連文偉 張 勁 李明福 鄧干然 薛 忠 何俊燕 黃 濤 莊志凱

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江，524091)

目前我國(guó)的紡織業(yè)進(jìn)入了轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。然而，人口眾多、耕地少制約了棉、麻等天然纖維的種植面積。雖然依靠科技進(jìn)步，棉花的單產(chǎn)有所提高，但仍然滿足不了我國(guó)紡織業(yè)的市場(chǎng)需求，目前仍然需要大量進(jìn)口［1］。同樣在世界上，纖維領(lǐng)域中天然纖維的比重越來(lái)越少，而它的珍貴度越來(lái)越高［2］。

如何尋找和開(kāi)發(fā)新的天然纖維資源，特別是對(duì)速生植物纖維素的基礎(chǔ)性科學(xué)研究和開(kāi)發(fā)利用，將有助于開(kāi)拓紡織原料的來(lái)源，緩解制約我國(guó)紡織工業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題［1］。

香蕉和菠蘿都是熱帶著名的水果，2011年我國(guó)種植面積分別為36.67 萬(wàn) hm2［3］和 5.53 萬(wàn) hm2［4］。從種植到收獲僅需12～18個(gè)月時(shí)間，水果采收后的香蕉莖桿和菠蘿葉片可以提取紡織原料——一種新型環(huán)保的天然纖維［5-6］。

以香蕉莖桿纖維和菠蘿葉纖維為原料，從中提取純凈的纖維素，經(jīng)燒堿、二氧化硫處理制備成黏稠的紡絲溶液，采用濕法紡絲制造而成的新黏膠纖維已有文獻(xiàn)［7-8］論述。本文對(duì)香蕉黏膠纖維、菠蘿黏膠纖維、普通黏膠纖維的結(jié)構(gòu)和吸濕性能進(jìn)行了對(duì)比分析，希望通過(guò)這項(xiàng)研究得到有關(guān)吸濕的性能參數(shù)，根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)和特有的性能，為今后繼續(xù)研發(fā)產(chǎn)品提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院提取的香蕉莖桿纖維和菠蘿葉纖維為原料，與山東海龍股份有限公司國(guó)家級(jí)技術(shù)中心合作，利用黏膠中試生產(chǎn)線聯(lián)合研究試制出香蕉黏膠纖維和菠蘿黏膠纖維。普通黏膠纖維(棉型)由湛江紡織集團(tuán)提供，材料規(guī)格如表1所示。

表1 材料規(guī)格

1.2 試驗(yàn)儀器

傅里葉交換紅外光譜儀，德國(guó)Bruker公司;S-4800型掃描電子顯微鏡，日本日立公司;YG747型八籃恒溫快速烘箱，南通三思機(jī)電科技有限公司;YG501D型透濕試驗(yàn)箱，上海麗馳計(jì)量?jī)x器有限公司;電子天平(精確度0.000 1 g)、玻璃干燥器、玻璃皿、密封稱量盒等。

1.3 纖維結(jié)構(gòu)表征分析方法

1.3.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

縱表面形態(tài):將黏膠纖維試樣平鋪于樣品臺(tái)上，經(jīng)真空濺射鍍金后，采用S-4800型掃描電鏡觀察黏膠纖維的表面形態(tài)。

橫截面形態(tài):將黏膠纖維試樣切片后固定于樣品臺(tái)上，經(jīng)真空濺射鍍金后，采用S-4800型掃描電鏡觀察黏膠纖維的截面形態(tài)。

1.3.2 紅外光譜分析

將黏膠纖維制作成細(xì)粉末，與KBr粉末混合均勻后壓片制成樣品，通過(guò)傅里葉紅外光譜儀，在4 000～500 cm－1范圍內(nèi)掃描進(jìn)行紅外光譜測(cè)定。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 吸濕試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測(cè)定烘箱干燥法》和GB 6529—1986《紡織品的調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》，采用烘箱干燥法。稱取約1 g質(zhì)量的黏膠纖維試樣后放置在40～50℃烘箱內(nèi)干燥1 h，降低黏膠纖維試樣的回潮率，稱取試樣的初始質(zhì)量。將試樣放置在玻璃皿中，保持蓬松狀態(tài)下進(jìn)入吸濕過(guò)程，每隔5 min記錄1次試樣質(zhì)量，直至纖維在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(熱帶)下達(dá)到吸濕平衡。試樣在105℃烘箱內(nèi)烘干，密閉冷卻，稱取干質(zhì)量，計(jì)算回潮率。

