过氧化尿素漂白亚麻短纤维的表征

2021-02-02张彩玉孟维丹

印染助剂 2021年1期

高洁，佟潇，张彩玉，孟维丹

（1.齐齐哈尔大学轻工与纺织学院，黑龙江齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学图书馆，黑龙江齐齐哈尔 161006）

亚麻纤维是天然植物纤维，因独特的纺锤形结构和果胶质斜边孔，吸湿透气性好，穿着挺括大方，被誉为清凉高贵的纤维，备受时尚消费者的喜爱［1］。亚麻纱的原料来自栉梳麻，以栉梳麻为原料纺纱叫长麻纺纱，以短麻为原料纺纱叫短麻纺纱［2］。短麻既具有亚麻本身的优点，又存在许多缺点，如杂质含量高、纤维粗硬，短纤维之间性能差别大，可纺性较差，只能进行湿纺加工［3］，所以只能生产一些较低端的产品。为了弥补亚麻短纤维的这些不足，对短纤维进行煮漂处理以去除部分杂质，在提高纤维分裂度及白度的基础上，尽量减少纤维的损伤，改善短纤维的可纺性能，便于后续加工，使亚麻产品多元化发展。亚麻短纤维的分裂度和长度与胶质含量密不可分，如果完全脱胶，亚麻纤维长度较短，纺纱困难。因而只能采取半脱胶，而究竟将胶质脱到何种程度应依据纤维的性质和纺纱支数确定。本研究采用过氧化尿素进行漂白，既能满足对亚麻短纤维白度的要求，又能尽量保护纤维，提高亚麻短纤维的加工水平。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：亚麻短纤维（齐齐哈尔克山金鼎亚麻有限公司）；渗透剂JFC（分析纯，嘉兴华晟助剂工业有限公司），焦磷酸钠（分析纯，吉林省军区化工厂），络合剂EDTA（分析纯，吴江恒达精细化工有限公司）。

仪器：HH-SII6型数显水浴锅（金坛华峰仪器有限公司），Y802K型快速烘箱（莱州电子仪器有限公司），Spectrum型红外光谱仪（美国PE公司），S-3400型扫描电子显微镜（日本日立公司），FA1004型电子分析天平（上海上平仪器公司），STA 449 F3 Jupiter型热分析仪（德国NETZSCH公司），Y171D型纤维切片器（常州第二纺织机械厂），D8型X射线衍射仪（德国BRUKER-AXS公司）。

1.2 过氧化尿素漂白工艺

过氧化尿素5 g/L，pH 8～9，JFC 2 g/L，稳定剂焦磷酸钠3 g/L，EDTA 3 g/L，45 min，80 ℃，浴比1∶40。

1.3 测试

红外光谱：取1～2 mg亚麻短纤维粉末和100 mg溴化钾放入研钵中研磨混匀，制成薄片，在红外光谱仪上进行测定。光谱范围4 000～400 cm-1，光谱精度0.008 cm-1，光谱分辨率0.5 cm-1，光谱准确度0.02 cm-1，信噪比180 000∶1。

X-射线衍射：将亚麻短纤维粉末安放在X-射线衍射仪的玻璃样品架上，在稳定条件下进行分析。管电压20～60 kV，管电流10～300 mA，扫描速率2°/min，角度5°～30°。

表观形貌：在扫描电子显微镜下观察。测试条件为温度20 ℃，相对湿度65%，加速电压30 kV，测试前对样品进行喷金处理。

热性能：用热分析仪测试。N2气氛，气体流量20 mL/min，升温速率10 ℃/min，测试温度0～600 ℃，样品质量2～7 mg，检测范围25/100/600，参比Al2O3。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱

