微波辅助脱胶棉秆皮纤维的纺纱性能

董 震褚特野陆 宁潘希恒李德华

（1.南通大学，江苏南通，226019；2江西恩达麻世纪科技股份有限公司，江西新余，336600；3.江苏新金兰纺织制衣有限公司，江苏盐城，224600）

从棉秆皮为代表的废弃物中获得有价值的纤维原料是当前纺织材料领域的重要研究方向之一［1］。这类纤维原料的共同特征是直径粗、木质素含量高。与其他参数相比，纤维细度对纺织加工的影响更加关键。因此，降低纤维细度、改善纤维的可纺性是这类材料获得高价值纺织应用的前提［2］。

目前为止，多数文献都从脱木质素的角度展开研究［3］。木质素的去除可以改善纤维细度，使纤维更柔软，提高纤维的可纺性［4］。但是，作为细胞间的连接物质，木质素的去除不可避免会引起纤维断裂强度的下降，对纺纱不利。因此，多数研究都在上述两种因素间寻找平衡［5-7］。

我们的前期专利报道了一种既能改善纤维细度，又能避免纤维强度下降的方法［8］。以甘油/NaOH为溶剂，采用微波辅助快速升温，达到沿纤维径向从外向内定向脱胶的目的。一方面利用甘油的黏度降低NaOH的渗透速度；另一方面利用微波快速升温至160℃～170℃，减少脱胶时间。通过上述两种设计将高温脱胶行为控制在纤维束外侧。本试验采用此脱胶技术获得棉秆皮纤维，研究其可纺性。

1 试验部分

1.1 材料与设备

未处理棉秆皮纤维（直径65μm，断裂强度4.0 cN/dtex）；混纺用棉纤维（细度1.5 dtex，长度29.2 mm）；对比用的棉秆皮纤维采用高温碱煮方法获得（温度160℃、时间60 min、浴比40∶1）。

FN300A型罗拉式梳理机（青岛精佳纺织机械制造有限公司）；XH200A型电脑微波固液相合成萃取仪（北京祥鹄科技发展有限公司）；LLY-06B型电子单纤维强力仪（莱州电子仪器有限公司）；KYKY 2800型扫描电镜（北京中科科仪股份有限公司）；YG061F型电子单纱强力仪（莱州电子仪器有限公司）；YG171L型纱线毛羽测试仪（莱州电子仪器有限公司）。

1.2 微波辅助棉秆皮纤维脱胶

首先，以甘油为溶剂，配置NaOH质量分数为8%的甘油/NaOH溶液；称取5 g棉秆皮纤维，与10 g甘油/NaOH溶液均匀混合。将上述纤维在900 W功率微波下作用18 s后浸于室温水中彻底漂洗至中性；纤维干燥，再经罗拉式梳理机梳理后用于测试和纺纱。

1.3 棉秆皮纤维性能测试

棉秆皮纤维的形态在扫描电镜下观察，放大500倍。纤维直径由200根纤维的直径测量值计算平均值得到。由于微波辅助脱胶条件下，除非纤维解体，其平均长度均大于60 mm，远超棉型化纤标准长度38 mm。因此，本研究对脱胶过程中的纤维长度变化不作分析。

棉秆皮纤维的木质素含量采用GB 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》进行测定。

将10 mm长的棉秆皮纤维在捻度仪上沿自身长轴旋转直至断裂，记录旋转圈数，定义为挠曲度。采用该法测试棉秆皮纤维的挠曲度。挠曲度越高，表明纤维在纱线中越容易进行内外转移，成纱结构越均匀。

棉秆皮纤维的断裂强度、断裂伸长及杨氏模量等在LLY-06B型电子单纤维强力仪上测试。试验前，纤维在温度21℃及相对湿度65%的条件下平衡24 h左右。夹持距离10 mm，拉伸速度10 mm/min。每个数据测试200根纤维。

棉秆皮纤维与棉纤维按7∶3的比例手工混和后，按梳棉、并条、粗纱、细纱的加工流程进行纺纱。设 定3种 纱 线 号 数18.5 tex、29.5 tex、49.2 tex，在各号数下纺制不同捻系数的纱线。

1.4 纱线性能测试

按GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定（CRE法）》，在YG061F型电子单纱强力仪上测试纱线的强度、断裂伸长率。依据FZ/T 01086《纺织品纱线毛羽测定方法投影计数法》，在YG171L型纱线毛羽测试仪上测试3 mm毛羽数。

2 结果与分析

2.1 棉秆皮纤维的形态和尺寸

图1 是未处理、高温碱煮及微波脱胶后的棉秆皮纤维表面形态。

图1 棉秆皮纤维的表面形态

由图1可以看出，未处理的棉秆皮纤维直径约65μm，表面有大量胶质包覆；高温碱煮后的纤维表面胶质较少，纤维直径降至45μm；微波辅助脱胶后的棉秆皮纤维直径降至28μm左右，纤维表面较洁净。棉秆皮纤维内的胶质以木质素为主，三维网络结构的木质素较难去除，高温条件下木质素能被更有效地降解去除。在本试验中，经900 W功率微波作用18 s后，溶剂温度已升至170℃，能有效保证木质素降解和单细胞剥离。因此，900 W微波条件下易得到直径细、表面洁净的棉秆皮纤维。

