淀粉/纳米Si O2组合浆料性能研究

喻永青

(广东汇美淀粉科技有限公司,广东 东莞 523143)

淀粉作为地球上第二大生物质材料,具有来源广泛、成本低廉、环保可再生的优点,一直以来都是纺织经纱上浆的主要浆料[1-2]。然而由于其浆膜成膜硬脆、浆液流动性差[3],在实际生产过程中,往往需要与一定量的聚乙烯醇(PVA)进行复配使用,以满足浆纱工艺要求。PVA分子结构规整稳定,致使其生物降解性差,易造成环境污染[4],在制定浆料配方时,应不用或少用PVA。

由于纳米颗粒巨大的比表面积以及奇异的表面效应,有研究者将其应用于纺织浆料领域,发现纳米颗粒对淀粉浆料的上浆性能具有显著影响,并认为通过将纳米颗粒与淀粉组合上浆,有利于降低对PVA组分的需求量,保护环境[5-7]。基于此,制定了两种不同的淀粉/纳米级Si O2组合浆料配方,对淀粉/纳米级Si O2组合浆料的浆液及浆纱性能进行测试分析,研究淀粉/纳米级Si O2组合浆料的性能,以期为相关从业者提供一定参考。

1 试验部分

1.1 材料和仪器

材料:变性淀粉、玉米淀粉、聚丙烯酰胺、纳米级Si O2。

仪器:FA2004B型电子天平、Y801型电热恒温干燥箱、H WS-250型恒温恒湿箱、HD021N型电子单纱强力仪、ZBH-4型浆膜厚度仪、HD026PC电子织物强力仪、YT821型漏斗式浆液黏度计、H H-2型恒温水浴锅、JJ-1型 电动搅拌 器、YG172 A型 毛 羽 测试仪、GA392单纱浆纱机。

1.2 试验方法

1.2.1 浆料配方

本试验采用淀粉为主浆料,所采用的浆料配方见表1。

表1 淀粉/纳米级Si O2组合浆料配方

1.2.2 浆膜的制备与性能测试

(1)浆膜的制备

使用浓度为3%的浆液制成浆膜,采用浇铸法[8]制备测试用浆膜。

(2)浆膜力学性能测试

在相对湿度65%、温度28℃条件下,将试样浆膜放置于恒温恒湿箱,平衡24 h。采用ZBH-4型浆膜厚度仪,测试浆膜厚度,有效样本容量为10。采用HD021 N+型单纱强力仪,测试浆膜拉伸断裂强力及拉伸断裂伸长率。测试条件:夹持长度100 mm,拉伸速度100 mm/min,测试10次,取平均值。按照文献[9]所述方法,测试浆膜的耐屈曲性,有效样本容量为10。

(3)浆膜回潮率测试

根据文献[10]所述方法,采用烘箱干燥法测试浆膜的回潮率。

(4)浆膜水溶性测试

浆膜的水溶速率反映了其水溶性。参考文献[11],测试其水溶速率。

1.2.3 浆液性能测试

(1)浆液黏度及黏度热稳定性

依据文献[12]的方法,使用YT821型漏斗式浆液黏度计,测试液黏度及黏度热稳定性,有效样本容量为10。

(2)浆液黏附力测试

根据标准FZ/T15001—2008测定浆液黏附力,将自然风干后的纯棉粗纱条在相对湿度65%、温度25℃条件下,调湿处理24 h,随后测试纯棉粗纱条的断裂强力和断裂伸长率,纯棉粗纱条的断裂强力即为粗纱黏附力[13]。测试条件为:试样夹持长度100 mm,拉伸速度100 mm/min,有效样本容量为30。

1.2.4 浆纱试验及性能测试

(1)浆纱试验

使用GA392单纱浆纱机(单浸单压),卷绕速度20 m/min,烘房温度80℃,对14.6 tex纯棉纱进行浆纱试验。试验用浆料配方见表1,上浆工艺参数见表2。

表2 上浆工艺参数

(2)浆纱增强率、减伸率

原纱及浆纱的断裂强力和断裂伸长率采用HD021 N电子单纱强力仪进行测试。测试条件:夹距500 mm,拉伸速度500 m/min,有效样本容量为30。依据文献[14]计算增强率及减伸率。

(3)浆纱耐磨性能

使用Y731型抱合力机,根据文献[14]所述方法,测试浆纱的耐磨性,并计算其增磨率。

(4)浆纱毛羽

在YG172 A型毛羽测试仪上测试浆纱毛羽,测试条件:速度为30 m/min,纱线片段长度为1 m,共测30组。毛羽降低率的计算方法见文献[15]。

(5)浆纱回潮率及退浆率

采用烘箱干燥法(详见1.2.2),测试浆纱回潮率。根据文献[15],采用碱法退浆并计算上浆率。

2 结果与讨论

2.1 浆膜性能

淀粉/纳米级Si O2组合浆料的浆膜外观如图1、2所示。可以看出淀粉/纳米级Si O2组合浆料的配方一及配方二的浆膜均成膜较为完整,且由于配方二中淀粉组分占比较大,配方一的浆膜较配方二更为透明。

图1 配方一浆膜外观

分别对配方一及配方二浆膜的力学性能、吸湿性及水溶速率进行测试,其结果见表3。

图2 配方二浆膜外观

由表3可知,配方一及配方二淀粉/纳米级Si O2组合浆料浆膜的力学性能表现差异不大,均具有较好的成膜柔韧性、耐屈曲性,可见纳米级Si O2的添加能够显著改善淀粉浆膜硬脆的特性。此外,配方二浆膜的回潮率及水溶速率均优于配方一,吸湿性更强,更易退浆。这可能是由于配方二淀粉/纳米级Si O2组合浆料的体系中引入了更多的亲水性酰胺基及羟基基团所致[17-18]。