由图1可以看出，在3 500～3 300 cm-1处有较宽的特征峰，为O—H伸缩振动吸收峰。2 920 cm-1左右是C—H伸缩振动吸收峰，在此区域中，漂白前后亚麻短纤维在2 918、2 854 cm-1处均有一个双峰，归属于—CH3和—CH2—的对称与不对称伸缩振动，是纤维素的特征吸收峰［4-5］。1 640 cm-1左右为糖醛酸羧基的吸收峰，为果胶的特征吸收峰［6-7］，漂白后亚麻短纤维的吸收峰低于未漂白亚麻短纤维，这说明经过煮练和漂白后，果胶去除较多，大大破坏了胶质的紧密结构，粘结程度减弱，分裂度提高；但此吸收峰并没有消失，说明果胶没有完全去除，保留的胶质使短纤维相互连接，保持了纤维的特性。1 236 cm-1附近为酚型结构木质素的对羟基特征吸收峰，漂白后亚麻短纤维在此处的吸收峰稍微偏低，表明亚麻短纤维中木质素被部分去除。1 158 cm-1处是β-d-葡萄糖苷键及C—O—C的吸收峰［8］，漂白前后吸收峰无明显变化。750 cm-1附近为—OH的面外变形振动峰，过氧化尿素漂白后，—OH伸缩振动峰的面积增大，说明极性羟基的数量有所增多。

图1 漂白前(a)后(b)亚麻短纤维的红外光谱图

2.2 X-射线衍射

由图2可看出，亚麻短纤维在2θ=14.60°、16.25°和22.47°处的衍射峰［9］分别对应于101、101和002晶面，漂白前后亚麻短纤维的结晶形态基本无变化。与未漂白亚麻短纤维相比，漂白后亚麻短纤维在2θ=22.47°处的衍射峰更尖，强度更强，说明002晶面的晶粒尺寸增大。此外，漂白后亚麻短纤维的XRD曲线下的面积明显小于未漂白亚麻短纤维，即晶面面积减小，结晶度降低，说明漂白破坏了亚麻短纤维的部分结晶区。

图2 漂白前(a)后(b)亚麻短纤维的X-射线衍射图

2.3 扫描电子显微镜

由图3a可知，未漂白亚麻短纤维表面附着大量非纤维素和胶质等杂质，表面粗糙，粘结程度大，纤维束密集，成为了纤维簇。此种结构特点势必阻碍亚麻短纤维在纺纱牵伸过程中的纵向位移，可纺性差，纺纱难度大，成纱支数低，亚麻纱线的质量指标提升受到限制，产品档次较低。由图3b可知，漂白后的亚麻短纤维表面粗糙结构明显改善，裂解程度增大，纤维变细且相对均匀，柔韧性增加，短纤维表面平整、光滑，改善纺纱后成纱支数和纱线质量。

图3 漂白前(a)后(b)亚麻短纤维的扫描电子显微镜图像（×1 000）

2.4 热性能

由图4可知，与未漂白亚麻短纤维相比，漂白亚麻短纤维的质量锐减点［10］向低温方向移动。当由较低温升至100 ℃左右时，短纤维有少量的质量损失，减少约7%，原因是纤维中的游离水及结晶水挥发，这个阶段为亚麻短纤维的干燥阶段，是一个吸热过程。而后随着温度的升高，亚麻短纤维的质量变化较平缓。温度升高至298～350 ℃时，漂白前后亚麻短纤维的质量分数迅速降低，而且漂白后亚麻短纤维的质量下降速率比未漂白亚麻短纤维要高，原因是纤维素葡萄糖环C2、C3上的羟基被氧化成醛基，部分葡萄糖环断裂开环，纤维结晶区内的氢键被破坏，导致漂白亚麻短纤维内部分子的热运动加快，所以质量下降速率更明显。该阶段是亚麻短纤维的炭化阶段［11］，在此温度范围内质量变化（失重）最大，此时纤维素结构中的糖苷键断裂并分解成CO2、CH4等低分子质量的挥发性化合物和焦油产物，同时放出反应热［12］。继续升高温度至380 ℃以上，炭化阶段结束，纤维进入匀速失重阶段，热失重下降的速率逐渐减慢。