牛皮绒纤维的制备及其性能

普丹丹，孟博洋，朱进忠

(河南工程学院 纺织工程学院，河南 郑州 450007)

牛皮是一种宝贵的资源，然而利用率却十分有限。每年只有约40%的牛皮用于正面革的生产，大部分被填埋或当作废物处理，这些主要成分为蛋白质的有机垃圾，在长时间堆置后会腐烂变质，对生态环境造成严重污染，同时也是对资源的极大浪费[1-3]。因此，开发利用皮革废弃物，将污染物转化为有用资源，避免对环境造成污染及危害，已是亟待解决的重要课题。

近年来，如何开发利用皮革废弃物受到科研工作者的广泛关注。皮革废弃物的主要成分为胶原蛋白纤维，其主要应用于造纸工业中的增强剂和胶黏剂、染色工艺中的吸附材料、再生皮革以及制备胶原纤维纱线、织物等方面[4-6]，制备胶原纤维也是当今研究的热点。王由等[7]在常温下采用高渗酸浸泡动物皮，经过清洗除酸、酶解、研磨等过程，制备了胶原纤维；张立文[8]采用物理手段回收胶原粉末、短纤维，通过毛纺、棉纺开松解纤、分级，将下脚料经过处理变成纤维绒等；尹金良[9]通过将皮革的边角料置于水中浸泡使其充分溶胀后，经离心机脱水，真皮造绒机锤击成絮状的真皮纤维团，再通过开松装置进一步开松，制备了棉絮状胶原纤维。本文在前人研究的基础上，以制革废弃物为原料，采用棉纺设备制备牛皮绒纤维，并对牛皮绒纤维的外观形态，吸湿性能、力学性能、电学性能、化学性能等方面进行分析，以期为牛皮绒纤维的开发应用提供参考，同时也为制革工业资源的综合利用提供一条新的途径。

1 实验部分

1.1 实验材料、试剂与仪器

实验材料：美国牛皮二层皮边角料。

试剂：渗透剂(工业级)、润滑剂(工业级)、石灰(市售)，盐酸(37%)、硫酸(75%)、氢氧化钠(化学纯，杭州高晶精细化工有限公司)，间甲酚、甲酸、乙酸、二甲基甲酰胺、二甲苯(化学纯，麦克林生化科技有限公司)。

仪器：Phenom G2型台式扫描电子显微镜(美国FEI公司)，XD-1型振动式细度仪(上海新纤仪器有限公司)，YG362型纤维卷曲弹性仪(南通宏大实验仪器有限公司)，XQ-1型电子单纤维强力测试仪(上海新纤仪器有限公司)，Y802N型烘箱(常州第一纺织仪器有限公司)，YG321型纤维比电阻仪(上海瑞纺仪器有限公司)，YG981型纤维油脂快速抽出器(温州百恩仪器有限公司)。

1.2 牛皮绒纤维的制备

牛皮绒纤维的制备流程为：

①溶液配制。在室温下配制渗透剂1 g/L, 润滑剂1 g/L, 石灰水1.5 g/L溶液。

②浸泡。将皮革的边角料置于步骤①中配制的溶液中浸泡24 h，浴比1∶20，温度50 ℃。

③清洗、脱水。将浸泡后的皮革边角料用自来水清洗后置于离心机中脱水，直至样品的含水率为50%～60%。

④开松。将经过步骤③的样品锤击成蓬松的纤维团，然后再用棉纺设备的开松装置将蓬松的纤维团开解、拉松成牛皮绒纤维。

⑤烘干。将制得的牛皮绒纤维置于空气中12 h后，放入60 ℃的烘箱中干燥4 h，密封备用。

1.3 测试方法与评价指标

外观形态：采用Phenom G2台式扫描电子显微镜，对牛皮绒纤维的外观形态进行观察。

纤维长度：按照GB/T 19722—2005《洗净绵羊毛》手排图法，对牛皮绒纤维的长度进行测试。由于牛皮绒纤维较短，且相互缠结在一起，测试时将纤维经过整理后，由长到短、一端平齐、均匀地排列在黑绒板上，测量5次，取平均值。

纤维线密度：按照GB/T 16256—2008《纺织纤维线密度试验方法 振动仪法》，采用XD-1型振动式细度仪对牛皮绒纤维的线密度进行测试，试样测定50根。

纤维卷曲性能：按照GB/T 14338—2008《化学纤维 短纤维卷曲性能试验方法》，采用YG362型纤维卷曲弹性仪对牛皮绒纤维的卷取个数、卷曲弹性率、卷曲率、弹性回复率等指标进行测试，样本容量20。

单纤维拉伸性能：按照GB/T 4711—1984《羊毛单纤维断裂强力和伸长试验方法》，采用XQ-1型电子单纤维强力测试仪测试牛皮绒纤维的拉伸性能，每组试样测量50根。

