付瑋康,OLI MOV Kha mda mjon,荊愈涵,李 煒,劉 靜,奚柏君

(紹興文理學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,浙江 紹興312000)

構(gòu)樹為?？茦?gòu)屬落葉喬木,在全國(guó)大部分省區(qū)均有分布。作為我國(guó)特有的含纖維經(jīng)濟(jì)林樹種,構(gòu)樹資源主要應(yīng)用于造紙行業(yè)[1],在其他領(lǐng)域尚未得到較好的利用。近年來,漢麻、黃麻等麻類纖維都已得到較為充分的開發(fā)[2-3],桑皮纖維、木芙蓉纖維等一些非麻類纖維也在被研究拓展[4-5],為紡織材料市場(chǎng)注入了新的活力。然而,對(duì)構(gòu)皮纖維等樹皮纖維的研究卻寥寥無幾。

向新柱等[6]的研究表明化學(xué)脫膠能夠制取達(dá)到紡織用目的的構(gòu)皮纖維。纖維的染色性能是衡量其在紡織應(yīng)用上的一個(gè)重要指標(biāo),但是目前基本沒有對(duì)化學(xué)脫膠后構(gòu)皮纖維的染色性能的研究。文中選取合適的脫膠工藝流程及參數(shù),初步研究了脫膠后的構(gòu)皮纖維的染色性能,通過染色動(dòng)力學(xué)中的多項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行表征,以期為構(gòu)皮纖維在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 構(gòu)樹韌皮的脫膠

構(gòu)樹韌皮的化學(xué)組成與其他的韌皮纖維類似,其中木質(zhì)素約占15%,果膠約占10%[7]。構(gòu)樹韌皮組成中的膠質(zhì)和木質(zhì)素對(duì)韌皮纖維的初步加工有較大的負(fù)面影響。果膠和木質(zhì)素的含量越高,膠質(zhì)分子間的交聯(lián)就越復(fù)雜,使得纖維的脫膠過程困難,制備的纖維質(zhì)量不佳。在高溫堿性條件下,木質(zhì)素及膠質(zhì)會(huì)發(fā)生水解作用,可以較好去除木質(zhì)素和膠質(zhì)。因此采用高溫堿煮工藝,通過改變部分工藝流程來選取較好的脫膠工藝。

1.1.1 材料、試劑和儀器

構(gòu)樹皮取自甘肅隴南的新鮮構(gòu)樹,從樹木上剝?nèi)『笞匀粫窀伞窀珊蟮臉?gòu)樹皮浸泡于生態(tài)活性水中2天,直至樹皮變軟易于剝?nèi)?gòu)樹韌皮。剝?nèi)『玫臉?gòu)樹韌皮用清水往復(fù)沖洗至表面清潔并烘干。

濃H2SO4(AR,浙江中星化工試劑有限公司);Na OH(AR,西隴科學(xué)股份有限公司);Na2SO3、Na5P3O10(AR,上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司);Na Cl O2(AR,阿拉丁試劑上海有限公司)。

XMTD203電熱恒溫水浴鍋(江蘇科析儀器有限公司);FA2204C電子天平(上海佑科儀器儀表有限公司);Y802 N八籃恒溫烘箱(溫州方圓儀器有限公司);DZF-6020真空干燥箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司)。

1.1.2 試驗(yàn)方法

化學(xué)脫膠法是針對(duì)在強(qiáng)堿、強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化劑等化學(xué)物質(zhì)下纖維和膠質(zhì)的不同耐受性對(duì)其進(jìn)行分離,在盡可能少損傷纖維性能的前提下去除膠質(zhì)。由構(gòu)樹皮纖維的化學(xué)組成[8]可知,脫膠對(duì)象主要是木質(zhì)素和膠質(zhì),利用木質(zhì)素和膠質(zhì)對(duì)堿液的不穩(wěn)定性和可溶解性,通過化學(xué)脫膠使其脫離纖維主體,從而得到含雜質(zhì)較少的構(gòu)皮纖維。

