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竹原纤维的碱处理及交联改性研究

放大字体  缩小字体 永安竹业信息网  http://www.cnzhuye.com   发布日期:2013-08-28  来源:世界印染网  
新闻摘要:竹原纤维与麻类纤维相似,具有高结晶、高取向结构的特性,因此织物存在低弹、易皱、刺痒和手感粗糙等缺点。为此,人们对纤维改性

竹原纤维与麻类纤维相似,具有高结晶、高取向结构的特性,因此织物存在低弹、易皱、刺痒和手感粗糙等缺点。为此,人们对纤维改性进行了大量的研究工作,其中以碱处理研究最为广泛,并已应用于生产。竹原纤维的微观和形态结构与麻类纤维有一定的差异,碱处理后的结构与性能也不同。

本试验采用naoh处理和乙二醛交联改性,对竹原纤维纱线结构与性能进行研究,希望通过碱处理来减少纱线因交联造成的强度损失,并扩大纤维的可及区域,提高乙二醛与纤维的交联程度;或降低纤维和纱线问的内应力,使乙二醛能均匀分散在纤维内部以促进交联效果,均匀分散负荷,以期在提高竹原纤维折皱弹性的同时,有效降低纱线强度的损失。

1试验

1.1材料及试剂

材料18.2 tex竹原纤维纱线(湖南株州雪松公司,用丙酮萃取24 h后再用去离子水清洗lo次,在50℃条件下干燥备用)

试剂naoh(分析纯,国药集团化学试剂有限公司);c2h2o2(天津膊迪化工公司);mgcl2?6h2o、柠檬酸(分析纯,天津市福晨化学试剂厂);cuso4(分析纯,国药集团化学试剂公司);znso4(分析纯,天津科密欧化学试剂开发中心);h2so4、jfc、na2co3。

1.2纱线处理

1.2.1碱处理

松式碱处理将绞纱浸入以去离子水配成的naoh溶液中,于室温(20℃)条件下处理20 min,然后用质量分数为2%的h2so4溶液(zn2+,mg2+)中和15 min,再用去离子水充分洗涤,最后在室温下晾干。

张力碱处理将绞纱绕在钢丝框上,以防止纱线收缩。其它处理同上。

1.2.2交联

室温下将绞纱于交联剂溶液中浸渍5 min。交联剂溶液由质量分数为2.5%60 g/l的乙二醛溶液与氯化镁/柠檬酸催化剂,以及质量分数为l%的jfc混合而成。将经交联剂浸泡的绞纱取出挤干后,在50℃下干燥10 min,然后于160℃焙烘3 min;再用5 g/l na2c03溶液在50℃下冲洗5 min,洗去未反应的化学品,用去离子水洗后于50℃烘干。

1.3 x衍射谱测试

ultima3型x衍射仪(日本理学公司),测试条件:cu—kct射线,电压40 kv,电流40 ma,测角器转速5°/min,20为5°一45°。

纤维的结晶度使用mdi jade7.0分峰,将无定形区散射与各晶面的衍射峰分开,根据各晶峰的面积可算出结晶度。

纤维碱处理后,纤维素ⅱ的含量计算方法见文献。

1.4红外光谱测试

用tensor 27 spectrometer(bruker)测试改性前后的竹原纤维纱线红外光谱,扫描32次。

1.5扫描电镜测试

通过液氮脆断,用quanta 200(荷兰fei公司)观察纤维的断面。

1.6纱线回潮率的测试

20(℃、湿度65%条件下,对各纱线称重(w1),将其烘干(105℃)至恒重(w2),按下式计算回潮率:

1.7纱线机械性能的测试

参照gb/t 3923.1—1997《纺织品织物拉仲性能第l部分:断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》,采用yg021t型电子单纱强力机,每试样测50次,取平均值。测试条件:拉伸速度500 mm/min,夹持长度500 mm,预加张力20 cn,(65%±2%)rh,(20±2)℃。2结果与讨论

2.1 x衍射分析

竹原纤维纱线经不同浓度naoh松式处理和张力处理后的xrd图谱如图1、2所示。

图1竹原纤维纱线松式碱处理的xrd图谱

图2竹原纤维纱线张力碱处理的xrd图谱

图1和图2中,未经碱处理的竹原纤维试样的xrd图谱均在2θ为22.74°、15.02°和16.32°处出现了波峰,其分别为纤维素i的[002]、[101]和[101]晶面。随着naoh浓度增大,纤维的峰位和峰形都发生了变化,当naoh浓度为4%和8%时,xrd图谱与原样相似;但当naoh浓度≥12%后,纤维在12.16°和20.19°出现了新的峰,分别为纤维素ⅱ的[101]和[101]晶面。松式碱处理和张力碱处理后的交联试样的xrd图谱(未给出),与交联前对应碱处理试样的图谱基本一致。说明交联反应对纤维结晶区的影响很小,交联只发生在纤维无定形区和结晶区的表面。