表3 淀粉/纳米级Si O2组合浆料浆膜性能

2.2 浆液性能

2.2.1 浆液黏度及黏度热稳定性

浆液黏度决定了浆液的流动性,浆液黏度热稳定性反映了浆液黏度随煮浆时间延长的变化规律,二者对经纱上浆质量的影响显著[19]。分别对配方一、配方二淀粉/纳米级SiO2组合浆料的浆液性能进行测试。其黏度及黏度热稳定性测试结果见表4。

由表4可以看出:两种浆料配方的浆液黏度热稳定性均≥85%,黏度稳定。这表明淀粉/纳米级SiO2组合浆料的黏度较为稳定,满足浆纱要求。此外,配方二浆液的黏度稳定性略大,更有利于在上浆过程中保持浆液黏度的稳定,有利于提高浆液上浆的均匀性。

表4 淀粉/纳米级Si O2组合浆料的黏度及黏度热稳定性 单位:mPa·s

2.2.2 淀粉/纳米级Si O2组合浆料黏度与浓度的关系

分别按照配方一、配方二淀粉/纳米级Si O2组合浆料调制浓度为2%、4%、6%、8%、10%浆液,恒温水浴加热到95℃,测试其在95℃时的黏度。黏度随浓度变化情况见表5。

表5 淀粉/纳米级Si O 2组合浆料的黏度与浓度的关系单位:mPa·s

由表5可知,淀粉/纳米级Si O2组合浆料配方一及配方二的黏度均随浓度的降低而降低。这主要是因为当浆液浓度越大时,浆液中的分子链段也越多,且由于分子运动的各向异性,使得分子链段运动过程中作用力相互抵消,浆液的流动性变差,表现为浆液的黏度增大。浆液的黏度过大会影响浆纱质量,黏度过小会难以上浆。综合以上数据来看,淀粉/纳米级Si O2组合浆料选择8%浓度来进行纱线上浆,较为合适。

2.2.3 淀粉/纳米级Si O2组合浆料黏度与温度的关系

配制浓度为6%的浆液500 mL,在水浴锅中加热,在温度分别为90、80、70、60、50℃时测其黏度,黏度随温度变化情况见表6。

表6 淀粉/纳米级Si O2组合浆料的黏度与温度的关系单位:mPa·s

由表6可知,配方一及配方二淀粉/Si O2组合浆料的黏度均随温度的降低而升高。这是由于在高温条件下,分子间的相对运动较为剧烈,分子间作用力相对减弱,宏观表现为黏度低,而温度降低后分子运动减缓,黏度出现上升趋势。由于浆液的黏度过大会影响浆纱质量,过小则难以上浆。因此,确定浆槽温度为90℃。

2

.2.4 浆料黏附性

浆液黏附性体现着浆料与纤维之间的结合能力[20],淀粉/纳米级Si O2组合浆料对纯棉粗纱的黏附力测试结果见表7。

表7 淀粉/纳米级Si O2组合浆料的黏附力测试

由表7可知,配方一及配方二淀粉/纳米级Si O2组合浆料对纯棉粗纱均有一定的黏附性,配方一浆液对纯棉粗纱的黏附力略优于配方二浆液。这可能是由于纳米级Si O2与淀粉基体大分子相互构成立体网状,浆料配方一中的纳米级Si O2对淀粉的质量比有所增加,对浆液在棉纤维表面所形成的黏合层起到了更大的增强作用[21]。

2.3 淀粉/纳米级Si O2组合浆料上浆工艺实践

表8和图3分别为淀粉/纳米级Si O2组合浆料对14.6 tex纯棉纱的浆纱性能表现及上浆前后纱线微观形貌图。

图3 淀粉/纳米级Si O2组合浆料上浆前后状态对比

表8 浆纱性能测试

由表8可知,淀粉/纳米级Si O2组合浆料可有效改善纯棉纱的浆纱性能,纱线经过上浆后毛羽数量明显减少,耐磨性得到明显提高,且两种浆料配方均对14.6 tex纯棉纱起到了增强、减伸的作用,在碱液中进行退浆,退浆率均满足退浆工艺要求。此外,配方一上浆后的纱线毛羽降低率、退浆率略大于淀粉/纳米级Si O2组合浆料配方二上浆后的纱线,而其增强率、减伸率、增磨率、回潮率均小于配方二上浆后的纱线,综合配方一及配方二在各个方面的性能表现,可知淀粉/Si O2组合浆料配方二在浆纱上所展现的性能要略优于配方一。

由图3的淀粉/纳米级Si O2组合浆料浆纱与原纱的纱线形态对比可得:经过淀粉/Si O2组合浆料上浆后的纱线外观形态得到明显改善,毛羽显著降低,条干也更为均匀,能够满足后续工序对纱线加工生产的需求。此外,纱线经过上浆后毛羽数量明显减少,配方一浆液淀粉/纳米级Si O2组合浆料的浆纱毛羽较少,配方一对纯棉纱线有着更强的毛羽贴伏能力。

3 结 论

(1)淀粉/纳米级Si O2组合浆料浆膜成膜柔韧,浆液流动性佳且黏度稳定,对纯棉粗纱有着良好的黏附性,浆纱力学性能表现优异,毛羽少,能够满足实际生产的需求。

(2)纳米级Si O2与淀粉浆料组合上浆,可以提高淀粉浆料的各项性能,能够有效改善淀粉浆料成膜硬脆、浆液流动性差的问题,可进一步探讨其部分取代或取代PVA进行上浆的可能性,以期促进纺织清洁化生产的发展。