董 震褚特野陸 寧潘希恒李德華

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2江西恩達(dá)麻世紀(jì)科技股份有限公司，江西新余，336600；3.江蘇新金蘭紡織制衣有限公司，江蘇鹽城，224600）

從棉稈皮為代表的廢棄物中獲得有價(jià)值的纖維原料是當(dāng)前紡織材料領(lǐng)域的重要研究方向之一［1］。這類纖維原料的共同特征是直徑粗、木質(zhì)素含量高。與其他參數(shù)相比，纖維細(xì)度對(duì)紡織加工的影響更加關(guān)鍵。因此，降低纖維細(xì)度、改善纖維的可紡性是這類材料獲得高價(jià)值紡織應(yīng)用的前提［2］。

目前為止，多數(shù)文獻(xiàn)都從脫木質(zhì)素的角度展開(kāi)研究［3］。木質(zhì)素的去除可以改善纖維細(xì)度，使纖維更柔軟，提高纖維的可紡性［4］。但是，作為細(xì)胞間的連接物質(zhì)，木質(zhì)素的去除不可避免會(huì)引起纖維斷裂強(qiáng)度的下降，對(duì)紡紗不利。因此，多數(shù)研究都在上述兩種因素間尋找平衡［5-7］。

我們的前期專利報(bào)道了一種既能改善纖維細(xì)度，又能避免纖維強(qiáng)度下降的方法［8］。以甘油/NaOH為溶劑，采用微波輔助快速升溫，達(dá)到沿纖維徑向從外向內(nèi)定向脫膠的目的。一方面利用甘油的黏度降低NaOH的滲透速度；另一方面利用微波快速升溫至160℃～170℃，減少脫膠時(shí)間。通過(guò)上述兩種設(shè)計(jì)將高溫脫膠行為控制在纖維束外側(cè)。本試驗(yàn)采用此脫膠技術(shù)獲得棉稈皮纖維，研究其可紡性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

未處理棉稈皮纖維（直徑65μm，斷裂強(qiáng)度4.0 cN/dtex）；混紡用棉纖維（細(xì)度1.5 dtex，長(zhǎng)度29.2 mm）；對(duì)比用的棉稈皮纖維采用高溫堿煮方法獲得（溫度160℃、時(shí)間60 min、浴比40∶1）。

FN300A型羅拉式梳理機(jī)（青島精佳紡織機(jī)械制造有限公司）；XH200A型電腦微波固液相合成萃取儀（北京祥鵠科技發(fā)展有限公司）；LLY-06B型電子單纖維強(qiáng)力儀（萊州電子儀器有限公司）；KYKY 2800型掃描電鏡（北京中科科儀股份有限公司）；YG061F型電子單紗強(qiáng)力儀（萊州電子儀器有限公司）；YG171L型紗線毛羽測(cè)試儀（萊州電子儀器有限公司）。

1.2 微波輔助棉稈皮纖維脫膠

首先，以甘油為溶劑，配置NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的甘油/NaOH溶液；稱取5 g棉稈皮纖維，與10 g甘油/NaOH溶液均勻混合。將上述纖維在900 W功率微波下作用18 s后浸于室溫水中徹底漂洗至中性；纖維干燥，再經(jīng)羅拉式梳理機(jī)梳理后用于測(cè)試和紡紗。

1.3 棉稈皮纖維性能測(cè)試

棉稈皮纖維的形態(tài)在掃描電鏡下觀察，放大500倍。纖維直徑由200根纖維的直徑測(cè)量值計(jì)算平均值得到。由于微波輔助脫膠條件下，除非纖維解體，其平均長(zhǎng)度均大于60 mm，遠(yuǎn)超棉型化纖標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度38 mm。因此，本研究對(duì)脫膠過(guò)程中的纖維長(zhǎng)度變化不作分析。

棉稈皮纖維的木質(zhì)素含量采用GB 5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》進(jìn)行測(cè)定。

將10 mm長(zhǎng)的棉稈皮纖維在捻度儀上沿自身長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)直至斷裂，記錄旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，定義為撓曲度。采用該法測(cè)試棉稈皮纖維的撓曲度。撓曲度越高，表明纖維在紗線中越容易進(jìn)行內(nèi)外轉(zhuǎn)移，成紗結(jié)構(gòu)越均勻。

