竹笋壳纤维热湿性能研究

2015-12-30倪海燕付世伟

纤维素科学与技术 2015年2期

倪海燕，付世伟

竹笋壳纤维热湿性能研究

倪海燕1，付世伟2

（1. 闽江学院服装与艺术工程学院，福建福州 350122；2. 福建省纤维检验局，福建福州 350026）

分析自然脱落竹笋壳提取物竹笋壳纤维的热湿性能，为开发利用竹林资源竹笋壳提供理论依据。主要研究了竹笋壳纤维在不同热处理温度条件下的吸湿性能和放湿性能，分析热湿条件对纤维断裂强度、断裂伸长率以及纤维摩擦性能的影响。结果表明：随着温度的升高和热处理时间的增加，竹笋壳纤维的断裂强度和断裂伸长率逐渐下降；温度对竹笋壳纤维的摩擦性能影响不大；随着环境相对湿度的提高，竹笋壳纤维的断裂强度不断下降，断裂伸长率变化平缓；湿度的增大，竹笋壳纤维的动摩擦系数和静摩擦系数都呈增大的趋势，且相对湿度越高，纤维的静动摩擦系数差值越大。

竹笋壳纤维；热湿性能；拉伸；摩擦

竹笋壳纤维是从竹林中自然脱落竹笋壳中提取的一种新型天然纤维素纤维，竹笋壳是竹笋生长时的外层包皮，起保护竹笋的作用，随着竹笋成竹自然脱落下来的农副产品。我国竹资源十分丰富，是世界主要的产竹国，具有巨大的廉价竹笋壳原料市场。多年来，竹笋壳的研究应用主要在食用、药用及工艺制品等方面，其在纺织领域中的应用几乎空白，仅在一些服饰配件方面有所应用[1]，开发竹笋纤维对丰富纺织用天然植物纤维资源和提高竹林资源竹笋壳的使用价值有很大的意义。从上世纪90年代后，人们开始关注丰富的竹林资源竹笋壳的应用价值，最初的研究主要侧重于食用和药物用两方面。竹笋壳在纺织领域的应用，近几年才开始研究[2-4]。针对竹笋壳纤维的研究主要是提取工艺、纤维的微观结构及力学性能等方面[5-6]。为了能更深入地利用竹笋壳纤维资源，需要对纤维的性能做全面的研究，从而加快其产业化开发进程。本文主要研究竹笋壳纤维的热湿性能，并分析不同的热湿处理条件，对竹笋壳纤维拉伸性能和摩擦性能的影响，为竹笋壳纤维产品开发提供参考依据。

1 实验

1.1 原料

竹笋壳原料采自福建省顺昌县华家山毛竹采育场，竹笋壳长在42～67 cm之间，宽度为16～25 cm。文中实验纤维试样采用物理化学脱胶法提取，制得的竹笋壳纤维细度均值约1 100公支。

1.2 设备

YG747通风式快速八篮烘箱，南通宏大实验仪器有限公司；美国INSTRON5565型电子万能材料强力机；Y151型纤维摩擦系数测定仪，常州第二纺织机械厂。

1.3 实验方法

1.3.1 竹笋壳纤维的吸放湿性能

测试热处理对竹笋壳纤维吸放湿性能的影响，试验前依据标准GB/T 9995-1997对实验试样进行充分调试，称取一定量的竹笋壳纤维试样，根据纺织纤维在加工和服用过程中的实际情况，分别将10 g纤维试样放置于70、90、110、130和150℃的烘箱环境中加热烘干，间隔一定时间记录1次试样的质量，并绘制出纤维放湿过程中的质量变化曲线。把经过不同温度烘干处理过的纤维试样，置于标准环境中吸湿，观察热处理后竹笋壳纤维的吸湿性能。每隔一定时间测试纤维试样的质量，并绘制出竹笋壳纤维吸湿质量变化曲线[7]。

1.3.2 竹笋壳纤维的拉伸性能

竹笋壳纤维在不同热湿条件下处理后，采用Instron5565万能强力机测试纤维的拉伸性能，夹持距离20 mm，预加张力0.2 cN，拉伸速度20 mm/min，每个试验测试50次，取其平均值，该试验测试指标取断裂强度和断裂伸长率。

1.3.3 竹笋壳纤维的摩擦性能

在Y151型纤维摩擦系数测定仪上测试不同热湿条件处理下的竹笋壳纤维的动、静摩擦系数。采用绞盘法测试，在直径为8 mm的金属芯轴上，均匀地包覆一层纤维，做成摩擦用的纤维辊，然后调节纤维辊的空间位置，以保证测试试样在纤维辊上的包围角为180°，纤维两端采用100 mg的张力夹，测定纤维各自的动、静摩擦系数，动态测试时纤维辊转速为30 r/min，根据欧拉公式，纤维在绞盘上的摩擦系数可通过公式（1）求得[8-9]。

式中，f0为张力夹质量，mg；m为扭力天平读数，mg；θ为纤维与绞盘之间的包角；μ为纤维与绞盘之间的摩擦系数。

2 结果与讨论

2.1 竹笋壳纤维吸放湿性能受温度的影响

竹笋壳纤维在不同热处理温度下的质量变化情况，依据“1.3.1”的方法，可得出竹笋壳纤维的放湿质量变化曲线，如图1所示。由图1可知，随着热处理温度的升高，纤维烘干所需的时间越短；并且温度越高，试样开始阶段质量变化越快，曲线斜率越大，这说明纤维的放湿速度越快。这是由于纤维在热处理初期，纤维内部分子间的自由水较多，随着温度的增大，自由水分子的动能增大，纤维的放湿速度就越快。在热处理后期，纤维放湿量主要来源于纤维中与大分子紧密结合的水分子，此类水分子的蒸发需克服分子间氢键的作用，故纤维的放湿速度下降明显[9-10]。

