碱-尿素预处理温度对亚麻纱线强伸性的影响

高一传 王宗伟 刘建立 姜为民 高卫东

(1.江南大学，江苏无锡，214122；2.黑牡丹纺织有限公司，江苏常州，213000)

麻织物具有自动调湿、抗过敏、抗菌耐辐射、耐摩擦、导热性能好、不易产生静电等独特的功能，是21世纪理想的绿色天然环保精品。但由于亚麻纤维结晶度和取向度较高[1]、单纤维断裂强度高、伸长变形小、纤维弯曲和扭转刚度大，使得亚麻纱线断裂伸长率低、条干不匀率较高，在织造过程中，造成大量的断头和布面吊经疵点，可织性差[2]。针对亚麻纱线存在的问题，国内外学者对亚麻单纤维、亚麻落麻纤维[3]、亚麻二粗纤维[4]、亚麻打成麻[5]等进行物理、化学、生物改性处理，提高亚麻纤维的可纺性，改善亚麻细纱的质量。但直接对亚麻细纱进行预处理的研究较少。本文在前人研究的基础上，使用低温低浓度的碱-尿素体系对亚麻原色纱进行预处理，研究不同预处理温度对纱线性能的影响，并分析纱线表面结构和微观形态变化对纱线强伸性的影响。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：烧碱(NaOH)，尿素(CH4N2O)，冰醋酸(C2H4O)；35.7 tex(28 Nm)雨露亚麻纱线(江苏新申亚麻有限公司)。

仪器：VHX-5000型超景深三维数码显微镜(基恩士公司)；YG086型缕纱测长机；FA2104S型电子天平；D2PHASER X型射线衍射仪(德国布鲁克AXS有限公司)；NICOLET is10 FT-TR型红外变化光谱仪(赛默飞世尔科技有限公司)；岛津SHIMADZU型电子拉伸试验机(上海智川工贸有限公司)；YG155A型纱线捻度机(常州市天祥纺织仪器有限公司)；LHS-80HC-Ⅱ型恒温恒湿箱(上海一恒科学仪器有限公司)；电热鼓风干燥箱。

1.2 碱-尿素体系预处理工艺流程

先将原纱在恒温恒湿箱(温度21 ℃，相对湿度65%)中预调湿24 h，测得：纱线捻向Z捻、捻度65.19捻/10 cm，纱线断裂强力903.699 cN，纱线断裂伸长率1.983%。配置氢氧化钠-尿素溶液(氢氧化钠5%、尿素6%)，将纱线按1∶15浴比、浸渍在配制的溶液中30 min，改变体系处理温度(-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃)，处理后水洗，在冰醋酸下进行中和，在85 ℃的烘箱下进行烘干，并在恒温恒湿箱中平衡24 h，测量纱线各项性能[6]。

1.3 性能测试

1.3.1 失重率测定

对预处理前后的亚麻纱试样进行烘干、称量，称量3次，求其平均值，用于计算纱线失重率[7]。

1.3.2 纱线捻度测定

取雨露亚麻纱线和预处理后的雨露亚麻纱线，分别在YG155A型纱线捻度机上进行捻度测试。测定时采用解捻加捻法，预加张力4 cN，测定纱线长度50 cm，每个试样测量10次，求其平均值，计算纱线捻度。

1.3.3 断裂强力与断裂伸长率的测定

分别对预处理后的雨露亚麻纱线和原纱在岛津SHIMADZU型电子拉伸试验机上进行纱线强伸性测试。试验条件：拉伸速度250 mm/min、试样夹持距离250 mm。每个试样测量50次，求其断裂强力、断裂伸长率的平均值。计算断裂强力和断裂伸长率。

1.3.4 超景深三维试验

改变体系处理温度对雨露亚麻纱线预处理，烘干平衡后，经数码显微镜拍照，放大100倍～500倍，分别在不同放大倍数下观察不同温度条件下预处理后的雨露亚麻纱线和原纱表面形态变化。

1.3.5 X射线衍射试验

首先将雨露亚麻纱线和预处理后的雨露亚麻纱线剪成粉末，然后调整入射角5°至50°，分别在X射线衍射仪上进行X射线衍射，测定各个入射角θ以及相对应的X射线衍射强度，以2θ为横坐标，X射线衍射强度为纵坐标，绘制原纱和不同体系温度处理后纱线的X射线衍射强度曲线。利用其X射线的衍射图谱，分析纯亚麻纱线经过不同温度条件下预处理后结晶度和取向度变化情况[8]。