棉稈皮纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)及楊氏模量等在LLY-06B型電子單纖維強(qiáng)力儀上測(cè)試。試驗(yàn)前，纖維在溫度21℃及相對(duì)濕度65%的條件下平衡24 h左右。夾持距離10 mm，拉伸速度10 mm/min。每個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試200根纖維。

棉稈皮纖維與棉纖維按7∶3的比例手工混和后，按梳棉、并條、粗紗、細(xì)紗的加工流程進(jìn)行紡紗。設(shè) 定3種 紗 線 號(hào) 數(shù)18.5 tex、29.5 tex、49.2 tex，在各號(hào)數(shù)下紡制不同捻系數(shù)的紗線。

1.4 紗線性能測(cè)試

按GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（CRE法）》，在YG061F型電子單紗強(qiáng)力儀上測(cè)試紗線的強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率。依據(jù)FZ/T 01086《紡織品紗線毛羽測(cè)定方法投影計(jì)數(shù)法》，在YG171L型紗線毛羽測(cè)試儀上測(cè)試3 mm毛羽數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈皮纖維的形態(tài)和尺寸

圖1 是未處理、高溫堿煮及微波脫膠后的棉稈皮纖維表面形態(tài)。

圖1 棉稈皮纖維的表面形態(tài)

由圖1可以看出，未處理的棉稈皮纖維直徑約65μm，表面有大量膠質(zhì)包覆；高溫堿煮后的纖維表面膠質(zhì)較少，纖維直徑降至45μm；微波輔助脫膠后的棉稈皮纖維直徑降至28μm左右，纖維表面較潔凈。棉稈皮纖維內(nèi)的膠質(zhì)以木質(zhì)素為主，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素較難去除，高溫條件下木質(zhì)素能被更有效地降解去除。在本試驗(yàn)中，經(jīng)900 W功率微波作用18 s后，溶劑溫度已升至170℃，能有效保證木質(zhì)素降解和單細(xì)胞剝離。因此，900 W微波條件下易得到直徑細(xì)、表面潔凈的棉稈皮纖維。

2.2 棉稈皮纖維的木質(zhì)素含量

經(jīng)測(cè)試，未處理、微波脫膠、高溫堿煮棉稈皮纖維的木質(zhì)素含量分別為（16.9±1.5）%、（14±1.6）%、（4.5±0.6）%。未處理的棉稈皮纖維木質(zhì)素含量最高，達(dá)到16.9%。高溫堿煮后，棉稈皮纖維木質(zhì)素含量降至4.5%，表明木質(zhì)素在160℃溫度下去除效率高。但是，由于脫膠過(guò)程在高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行，纖維內(nèi)外側(cè)的木質(zhì)素被同時(shí)去除。雖然900 W功率的微波作用18 s后，溶劑溫度升至170℃，脫膠后的纖維木質(zhì)素含量仍保持在14%的較高水平，表明木質(zhì)素未發(fā)生大量降解或被溶解去除。因此，可以推測(cè)，微波條件下棉稈皮纖維的脫膠被控制在纖維束外側(cè)。

2.3 棉稈皮纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線

3種棉稈皮纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 3種棉稈皮纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可以看出，與未處理的棉稈皮纖維相似，微波脫膠后的棉稈皮纖維表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高模量的特征，而高溫堿煮后的棉稈皮纖維斷裂強(qiáng)度和模量均出現(xiàn)下降。這一現(xiàn)象與脫膠模式的猜測(cè)一致。在高溫高壓堿煮模式下，纖維內(nèi)外側(cè)的膠質(zhì)被同步去除，直接導(dǎo)致纖維強(qiáng)度和模量的下降；采用微波升溫形式，脫膠行為被控制在纖維束外側(cè)，內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)受影響較小。因此，微波處理后的纖維整體表現(xiàn)出強(qiáng)度高、模量高的特征。