在标准条件下，将上述热处理烘干的5组试样进行吸湿试验，间隔一定时间称取试样质量，得到试样吸湿量变化曲线，如图2所示。由图2可知，在吸湿初期约1.5 h内，纤维的吸湿量增加很快；约4 h后，纤维的吸湿曲线变化趋于平缓，并且5条曲线基本重合，这说明热处理温度对竹笋壳纤维的吸湿能力损害不大。

图1 竹笋壳纤维放湿受温度的影响

图2 竹笋壳纤维吸湿受温度的影响

2.2 竹笋壳纤维拉伸性能受温度的影响

将纤维试样分别在不同温度20、70、90、110、130和150℃的环境下热处理10 min和30 min后，然后按“1.3.2”的方法测试纤维的拉伸性能[11-12]，试验结果如图3、图4所示。

图3 竹笋壳纤维断裂强度受温度的影响

图4 竹笋壳纤维断裂伸长率受温度的影响

由图3可知，竹笋壳纤维的断裂强度随着热处理温度的升高而降低，处理温度低于110℃时，纤维强度下降不明显，当热处理温度高于此温度后，竹笋壳纤维断裂强度随着温度升高呈显著下降，如110℃处理10 min后，断裂强度降为原值的95%，而150℃处理10 min后断裂强度仅为原值的80%；同时，热处理时间对纤维的断裂强度也有影响，在一定温度下纤维断裂强度随热处理时间的增加呈下降趋势，如150℃处理10 min断裂强度下降到80%，而150℃处理30 min后断裂强度下降到65%。

由图4可知，热处理温度低于110℃，纤维的断裂伸长率变化不明显，但高于110℃后，竹笋壳纤维断裂伸长率随着处理温度的升高呈下降规律，如110℃处理10 min后纤维断裂伸长率为原值的93%，150℃处理10 min后断裂强度仅为原值的81%；处理时间对竹笋壳纤维的断裂伸长率也有一定的影响，相同温度下断裂伸长率随热处理时间的增加呈下降趋势，如150℃处理10 min断裂强度为原值的81%，而150℃处理30 min后断裂强度为原值的63%。

2.3 竹笋壳纤维摩擦性能受温度的影响

纤维试样在不同温度20、70、90、110、130和150℃的条件下分别处理30 min后，置于标准环境下吸湿平衡，然后按照“1.3.3”的方法测试竹笋壳纤维的摩擦性能[13]，试验结果如表1所示。由表1可看出，经不同热处理温度处理后，竹笋壳纤维间的摩擦系数差异不大，且静动摩擦系数差值变化小，其原因竹笋壳纤维置于大气环境下吸湿后，纤维表层含水量较多，含水量对纤维间的摩擦有影响，但由于热处理对竹笋壳纤维的吸湿性能影响不大，故纤维之间的摩擦性差异很小。

表1 竹笋壳纤维摩擦性能受温度的影响

2.4 竹笋壳纤维拉伸性能受湿度的影响

在相对湿度为10%、40%、65%、85%和95%的条件下，分别对竹笋壳纤维充分调湿，然后测试竹笋壳纤维的拉伸性能，测试方法依据“1.3.2”，结果如图5、图6所示。

图5 竹笋壳纤维断裂强度受湿度的影响

图6 竹笋壳纤维断裂伸长率受湿度的影响

由图5可知，竹笋壳纤维的断裂强度随着相对湿度的增大不断下降，当相对湿度高于65%后，纤维的断裂强度下降幅度变大；相对湿度为95%时纤维断裂强度仅为标准状态下纤维的65.7%。这是由于竹笋壳纤维吸收大量的水分，纤维吸湿膨胀明显，使纤维中大分子链间的距离增大，分子链相互作用力变小，水分子链间部分交联点被水分子破坏，从而导致竹笋壳纤维断裂强度变小。

由图6可看出，竹笋壳纤维的断裂伸长率随相对湿度的增大变化不大，呈平缓下降。这是由于随着相对湿度的增大，竹笋壳纤维的吸湿量增加，大量水分子的进入，使纤维中分子链间的滑移更容易；另外，由于纤维吸湿后断裂强度变小，则总体而言，竹笋壳纤维的断裂伸长率变化缓和。

2.5 竹笋壳纤维摩擦性能受湿度的影响

竹笋壳纤维分别在10%、40%、65%、85%和95%不同相对湿度下充分调湿后，环境温度为20℃，然后测试纤维的摩擦性能，测试方法见“1.3.3”，测试结果如表2所示。由表2可知，竹笋壳纤维的动、静摩擦系数都随着环境相对湿度的增加而增大，且相对湿度越高，纤维动、静摩擦系数差值越大。这主要是由于竹笋壳纤维具有较好的吸湿性能，纤维表层含水较多，纤维间表层的水分子依靠氢键作用紧密结合，从而增大纤维之间的粘着力，因此，竹笋壳纤维在纺纱织造过程中，要严格把控车间湿度。