阮凌峰,吳 乾,李 瑩,孫嘉憶

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院,上海200040)

再生纖維素纖維綠色生態(tài),屬于可再生資源,具有環(huán)保性,同時擁有優(yōu)良的吸濕性和穿著舒適性,備受消費者喜愛[1-2]。隨著紡織科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,再生纖維素纖維形成了三代產(chǎn)品,每一代產(chǎn)品的理化性能得到了很大改良,同時生產(chǎn)過程中對環(huán)境的污染進一步減小,因此,推動了再生纖維素纖維的應(yīng)用[3-5]。目前,再生纖維素纖維的鑒別標(biāo)準(zhǔn)有FZ/T 01057-2007[6]、AATCC 20 2011[7]、ASTM D 276[8]以及JIS L 1030-1-2005[9],原理都是用燃燒法、溶解法、紅外光譜法等確定為纖維素纖維,然后結(jié)合顯微鏡法根據(jù)形態(tài)的不同,最終確定纖維的種類。對于天然纖維素纖維,纖維橫縱向形態(tài)雖然不完全相同,但卻具有明顯的固有特征,比如棉纖維,縱向扁平帶狀、有天然轉(zhuǎn)曲,橫截面有中腔,呈不規(guī)則的腰圓形。而再生纖維素纖維是人造纖維,其橫縱向形態(tài)隨生產(chǎn)工藝的改變而改變,對于橫截面呈圓形或近似圓形的再生纖維素纖維,如萊賽爾纖維、銅氨纖維及臺灣臺化集團生產(chǎn)的圓形莫代爾纖維,運用現(xiàn)有方法會造成纖維鑒別的不確定性或無法鑒別[10]。選擇3種再生纖維素纖維,采用堿液將纖維浸漬一段時間,研究纖維的長度選擇、堿液種類、浸漬時間、堿液濃度等對再生纖維素纖維的膨脹率的影響,找出在同一條件下,使不同種類的再生纖維素纖維的膨脹率達到較大差異,建立纖維種類與膨脹率之間的對應(yīng)關(guān)系,從而達到鑒別的目的。

1 材料與儀器

試驗材料與儀器見表1。

表1 試驗材料與儀器

2 試驗方法

將再生纖維素纖維剪成一定長度的纖維,置于載玻片上,蓋上蓋玻片,放置在纖維細(xì)度儀顯微鏡的載物臺上,用吸管吸一滴堿液滴在蓋玻片一端,測量纖維的直徑,計算膨脹率。

膨脹率(%)=(纖維膨脹后直徑-纖維直徑)/纖維直徑×100

3 結(jié)果與討論

選擇常用的再生纖維素纖維,采用堿液將纖維浸漬一段時間,研究纖維的長度選擇、堿液種類、浸漬時間、堿液濃度等對再生纖維素纖維膨脹率的影響,找出在同一條件下,使不同種類再生纖維素纖維的膨脹率達到較大的差異,建立纖維種類與膨脹率之間的對應(yīng)關(guān)系,從而達到鑒別的目的,如圖1所示。

圖1 濕膨脹操作方法

3.1 纖維長度的影響

圖2 纖維圖像

采用哈氏切片器將纖維(圖2)切成較短的纖維束,當(dāng)纖維浸漬在堿液中,隨著吸附大量的水分子,纖維直徑不斷增大。由于纖維長度較短,當(dāng)纖維的直徑膨大到與纖維長度近似的尺寸時,堿液不止從纖維的皮層滲入,還會大量地從橫截面端進入纖維內(nèi)部,纖維發(fā)生變形,影響纖維直徑測量的準(zhǔn)確性;纖維較長時,纖維容易交織、纏繞、堆疊在一起,不易分散,交疊處的纖維對纖維直徑的膨脹會產(chǎn)生阻礙作用,影響正常纖維膨大直徑的測量,故應(yīng)選取合適的纖維長度進行后續(xù)試驗。由于纖維膨脹后直徑在30～80μm 之間,纖維自身的直徑在5～20μm 之間,故選取0.3～0.8 mm 的纖維長度可以滿足要求,且樣品制作簡單,易操作。

