咖啡纤维结构与性能研究
2014-10-08毕松梅
孙 哲，毕松梅
(安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖241000)
咖啡纤维是台湾兴采实业有限公司依靠自己的科技研究发明出来的，该纤维的优点是具有较大的比表面积和吸附能力，具有升温保暖、除臭环保、防紫外线等功效［1］，最大的特点是使用的材料为废弃的咖啡渣.
如今，很多企业都有咖啡纤维系列的服装产品.用咖啡纤维做成的服装更加自然、环保，拥有较好的透气性和导热散热性，手感柔软光滑，并具有吸湿快干、除臭环保、负离子“呼吸”等功效，非常适合制作贴身内衣和夏季服装，所以深受市场和消费者的欢迎.本研究以咖啡纤维的基本化学结构和性能为基础，详细地测试和分析了咖啡纤维的可纺性和应用前景.
1 生产过程
1.1 咖啡纤维的生产过程
咖啡纤维是将废弃的咖啡渣通过1 000℃以上的煅烧处理，在咖啡渣的晶相与孔隙呈稳定状态时，运用纳米技术将其研磨成200纳米级左右的粉体，然后在后加工过程中加入纺丝液，纺成纱线.
生产咖啡纤维的关键在母粒，母粒制作的关键在咖啡碳复方粉体.
1.2 咖啡碳复方粉体的制作过程
咖啡碳复方粉体的制作流程见图1.
图1 咖啡碳复方粉体的制作流程Fig.1 The production process of coffee carbon compound powder
2 实验部分
2.1 红外光谱测试
利用傅里叶红外光谱仪对粉末样品进行测试.根据红外光谱的工作原理，分析咖啡纤维分子中所包含的基团以及亲水基团的多少.
2.2 XRD测试
利用德国布鲁克公司D8-Ⅱ型X射线粉末衍射仪进行测试，测试结果用Jade软件进行分析，得出咖啡纤维的结晶度.
2.3 纤维形态测试
样品必须保证干燥、无腐蚀.将纤维整齐地依次填满纤维切片器的切口，再用刀片将两端多余的纤维切除.在纤维两面都滴入火棉胶，约2 h后火棉胶凝固，旋转螺母推出纤维，用刀片平滑地切断纤维，样品的制备完成［2］.将纤维样品(至少2份)放入电子显微镜仔细观察，一份横放，一份竖放.
2.4 纤维长度分布测试
利用手排法将纤维束一端按照长短顺序整齐地排列在黑绒板上，作图并计算长度.
2.5 纤维细度测试
利用中段切断称量法，将纤维捋顺拉平，切断长度LC取10 mm，然后用纤维切断器将纤维切断，称得质量为m(单位mg)，用镊子数纤维根数n(n＞1 500)，计算公制支数
2.6 单纤维拉伸性能测试
利用电子式单纤维强力仪将单根纤维的一端用镊子放入上夹持器，另一端用下夹持器夹紧，上下夹持器之间的距离为10 mm，预张力为1.3 cN/dtex，实验次数为50次.
2.7 纤维回潮率测试
利用DHG-9140型电热恒温鼓风干燥箱和电子天平，在105℃时将试样连续烘90 min后关闭电源在箱内进行第一次称量，再开启电源待温度上升至105℃后，将试样连续烘10 min进行第二次称量.两次试样的质量之差与第二次的质量之比小于0.05%，第二次所称质量即试样的干燥质量.
3 结果与分析
3.1 红外光谱化学结构
咖啡纤维、棉纤维和麻纤维的红外光谱图见图2.
图2 纤维红外光谱图Fig.2 The infrared spectrogram of coffee and other fiber
由图2可知，在3 500～3 000 cm-1区域内，可看到咖啡纤维的羟基基团的透光率约为28%，棉纤维约为22%，麻纤维约为20%.根据文献［3］中透光率与羟基含量成正比的结论可知，咖啡纤维的羟基基团含量大于棉纤维和麻纤维.羟基基团是高分子中常见的亲水基团，亲水基团的数量对纤维的吸湿性有着很重要的决定作用，亲水基团的数量越多，吸湿性能就越好.由实验得知，咖啡纤维的吸湿性能优于棉纤维和麻纤维.
图3 咖啡纤维X衍射图Fig.3 The X-ray diffraction diagram of coffee fiber
3.2 XRD结晶度
咖啡纤维的X衍射图见图3.利用Jade软件测试得，咖啡纤维的结晶度约为53%，低于棉纤维，可知咖啡纤维的结构较疏松.
3.3 形态结构
咖啡纤维的纵横向形态见图4.
图4 咖啡纤维纵横向形态Fig.4 The longitudinal and transverse form of coffee fiber structure
从图4可知，咖啡纤维的直径为10～15 μm，横截面为不规则多边形，比表面积较大，增加了咖啡纤维的表面吸附效果和吸湿性.纵截面粗糙、凹凸不平，有利于纤维的透气传热.
3.4 长度
咖啡纤维的长度分布见图5.由图5可知，咖啡纤维的有效长度为55 mm，中间长度为48 mm，短纤维(长度小于27 mm的纤维)百分率为54.55%.
3.5 细度
咖啡纤维的细度如表1所示.可知咖啡纤维的细度和棉纤维接近.
图5 咖啡纤维长度分布图Fig.5 The length distribution of coffee fiber
表1 咖啡纤维与其他纤维的细度Tab.1 The fineness indexes of coffee and other fibers
3.6 拉伸性能
咖啡纤维的拉伸性能指标如表2所示.咖啡纤维的断裂伸长率平均值为7.1%，在纺纱过程中，有利于成纱.但是，咖啡纤维的断裂强度较低，平均断裂强度小于2 cN/dtex，这使得咖啡纤维容易发生断裂，不利于生产.
表2 咖啡纤维和其他纤维的物理机械性能［4-5］Tab.2 The tensile properties of coffee and other fibers
3.7 回潮率
测得咖啡纤维的回潮率为0.5%.
4 结论
咖啡纤维的长度与细度与棉纤维接近，但其断裂强度低，生产过程中容易发生断裂，成纱困难.如果能提高咖啡纤维的断裂强度，将大大提高它在市场上的占有率.
［1］赵菊梅.咖啡纱的性能和应用前景分析［J］.辽宁丝绸，2010(4):25-26.
［2］余序芬.纺织材料实验技术［M］.北京:中国纺织出版社，2004:48-50.
［3］吕家申.红外光谱法测定羟基硅油中羟基含量［J］.化学世界，1997(7):377-380.
［4］周衡书.竹纤维纺纱与织造性能研究［J］.纺织学报，2004(5):91.
［5］李汝勤，宋钧才.纤维和纺织品的测试原理和仪器［M］.上海:中国纺织大学出版社，1995:50-54.