1.4.2 放濕試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 9995—1997和 GB 6529—1986，采用烘箱干燥法。稱取約1 g質(zhì)量的黏膠纖維試樣后放置在YG501D型透濕試驗(yàn)箱內(nèi)，在相對(duì)濕度為100%的環(huán)境中放置96 h，讓試樣充分吸濕;然后在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(熱帶)下測(cè)試試樣放濕過(guò)程，每隔5 min記錄1次試樣質(zhì)量變化;在試樣達(dá)到放濕平衡后，將試樣烘干，密閉冷卻，稱取干質(zhì)量，計(jì)算回潮率。

1.5 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)以上檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用SAS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行黏膠纖維的回潮率對(duì)時(shí)間的相關(guān)關(guān)系以及回潮率對(duì)吸濕、放濕速率相關(guān)關(guān)系的回歸分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

香蕉黏膠纖維、菠蘿黏膠纖維和普通黏膠纖維的截面和表面形態(tài)的掃描電鏡照片見(jiàn)圖1。從三種纖維的截面形態(tài)圖可以看出，它們的橫截面都呈不規(guī)則鋸齒形狀，具有縫隙空洞多的較疏松結(jié)構(gòu);從表面形態(tài)圖可以看出，菠蘿黏膠纖維表面光潔，無(wú)明顯裂紋，而香蕉黏膠纖維和普通黏膠纖維同樣縱向平直，均為帶有平直縱條紋的柱體，表面光滑且有深淺不一的溝槽和裂縫，但香蕉黏膠纖維表面較粗糙。三種黏膠纖維的內(nèi)層結(jié)構(gòu)疏松、有空隙，表面的結(jié)構(gòu)較緊密和光滑，都具有皮芯層結(jié)構(gòu)［7-9］。

圖1 三種纖維的截面形態(tài)和表面形態(tài)

2.2 紅外光譜分析

根據(jù)紅外光譜的吸收?qǐng)D譜可推斷出黏膠纖維所含基團(tuán)和化學(xué)鍵類型及數(shù)量。由圖2可知，三種黏膠纖維的紅外光譜吸收?qǐng)D譜基本相似，表明它們主要成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，說(shuō)明這三種纖維都屬于纖維素纖維。由圖2所得到的主要基團(tuán)及對(duì)應(yīng)的吸收譜帶情況見(jiàn)表2。由表2可以看出，三種纖維的主要基團(tuán)和鍵的位置基本上未發(fā)生位移，它們的區(qū)別在于O—H和C—O—C峰的強(qiáng)度有些差異［8-10］。

圖2 三種纖維的紅外光譜圖

表2 試樣的主要紅外線特征吸收峰(單位:cm－1)

紅外光譜能夠確定纖維素纖維的結(jié)晶度及不同生產(chǎn)方式對(duì)纖維素纖維結(jié)晶度的影響程度，紅外結(jié)晶度指數(shù)反映了纖維素纖維結(jié)晶度的大小。O’Connor［9］等分別用物理和化學(xué)的方法對(duì)纖維素進(jìn)行處理后，對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)1 429 cm－1譜帶的強(qiáng)度隨結(jié)晶度的降低而下降，893 cm－1譜帶的強(qiáng)度隨結(jié)晶度的降低而升高。因此他們首先提出了用A1429/A893作為結(jié)晶度指數(shù)分析纖維素的結(jié)晶度，得出的結(jié)果與用密度法的結(jié)果一致。三種纖維的紅外結(jié)晶度指數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試樣黏膠纖維的紅外結(jié)晶度指數(shù)

