艾草改性竹浆纤维的形态结构及其性能研究

王丽莎，冯爱芬

(河北科技大学 纺织服装学院，河北 石家庄 050018)

艾草是菊科多年生草本植物，艾草叶中含有多种对人体有益的有机化合物，主要成分是茶多酚、咖啡碱、脂多糖等具有天然保健功能。艾草改性竹浆纤维是萃取艾草叶中的有效天然物质，在纺丝过程中与纺丝液共混得到的一种新型功能性粘胶纤维，利用独特工艺使艾草叶中的天然提取物均匀分布于艾草竹浆纤维内部[1]。艾草改性竹浆纤维具有良好的吸湿性，手感柔软，触感舒适，其织物具有抗菌广、功效高及持久性等特点，面料舒适，滑爽，透气性好，悬垂性好，并有别于市面上银、铜、锌等无机抗菌纤维，可最大限度地保证抗菌效果，且符合“绿色消费”理念[2-4]。天竹®竹浆纤维是利用可再生的竹资源，经特殊工艺制造的新型再生纤维素纤维，其保持了竹子原有的抗菌、抑菌作用，同时也具有吸湿透气性好、手感柔软的特点，其织物具有悬垂性好、抗紫外线效果好，易打理，染色性能优良，耐磨，不起毛球等特性。艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维广泛应用于儿童服装、家纺用品、内衣、T恤、防护服饰等领域，具有广阔的市场前景。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

材料：艾草改性竹浆纤维，天竹®竹浆纤维，均由河北吉篙化纤有限责任公司提供，线密度均为1.33 dtex,长度为38 mm。

试剂：氢氧化钠、98%浓硫酸(天津市恒兴化学试剂制造有限公司)。

仪器：TM3000型显微镜(日本日立株式会社)，YG751B型电脑式恒温恒湿箱(宁波纺织仪器厂)，Y(B)802G八篮恒温烘箱、YG(B)008E型电子单纤维强力机(温州大荣纺织仪器有限公司)，感量0.001 g电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司)。

1.2 形态结构测试

采用TM3000型扫描电子显微镜观察纤维的横向和纵向形态。用哈式切片器制作纤维横向切片，将纤维切片从载玻片上用镊子取下平放在载物台的导电双面胶上，然后放在显微镜下观察纤维横截面；观察纤维纵向形态，将单根纤维平放于导电双面胶上，然后放在显微镜下进行观察。

1.3 回潮率测试

采用YG751B型电脑式恒温恒湿箱，设置温度20 ℃，相对湿度65%，将纤维平衡8 h；采用Y(B)802G八篮恒温烘箱，参照GB/T 6503—2017《化学纤维 回潮率试验方法》进行测试。烘箱工作电压220 V，功率2.75 kW。

1.4 拉伸性能测试

采用YG751B型电脑式恒温恒湿箱，设置温度20 ℃，相对湿度65%，将纤维平衡16 h；采用YG(B)008E型电子单纤维强力机，参照GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》进行测试。测试参数：起拉力值1 cN，预加张力0.06 cN，夹距10 mm，纱线线密度1.33 dtex,速度10 mm/min，定伸长L1、L2、L3分别为5%、10%、15%。未经过酸碱处理前纤维断裂强度为F，处理后的断裂强度为f,纤维断裂强度损失率按下式计算：

损失率=(F-f)/F×100%

1.5 耐酸碱性能测试

在室温18 ℃，相对湿度30%的条件下，分别配置体积分数为0%、5%、10%、15%、20%的H2SO4溶液，体积分数为0%、3%、5%、8%、10%的NaOH溶液。将纤维放入溶液中浸泡1 h后取出，用蒸馏水洗净，放置72 h后使其自然晾干，进行回潮率和拉伸性能的测定。

2 结果与分析

2.1 外观形态

艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维在电子显微镜下的横截面及纵向形态的SEM照片见图1、2。

