近年來，二甲基亞砜(DMSO)憑借對(duì)纖維素優(yōu)良的溶脹作用、沒有副產(chǎn)物產(chǎn)生和成本低等特點(diǎn)受到研究者青睞。DMSO屬于極性很強(qiáng)的非質(zhì)子溶劑，滲透力較強(qiáng)，可以滲入纖維素纖維內(nèi)部，破壞纖維素大分子鏈之間的氫鍵，從而使纖維溶脹，可用作纖維素的溶劑^［7］。吳文娟等^［8］發(fā)現(xiàn)，LiCl/DMSO溶劑體系可使纖維素的結(jié)晶區(qū)域受到一定程度破壞，結(jié)晶度有所下降，從而有利于纖維素的溶解。雖然DMSO可以使纖維素高度溶脹，破壞其取向態(tài)，但并不能使纖維素溶解，而復(fù)配四乙基氯化銨(TEAC)可以很好地解決這一問題。TEAC可以分散在纖維素微晶體的內(nèi)部，對(duì)纖維素大分子各羥基間氫鍵的結(jié)合造成破壞，促進(jìn)DMSO對(duì)纖維素的溶脹作用^［9－10］。高延?xùn)|等^［11］研究發(fā)現(xiàn)，TEAC中的［(C2H5)4N］+可以和纖維素大分子鏈上的羥基結(jié)合為氫鍵，打破纖維素原有的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。由此可知DMSO和TEAC均可對(duì)纖維素的大分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，從而達(dá)到降低結(jié)晶度、溶解纖維素的效果。

因此，本文選用DMSO/TEAC復(fù)配體系對(duì)漢麻纖維進(jìn)行柔軟處理，采用單因素分析法探究不同處理因素對(duì)漢麻纖維力學(xué)性能和柔軟性能的影響，并采用正交試驗(yàn)法來優(yōu)化處理工藝。

1試驗(yàn)

1．1試驗(yàn)材料

漢麻纖維，產(chǎn)自江西，其基本性能為:長(zhǎng)度38mm，細(xì)度3．47dtex，斷裂強(qiáng)度6．79cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率4．92%，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)36．28r。其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:纖維素84．41%，脂蠟質(zhì)2．43%，水溶物1．16%，果膠0．35%，半纖維素6．22%，木質(zhì)素5．43%。二甲基亞砜(DMSO)，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠制；四乙基氯化銨(TEAC)，分析純，上海麥克林生化科技有限公司制。

1．2漢麻纖維的處理

將漢麻纖維按浴比1∶20置于配制好的溶液中，用水浴鍋將溶液加熱到指定溫度并保持恒溫。經(jīng)一定時(shí)間處理后，取出漢麻纖維，充分洗滌后烘干。

1．3細(xì)度測(cè)試

參照GB/T18147．4—2015《大麻纖維試驗(yàn)方法第4部分:細(xì)度試驗(yàn)方法》，用中段切取稱量法測(cè)試處理后漢麻纖維的細(xì)度。將纖維整理成一端整齊，寬約10～15mm的試樣(舍棄15mm以下短纖維)，用Y171A型中段切斷器(常州第二紡織機(jī)械廠，刀口寬度為10mm)切出10mm長(zhǎng)的纖維，用電子天平從切取的纖維中稱量約1mg的纖維束，放在一塊黑絨板上，數(shù)出1mg纖維的總根數(shù)。按式(1)計(jì)算纖維細(xì)度:

ρ=10000×m/nL

式中:ρ———束纖維的細(xì)度，dtex；

m———束纖維的質(zhì)量，mg；

n———束纖維的根數(shù)；

L———切取纖維的長(zhǎng)度，mm。

1．4力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T5886—1986《苧麻單纖維斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，用YM－06A型電子單纖維強(qiáng)力儀(萊州元茂儀器有限公司)測(cè)試漢麻纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。測(cè)試時(shí)，設(shè)置預(yù)加張力為0．3cN，夾持距離為10mm、拉伸速度為20mm/min。每組樣品測(cè)50次，結(jié)果取平均值。

