纺布织物具有很大的比表面积，纤维表面具有小孔等特殊形态［6］。近年来，已有研究机构和企业采用熔融纺丝技术试生产PHA长丝和短纤产品用于新型纺织品开发。

碱减量处理是目前用于改善聚酯纤维亲水性及纤维表面形态的常见方法［7］，涤纶在碱减量处理后手感变柔软、光泽变柔和，改善了吸湿排汗性，达到了仿真丝的效果［8］；涤纶仿棉织物碱减量处理后触感接近于棉织物，达到了较好的仿棉效果［9］；聚乳酸织物经碱减量处理后吸湿性及透气性增加，断裂强力下降，柔软度及蓬松感显著提高［10］。本实验对PHA纤维进行了碱处理，探究减量率对纤维强力、吸湿性、染色性和表观形貌等的影响，为后续PHA 纤维的染整加工提供参考。

1 实验

1.1 材料与仪器

纤维：PHA纤维（70 D/48 f，宁波天安生物材料有限公司）。

试剂：醋酸、醋酸钠、丙酮（国药集团化学试剂有限公司，分析纯），氢氧化钠（江苏强盛化工有限公司，分析纯），分散红3B染料（市售，工业品）。

仪器：ALC-210.4 电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司），TM3030 型台式扫描电子显微镜（日本日立公司），INSTRON3365 型万能材料试验机（美国英斯特朗公司），GKC216 型数显控温水浴锅（上海浦东新区电理仪器厂），Starlet DL-8000 红外染色机（韩国大林丝达乐株式会社），DHG-9146A 型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 碱处理条件对PHA纤维减量率的影响

1.2.1.1 碱质量浓度

分别配制不同质量浓度的氢氧化钠溶液，升温至90 ℃，将PHA 纤维置于其中（浴比1∶30），处理45 min，降温，取出纤维，充分水洗，烘干，称重，计算减量率。

1.2.1.2 处理温度

配制1 和3 g/L 氢氧化钠溶液，分别升温至指定温度，将PHA纤维置于其中（浴比1∶30），处理45 min，降温，取出纤维，充分水洗，烘干，称重，计算减量率。

1.2.1.3 处理时间

配制1 和3 g/L 氢氧化钠溶液，升温至90 ℃，将PHA纤维置于其中（浴比1∶30），分别处理指定时间，降温，取出纤维，充分水洗，烘干，称重，计算减量率。

1.2.2 碱处理对纤维性能的影响

用水/丙酮（体积比3/7）配制分散染料母液100 mL，分散红3B 染料2%（omf），用乙酸-乙酸钠缓冲溶液调节pH为5。将染液升温至40 ℃，投入碱处理后的纤维（浴比1∶50），以2 ℃/min 升温至100 ℃，保温60 min，待试样冷却后充分水洗，晾干。

1.3 测试

1.3.1 形貌特征

采用台式扫描电子显微镜测试。

1.3.2 减量率

将纤维在标准条件（温度20 ℃，相对湿度65%）下平衡24 h，测试纤维碱处理前后的质量，采用下式计算减量率：

式中：m0为碱处理前纤维的质量；m1为碱处理后纤维的质量。

1.3.3 表面得色量（K/S值）

采用Ultra Scan PRO 型分光测色仪，在D65光源、10°视场下进行测试，每个试样测试6次，取平均值。

1.3.4 上染率

取染色残液1 mL，用缓冲溶液定容至50 mL，采用TU-1810 紫外可见分光光度计测定染色原液和残液在最大吸收波长544 nm 处的吸光度A0和A1，上染率采用下式计算：

1.3.5 拉伸强力

将纤维在标准条件（温度20 ℃，相对湿度65%）下平衡24 h，根据GB/T 14344—2008《化学纤维 长丝拉伸性能试验方法》，采用万能材料试验机测试。夹持距离50 mm，预加张力5 cN，拉伸速度10 mm/min，每个试样测试50次，取平均值。

1.3.6 回潮率

根据GB/T 6503—2017《化学纤维回潮率测试方法》，精确称取一定质量的纤维放入称量盒中，将称量盒放入100 ℃烘箱，打开盒盖，烘燥1 h后迅速盖上盒盖并放入干燥器，冷却至室温后称量，根据质量变化计算纤维回潮率，重复两次以上，求平均值。回潮率采用下式计算：

式中：m0为纤维烘前质量，g；m1为纤维烘后质量，g。

2 结果与讨论

2.1 影响PHA纤维碱处理效果的因素

2.1.1 碱质量浓度

由图1可知，在NaOH 水溶液中，PHA 纤维由于碱的作用会发生水解，随着NaOH 质量浓度的增加，PHA纤维减量率逐渐增大。

图1 碱质量浓度对纤维碱处理效果的影响

2.1.2 处理温度

由图2可知，随着温度的升高，PHA 纤维在碱溶液中水解加快，对比图1，温度对PHA 纤维的影响比碱质量浓度稍弱一些；在温度升高的同时增加碱质量浓度，会使PHA纤维的减量率增大。

图2 处理温度对纤维碱处理效果的影响

2.1.3 处理时间

由图3可知，延长碱处理时间，也会使PHA 纤维的减量率增大，对比图1，处理时间对PHA 纤维的影响较碱质量浓度小；碱质量浓度一定时，延长处理时间对PHA纤维的减量率影响不大。

图3 处理时间对纤维碱处理效果的影响

综合以上实验数据得出，减量率为7%的实验条件：NaOH 1 g/L，处理温度80 ℃，处理时间30 min；减量率为15%的实验条件：NaOH 2 g/L，处理温度80 ℃，处理时间30 min。

2.2 碱处理对纤维性能的影响

2.2.1 物理性能

如表1所示，碱处理对纤维的强力损伤很大，损伤程度随着碱质量浓度的增加而增大，说明PHA 纤维在碱溶液中易水解而变脆，因此在实际生产过程中应注意碱用量，避免PHA纤维的过度损伤。

另外，因为碱溶液破坏了PHA纤维的酯键，使得碱处理后的PHA 纤维亲水基团（如羟基、羧基等）暴露在外侧，因而增大了PHA纤维的回潮率，但是增幅不明显。

表1 碱处理对PHA纤维强力和回潮率的影响

2.2.2 染色性能

由表2可知，经过碱处理后的PHA 纤维上染率有一定提高，但是提高幅度不明显。

表2 碱处理前后PHA纤维的上染率

由图4可知，未碱处理、减量率7%和减量率15%的PHA纤维K/S值随波长变动的曲线基本一致，最大波长处的K/S值相差不大，说明碱处理对PHA纤维的表面得色量影响较小。

图4 碱处理对PHA纤维表面得色量的影响

2.2.3 形貌特征

如图5a所示，未经碱处理的PHA纤维表面光滑，粗细均匀，表面光泽好；如图5b和图5c所示，经过碱处理后的PHA 纤维表面粗糙，有不同程度的凹坑和被腐蚀的小孔，损伤程度随着碱质量浓度的增加而增大。减量率为15%时，PHA 纤维表面粗糙，损伤严重，因此在实际处理过程中要注意碱用量，避免PHA纤维的过度损伤。

图5 不同碱处理条件处理后的PHA纤维电镜图

3 结论

（1）PHA 纤维的碱处理条件中，碱质量浓度的影响最大，增加碱质量浓度能够显著增大PHA 纤维的减量率；其次是处理温度，而处理时间的影响最小。

（2）PHA 纤维经过碱处理后上染率增加，回潮率增大，但是随着减量率的增加，强力损失增大，且纤维表面损伤严重，因此在实际处理过程中要注意碱用量。