2.3 纖維吸放濕性能分析

圖3(a)是三種纖維的吸濕曲線，可以看出:三種黏膠纖維的吸濕曲線相似，在120 min左右達(dá)到吸濕平衡。在吸濕初始階段，香蕉黏膠纖維速率最快，始終高于另兩種。隨著吸濕時(shí)間的增加，纖維的回潮率變化緩慢，在120 min后達(dá)到吸濕平衡。此時(shí)，吸濕平衡回潮率分別是香蕉黏膠纖維20.5%、菠蘿黏膠纖維18.4%、普通黏膠纖維18.9%。

圖3(b)是三種纖維的放濕曲線?？梢钥闯?三種黏膠纖維的放濕曲線也相似，呈前快后慢的特點(diǎn)。比較初始回潮率的高低情況，菠蘿黏膠纖維﹥香蕉黏膠纖維﹥普通黏膠纖維。三種黏膠纖維均在120 min后達(dá)到放濕平衡，放濕平衡回潮率分別為香蕉黏膠纖維26.3%、菠蘿黏膠纖維26.8%、普通黏膠纖維24.6%。

圖3 三種纖維的吸放濕曲線

香蕉、菠蘿、普通三種黏膠纖維的吸濕滯后值分別為5.8%、8.4%、5.7%。吸濕滯后值與纖維的吸濕能力有關(guān)，一般規(guī)律是吸濕性大的纖維吸濕滯后值比較大［10］?？梢?jiàn)，菠蘿黏膠纖維的吸濕性大于香蕉黏膠纖維和普通黏膠纖維。

2.4 吸濕、放濕回潮率回歸方程的建立

根據(jù)纖維在吸放濕過(guò)程中回潮率和時(shí)間關(guān)系的曲線，通過(guò)菲克方程推導(dǎo)出其理論曲線為指數(shù)函數(shù)。因此將吸濕回潮率(W吸)和放濕回潮率(W放)對(duì)時(shí)間(t)的回歸方程通式表示為:

式中:W吸、W放——吸濕、放濕回潮率，%;

t——時(shí)間，min;

a、b、c——常數(shù)。

利用SAS分析軟件，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到三種纖維在吸、放濕過(guò)程中回潮率對(duì)時(shí)間的回歸方程如下:

吸、放濕過(guò)程中的回潮率曲線見(jiàn)圖4。

對(duì)菠蘿黏膠纖維吸濕、放濕等回歸方程進(jìn)行方差分析，見(jiàn)表4，回歸結(jié)果顯著。

表4 菠蘿黏膠纖維吸濕回歸方差分析表

2.5 吸濕、放濕速率回歸曲線的建立

從圖3和圖4可以看出，三種纖維在吸、放濕整個(gè)過(guò)程中的吸、放濕速率是不斷變化的，且吸、放濕速率也會(huì)影響到服裝面料的熱濕舒適性和纖維吸濕、放濕的快慢程度。因此，有必要建立纖維吸、放濕速率的回歸曲線來(lái)掌握其變化規(guī)律。

纖維吸濕、放濕速率的物理意義是:在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位質(zhì)量的纖維瞬間吸收或放出水分的量，可表示為:

結(jié)合式(1)，可得到纖維吸、放濕速率回歸方程通式:

式中:V吸、V放——吸、放濕速率，g/min;

b、c——常數(shù)。

根據(jù)式(2)～式(7)，可得到三種纖維的吸、放濕速率回歸方程:

圖4 吸放濕過(guò)程回潮率回歸曲線

根據(jù)吸濕、放濕速率回歸方程(10)～(15)繪制三種纖維的吸濕、放濕速率回歸曲線，如圖5所示。在整個(gè)吸放濕過(guò)程中三種纖維的吸濕、放濕速率不斷發(fā)生變化，當(dāng)吸放濕初始時(shí)，纖維吸濕、放濕速率最大;隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維的含濕量不斷增大或減小，纖維吸濕、放濕速率呈指數(shù)形式衰減;纖維達(dá)到吸放濕平衡時(shí)，其吸濕、放濕速率降到最小，最終趨近于零。