(1)一煮法化學(xué)脫膠

工藝:試樣→浸酸→水洗→堿煮→水洗→打纖→漂白→水洗→酸洗→水洗→脫水抖松→預(yù)烘→干燥。

浸酸:濃H2SO41.6 g/L,浴比1∶30,水浴溫度65℃,時(shí)間3 h。

堿煮:Na OH 17 g/L,Na2SO315 g/L,Na5P3O1015 g/L,浴比1∶30,水浴溫度90℃,時(shí)間3.5 h。

漂白:NaCl O22 g/L,浴比1∶20,常溫,時(shí)間5 min。

酸洗:濃H2SO42 g/L,浴比1∶20,常溫,時(shí)間5 min。

預(yù)烘:65℃預(yù)烘2 h。

干燥:85℃真空干燥30 min。

(2)二煮法化學(xué)脫膠

工藝:試樣→浸酸→水洗→一煮→水洗→二煮→水洗→打纖→漂白→水洗→酸洗→水洗→脫水抖松→預(yù)烘→干燥。

浸酸:濃H2SO41.6 g/L,浴比1∶30,水浴溫度65℃,時(shí)間3 h。

一煮:Na OH 10 g/L,浴比1∶30,水浴溫度90℃,時(shí)間1 h。

二煮:Na OH 2 g/L,Na2SO315 g/L,Na5P3O1015 g/L,浴比1∶30,水浴溫度90℃,時(shí)間2 h。

漂白:NaCl O22 g/L,浴比1∶20,常溫,時(shí)間5 min。

酸洗:濃H2SO42 g/L,浴比1∶20,常溫,時(shí)間5 min。

預(yù)烘:65℃預(yù)烘2 h。

干燥:85℃真空干燥30 min。

1.2 構(gòu)皮纖維的染色動(dòng)力學(xué)

染色動(dòng)力學(xué)是研究染色速率快慢的問題,屬于染色過程的基礎(chǔ)物理研究。在本研究中,以相應(yīng)染色動(dòng)力學(xué)指標(biāo)和色牢度來評(píng)價(jià)構(gòu)皮纖維的染色性能。染色動(dòng)力學(xué)包括纖維的染色速率、染色擴(kuò)散系數(shù)、半染時(shí)間等動(dòng)力學(xué)指標(biāo),這些指標(biāo)決定了纖維用某種染料染色的上染過程的特征,包括了上染速率和上染百分率[9]。試驗(yàn)中,選用對(duì)纖維素纖維染色效果較好的活性紅KN-3B染料,對(duì)兩種脫膠工藝脫膠后的構(gòu)皮纖維進(jìn)行染色性能探究,并設(shè)置了成品漢麻纖維作為對(duì)照組。

1.2.1 試驗(yàn)材料、試劑和儀器

兩種工藝脫膠后的構(gòu)皮纖維(一煮法脫膠工藝所制構(gòu)皮纖維以A指代,二煮法脫膠工藝所制構(gòu)皮纖維以B指代),普通漢麻纖維(細(xì)度16μm)。

活性紅KN-3B染料(C.I.Reactive Red 180);Na Cl(AR,西隴科學(xué)股份有限公司);Na2CO3(AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);去離子水。

活性紅KN-3B染料化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 活性紅KN-3B染料化學(xué)結(jié)構(gòu)式

SP-756P紫外可見分光光度計(jì)(上海光譜儀器有限公司);XMTD203電熱恒溫水浴鍋(江蘇科析儀器有限公司);FA2204C電子天平(上海佑科儀器儀表有限公司);SNG-3000型高分辨率掃描電子顯微鏡。

1.2.2 試驗(yàn)方法

工藝曲線如圖2所示(僅研究染料的吸附與擴(kuò)散)。

圖2 染色工藝曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 構(gòu)樹韌皮脫膠測(cè)試分析

2.1.1 構(gòu)皮纖維宏觀形態(tài)

脫膠之后的構(gòu)皮纖維如圖3所示。

由圖3可以看出,兩種脫膠工藝所制得的構(gòu)皮纖維在宏觀形態(tài)上有較大的差別,二煮法纖維分離度較好,且色澤亮白,手感與漢麻纖維類似。

隨機(jī)取兩種脫膠工藝制得纖維試樣1 g各3份,放置烘箱中烘至恒重后,放入到裝有150 ml、濃度20 g/L Na OH溶液的三角燒瓶中沸煮3 h,洗凈后繼續(xù)烘干至恒重。所得數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)見表1。

由表1可以看出,采用二煮法脫膠工藝的構(gòu)皮纖維殘膠率更低,雜質(zhì)殘留及纖維分離程度都明顯優(yōu)于一煮法。在纖維色澤方面,一煮法構(gòu)皮纖維略微偏淡黃。在斷裂強(qiáng)力上,二煮構(gòu)皮纖維強(qiáng)力損失較大,其原因可能是多次堿煮導(dǎo)致構(gòu)皮纖維無定形區(qū)橫向連接鍵斷裂,從而損失部分?jǐn)嗔褟?qiáng)力。

圖3 脫膠后的構(gòu)皮纖維

表1 兩種脫膠工藝殘膠率及綜合評(píng)價(jià)

2.1.2 構(gòu)皮纖維微觀結(jié)構(gòu)(SEM)