1．5柔軟性能測(cè)試

參照GB/T12411．4—1990《黃、洋(紅)麻纖維柔軟度試驗(yàn)方法－捻度計(jì)試驗(yàn)法》測(cè)試漢麻纖維的柔軟性。用Y331C型紗線捻度儀(溫州方圓儀器有限公司)對(duì)漢麻纖維進(jìn)行加捻，記錄纖維斷裂時(shí)的加捻圈數(shù)，此時(shí)的圈數(shù)被稱為斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)，用以表示漢麻纖維柔軟性的優(yōu)劣。測(cè)試時(shí)，設(shè)置夾持距離為10mm，儀器轉(zhuǎn)速為800r/min，預(yù)加張力為9cN，采用直接計(jì)數(shù)法，每組纖維測(cè)試100次，結(jié)果取平均值。

1．6形態(tài)及成分分析測(cè)試

采用TM3030型臺(tái)式掃描電子顯微鏡(日本Hita-chi公司)觀察未處理和經(jīng)最優(yōu)工藝處理后的漢麻纖維表觀形貌，縱截面放大3000倍，橫截面放大8000倍。

采用D8 DISCOVER型X射線衍射儀(德國(guó)BRUKER公司)，銅靶，40kV，200mA，2θ為5°～45°，對(duì)未處理和經(jīng)最優(yōu)工藝處理后的漢麻纖維進(jìn)行XRD測(cè)試。

采用Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀(賽默飛世爾科技)，分辨率為0．09cm－1，光譜范圍為4000～350cm－1，波數(shù)精度為0．01cm－1，對(duì)未處理和最優(yōu)工藝處理后的漢麻纖維進(jìn)行FTIR測(cè)試。

2結(jié)果與討論

2．1柔軟處理工藝參數(shù)對(duì)漢麻纖維柔軟效果的影響

2．1．1DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)柔軟效果的影響

在溫度為60℃的條件下，將漢麻纖維以浴比1∶20分別浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、20%、30%、40%、50%的DMSO和4%的TEAC的混合溶液中處理30min。漢麻纖維的力學(xué)性能和柔軟性能隨著DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見圖1。

由圖1(a)表明，DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漢麻纖維斷裂強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，與其斷裂伸長(zhǎng)率呈正相關(guān)；圖1(b)表明，其斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)隨DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增大后減小。當(dāng)DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，溶液中滲入纖維晶區(qū)的DMSO分子增多，可以損傷更多氫鍵，減少纖維內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)，增加其無定形區(qū)，降低纖維的剛度，以降低其斷裂強(qiáng)度，增加斷裂伸長(zhǎng)率，提升斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)，改善其柔軟性能。但DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%后，纖維受到的破壞加劇，強(qiáng)力也持續(xù)降低，纖維中的弱節(jié)增多，導(dǎo)致其斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)開始下降；DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)已低于未處理漢麻纖維的斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)。同時(shí)就纖維的斷裂強(qiáng)度而言，DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)相比于50%時(shí)下降較少，且斷裂伸長(zhǎng)率處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，纖維的斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)在DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)達(dá)到最多，此時(shí)的處理效果較好。

圖1 不同DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下漢麻纖維的斷裂性能和柔軟性能

2．1．2TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)柔軟效果的影響

在溫度為60℃的條件下，將漢麻纖維以浴比1∶20分別浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的DMSO和0%、2%、4%、6%、8%的TEAC的混合溶液中處理30min。漢麻纖維的力學(xué)性能和柔軟性能隨TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見圖2。圖2(a)表明，TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漢麻纖維的斷裂強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，與其斷裂伸長(zhǎng)率呈正相關(guān)；圖2(b)表明，其斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)隨TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增加后趨于平穩(wěn)。DMSO分子能夠擴(kuò)大纖維分子間距離，使TEAC分子更易滲入纖維素分子內(nèi)部。當(dāng)TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，溶液中能夠進(jìn)入纖維晶區(qū)的分子數(shù)增多，促進(jìn)了DMSO對(duì)漢麻纖維的作用，使其對(duì)更多纖維素分子內(nèi)的氫鍵造成破壞，使纖維內(nèi)部結(jié)晶區(qū)變少，無定形區(qū)增多，扭轉(zhuǎn)剛度下降，纖維斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率提高，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)明顯增加。但TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%后，TEAC分子過剩，促進(jìn)作用逐漸變緩，因此纖維斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)的變化趨于平穩(wěn)。但與0%的TEAC相比，4%的TEAC較大程度增加了纖維的斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)，表明漢麻纖維的柔軟性顯著提升。