2.4 纖維的撓曲度

撓曲度可間接反映纖維沿著紗線徑向轉(zhuǎn)移的性能。經(jīng)測(cè)試，未處理、微波脫膠、高溫堿煮棉稈皮纖維的撓曲度分別為（8.6±1.0）圈、（12.1±1.3）圈、（15.7±1.7）圈。由此可以看出，未處理棉稈皮纖維的撓曲度僅8.6圈，這與緊密堆砌的纖維結(jié)構(gòu)有關(guān)。高溫堿煮后，纖維內(nèi)外側(cè)的木質(zhì)素被同步去除，結(jié)構(gòu)變得松軟，撓曲度值升高，這一現(xiàn)象與高溫堿煮后棉稈皮纖維較低的楊氏模量是一致的。在微波輔助脫膠過(guò)程中，膠質(zhì)是沿著纖維束徑向從外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐步去除的。脫膠后的纖維內(nèi)側(cè)緊湊，外側(cè)松軟。因此，微波脫膠后的棉稈皮纖維撓曲度高于未處理的棉稈皮纖維，但低于高溫堿煮后的棉稈皮纖維。

2.5 棉稈皮纖維混紡紗的性能

不同號(hào)數(shù)棉稈皮纖維混紡紗的斷裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 棉稈皮纖維混紡紗與純棉紗斷裂強(qiáng)度的比較

由圖3可以看出，捻系數(shù)相同時(shí)，棉稈皮纖維混紡紗的斷裂強(qiáng)度基本低于相同號(hào)數(shù)的純棉紗；號(hào)數(shù)相同時(shí)，棉稈皮纖維混紡紗的臨界捻系數(shù)值均高于純棉紗。在本研究中，18.5 tex、29.5 tex、49.2 tex混紡紗的最高斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到16.0 cN/tex、16.9 cN/tex及17.5 cN/tex，遠(yuǎn)高于前期研究中高溫堿煮棉稈皮纖維混紡紗的12.0 cN/tex，這得益于纖維細(xì)度和強(qiáng)度的改善。雖然微波脫膠后的棉稈皮纖維撓曲度測(cè)試值略低于高溫堿煮后的纖維，但纖維直徑小和強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)改善了混紡紗的性能。

棉稈皮纖維混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)率如圖4所示。由圖4可以看出，棉稈皮纖維混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)率隨捻系數(shù)升高逐漸升高，而純棉紗的斷裂伸長(zhǎng)率經(jīng)過(guò)初期上升階段后出現(xiàn)臨界值。這一現(xiàn)象的原因是兩種紗線內(nèi)纖維間抱合力的差異。棉稈皮纖維的直徑比棉纖維粗，缺少棉纖維的天然轉(zhuǎn)曲，與棉纖維之間的抱合力不足。捻系數(shù)的升高可以改善兩種纖維間的抱合，提高混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)率。純棉紗的捻系數(shù)存在臨界值，超過(guò)此臨界值后，繼續(xù)升高捻系數(shù)反而會(huì)損傷紗線的彈性和延伸性，導(dǎo)致紗線斷裂伸長(zhǎng)率下降。

圖4 棉稈皮纖維混紡紗與純棉紗斷裂伸長(zhǎng)率的比較

棉稈皮纖維混紡紗的3 mm毛羽數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 棉稈皮纖維混紡紗與純棉紗3 mm毛羽數(shù)的比較

圖5 中，純棉紗和棉稈皮纖維混紡紗的3 mm毛羽數(shù)都存在一個(gè)臨界值。低于臨界值時(shí)，3 mm毛羽數(shù)隨捻系數(shù)增加呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)榧幽砝诶w維沿紗線徑向的轉(zhuǎn)移，減少了頭端暴露的機(jī)會(huì)。但是，捻系數(shù)過(guò)高會(huì)使纖維頭端垂直于紗線表面，同時(shí)極易引起小辮子紗現(xiàn)象。與純棉紗相比，棉稈皮纖維混紡紗的臨界捻系數(shù)較高，這也說(shuō)明棉稈皮纖維的可紡性不如棉纖維，棉稈皮纖維混紡紗的成紗結(jié)構(gòu)不如純棉紗。

3 結(jié)論

（1）微波輔助脫膠方法可在不損傷纖維結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，獲得可紡性較好的棉稈皮纖維。該纖維表現(xiàn)出直徑細(xì)、撓曲度好、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。

（2）用微波輔助脫膠方法獲得的棉稈皮纖維可紡性顯著優(yōu)于高溫堿煮獲得的棉稈皮纖維。

（3）在紡紗應(yīng)用表現(xiàn)上，棉稈皮纖維直徑和強(qiáng)度的改善可彌補(bǔ)自身結(jié)構(gòu)脆性的不足。