再生纤维素纤维的鉴别方法研究

阮凌峰,吴 乾,李 莹,孙嘉憶

(上海市质量监督检验技术研究院,上海200040)

再生纤维素纤维绿色生态,属于可再生资源,具有环保性,同时拥有优良的吸湿性和穿着舒适性,备受消费者喜爱[1-2]。随着纺织科学技术的发展,再生纤维素纤维形成了三代产品,每一代产品的理化性能得到了很大改良,同时生产过程中对环境的污染进一步减小,因此,推动了再生纤维素纤维的应用[3-5]。目前,再生纤维素纤维的鉴别标准有FZ/T 01057-2007[6]、AATCC 20 2011[7]、ASTM D 276[8]以及JIS L 1030-1-2005[9],原理都是用燃烧法、溶解法、红外光谱法等确定为纤维素纤维,然后结合显微镜法根据形态的不同,最终确定纤维的种类。对于天然纤维素纤维,纤维横纵向形态虽然不完全相同,但却具有明显的固有特征,比如棉纤维,纵向扁平带状、有天然转曲,横截面有中腔,呈不规则的腰圆形。而再生纤维素纤维是人造纤维,其横纵向形态随生产工艺的改变而改变,对于横截面呈圆形或近似圆形的再生纤维素纤维,如莱赛尔纤维、铜氨纤维及台湾台化集团生产的圆形莫代尔纤维,运用现有方法会造成纤维鉴别的不确定性或无法鉴别[10]。选择3种再生纤维素纤维,采用碱液将纤维浸渍一段时间,研究纤维的长度选择、碱液种类、浸渍时间、碱液浓度等对再生纤维素纤维的膨胀率的影响,找出在同一条件下,使不同种类的再生纤维素纤维的膨胀率达到较大差异,建立纤维种类与膨胀率之间的对应关系,从而达到鉴别的目的。

1 材料与仪器

试验材料与仪器见表1。

表1 试验材料与仪器

2 试验方法

将再生纤维素纤维剪成一定长度的纤维,置于载玻片上,盖上盖玻片,放置在纤维细度仪显微镜的载物台上,用吸管吸一滴碱液滴在盖玻片一端,测量纤维的直径,计算膨胀率。

膨胀率(%)=(纤维膨胀后直径-纤维直径)/纤维直径×100

3 结果与讨论

选择常用的再生纤维素纤维,采用碱液将纤维浸渍一段时间,研究纤维的长度选择、碱液种类、浸渍时间、碱液浓度等对再生纤维素纤维膨胀率的影响,找出在同一条件下,使不同种类再生纤维素纤维的膨胀率达到较大的差异,建立纤维种类与膨胀率之间的对应关系,从而达到鉴别的目的,如图1所示。

图1 湿膨胀操作方法

3.1 纤维长度的影响

图2 纤维图像

采用哈氏切片器将纤维(图2)切成较短的纤维束,当纤维浸渍在碱液中,随着吸附大量的水分子,纤维直径不断增大。由于纤维长度较短,当纤维的直径膨大到与纤维长度近似的尺寸时,碱液不止从纤维的皮层渗入,还会大量地从横截面端进入纤维内部,纤维发生变形,影响纤维直径测量的准确性;纤维较长时,纤维容易交织、缠绕、堆叠在一起,不易分散,交叠处的纤维对纤维直径的膨胀会产生阻碍作用,影响正常纤维膨大直径的测量,故应选取合适的纤维长度进行后续试验。由于纤维膨胀后直径在30～80μm 之间,纤维自身的直径在5～20μm 之间,故选取0.3～0.8 mm 的纤维长度可以满足要求,且样品制作简单,易操作。

3.2 碱液种类的影响

采用单一种类的碱液测试纤维直径的膨胀率,作为纤维种类的鉴别依据稍显单薄,且纺织面料的纤维都经过染色后整理等染料、助剂的影响,纤维的微观结构会受到影响,与未经任何化学试剂处理的原纤维的湿膨胀率会略有不同,故需提供尽量多组参数,对纤维进行分析鉴别。选取了三级水、氨水、碳酸钠、碳酸氢钠、烧碱配制5组溶液,观察不同再生纤维素纤维的湿膨胀率,分析湿膨胀率与纤维种类的对应关系,从而达到定性鉴别的目的,试验结果如图3、图4、图5、图6、图7、图8所示。

图3 不同种类的再生纤维素纤维

图4 三级水浸渍后的不同种类再生纤维素纤维

图5 氨水浸渍后的不同种类再生纤维素纤维

图6 碳酸氢钠浸渍后的不同种类再生纤维素纤维

由图3～图7知,三级水、氨水、碳酸氢钠、碳酸钠浸渍后,3种纤维直径膨胀比较小,无明显变化,很难作为鉴别的依据。对比图3与图8,发现3种纤维直径膨胀较大,但几种纤维间的膨胀差异较为接近,无法直接作为鉴别的有效依据。为了寻找更为直接的鉴别依据,重点研究了烧碱溶液对再生纤维素纤维的膨胀规律。