3.2 堿液種類的影響

采用單一種類的堿液測試?yán)w維直徑的膨脹率,作為纖維種類的鑒別依據(jù)稍顯單薄,且紡織面料的纖維都經(jīng)過染色后整理等染料、助劑的影響,纖維的微觀結(jié)構(gòu)會受到影響,與未經(jīng)任何化學(xué)試劑處理的原纖維的濕膨脹率會略有不同,故需提供盡量多組參數(shù),對纖維進行分析鑒別。選取了三級水、氨水、碳酸鈉、碳酸氫鈉、燒堿配制5組溶液,觀察不同再生纖維素纖維的濕膨脹率,分析濕膨脹率與纖維種類的對應(yīng)關(guān)系,從而達到定性鑒別的目的,試驗結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖3 不同種類的再生纖維素纖維

圖4 三級水浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

圖5 氨水浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

圖6 碳酸氫鈉浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

由圖3～圖7知,三級水、氨水、碳酸氫鈉、碳酸鈉浸漬后,3種纖維直徑膨脹比較小,無明顯變化,很難作為鑒別的依據(jù)。對比圖3與圖8,發(fā)現(xiàn)3種纖維直徑膨脹較大,但幾種纖維間的膨脹差異較為接近,無法直接作為鑒別的有效依據(jù)。為了尋找更為直接的鑒別依據(jù),重點研究了燒堿溶液對再生纖維素纖維的膨脹規(guī)律。

圖7 碳酸鈉浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

圖8 燒堿浸漬后的不同種類再生纖維素纖維

3.3 再生纖維素纖維在燒堿溶液中的膨脹規(guī)律

研究燒堿溶液對再生纖維素纖維直徑有較大膨脹作用的原理,可以從棉纖維的絲光效應(yīng)[11]得到啟發(fā)。

濃燒堿溶液對纖維素纖維作用產(chǎn)生堿纖維素。

棉纖維經(jīng)燒堿溶液處理發(fā)生劇烈的不可逆溶脹原因是鈉離子體積小,它可以進入到纖維的晶區(qū);同時Na+是一種水化能力很強的離子,環(huán)繞在一個Na+周圍的水分子多達66個之多,以至形成一個水化層。當(dāng)Na+進入纖維內(nèi)部并與纖維結(jié)合時,大量的水分也被帶入,因而引起了劇烈溶脹,由于能進入晶區(qū),因此溶脹是不可逆的。再生纖維素纖維由于與棉纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)相同,再生纖維素纖維在堿液中也會發(fā)生同樣的反應(yīng),只是由于再生纖維素纖維的微觀結(jié)構(gòu)與棉纖維略有不同,比如結(jié)晶度、聚合度都低很多,相對于棉纖維絲光采用的濃堿液,再生纖維素纖維在相對較低濃度的堿液中即可達到最大的膨脹率。從堿液浸漬的時間及堿液的濃度兩個方面研究再生纖維素纖維的膨脹規(guī)律。

3.3.1 燒堿浸漬時間的影響

將再生纖維素纖維剪成0.3～0.8 mm,置于載玻片上,蓋上蓋玻片,放置在纖維細(xì)度儀顯微鏡的載物臺上,用吸管吸一滴堿液滴在蓋玻片一端,開始記時。隨堿液浸漬時間0.5、1、2、3、4、5、6 min分別測量視野中固定選取的5根纖維的直徑,重復(fù)30～40次試驗,取纖維膨脹直徑的平均值,計算纖維在堿液浸漬中隨時間延長膨脹率的變化。采用燒堿濃度110 g/L,浸漬時間從最初浸漬30 s到6 min時間內(nèi),不同種類再生纖維素纖維的直徑膨脹率的變化,如圖9、圖10所示。

