六亚甲基四胺-过硫酸铵变性淀粉浆液黏度稳定性研究

2021-09-01钱德晨武海良沈艳琴姚一军

纺织科技进展 2021年8期

钱德晨,武海良,沈艳琴,姚一军

(西安工程大学纺织科学与工程学院,陕西西安 710048)

经纱上浆是纺织加工过程中的一道重要工序。纺织浆料主要为淀粉类、聚乙烯醇(PVA)类和聚丙烯酸类[1]。淀粉用于经纱上浆历史悠久,因其资源丰富,价格低廉,对纤维素纤维(如棉、麻)等具有良好的粘附性,在浆料中用量最多[2]。原淀粉由于浆液黏度大、浆膜脆硬以及对合成纤维缺乏粘附性等限制了其应用,通过化学、物理或其他方法使原淀粉在性能上发生变化,可以改善原淀粉的性能[3]。

近年来,由于环保要求提高,很少采用湿法生产变性淀粉浆料,通常采用的方法是纺织厂在煮浆过程中用淀粉降黏剂降低淀粉的黏度。过硫酸铵(APS)由于价格低、性能稳定及原料易得而被作为常用的降黏剂。APS是利用分解时产生的活性氧使淀粉α-1,4甙键断裂,达到降低淀粉聚合度,降低淀粉浆液的黏度。由于APS对淀粉的氧化是一个持续的过程,由此导致了浆液黏度不稳定,影响上浆质量。研究了六亚甲基四胺与APS协同作用,降低淀粉浆液黏度,同时提高浆液黏度热稳定性,供纺织厂调浆时参考。

1 试验部分

1.1 材料

木薯淀粉(东莞东美食品有限公司);APS、尿素、六亚甲基四胺(分析纯,天津化学试剂厂);320 tex纯棉粗纱(陕西五环集团);1%(W/V)酚酞指示剂、0.1 mol/L盐酸、0.1 mol/L氢氧化钠溶液、95%无水乙醇、硝酸银(分析纯,上海试一化学试剂有限公司)。

1.2 仪器

JJ-1型电动搅拌器(上海浦东物理光学仪器厂);NDJ-1E旋转式黏度仪(上海昌吉地质仪器有限公司);LH-T32型手持式糖度仪;HD021N+型电子单纱强力仪、HD026PC型电子织物强力仪(南通宏大实验仪器有限公司);ZBH-4型纸张厚度仪(杭州纸邦自动化技术有限公司);恒温恒湿试验箱(苏州广郡电子科技有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 浆液制备工艺

在三口烧瓶中分别加入去离子水、淀粉、APS、六亚甲基四胺,搅拌,在95℃以上煮1 h,制备一定含固量的淀粉浆液。

1.3.2 浆膜性能测试

按文献[4]的方法制备浆膜,在恒温恒湿箱(65%RH,25℃)平衡24 h后,在HD021N+型电子单纱强力仪上测试浆膜断裂强力和断裂伸长率。根据文献[5]计算浆膜断裂强度。

1.3.3 浆液粘附力测试

按文献[6]的方法将试样在恒温恒湿箱(65%RH,25℃)平衡24 h后,在HD026PC型电子织物强力仪上测试粗纱条的断裂强力,测试条件:拉伸速度为50 mm/min,粗纱夹持间距为100 mm,样本容量为30。

1.3.4 浆液黏度与黏度热稳定性测试

按文献[7]的方法分别测出浆液黏度,计算浆液的黏度热稳定性。

1.3.5 羧基含量测定

采用热糊滴定法[8]测定氧化淀粉羧基含量。

2 结果与讨论

2.1 APS量与氧化淀粉羧基含量的关系

APS量与淀粉羧基含量的关系如图1所示。

从图1可以看出,随着APS用量增加,淀粉的羧基含量增加。APS用量增加,有利于氧化反应的进行和淀粉分子结构中羧基的生成。

2.2 APS对淀粉黏度及黏度热稳定性影响规律

APS用量与淀粉黏度及黏度热稳定性的关系见表1。

从表1可以看出,随着APS用量的增加,淀粉浆液的黏度降低。淀粉浆液在加热过程中,淀粉分子中的螺旋卷曲伸长展开,分子重新排列且相互缔合[9]。APS受热水解生成具有强氧化性的硫酸盐自由基(SO4

