菠萝叶纤维与黏胶纤维的定量方法研究

阮凌峰,黄怡婧,张 伟,张云娟

(上海市质量监督检验技术研究院,上海200040)

菠萝叶纤维属于麻类纤维的叶纤维,又称菠萝麻和凤梨麻[1],具有优异的吸湿、透湿性能,且具有抗菌防臭、坚挺耐磨等特点,是一种来源丰富、价格低廉的新型天然纺织材料[2-7]。随着纺纱技术的突破与提高,菠萝叶纤维已成功运用于纺织产品中,有纯纺的绿色仿皮革产品,有与黏胶纤维、棉、聚酯纤维和腈纶等纤维混纺的袜子、毛巾等[8-9]。最新版的GB/T 11951-2018《天然纤维术语》[10]中加入了“菠萝叶纤维”,并从实际的检测工作中发现,已有客户送检此类产品,市场呈上升趋势,但国家暂时未有此类产品的定性定量检测方法。本文运用部分常规检测方法对菠萝叶纤维的外观形貌和溶解性能进行了研究分析,同时借鉴现有标准,对菠萝叶纤维与黏胶纤维混纺织物的定量分析进行了研究探讨,填补菠萝叶纤维产品检测的空白,促进行业发展。

1 材料及仪器

材料:菠萝叶纤维,菠萝叶纤维与棉、黏胶纤维混纺织物(市场样品),菠萝叶纤维与黏胶纤维混纺样品(实验室自制)。

试剂:硫酸、盐酸、甲酸、氯化锌、次氯酸钠、氢氧化钠、氨水、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、二氯甲烷、硫氰酸钾。所述试剂均为分析纯,由国药集团化学试剂有限公司提供。

仪器:扫描电子显微镜,光学显微镜,电热恒温振荡水槽,分析天平,烘箱。

2 试验方法

2.1 形态结构观察

光学显微镜[11]:将适量纤维和切好的纤维横截面切片平铺于载玻片上,滴一滴甘油,盖上盖玻片,置于显微镜载物台,在100～400倍下观察其形态。

电子显微镜:将适量菠萝叶纤维及纤维切片置于电子显微镜下,观察其表面微观结构。

2.2 溶解性能分析[12]

将少量纤维试样置于小烧杯中,加入适量溶剂,在指定温度下放置3 min,观察纤维溶解情况。

2.3 甲酸/氯化锌法[13]

2.3.1 溶液配制

甲酸氯化锌溶液:将20 g无水氯化锌和68 g无水甲酸加水配制成100 g甲酸/氯化锌溶液。

稀氨水溶液:将20 ml氨水用水稀释至1 L。

2.3.2 试验步骤

试样按照GB/T 2910.1-2009《纺织品定量化学分析 第1部分 试验通则》进行制备[14]。将制备好的试样迅速放入盛有已预热温度为70±2℃的甲酸/氯化锌溶液的三角烧瓶中,每克试样加入100 ml甲酸/氯化锌溶液,盖紧瓶盖。摇动三角烧瓶,浸湿试样,在70±2℃下放置20 min,期间振荡2次。振荡最后一次,用已知干燥质量的过滤坩埚过滤三角烧瓶中的残留物,依次用70℃的甲酸/氯化锌溶液、70℃水,稀氨水中和,并使残留物与溶液充分接触10 min,再用冷水冲洗至中性,每次清洗都先重力排液后,再用抽滤装置抽吸排液。烘干过滤坩埚和残留物,冷却,称重。

2.3.3 计算方法

菠萝叶纤维质量变化修正系数d的计算公式见式(1)。

式中 m0为溶解前菠萝叶纤维干燥质量(g);m1为溶解后菠萝叶纤维干燥质量(g)。

纤维含量计算公式见式(2)。

式中 p为纤维含量(%);m2为试样干燥质量(g);m3为残余物干燥质量(g);d为不溶组分的质量变化修正系数。

3 结果与讨论

3.1 菠萝叶纤维形态结构

菠萝叶纤维的表面和截面形态的光学显微镜、扫描电镜照片分别为图1、图2。

图1 菠萝叶纤维的表面和横截面结构形态图

图2 菠萝叶纤维的表面和横截面扫描电镜图

观察图1、图2,可以发现菠萝叶纤维的表观形貌和微观结构形态:纤维表面粗糙有裂缝,无天然扭曲,纵向有长形条纹,横节不明显。单纤维横截面呈椭圆形和多边形,排列密集,细胞壁厚,有中腔。束纤维由多根单纤维组成,单纤维间排列不均匀,存在一定的缝隙。