图1 艾草改性竹浆纤维的形态结构

图2 竹浆纤维的形态结构

由图1、2可见，当横截面和纵向形态放大至相同的倍数时，艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维的尺寸差异不大。艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维的横截面均为锯齿形状，纤维中存在着许多不同微孔。竹浆纤维比艾草改性竹浆纤维的锯齿形明显，艾草改性竹浆纤维内部微孔略多于竹浆纤维。艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维的纵向均有深浅不一的凹槽，造成凹凸不平的外观，有的深陷其内部，造成纤维上有较大的裂缝，这种结构使纤维具有较好的抱合力和摩擦力，有利于纤维纺制成纱。同时，可以明显看到艾草改性竹浆纤维纵向凹槽比竹浆纤维小，纵向表面微孔比竹浆纤维多。表现在宏观上，艾草改性竹浆纤维的手感较竹浆纤维略滑爽。纤维的吸湿性、湿滞性、光学和各种力学性质都与纤维的结构有关。

2.2 回潮率

2.2.1 回潮率曲线

纤维材料能够吸收水分，不同结构的纺织纤维吸收水分的能力是不同的。通常把纤维材料在大气中吸收或放出气态水的能力称为吸湿性，可以用回潮率或含水率来表示[5]。艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维被不同浓度的H2SO4溶液和NaOH溶液处理后的回潮率见图3、4。

图3 不同浓度H2SO4处理后纤维的回潮率

图4 不同浓度NaOH处理后纤维的回潮率

由图3可知，当H2SO4体积分数相同时，艾草改性竹浆纤维的回潮率略高于竹浆纤维的回潮率。2种纤维经过H2SO4溶液处理后回潮率均呈现增大的趋势。在H2SO4体积分数较低时，艾草改性竹浆纤维的回潮率增加比较缓慢，并随着H2SO4体积分数增加而逐渐增大。竹浆纤维的回潮率随着H2SO4体积分数增加而呈现稳定增大的趋势。由图4可知，当NaOH体积分数相同时，艾草改性竹浆纤维的回潮率略高于竹浆纤维的回潮率。2种纤维经过NaOH溶液处理后回潮率均呈现减小的趋势，并呈先快后慢的特点，2种纤维回潮率曲线大致相同。

2.2.2 回潮率分析

由图1、2可知，艾草改性竹浆纤维内部微孔略多于竹浆纤维，因此艾草改性竹浆纤维的吸湿性能优于竹浆纤维。经过H2SO4溶液处理后2种纤维的回潮率均增大，这是因为艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维都属于纤维素纤维，H2SO4溶液使纤维素中的部分纤维大分子水解，所形成的亲水基团增加的多，因此经过H2SO4溶液处理的纤维吸湿性能增强。

艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维经过NaOH溶液处理后回潮率减小，在测量回潮率的过程中发现NaOH体积分数较高时，处理的纤维表面产生了胶状物，烘干后胶状物发生了硬化，纤维相互挤压不容易产生变形，这是因为胶状物质覆盖了纤维，阻止了纤维上的亲水集团和水分子结合，同时也影响纤维空隙之间的吸湿，所以经过NaOH溶液处理后纤维回潮率减小[6-7]。

2.2.3 回潮率回归方程

根据高等数学知识，应用Matlab数学分析软件，将实验数据进行拟合，得出2种纤维回潮率与H2SO4和NaOH体积分数的回归方程，式中：x为体积分数，%；Y为纤维的回潮率，%。拟合结果见表1。

表1 纤维回潮率与体积分数的回归方程

回归方程显著性检验见表2。取显著水平α=2.5%，查得F0.975(1,3)=17.44，F0.975(2,2)=39,F0.975(1,4)=12.22,F0.975(3,2)=39.17[8]。因为F大于F0.975，则以上4组方程通过检验，得出酸碱溶液的浓度对纤维的回潮率有显著影响。