回潮率：按照GB/T 6500—2008《毛绒纤维回潮率试验方法 烘箱法》对牛皮绒纤维进行测试并计算，样本容量10。

含油率：按照GB/T 6977—2008《洗净羊毛乙醇萃取物、灰分、植物性杂质、总碱不溶物含量试验方法》，采用YG981型纤维油脂快速抽出器对牛皮绒纤维的含油率进行测试，样本容量10。

抗静电性能：按照GB/T 14342—2015《化学纤维 短纤维比电阻试验方法》对牛皮绒纤维的电阻值进行测试，然后计算出质量比电阻，样本容量10。

溶解性能：按照FZ/T 0105714—2007《纺织纤维鉴别实验方法 溶解性实验方法》，对牛皮绒纤维进行部分化学试剂进行溶解性实验。

2 结果与分析

2.1 外观形态

纤维的外观形态不仅影响其各项物理性能和表面性能，还直接影响其可纺性能[10]。因此，采用Phenom G2台式扫描电子显微镜对牛皮绒纤维的外观形态进行分析。牛皮绒纤维SEM照片见图1。

图1 牛皮绒纤维的SEM照片(×2 000)

由图1可知：在放大2 000倍SEM图像下，大部分牛皮绒纤维被开松，还有小部分纤维没有被完全开松。牛皮绒纤维的直径约为19.4 μm，纤维纵向形态不完全一致，呈扁平状，部分有横节。牛皮绒纤维的外观形态表明其符合纺织纤维的一般特征，具有一定的可纺性。

为了进一步表征牛皮绒纤维的外观形态，参照相关国家标准对其长度和线密度进行测试与分析，结果如表1所示。

表1 牛皮绒纤维规格

由表1可知：牛皮绒纤维的线密度范围为0.65～2.45 dtex，线密度离散度较大。根据纤维线密度与直径的换算关系可知，牛皮绒纤维的直径结果在线密度范围内，二者基本吻合。牛皮绒纤维的长度范围为5.6～17.8 mm，平均长度为14.4 mm，大于15 mm的纤维约占60%左右，相较于常规的纺织纤维，该纤维的长度偏短，不宜纺低线密度纱，可纺高线密度纱或与其他纤维进行混纺。

2.2 卷曲性能

卷曲是纺织纤维特殊的特征之一，其不仅可以增加纺纱时纤维间的抱合力，从而提高成纱强力，还可以提高纤维及其纺织品的弹性、抗皱性、保暖性等[11]。采用YG362型纤维卷曲弹性仪对牛皮绒纤维性能指标进行测试，得到：卷曲数5.5个/(25 mm),卷曲率8.9%，卷曲弹性率76.7%，卷曲弹性回复率5.2%。牛皮绒纤维卷曲数较少，仅为5.5个/(25 mm)。纤维卷曲数影响纤维间的摩擦力和抱合力，由于牛皮绒纤维卷曲数少，纤维之间抱合力差，不利于纺织加工和成纱质量。纤维卷曲率的大小于卷曲数与卷曲波的形态有关，牛皮绒纤维的卷曲数较少，卷曲波不明显，所以卷曲率也较小，为8.9%。牛皮绒纤维的卷曲弹性率和卷曲弹性回复率都比较小，分别为76.7%和5.2%。纤维的卷曲弹性率和卷曲回复率与纤维自身的刚度有关，牛皮绒纤维的初始模量较小，其刚度相应较小，因而卷曲弹性率和卷曲回复率也较低。卷曲弹性率和卷曲弹性回复率小说明纤维受力之后，卷曲明显降低，纺纱过程中纤维间的抱合力减小，影响成纱的强力。

卷曲与纤维的可纺性、成纱质量关系密切。由于牛皮绒纤维直接从皮革开松得到，纤维表面光滑，卷曲数少，纤维间的抱合力差，不利于纤维成纱强力的提高。

2.3 拉伸性能

拉伸性能是纺织纤维重要的物理性能，其决定纤维的用途。采用XQ-1型电子单纤维强力测试仪对牛皮绒纤维的拉伸性能进行测试，结果如表2所示。

表2 牛皮绒纤维拉伸性能

由表2可知：牛皮绒纤维干态断裂强度与湿态断裂强度的平均值分别为14.8、10.2 cN/dtex，相比于文献[12]同类纤维高得多，说明牛皮绒纤维抵抗外力破坏能力比较强，具有很好的使用价值。牛皮绒纤维的湿态断裂强度比干态断裂强度小，而且湿态断裂伸长率的平均值亦小于干态断裂伸长率的平均值，说明牛皮绒纤维在干态下的拉伸性能优于在湿态下的。这是由于在潮湿状态下纤维分子间的结合力减弱，纤维的断裂强度降低，断裂伸长率降低。牛皮绒纤维的断裂强度与断裂伸长率的变化范围较大，说明纤维的拉伸性能不均匀，这对其加工及使用都会产生不利影响。所以，在纺纱过程中应适当地控制其含湿量，以保证纺纱过程的顺利进行。