1.3.6 FT-IR傅立叶红外光谱试验

将雨露亚麻纱线和预处理后的雨露亚麻纱线分别在ATR附件上进行制样，在OMNIC软件中设置试验参数，检查光学信号，先采集背景，后采集样品，扫描和输出红外光谱图。利用伸缩振动峰，分析不同温度条件下预处理后的亚麻纱线官能团变化情况。

2 结果与分析

2.1 纱线失重率

碱-尿素预处理温度对亚麻纱线失重率的影响见图1。从图1可以看出，在相同条件下，失重率随着体系处理温度的降低逐渐增大。在25 ℃～20 ℃时，失重率急剧增加。这是因为将亚麻纱线浸渍到碱-尿素预处理体系中时，预处理溶液体系的化学电位明显高于亚麻纱线体系，而亚麻表面带有负电位，使得预处理溶液进入纤维表面及空隙，与胶质发生反应形成复合盐和溶出胶束并扩散进入预处理溶液中，使得纱线失重率变化较快；在20 ℃～5 ℃时，亚麻纱线的失重率基本处于平衡状态，是因为亚麻表面形成被覆的多糖高分子物凝胶,阻止预处理溶液进入亚麻纤维内部，而且在低浓度碱的条件下，亚麻纤维中很少的羟基与碱发生化学作用生成碱纤维素和水分子，水分子只能进入纤维无定形区，使得纤维溶胀度小、破坏的氢键也较少，亚麻纱线的失重率基本处于平衡状态；当体系处理温度在5 ℃以下时，亚麻纱线失重率又继续增大，这是因为低温条件下，使用碱-尿素溶液对亚麻纱线进行预处理，影响Na+与水、OH-与尿素的氢键相互作用，纤维素发生溶胀，纤维素的氢键被破坏，降低分子间作用力，水化作用更明显，靠大量氢键连接的果胶、木质素、含氮杂质被去除，使得亚麻纱线的失重率增大。

图1 碱-尿素预处理温度对亚麻纱线失重率的影响

2.2 纱线捻度

碱-尿素预处理温度对亚麻纱线捻度的影响见图2。从图2可以看出，在相同条件下，随着体系处理温度的降低，亚麻纱线的捻度逐渐增大。亚麻纤维本身刚性大、无卷曲，对亚麻纱线进行预处理后，纤维卷曲，纱线直径变大、长度缩短，使得单位长度内的捻回数增加。在一定范围内，捻度越高，纤维产生的向心力越大，纤维抱合越好，使纤维间的摩擦力增大，纱线断裂时纤维滑脱根数减少，纱线的断裂强力和断裂伸长率增大。但预处理后由于碱溶液损伤亚麻纤维且在低温碱条件下，亚麻纤维发生剧烈溶胀，使纱线的断裂强力下降。

图2 碱-尿素预处理温度对亚麻纱线捻度的影响

2.3 纱线的断裂强力和断裂伸长率

碱-尿素预处理温度对亚麻纱线强伸性的影响见图3。从图3可以看出，随着预处理体系温度的降低，亚麻纱线的断裂强力呈先增大后减小的变化趋势，断裂伸长率总体呈增大趋势。在25 ℃～5 ℃时，由于对亚麻纱线预处理可以去除亚麻纤维中的果胶、木质素、杂质，使得纤维柔软而富有弹性，减小纤维的轴向分力，使得纱线断裂强力增大。温度越低，对Na+与水、OH-与尿素的氢键相互作用越有利，在亚麻纱线表面形成氢键复合物，使得纱线的断裂强力持续增大。当在5 ℃以下时，随着温度的降低，纤维表面溶胀度变大，小部分的纤维素开始溶解，且碱溶液对纤维有一定的损伤，造成断裂强力又逐渐减小。在25 ℃～5 ℃时，碱-尿素预处理可去除一部分纤维素伴生物杂质(半纤维素、木质素、果胶、含氮杂质)，破坏氢键，使得分子间作用力减小，纱线断裂伸长率增加缓慢；在低温度下，使用碱-尿素对亚麻纤维进行预处理，由于亚麻纤维中存在大量的羟基(呈弱酸性)，可与碱发生作用，生成碱纤维素和大量水，水分子可进入纤维素无定形区，使得纤维素发生溶胀，破坏纤维素的氢键，降低分子间作用力。随着温度的降低，亚麻纤维素溶胀愈明显，使得断裂伸长率增大。