-)和活性氧[10],使淀粉分子链α-1,4糖甙键断裂,一定程度上降低了分子间的相互缔和与氢键作用,氧化后淀粉分子发生降解,浆液黏度显著降低。试验结果还表明,APS与淀粉作用后,浆液热黏度稳定性差(<85%),随着保温时间的延长,浆液黏度持续降低。这是由于APS对淀粉的氧化是一个持续作用的过程,表现为淀粉浆液黏度不稳定。提高APS/淀粉浆液的黏度稳定性是APS/淀粉用作经纱上浆的关键。

2.3 淀粉-APS-六亚甲基四胺改性淀粉浆液黏度及黏度稳定性

制备淀粉-APS-六亚甲基四胺(C6H12N4)改性淀粉浆液,测试浆液的黏度和黏度热稳定性。图2为APS用量一定时,六亚甲基四胺用量对淀粉浆液黏度的影响规律。

由图2可以看出,在APS的用量相同时,随着C6H12N4用量增加,复合变性淀粉浆液黏度增加。考虑到浆纱工艺对浆液黏度的要求,当APS用量为淀粉干重的0.3%,C6H12N4用量为淀粉干重的0.25%时,浆液黏度为10 mPa·s左右,其黏度热稳定性如图3所示。

图2 六亚甲基四胺用量对APS/淀粉黏度的影响

由图3可看出,C6H12N4可使APS/淀粉浆液热黏度稳定性提高,这是因为APS受热水解时产生HSO4-和SO42-,溶液呈酸性,C6H12N4在弱酸性条件下水解产生活性甲醛,与淀粉分子链C6原子上的羟基发生脱水缩合及双键加成反应,形成体型网状结构[11],使淀粉浆液的黏度热稳定性提高。轻度交联的APS/淀粉浆液流动性好,当C6H12N4用量过多后,淀粉分子间形成较大较密的网状结构,将大量水分包络起来形成凝胶[12],使浆液流动性变差,浆液黏度增加。淀粉-APS-六亚甲基四胺浆液具有优异的黏度热稳定性。

图3 六亚甲基四胺用量对APS/淀粉黏度热稳定性的影响

2.4 淀粉-APS-六亚甲基四胺改性淀粉浆膜性能

由图2可知,配制复合改性淀粉浆液黏度10 mPa·s的工艺为:APS用量为0.3%,C6H12N4用量为0.25%。试验编号记为Ⅱ,Ⅰ为原淀粉浆料。浆膜性能结果见表2。

表2 浆膜性能测试

由表2可知,APS-六亚甲基四胺复合改性使淀粉浆膜的断裂强度、断裂伸长率和耐屈曲性提高。淀粉经氧化后玻璃化温度降低,分子链变柔顺,交联使淀粉分子链之间形成立体网状结构,分子自由体积增大,增大了淀粉分子之间的空间位阻同时削弱了氢键和范德华力,改善了浆膜硬脆的特点。交联形成的分子间作用力将淀粉分子束缚,一定程度上抑制了淀粉在水中的溶胀,因此浆膜的水溶性降低。

2.5 淀粉-APS-六亚甲基四胺改性淀粉对纯棉粗纱粘附力

纯棉粗纱粘附力测试结果见表3。

表3 粘附力测试

从表3可以看出,原淀粉浆料对纯棉粗纱粘附力低,这是由于原淀粉浆液黏度和表面能大,与纤维束接触角大[13],使浆液易于被覆,粘附性较差。淀粉-APS-六亚甲基四胺改性淀粉浆液,因其黏度小,浆液更易浸透到粗纱纤维中,通过毛细作用渗透至纤维内层进行胶接。同时淀粉分子结构中引入了羧基,增加了浆液对纤维的亲和力。良好的粘附性能使纤维间的抱合作用增强,减少了纤维束受到外力时纤维之间的相互滑移,故粘附力和断裂伸长率增大。