初始模量的大小反映了纤维受较小拉伸力时抵抗变形的能力。牛皮绒纤维初始模量的平均值为19.2 cN/dtex，相对较小，说明牛皮绒纤维在小负荷作用下比较容易变形，纤维较柔软，适宜开发手感柔软、悬垂性好的纺织品。

2.4 吸湿性能

纤维的吸湿性能不仅能引起自身质量的变化，还能引起一系列其他性能的变化。纺织材料常用的衡量吸湿性能的指标为回潮率。参照GB/T 6500—2008《毛绒纤维回潮率试验方法 烘箱法》，测试得到牛皮绒纤维的回潮率约为16.8%，明显高于蚕丝(约11.0%)[13]、羊毛(约13.5%)[13]、大豆蛋白复合纤维(约8.6%)[14]等其他几种蛋白质纤维，说明牛皮绒纤维的吸湿性能较好。另外，纤维的回潮率越大，也表明其吸湿放热性能越好。因此，牛皮绒纤维可用于保暖防潮纺织品的开发。

2.5 含油率

含油率是指纤维含油质量占纤维干质量的百分率。含油率的高低与纤维的可纺性能关系密切。含油率高的纤维弹性好、光泽好、强度高；含油率低的纤维枯燥、弹性差、易折断。采用YG981型纤维油脂快速抽出器测得牛皮绒纤维的含油率为0.8%，含油率相对较高，在加工过程中不容易产生静电现象，有利于纺织加工的正常运行。

2.6 抗静电性能

纤维的质量比电阻是衡量纤维可纺性能的重要指标之一。为了使纤维能顺利纺纱，纤维的质量比电阻一般控制在1×108(Ω·g)/cm2以内。经测试得知，牛皮绒纤维的质量比电阻为2.5×109(Ω·g)/cm2。参照表面比电阻与织物抗静电性能的关系[13]，牛皮绒纤维的抗静电性能较好，在后续加工中不易产生静电。这一方面是由于牛皮绒纤维的回潮率高，吸湿性能好，导电性能提高；另一方面是由于纤维含油率高，表面光滑，卷曲数少，纤维之间的摩擦相对较小。

2.7 溶解性能

纤维的化学性能与其内部结构密切相关，对纺织后加工尤其是染整加工有着较大的影响。将牛皮绒纤维在常见无机酸、有机酸、碱及有机溶剂中进行处理后，溶解状态如表3所示。

表3 牛皮绒纤维的溶解性能

从表3可知：牛皮绒纤维常温(24 ℃)不耐无机酸，特别是在盐酸和硫酸等强酸中几乎全部溶解，在有机酸甲酸中只有部分溶解，在有机酸乙酸中不溶解。常温(24 ℃)牛皮绒纤维在5%的氢氧化钠溶液中微溶，随着温度升高，溶解程度增大，煮沸(100 ℃)后牛皮绒纤维全部溶解。根据这一反应，可以测定牛皮绒纤维与其他耐碱纤维混纺纺织品中牛皮绒纤维的混纺比例。牛皮绒纤维在常温下微溶于有机溶剂间甲酚，不溶于二甲基甲酰胺、二甲苯等有机溶剂。牛皮绒纤维的溶解性能分析可以为后续加工特别是染整加工中提供参考。

3 结 论

利用皮革工业废弃物研制牛皮绒纤维，可以为市场开发一种新型的绿色纤维，有助于纺织产品结构的调整，也有利于制革工业资源综合利用。本文对牛皮绒纤维的外观形态、卷曲性能、拉伸性能、回潮率、含油率、抗静电性能及溶解性能进行分析，结果如下：

①牛皮绒纤维呈扁平状，部分有横节，纤维纵向形态不完全一致。牛皮绒纤维线密度范围为0.65～2.45 dtex，长度范围为5.6～17.8 mm，不宜纺低线密度纱，可纺高线密度纱或与其他纤维进行混纺。

②牛皮绒纤维卷曲数较少，卷曲率较小，且卷曲弹性率和卷曲弹性回复率亦较小，纺纱过程中纤维间的抱合力差，不利于纤维成纱强力的提高。

③牛皮绒纤维的拉伸性能较好，且在干态下的拉伸性能优于湿态下的拉伸性能。在纺纱过程中应适当地控制其含湿量，以保证纺纱过程的顺利进行。牛皮绒纤维初始模量较小，适宜开发手感柔软、悬垂性好的纺织品。

④牛皮绒纤维的回潮率较高，约为16.8%，含油率较高，抗静电性能较好。

⑤牛皮绒纤维常温下能溶解于强酸，微溶于强碱溶液，不溶于大部分有机溶剂，100 ℃时在强碱溶液中能够全部溶解。