由图1、2可计算出竹纤维纱线碱处理后纤维结晶度及纤维素ⅱ含量的变化,如图3所示。

图3竹原纤维纱线碱处理后结晶度及纤维素ⅱ含量

由图3可知,竹原纤维原样结晶度为78.96%,在naoh浓度为4%和8%时,松式碱处理和张力碱处理纤维的结晶度均稍有增大,其最大值分别为81.45%和80.87%。这是由于稀碱液只能作用于纤维的无定形区[11。,溶解无定形区的木质素和半纤维索,使无定形区减少,从而提高了纤维的结晶度;而松式碱处理竹原纤维的结晶度上升幅度稍大于张力碱处理试样,这可能是由于张力对稀碱液向纤维无定形区的渗透有一定的阻碍作用。当naoh浓度≥12%,纤维的结品度开始大幅下降。松式碱处理竹原纤维结晶度的下降幅度大于张力碱处理试样,前者在naoh浓度为16%一18%时下降最大,最小值约为60%;而后者在naoh浓度为20%时,达到最小值,但其结晶度为66.85%,仍高于前者的最低值。

由图3还可以看出,当naoh浓度小于12%时,纤维素的晶型没有发生转变;而当naoh浓度≥12%时,纤维开始由纤维素i逐渐向纤维素ⅱ转变。松式碱处理竹原纤维在naoh浓度为16%一20%时,纤维素基本转变完毕,约为97%,但是仍然存在少量的纤维素i;而张力碱处理试样由纤维素i转变为纤维素ⅱ的速率相对较慢,当naoh浓度为20%时,纤维的纤维素ⅱ含量仅为65.49%,这与结晶度下降的规律一致。张力碱处理竹原纤维结晶度下降较少,是由于纱线在碱处理时,横向膨胀导致纵向收缩,在膨胀的同时拉大了纤维素大分子问的距离,使大分子问的氢键减弱甚至断裂,经再生后,纤维素晶型发生不可逆的转变,结晶度降低,而张力阻碍了纱线的收缩,限制了氢键的断裂,必然阻碍纤维结晶度的下降和纤维素ⅱ的形成。

2.2红外分析

图4为竹原纤维纱线经松式碱处理和张力碱处理后的ftir图谱。

(a)松式碱处理

(b)张力碱处理

图4经不同浓度naoh处理的竹原纤维纱线ftir-atr图谱

注:图谱中由下至上naoh浓度分别为0,4%,8%,12%,16%,20%。

1 430 cm -1是一ch2一的对称弯曲振动,是结晶区的灵敏谱带。由图4(a)知,当naoh浓度≤12%时,1 430 cm-1处波峰的强度变化很小,而当naoh浓度≥16%时,l 430 cm-1处波峰向低波数偏移且强度大幅度下降;图4(b)偏移程度要小于图4(a)。一ch2一的对称弯曲振动的强度和峰位的变化,受纤维素分子中c6周围氢键的影响,当纤维大分子由纤维素i向纤维素ⅱ转变,分子中c3和c6间的氢键减弱直至断裂,使一ch2----的对称弯曲振动强度降低。895 cm-1是c1的基团频率,是非结晶区的灵敏谱带,随着naoh浓度的增大,强度提高。a1430/a895可反映结晶度的高低,a1375/a1335则可以用来表征纤维素i向纤维素ⅱ转变的程度。

图5是图4经过矢量归一化后计算得出的naoh浓度与红外指数的关系曲线。

(a)松式碱处理

(b)张力碱处理

图5竹原纤维纱线经不同浓度naoh处理后的红外指数

由图5(a)可以发现,碱处理后竹原纤维结晶度和纤维素h含量的变化规律与xrd分析得出的规律一致,且图5(b)中的结晶度下降和纤维素ⅱ含量提高程度也比图5(a)小,与图3一致。

2.3回潮率

图6和图7分别为松式碱处理和张力碱处理竹原纤维交联前后回潮率与naoh浓度的关系曲线。

由图6可以看出,随着naoh浓度的增大,松式碱处理后纤维回潮率逐渐提高。当naoh浓度≤8%时,回潮率变化较小;而naoh浓度为12%~16%时,纤维回潮率迅速上升;naoh浓度≥16%时纤维回潮率上升变缓,基本保持稳定。这与xrd和ffir分析的结晶度和结晶指数变化规律一致。松式碱处理交联纤维的回潮率始终都大于松式碱处理纤维,这是的者由于乙二醛在纤维无定形区形成了交联所致。

图6松式碱处理交联前后的回潮率

图7中,张力碱处理竹原纤维的回潮率小于松式碱处理纤维的回潮率,在naoh浓度为12%一16%时,前者的回潮率上升幅度比后者缓;且当naoh浓度为20%时,纤维的回潮率仍然呈快速上升趋势,这是由于张力碱处理后,纤维的结晶度下降未达到最低点。