2.3 拉伸性能

纤维是长径比很大的柔性物体，轴向拉伸是其受力的主要形式，纤维的弯曲性能也与其拉伸性能有关，因此纤维的拉伸性能是衡量纤维力学性能的重要指标。纤维的拉伸性能包括强度和伸长2个方面，纤维的断裂强度和断裂伸长率与纺织加工性能和纺织品的服用性能有着密切的关系[9]。艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维被不同体积分数的H2SO4溶液和NaOH溶液处理后其拉伸性能见表3、4。

表2 回归方程显著性检验分析

表3 不同体积分数H2SO4处理后纤维的拉伸性能

表4 不同体积分数NaOH处理后纤维的拉伸性能

由表3、4可知，未经过溶液处理的2种纤维断裂强度和断裂伸长率都不高，这与纤维的形态结构有关，2种纤维的纵向均有深浅不一的凹槽，造成纤维上有较大的裂缝，这是2种纤维断裂强度和伸长率较低的原因之一。此外，艾草改性竹浆纤维的断裂强度和伸长率略低于竹浆纤维，这是因为艾草改性竹浆纤维经过改性后纤维内部的结构略有变化，内部的微孔多于竹浆纤维，因此艾草改性竹浆纤维的断裂强度和伸长率与竹浆纤维相比会偏低。随着酸碱体积分数的增加，艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维的断裂强度和伸长率均呈现下降的趋势，其中经过碱处理后2种纤维的断裂强度和断裂伸长率下降较大，断裂强度损失率见图5、6。

图5 不同体积分数H2SO4处理后纤维的断裂强度损失率

图6 不同体积分数NaOH处理后纤维的断裂强度损失率

由图5、6可以看出，同等条件下，竹浆纤维的质量损失率均高于艾草改性竹浆纤维。2种纤维的断裂强度损失增长率均随着体积分数的增加而增大，对实验结果进行拟合，发现其断裂强度损失率与体积分数较好地符合二次多项式关系Y=a+bx+cx2(式中：a、b、c均为常数；x为溶液体积分数，%；Y为断裂强度损失率，%)，拟合的相关系数R2均达到0.95以上。

2种纤维的断裂强度受H2SO4溶液的影响较小，断裂强度损失率增长呈先快后慢的特点，在经过体积分数20%H2SO4处理后，2种纤维的断裂强度损失率分别为17.52%和26.02%，并且随体积分数的增加而呈现缓慢增长的趋势。2种纤维的断裂强度受NaOH体积分数的影响比较大，断裂强度损失率增长呈先慢后快的特点，在经过体积分数10%NaOH处理后2种纤维的断裂强度损失率分别为57.69%和65.04%，并且随体积分数的增加而呈现急速增长的趋势。当NaOH体积分数超过8%时，对2种纤维来说损伤都很大，纤维已经失去利用价值，因此2种纤维应当尽量避免使用碱处理。这是因为2种纤维经NaOH溶液处理后纤维素大分子发生了碱水解反应，该反应会使纤维素的部分苷键断裂、聚合度下降[10]，因此2种纤维受NaOH溶液处理后断裂强度下降得比较明显。

3 结 论

①未经溶液处理的艾草改性竹浆纤维的回潮率大于竹浆纤维，但其断裂强度和断裂伸长率均小于竹浆纤维。

②艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维的回潮率均随H2SO4溶液体积分数的增加而增大，断裂强度和断裂伸长率随体积分数增加而呈现下降的趋势，竹浆纤维的断裂强度损失率大于艾草改性竹浆纤维。2种纤维的断裂强度和断裂伸长率受酸溶液的影响小，表明2种纤维具有一定的耐酸性。

③艾草改性竹浆纤维和竹浆纤维的回潮率均随NaOH溶液体积分数的增加而减小，断裂强度和断裂伸长率随体积分数增加而呈现下降的趋势，竹浆纤维的断裂强度损失率大于艾草改性竹浆纤维。2种纤维的耐碱性较差，当NaOH体积分数超过8%时，对纤维损伤都很大，纤维已经失去利用价值，因此在使用2种纤维时应当尽量避免碱处理。