使用掃描電子顯微鏡對(duì)構(gòu)樹韌皮及其脫膠后的構(gòu)皮纖維進(jìn)行觀察。

圖4 構(gòu)皮纖維的微觀結(jié)構(gòu)

由圖4中A可以看出,直接剝?nèi)〉臉?gòu)樹韌皮表面被果膠質(zhì)和木質(zhì)素緊密包覆,纖維幾乎不可見,說明構(gòu)樹韌皮的木質(zhì)素、果膠質(zhì)含量較高,不經(jīng)脫膠處理的構(gòu)樹韌皮較難有效利用。由圖4中B可以看出,構(gòu)樹皮纖維縱向表面粗糙但較為平整,有少量類似麻纖維的橫節(jié)豎紋和類似棉的不明顯的轉(zhuǎn)曲,因此在理論上擁有較好的纖維間抱合力。構(gòu)樹皮纖維的單纖維長(zhǎng)度較短,一般為10~20 mm,單獨(dú)紡紗有一定難度,可以采用束纖維進(jìn)行紡紗。圖4中C為一煮法構(gòu)皮纖維,圖4中D為二煮法構(gòu)皮纖維,通過兩者對(duì)比,可以明顯看出一煮法工藝脫膠程度相對(duì)較弱,纖維間還有較多膠質(zhì)殘余,二煮法纖維表面脫膠完成度較高,所含雜質(zhì)相對(duì)較少。從圖4可看出,構(gòu)皮纖維表面存在輕微裂隙,這可能是導(dǎo)致強(qiáng)度相對(duì)不高的原因。構(gòu)皮纖維的細(xì)度在10~15μm,因?yàn)槔w維細(xì)度較小及微隙的存在,有利于纖維吸濕放濕。構(gòu)皮纖維中空,為閉合管狀型,橫截面呈近橢圓形[10],結(jié)合構(gòu)皮纖維縱向特征,若將構(gòu)皮纖維制成織物,那么該織物理論上將擁有較好的強(qiáng)度和吸濕透氣性,因此構(gòu)皮纖維在紡織服裝上的應(yīng)用具有較高的可行性和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

日前，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局正式受理無錫市順安土工材料有限公司遞交的“一種無梭織機(jī)制造X型模袋的方法”（簡(jiǎn)稱“X型混凝土布”）發(fā)明專利請(qǐng)求書。該發(fā)明將為堰塞湖、山體滑坡、堤岸塌方治理提供新的技術(shù)，可以為加固圍堤提供支撐，大大減輕抗洪救災(zāi)壓力。

2.2 構(gòu)皮纖維染色動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1 染色速率曲線及上染百分率

染色速率曲線是染料在纖維上附著速率的表征。圖5為90℃下A、B以及麻纖維的染色速率曲線,曲線的斜率反應(yīng)了染料在纖維上的上染速率。

圖5 3種纖維90℃時(shí)的染色速率曲線

由圖5中3種纖維的染色速率變化曲線可以看出,二煮法構(gòu)皮纖維曲線斜率與漢麻纖維接近,且遠(yuǎn)好于一煮法構(gòu)皮纖維,說明二煮法構(gòu)皮纖維上染速率較高。漢麻纖維作為一種大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的成熟服裝用纖維,上染百分率較為優(yōu)異,達(dá)到了32%。對(duì)比圖5中兩種脫膠工藝的構(gòu)皮纖維,可以看出二煮法脫膠制得的構(gòu)皮纖維在上染百分率和上染平衡時(shí)間都明顯優(yōu)于一煮法。值得注意的是,二煮法構(gòu)皮纖維上染平衡時(shí)間相較漢麻纖維更短,這說明脫膠程度好的構(gòu)皮纖維上染效率較好,這可能是因?yàn)闃?gòu)皮纖維細(xì)度為10~15μm,而漢麻纖維細(xì)度為15~17μm,構(gòu)皮纖維與染液接觸的相對(duì)表面積較大,從而其上染效率更高。由于漢麻纖維表面粗糙,有縱向縫隙和孔洞,橫向伴有枝節(jié),所以在最大上染百分率上優(yōu)于構(gòu)皮纖維。

2.2.2 染色擴(kuò)散系數(shù)

染色擴(kuò)散系數(shù)是染色動(dòng)力學(xué)中一個(gè)重要的特征參數(shù),同一染料對(duì)不同纖維存在染色性能差異的主要原因就是纖維材料內(nèi)在物化性質(zhì)。由于脫膠工藝的不同,A、B兩份試樣染色擴(kuò)散系數(shù)必然不同,進(jìn)而通過染色系數(shù)這一客觀指標(biāo)倒推兩種化學(xué)脫膠工藝優(yōu)劣。

擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定方法較多,從纖維本身結(jié)構(gòu)考慮,采用了希爾公式進(jìn)行擬合計(jì)算,希爾公式是一種染料從無限染浴向柱狀纖維無限長(zhǎng)的兩端擴(kuò)散上染的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。希爾公式如式(1)所示。

式中:M t——t時(shí)間纖維上染料染著量;M∞——染色平衡時(shí)纖維上染料染著量;D——擴(kuò)散系數(shù);t——染色時(shí)間;r——纖維半徑。

希爾公式的結(jié)果為無窮級(jí)數(shù),計(jì)算較為困難,可以通過查表得到M t/M∞對(duì)應(yīng)的Dt/r2值[11]。M t/M∞在概念意義上等同于C t/C∞(C t和C∞分別是t時(shí)間和染色達(dá)到平衡時(shí)纖維上吸收的上染百分率)。因此,通過SEM圖片測(cè)量的試樣直徑,就可以計(jì)算出3種纖維對(duì)應(yīng)的染色擴(kuò)散系數(shù)D,計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 樣品在90℃的擴(kuò)散系數(shù)

由表2可知,隨著染色時(shí)間的增加,3種纖維的擴(kuò)散系數(shù)都有增大的趨勢(shì),當(dāng)纖維到達(dá)最大上染百分率后,由于染色時(shí)間的增加,擴(kuò)散系數(shù)會(huì)下降,最后趨于平衡。其中,從數(shù)據(jù)上二煮法制得的構(gòu)皮纖維的擴(kuò)散系數(shù)總體上比一煮法要大,這說明二煮法脫膠工藝所制得的構(gòu)皮纖維上染性能更好,二煮法染色性能要整體優(yōu)于一煮法。對(duì)比二煮法和漢麻纖維,可以看出二煮法構(gòu)皮纖維在20 min時(shí)達(dá)到最大值,說明此時(shí)已完全上染,達(dá)到完全上染的時(shí)間比漢麻要短,在上染效率上二煮法構(gòu)皮纖維要優(yōu)于普通漢麻纖維。

2.2.3 半染時(shí)間

半染時(shí)間是指染料上染到纖維達(dá)到最大平衡吸附量的一半所需要的時(shí)間,即C t=1/2C∞時(shí)的所用時(shí)間,標(biāo)志著上染趨向平衡的速率,以t1/2表示半染時(shí)間。查表可知,M t/M∞=C t/C∞=0.50時(shí),對(duì)應(yīng)的Dt/r2值為0.062 92。因此有:

從公式(2)可以知道,半染時(shí)間t1/2與擴(kuò)散系數(shù)D成反比,與纖維半徑r2成正比。在計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)時(shí)選擇的是希爾模型,是假定在無限染浴且均勻的情況下,染料的持續(xù)上染依賴于染料從纖維表面向內(nèi)部的不斷擴(kuò)散。但在實(shí)際試驗(yàn)中,染浴必然是有限的,半染時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)隨平衡上染百分率的變化而不同。因此需要同時(shí)結(jié)合半染時(shí)間和平衡上染百分率來綜合判斷上染性能。各樣品的半染時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)見表3。

表3 3種纖維在90℃的半染時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)

3 結(jié)論

(1)采用二道堿煮化學(xué)脫膠工藝:試樣→浸酸→水洗→一煮→水洗→二煮→水洗→打纖→漂白→水洗→酸洗→水洗→脫水抖松→預(yù)烘→干燥,得到的構(gòu)皮纖維經(jīng)過測(cè)試,結(jié)果表明其殘膠率更低,雜質(zhì)殘留及纖維分離程度都明顯優(yōu)于一煮法,纖維強(qiáng)力可達(dá)到一般紡織用目的。

(2)構(gòu)皮纖維微觀形態(tài)與棉、麻都有不同程度的相似?？v向表面粗糙,具有較好的纖維間摩擦力和抱合力,同時(shí)存在輕微裂隙與微孔,導(dǎo)致單纖強(qiáng)力相對(duì)不高,但有利于吸濕和放濕。

(3)通過染色速率曲線可以看出,二道堿煮脫膠的構(gòu)皮纖維染色動(dòng)力學(xué)性能與漢麻纖維接近,優(yōu)于一道堿煮構(gòu)皮纖維。擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果說明:二道堿煮構(gòu)皮纖維的擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較大,平衡上染百分率、擴(kuò)散系數(shù)和半染時(shí)間證明了染色速率曲線試驗(yàn)結(jié)果。