图7张力碱处理试样交联前后回潮率

2.4力学性能

竹原纤维纱线经4%~20%的naoh松式处理和张力下处理后,与乙二醛交联。纱线交联前后的力学性能分别列于表l、2中。

表1竹原纤维纱线张力碱处理交联前后的力学性能

由表1知,张力碱处理试样交联前,当naoh浓度<12%时,纱线的强度和断裂伸长率变化较小;当naoh浓度≥12%时,纱线强度有所提高(2.40—2.94cn/dtex),断裂伸长率减小,初始模量增大,最大值为859.14 cn/tex(naoh浓度=16%)。当naoh浓度=20%时,纱线的断裂伸长率为1.75%,高于naoh浓度为16%和18%时的情况。这可能是由于naoh浓度>16%时,纱线的收缩减少所致(见表2)。纱线交联后,当naoh浓度≤8%时,其强度与未经过碱处理直接交联的纱线强度相近;而当naoh浓度≥12%时,纱线强度随着碱浓度的增大而提高,断裂仲长率减小。纱线因交联产生的强度损失得到有效降低。张力碱处理后交联纱线初始模量变化较小。

表2竹原纤维纱线松弛碱处理交联前后的力学性能

由表2可以看出,naoh浓度≥12%松式碱处理时,试样发生明显的收缩;在naoh浓度<12%时,纤维强度有所提高,当naoh浓度≥12%时强度逐渐减小;初始模量的变化规律与强度变化相同,这与图3中松式碱处理后纤维结晶度变化规律一致。纤维断裂强度的变化在一定程度上是由结晶度的变化引起的,但纤维经张力碱处理后,结晶度同样下降,而强度却逐渐增大。这可能是由于松式碱处理后的纤维横向膨胀,导致纤维取向下降,进而导致纱线强度下降;而张力碱处理限制了纱线的收缩,纤维的横向膨胀受到阻碍,所以纱线的强力未发生下降。松式碱处理后纱线的断裂伸长率随naoh浓度的提高而增大,并在naoh浓度16%时达到最大值10.16%;纱线的初始模量随naoh浓度的提高而大幅度下降,从而使纱线的手感变柔软。naoh浓度≤8%时,松式碱处理后交联纤维,与直接交联的纱线相比,强力稍有上升;但当naoh浓度≥12%时,纱线强度大幅度下降。这是由于松式碱处理降低了纤维的结晶度,从而提高了纤维中无定形区的比例,使得交联剂与无定形区的交联程度提高。对于松式碱处理后交联的纤维,当naoh浓度为8%时,强度最大,为2.15 cn/dtex。

图8竹原纤维纱线处理后sem照片

(a)原纱断面;(b)直接交联纱断面;(c)松式碱处理交联纤维断面(naoh浓度=16%)图8为纤维的液氮脆断横截面。图8(a)为原纱中纤维的断面,纤维沿原纤的轴向发生断裂,而且纤维的原纤为螺旋排列,有一定倾斜。图8(b)为(a)的局部放大图,纤维的断面为原纤所形成的尖刺。这是由于当纤维受力时,纤维原纤的螺旋排列发生逆转,纤维伸长产生剪切力,使纤维沿原纤间轴向断裂。图8(c)为纱线直接交联后纤维的断面,原纤由于交联的作用而紧紧结合在一起,阻碍了纤维的轴向断裂,截面的尖刺减少。图8(d)为naoh浓度=16%时,松式碱处理交联纤维的断面,纤维的断裂方式与(c)相似,且由于碱的作用纤维发生溶胀,导致断面光滑。图8(a)中,竹原纤维刚度大,纤维较脆,而图8(d)中,纤维断面光滑,柔韧性得以提高。

3结论

(1)松式碱处理竹原纤维,naoh浓度≤8%,竹原纤维的晶型不会发生转变;naoh浓度≥12%,由纤维素i向纤维素ⅱ发生转变;naoh浓度≥16%,纤维素的转变基本完成,结晶度由原纤维的78.96%下降为60.64%。随着naoh浓度增大,纱线强度和初始模量逐渐下降,断裂伸长率和回潮率提高。

(2)碱处理时施以张力,对纤维素的转变有阻碍作用。当naoh浓度=20%时,纤维中纤维素ⅱ含量和结晶度分别为65.49%和66.85%,且有助于纤维取向度的提高。随着naoh浓度的增大,纱线强度和初始模量逐渐提高,断裂伸长率减小,回潮率有所提高。

(3)松式碱处理扩大了竹原纤维的无定形区,纱线交联程度提高。naoh浓度<8%时,交联纱线强度损失较直接交联纱线要小;但naoh浓度>8%时,纱线交联后强力损失严重,初始模量大幅度下降。所以。naoh浓度=8%时,有助于保持纱线的交联后强度。

(4)对于张力碱处理竹原纤维,当naoh浓度≥12%时,纱线的强度随着碱浓度的增大而提高,断裂伸长率减小。纱线因交联产生的强度损失得到有效的降低。

 
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