圖5 吸放濕速率回歸曲線

由圖5(a)可以看出:當(dāng)吸濕初始時(shí)，香蕉黏膠纖維的吸濕速率最大，在60 min附近處與菠蘿黏膠纖維和普通黏膠纖維的吸濕速率曲線重合在一起;隨著時(shí)間的增加，吸濕速率減小，大約在130 min后趨近于零，達(dá)到吸濕平衡。由圖5(b)可知:在放濕初期，菠蘿黏膠纖維的放濕速率最快，香蕉黏膠纖維居中，普通黏膠纖維較慢;60 min后三種纖維的放濕速率逐漸減小，在130 min左右放濕速率曲線趨近于零。

以上現(xiàn)象的形成與黏膠纖維內(nèi)在的結(jié)構(gòu)有關(guān)，三種黏膠纖維都屬于纖維素纖維，有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的親水基團(tuán)。但它們的形態(tài)結(jié)構(gòu)和集聚態(tài)結(jié)構(gòu)有所不同，因此造成了它們的吸濕性差異。在形態(tài)結(jié)構(gòu)方面，香蕉黏膠纖維不僅與普通黏膠纖維、菠蘿黏膠纖維的表面和截面形態(tài)相似，有較大的比表面積，而且表面粗糙程度更高。比表面積越大，吸濕性也越大［11］。香蕉黏膠纖維表面吸附能力大，吸濕的動(dòng)力比另兩種黏膠纖維多，所以吸濕初期速率最快。在集聚態(tài)結(jié)構(gòu)方面，菠蘿黏膠纖維的結(jié)晶度最低，存在較大的無(wú)定形區(qū)，吸濕主要發(fā)生在無(wú)定形區(qū)［10］，吸濕的區(qū)域較多，所以吸濕量增加;在放濕初期，纖維均釋放毛細(xì)水，故在一定時(shí)間內(nèi)，菠蘿黏膠纖維的毛細(xì)水減少最多，并且纖維具有較高的比表面積，表面有溝槽，截面呈鋸齒形，縫隙空洞多，產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，使得纖維輸水快速擴(kuò)散和揮發(fā)，因而能迅速將吸收的水分子排放到外層蒸發(fā)，即放濕速率最快［12］。

3 結(jié)論

(1)香蕉黏膠纖維、菠蘿黏膠纖維和普通黏膠纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)相似，表面結(jié)構(gòu)較緊密和光滑，截面呈不規(guī)則鋸齒形狀，內(nèi)層結(jié)構(gòu)疏松、有空隙，都具有皮芯層結(jié)構(gòu)。但香蕉黏膠纖維較普通黏膠纖維和菠蘿黏膠纖維表面粗糙度高。

(2)通過(guò)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn):三種纖維的紅外光譜吸收?qǐng)D譜基本相似，都具有纖維素的特征吸收峰，因此它們都屬于纖維素纖維。

(3)三種纖維的紅外結(jié)晶度指數(shù)為普通黏膠纖維最大，香蕉黏膠纖維居中，菠蘿黏膠纖維最小。

(4)三種纖維的吸濕滯后值大小順序?yàn)椴ぬ}黏膠纖維＞香蕉黏膠纖維≈普通黏膠纖維，證明菠蘿黏膠纖維具有較好的吸濕、放濕性能。

(5)香蕉黏膠纖維的吸濕速率高于菠蘿黏膠纖維和普通黏膠纖維;隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，三種纖維的吸濕速率減小，在130 min后達(dá)到吸濕平衡。

(6)菠蘿黏膠纖維的放濕速率最快，香蕉黏膠纖維居中，普通黏膠纖維最慢;隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，三種纖維的放濕速率快速減小，在130 min后達(dá)到放濕平衡。

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