3.2 纤维溶解性能分析

菠萝叶纤维在常用试剂中的溶解性能见表1。

表1 菠萝叶纤维在常用溶剂中的溶解情况

分析表1的溶解试验,发现菠萝叶纤维在酸性条件下分解严重,在碱性环境和有机溶剂中性能稳定,与常见纤维素纤维基本一致。因此菠萝叶纤维的混纺产品可参照现有纤维素纤维的定量标准进行定量分析。根据菠萝叶纤维在甲酸/氯化锌溶液的溶解性能,参照GB/T 2910.22甲酸/氯化锌法,探究菠萝叶纤维与黏胶纤维混纺织物的定量分析。

3.3 菠萝叶纤维d值的测试

为探究甲酸/氯化锌法对菠萝叶纤维混纺产品的适用性及准确性,参照GB/T 2910.22甲酸/氯化锌法对15份100%菠萝叶纤维样品进行试验,测试其质量变化修正系数d,结果见表2。

表2 菠萝叶纤维d值测试结果

由表2可知,菠萝叶纤维在条件为70℃×20 min的甲酸/氯化锌溶液中的质量变化修正系数d为1.054 4,介于苎麻(1)和亚麻(1.07)之间。产生质量损失的主要原因是甲酸/氯化锌溶液只对菠萝叶纤维的无定形区发生部分损伤。纤维的结晶度高于亚麻,接近苎麻[15-16],但菠萝叶纤维为天然纤维素纤维,其结晶度随外部生长环境有一定变化,而且其纺纱工艺及前处理都将影响修正值,因此在今后的检测过程中还需进一步研究其质量变化情况,探索更具有通用性、合理性、科学性的修正系数。

3.4 甲酸氯化锌法定量分析

参照GB/T 2910.22甲酸/氯化锌法对不同比例的菠萝叶纤维与黏胶纤维混合物(菠萝叶纤维与棉、黏胶纤维混纺织物)进行定量分析,试验结果如表3所示。

表3 甲酸/氯化锌法对不同比例试样的影响(d=1.054 4)

从表3可以看出,甲酸/氯化锌法对菠萝叶纤维与黏胶纤维的混合物有较强的适用性,其最大偏差为1.49%,最小偏差为0.12%。其反应机理为[17]:65%的ZnCl2水溶液中,ZnCl2分子能够与水分子结合形成ZnCl2·4H2O,根据EDTA机理,ZnCl2作为电子的接受体和给予体,纤维素大分子链上的羟基氧原子与氯化锌水溶液中的Zn2+相互作用,使纤维素分子间和分子内的氢键被破坏,从而溶解纤维素。因此甲酸/氯化锌在溶解黏胶纤维的同时也会溶解菠萝叶纤维。由于菠萝叶纤维为天然纤维素纤维,其结晶度、取向度和聚合度都远高于黏胶纤维,在黏胶纤维溶解完成的过程中,甲酸/氯化锌溶液只对菠萝叶纤维的无定形区进行部分溶解,产生质量损失。在光学显微镜下观察各组样品的残余物,发现黏胶纤维已全部溶解,菠萝叶纤维相对完好。4号样品与1、2、3号样品对比,偏差偏大,主要是因为不同加工方式的菠萝叶纤维的d值不同。

4 结论

(1)菠萝叶纤维表面粗糙有裂缝,无天然扭曲,纵向有长形条纹,横节不明显。横截面呈椭圆形和多边形,有中腔。

(2)菠萝叶纤维耐碱不耐酸,有良好的耐有机溶剂性能。

(3)菠萝叶纤维的质量变化修正系数d与外部生长环境、加工工艺及溶解条件相关,在70℃×20 min的甲酸/氯化锌溶液中的质量变化修正系数d为1.054 4。

(4)甲酸/氯化锌法对菠萝叶纤维与黏胶纤维的混合物有较高的适用性。