图7 碳酸钠浸渍后的不同种类再生纤维素纤维

图8 烧碱浸渍后的不同种类再生纤维素纤维

3.3 再生纤维素纤维在烧碱溶液中的膨胀规律

研究烧碱溶液对再生纤维素纤维直径有较大膨胀作用的原理,可以从棉纤维的丝光效应[11]得到启发。

浓烧碱溶液对纤维素纤维作用产生碱纤维素。

棉纤维经烧碱溶液处理发生剧烈的不可逆溶胀原因是钠离子体积小,它可以进入到纤维的晶区;同时Na+是一种水化能力很强的离子,环绕在一个Na+周围的水分子多达66个之多,以至形成一个水化层。当Na+进入纤维内部并与纤维结合时,大量的水分也被带入,因而引起了剧烈溶胀,由于能进入晶区,因此溶胀是不可逆的。再生纤维素纤维由于与棉纤维的化学结构相同,再生纤维素纤维在碱液中也会发生同样的反应,只是由于再生纤维素纤维的微观结构与棉纤维略有不同,比如结晶度、聚合度都低很多,相对于棉纤维丝光采用的浓碱液,再生纤维素纤维在相对较低浓度的碱液中即可达到最大的膨胀率。从碱液浸渍的时间及碱液的浓度两个方面研究再生纤维素纤维的膨胀规律。

3.3.1 烧碱浸渍时间的影响

将再生纤维素纤维剪成0.3～0.8 mm,置于载玻片上,盖上盖玻片,放置在纤维细度仪显微镜的载物台上,用吸管吸一滴碱液滴在盖玻片一端,开始记时。随碱液浸渍时间0.5、1、2、3、4、5、6 min分别测量视野中固定选取的5根纤维的直径,重复30～40次试验,取纤维膨胀直径的平均值,计算纤维在碱液浸渍中随时间延长膨胀率的变化。采用烧碱浓度110 g/L,浸渍时间从最初浸渍30 s到6 min时间内,不同种类再生纤维素纤维的直径膨胀率的变化,如图9、图10所示。

图9 碱液浸渍时间对纤维直径的影响

图10 碱液浸渍时间对纤维膨胀率的影响

由图9与图10知,随浸渍时间的延长,不同种类再生纤维素纤维的直径瞬间膨大。铜氨纤维、莫代尔纤维、大部分莱赛尔纤维在碱液中浸渍1～6 min,甚至更长时间,膨胀率基本不变,有少部分莱赛尔纤维随浸渍时间的延长,膨胀率逐渐增大,直到边缘模糊,纤维在纤维细度仪视野中逐渐消失。即大部分再生纤维素纤维在烧碱溶液中直径瞬间膨大,接下来保持不变,另外小部分莱赛尔纤维在碱液中随浸渍时间的延长,膨胀率不断增大,如图11。

图11 莱赛尔纤维随浸渍时间的延长直径膨胀图

3.3.2 烧碱浓度的影响

将再生纤维素纤维剪成0.3～0.8 mm 长度,置于载玻片上,盖上盖玻片,放置在纤维细度仪显微镜的载物台上,用吸管吸一滴碱液滴在盖玻片一端,开始记时,在碱液浸渍2～5 min中测试纤维的直径变化(测试根数不少于200根),计算膨胀率。烧碱浓度为50、70、90、100、110、130 g/L,纤维的直径变化如图12、图13所示。

图12 碱液浓度对纤维直径的影响

由图12知,3种纤维的直径膨胀率随碱液浓度的升高,先增大后减小。由于随碱液浓度的升高,碱液中Na+增多,进入纤维内部Na+数增多,纤维可以吸附更多的水分子,纤维的直径随碱液浓度的升高急剧增加;当碱液浓度达到100 g/L 时,纤维向外溶胀达到最大值,随碱液浓度进一步升高,由于在室温下测定,碱液黏度上升,碱液变得粘稠,纤维内部的Na+反而减少,纤维直径不升反降。

图13 纤维直径的膨胀率随碱液浓度变化的趋势图

由图13知,纤维直径的膨胀率随碱液浓度的增大先上升后下降。在碱液浓度为70 g/L,铜氨纤维和莫代尔纤维的膨胀率接近,最低在350%左右,莱赛尔纤维的直径膨胀率较小,基本低于250%;碱液浓度为100 g/L时,铜氨纤维的膨胀率≥550%,莫代尔纤维和莱赛尔纤维膨胀率≤450%,且莫代尔纤维在碱液中边缘模糊,有部分裂痕,莱赛尔纤维边缘清晰,纤维完整,如图14～图15所示。

4 结语

根据棉纤维丝光的工艺原理,提出了湿膨胀法,尝试选用5种碱性强度不同的碱液组成碱剂梯度,研究不同纤维膨胀性的规律,建立了一系列膨胀性能与纤维种类的对应关系。但通过试验研究发现,再生纤维素纤维在碱性较弱的碱液中膨胀率较小,无法作为鉴别的有效依据,故重点研究了对再生纤维素纤维有较大膨胀率的烧碱溶液,从浸渍时间到碱液浓度,发现了存在巨大差异的碱液浓度及膨胀规律。

图14 100 g/L碱液莫代尔纤维

图15 100 g/L碱液莱赛尔纤维

70 g/L烧碱溶液中,铜氨纤维和莫代尔纤维(含台化莫代尔纤维)膨胀率≥350%,莱赛尔纤维的膨胀率≤250%。100 g/L 碱液中,铜氨纤维的膨胀率≥550%,莫代尔纤维和莱赛尔纤维膨胀率≤450%,且莫代尔纤维在碱液中边缘模糊,有部分裂痕,莱赛尔纤维边缘清晰,纤维完整。铜氨纤维、莫代尔纤维、大部分莱赛尔纤维在烧碱溶液中浸渍2～5 min,膨胀率恒定不变,有少部分莱赛尔纤维随浸渍时间的延长,膨胀率逐渐增大,直到边缘模糊,纤维在纤维细度仪视野中逐渐消失,对于有异议的纤维,可以用其他手段方法进行相互验证。