图3 碱-尿素预处理温度对亚麻纱线强伸性的影响

2.4 超景深三维试验

利用超景深显微镜对亚麻原纱和不同体系温度预处理后的纱线进行观察，放大300倍，结果见图4。

(a)原纱

(b)25 ℃

(c)20 ℃

(d)15 ℃

(e)10 ℃

(f)5 ℃

(g)0 ℃

(h)-5 ℃

(i)-10 ℃

图4 原纱和不同温度碱-尿素预处理后纱线效果图

从图4可以看出，亚麻原纱表面附着物较多、不光滑、且存在大量胶质，纤维分裂度较小，几乎无卷曲，灰度也较大；经过碱-尿素体系预处理后，亚麻纱线内部纤维表面的木质素、果胶等杂质被去除，亚麻纤维由束纤维变成单纤维，纱线表面更加光滑。随着温度的降低纱线表面的胶质等杂质被去除，纤维卷曲数明显增加，纤维发生溶胀，纱线的直径明显增大，纱线表面越来越光滑，灰度逐渐下降。

2.5 X射线衍射测试分析

对亚麻原纱和不同体系温度预处理后的纱线烘干平衡后在X射线衍射仪上，测定入射角θ及相对应的X射线衍射强度，绘制的X射线衍射强度曲线见图5。由图5可以看出，亚麻纱线在不同温度预处理后X射线衍射曲线形状及衍射峰所对应的衍射角都发生了明显的变化。

图5 原纱和不同温度碱-尿素预处理后X射线衍射图

利用X射线衍射图计算处理前和不同温度处理后亚麻纤维的结晶度和取向度，计算结果见表1。

表1不同温度处理后亚麻纤维的结晶度和取向度

试样结晶度/%取向度/%原纱25 ℃处理20 ℃处理15 ℃处理10 ℃处理5 ℃处理0 ℃处理-5 ℃处理-10 ℃处理88.067.062.056.053.042.542.040.039.085.069.065.059.056.049.045.043.042.0

由X射线衍射图谱和亚麻纤维结晶度、取向度变化可知，碱-尿素预处理后纤维的结晶度和取向度减小，且随着预处理温度的降低，结晶度和取向度越来越小。在温度低于5 ℃后，结晶度和取向度的变化更明显，无定形区增加，原纤与纤维轴之间的夹角变小。这是由于在低温条件下，亚麻纤维素纤维在碱-尿素预处理体系中发生剧烈溶胀，碱分子与纤维素大分子上羟基结合，导致纤维素氢键分子间力的削弱，迫使纤维素大分子间距离增大，改变其序态，使结晶度下降，无定形区扩张。而尿素也是一种吸湿性强、水化能力较大的有机化合物，因此当碱液中存在微量的尿素时，发生的水化作用进一步迫使已被碱液所润湿和充满的微纤间隙扩大，纤维进一步溶胀；同时，碱可与纤维素发生反应，生成碱纤维素，使纤维素发生润胀，增加了纤维素的内表面积，并在一定程度上降低了纤维素的结晶度和取向度。预处理后结晶度降低，分子间距离增大，分子间作用力减小，断裂伸长率增加；取向度及大分子链主轴与原纤维轴的平行程度降低，原纤与纤维轴之间的夹角变小，断裂伸长率随之增大。

2.6 FT-IR傅立叶红外光谱分析

取烘干平衡后的亚麻原纱和不同体系温度预处理后的纱线，在FT-IR型傅立叶红外光谱仪上进行红外光谱测试，获得红外光谱图，见图6。

(a)25 ℃～10 ℃

(b)5 ℃～-10 ℃

3 结论

(1)亚麻纱线失重率随着体系处理温度的降低逐渐增大；纱线捻度随体系处理温度的降低逐渐增大；纱线断裂强力随处理温度的降低先增大后减小，纱线断裂伸长率随着温度的降低逐渐增大；随着预处理体系温度的降低，亚麻纱线内部纤维表面的木质素、果胶等大部分杂质被去除，纤维发生溶胀，纤维直径变大，单根纤维之间的表面附着物明显减少，纱线表面更加光滑，纱线细度更细，纤维卷曲度也明显增加；结晶度和取向度明显变小，纤维微观结构发生变化，纤维分子间距离增大，纤维分子间作用力减小，使得亚麻纱线的断裂强力减小，断裂伸长率增大。

(2)将碱-尿素预处理体系温度控制在-5 ℃至-10 ℃之间将实现低浓度碱对亚麻纱线的改性，保证原纱的断裂强力损失不大，并使纱线断裂伸长率从1.983%提高到3.647%，提高了亚麻纱线的质量，改善了亚麻经纱可织性差的缺点。低温低浓度的碱-尿素预处理体系相比于电子束辐射活化、浓碱化学改性、液氨处理、超声波改性、生物酶处理等其他改性手段更加合理可靠，工艺简单、节约成本和能源，更容易满足现代亚麻生产的需求。