圖9 堿液浸漬時間對纖維直徑的影響

圖10 堿液浸漬時間對纖維膨脹率的影響

由圖9與圖10知,隨浸漬時間的延長,不同種類再生纖維素纖維的直徑瞬間膨大。銅氨纖維、莫代爾纖維、大部分萊賽爾纖維在堿液中浸漬1～6 min,甚至更長時間,膨脹率基本不變,有少部分萊賽爾纖維隨浸漬時間的延長,膨脹率逐漸增大,直到邊緣模糊,纖維在纖維細(xì)度儀視野中逐漸消失。即大部分再生纖維素纖維在燒堿溶液中直徑瞬間膨大,接下來保持不變,另外小部分萊賽爾纖維在堿液中隨浸漬時間的延長,膨脹率不斷增大,如圖11。

圖11 萊賽爾纖維隨浸漬時間的延長直徑膨脹圖

3.3.2 燒堿濃度的影響

將再生纖維素纖維剪成0.3～0.8 mm 長度,置于載玻片上,蓋上蓋玻片,放置在纖維細(xì)度儀顯微鏡的載物臺上,用吸管吸一滴堿液滴在蓋玻片一端,開始記時,在堿液浸漬2～5 min中測試?yán)w維的直徑變化(測試根數(shù)不少于200根),計算膨脹率。燒堿濃度為50、70、90、100、110、130 g/L,纖維的直徑變化如圖12、圖13所示。

圖12 堿液濃度對纖維直徑的影響

由圖12知,3種纖維的直徑膨脹率隨堿液濃度的升高,先增大后減小。由于隨堿液濃度的升高,堿液中Na+增多,進入纖維內(nèi)部Na+數(shù)增多,纖維可以吸附更多的水分子,纖維的直徑隨堿液濃度的升高急劇增加;當(dāng)堿液濃度達到100 g/L 時,纖維向外溶脹達到最大值,隨堿液濃度進一步升高,由于在室溫下測定,堿液黏度上升,堿液變得粘稠,纖維內(nèi)部的Na+反而減少,纖維直徑不升反降。

圖13 纖維直徑的膨脹率隨堿液濃度變化的趨勢圖

由圖13知,纖維直徑的膨脹率隨堿液濃度的增大先上升后下降。在堿液濃度為70 g/L,銅氨纖維和莫代爾纖維的膨脹率接近,最低在350%左右,萊賽爾纖維的直徑膨脹率較小,基本低于250%;堿液濃度為100 g/L時,銅氨纖維的膨脹率≥550%,莫代爾纖維和萊賽爾纖維膨脹率≤450%,且莫代爾纖維在堿液中邊緣模糊,有部分裂痕,萊賽爾纖維邊緣清晰,纖維完整,如圖14～圖15所示。

4 結(jié)語

根據(jù)棉纖維絲光的工藝原理,提出了濕膨脹法,嘗試選用5種堿性強度不同的堿液組成堿劑梯度,研究不同纖維膨脹性的規(guī)律,建立了一系列膨脹性能與纖維種類的對應(yīng)關(guān)系。但通過試驗研究發(fā)現(xiàn),再生纖維素纖維在堿性較弱的堿液中膨脹率較小,無法作為鑒別的有效依據(jù),故重點研究了對再生纖維素纖維有較大膨脹率的燒堿溶液,從浸漬時間到堿液濃度,發(fā)現(xiàn)了存在巨大差異的堿液濃度及膨脹規(guī)律。

圖14 100 g/L堿液莫代爾纖維

圖15 100 g/L堿液萊賽爾纖維

70 g/L燒堿溶液中,銅氨纖維和莫代爾纖維(含臺化莫代爾纖維)膨脹率≥350%,萊賽爾纖維的膨脹率≤250%。100 g/L 堿液中,銅氨纖維的膨脹率≥550%,莫代爾纖維和萊賽爾纖維膨脹率≤450%,且莫代爾纖維在堿液中邊緣模糊,有部分裂痕,萊賽爾纖維邊緣清晰,纖維完整。銅氨纖維、莫代爾纖維、大部分萊賽爾纖維在燒堿溶液中浸漬2～5 min,膨脹率恒定不變,有少部分萊賽爾纖維隨浸漬時間的延長,膨脹率逐漸增大,直到邊緣模糊,纖維在纖維細(xì)度儀視野中逐漸消失,對于有異議的纖維,可以用其他手段方法進行相互驗證。