2.2 棉秆皮纤维的木质素含量

经测试，未处理、微波脱胶、高温碱煮棉秆皮纤维的木质素含量分别为（16.9±1.5）%、（14±1.6）%、（4.5±0.6）%。未处理的棉秆皮纤维木质素含量最高，达到16.9%。高温碱煮后，棉秆皮纤维木质素含量降至4.5%，表明木质素在160℃温度下去除效率高。但是，由于脱胶过程在高温高压环境下进行，纤维内外侧的木质素被同时去除。虽然900 W功率的微波作用18 s后，溶剂温度升至170℃，脱胶后的纤维木质素含量仍保持在14%的较高水平，表明木质素未发生大量降解或被溶解去除。因此，可以推测，微波条件下棉秆皮纤维的脱胶被控制在纤维束外侧。

2.3 棉秆皮纤维的应力应变曲线

3种棉秆皮纤维的应力-应变曲线如图2所示。

图2 3种棉秆皮纤维的应力-应变曲线

由图2可以看出，与未处理的棉秆皮纤维相似，微波脱胶后的棉秆皮纤维表现出高强度、高模量的特征，而高温碱煮后的棉秆皮纤维断裂强度和模量均出现下降。这一现象与脱胶模式的猜测一致。在高温高压碱煮模式下，纤维内外侧的胶质被同步去除，直接导致纤维强度和模量的下降；采用微波升温形式，脱胶行为被控制在纤维束外侧，内部的纤维结构受影响较小。因此，微波处理后的纤维整体表现出强度高、模量高的特征。

2.4 纤维的挠曲度

挠曲度可间接反映纤维沿着纱线径向转移的性能。经测试，未处理、微波脱胶、高温碱煮棉秆皮纤维的挠曲度分别为（8.6±1.0）圈、（12.1±1.3）圈、（15.7±1.7）圈。由此可以看出，未处理棉秆皮纤维的挠曲度仅8.6圈，这与紧密堆砌的纤维结构有关。高温碱煮后，纤维内外侧的木质素被同步去除，结构变得松软，挠曲度值升高，这一现象与高温碱煮后棉秆皮纤维较低的杨氏模量是一致的。在微波辅助脱胶过程中，胶质是沿着纤维束径向从外侧向内侧逐步去除的。脱胶后的纤维内侧紧凑，外侧松软。因此，微波脱胶后的棉秆皮纤维挠曲度高于未处理的棉秆皮纤维，但低于高温碱煮后的棉秆皮纤维。

2.5 棉秆皮纤维混纺纱的性能

不同号数棉秆皮纤维混纺纱的断裂强度测试结果如图3所示。

图3 棉秆皮纤维混纺纱与纯棉纱断裂强度的比较

由图3可以看出，捻系数相同时，棉秆皮纤维混纺纱的断裂强度基本低于相同号数的纯棉纱；号数相同时，棉秆皮纤维混纺纱的临界捻系数值均高于纯棉纱。在本研究中，18.5 tex、29.5 tex、49.2 tex混纺纱的最高断裂强度分别达到16.0 cN/tex、16.9 cN/tex及17.5 cN/tex，远高于前期研究中高温碱煮棉秆皮纤维混纺纱的12.0 cN/tex，这得益于纤维细度和强度的改善。虽然微波脱胶后的棉秆皮纤维挠曲度测试值略低于高温碱煮后的纤维，但纤维直径小和强度高的优势改善了混纺纱的性能。

棉秆皮纤维混纺纱的断裂伸长率如图4所示。由图4可以看出，棉秆皮纤维混纺纱的断裂伸长率随捻系数升高逐渐升高，而纯棉纱的断裂伸长率经过初期上升阶段后出现临界值。这一现象的原因是两种纱线内纤维间抱合力的差异。棉秆皮纤维的直径比棉纤维粗，缺少棉纤维的天然转曲，与棉纤维之间的抱合力不足。捻系数的升高可以改善两种纤维间的抱合，提高混纺纱的断裂伸长率。纯棉纱的捻系数存在临界值，超过此临界值后，继续升高捻系数反而会损伤纱线的弹性和延伸性，导致纱线断裂伸长率下降。

图4 棉秆皮纤维混纺纱与纯棉纱断裂伸长率的比较

棉秆皮纤维混纺纱的3 mm毛羽数测试结果如图5所示。

图5 棉秆皮纤维混纺纱与纯棉纱3 mm毛羽数的比较

图5 中，纯棉纱和棉秆皮纤维混纺纱的3 mm毛羽数都存在一个临界值。低于临界值时，3 mm毛羽数随捻系数增加呈减小趋势，这是因为加捻利于纤维沿纱线径向的转移，减少了头端暴露的机会。但是，捻系数过高会使纤维头端垂直于纱线表面，同时极易引起小辫子纱现象。与纯棉纱相比，棉秆皮纤维混纺纱的临界捻系数较高，这也说明棉秆皮纤维的可纺性不如棉纤维，棉秆皮纤维混纺纱的成纱结构不如纯棉纱。

3 结论

（1）微波辅助脱胶方法可在不损伤纤维结构强度的前提下，获得可纺性较好的棉秆皮纤维。该纤维表现出直径细、挠曲度好、强度高的优点。

（2）用微波辅助脱胶方法获得的棉秆皮纤维可纺性显著优于高温碱煮获得的棉秆皮纤维。

（3）在纺纱应用表现上，棉秆皮纤维直径和强度的改善可弥补自身结构脆性的不足。