圖2 不同TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下漢麻纖維的斷裂性能和柔軟性能

2．1．3處理時(shí)間對(duì)柔軟效果的影響

在溫度為60℃的條件下，將漢麻纖維以浴比1∶20分別浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的DMSO和4%的TEAC的混合溶液中處理20、30、40、50、60min。漢麻纖維的力學(xué)性能和柔軟性能隨處理時(shí)間的變化見圖3。圖3(a)表明，處理時(shí)間與漢麻纖維的斷裂強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，與其斷裂伸長(zhǎng)率呈正相關(guān)；由圖3(b)表明，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，漢麻纖維的斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)先增加后減少，最后趨于平穩(wěn)。處理時(shí)間的延長(zhǎng)可以增加溶液中DMSO和TEAC分子滲入結(jié)晶區(qū)的機(jī)會(huì)，其與纖維充分反應(yīng)，損傷了纖維素分子間的氫鍵，導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)減少而無定形區(qū)增多，同時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度下降，使纖維的斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率提高，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加，柔軟性能得到改善。但30min后，纖維受到的損傷加劇，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)開始下降；50min后，其斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)已低于未處理的漢麻纖維，所以當(dāng)處理時(shí)間為30min時(shí)，處理效果較好。

圖3 不同處理時(shí)間下漢麻纖維的斷裂性能和柔軟性能

2．1．4處理溫度對(duì)柔軟效果的影響

在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃溫度下，將漢麻纖維以浴比1∶20分別浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的DMSO和4%的TEAC混合溶液中處理30min。漢麻纖維力學(xué)性能和柔軟性能隨處理溫度的變化見圖4。

圖4 不同處理溫度下漢麻纖維的斷裂性能和柔軟性能

由圖4表明，隨著處理溫度的升高，漢麻纖維的斷裂強(qiáng)度逐漸降低，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)先增加后減少，但整體仍比未處理纖維的大。較高的溫度可以增加分子動(dòng)能，增大分子滲入纖維內(nèi)部的機(jī)會(huì)，以損壞更多大分子間的氫鍵，使纖維剛度降低，延伸性變好，因此纖維的斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率提高，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)增加，柔軟性變好。但隨著溫度不斷升高，纖維素大分子中可破壞的氫鍵減少，破環(huán)難度增加，且纖維受到的損傷加劇，承受扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)力降低，因此斷裂伸長(zhǎng)率降低，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)減少。因此可知，溫度為70℃時(shí)，處理效果較好。

由以上單因素試驗(yàn)可得漢麻纖維柔軟處理較優(yōu)的處理工藝為:DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、處理時(shí)間30min、處理溫度70℃。

2．2通過正交試驗(yàn)探究不同處理工藝參數(shù)的影響

在不涉及各因素之間交互作用的前提下，采用正交試驗(yàn)對(duì)單因素試驗(yàn)所得處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，以使?jié)h麻纖維柔軟處理的工藝可以達(dá)到最優(yōu)。

2．2．1正交因素水平設(shè)計(jì)

通過前期單因素試驗(yàn)，取DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、處理時(shí)間、處理溫度為正交因子，采用L16(44)正交表設(shè)計(jì)，見表1。

表1 正交因素水平表

2．2．2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

漢麻纖維柔軟處理4因素4水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及極差分析

從表2可知，根據(jù)極值大小判斷影響漢麻纖維斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)的因素主次為C＞A＞D＞B，其最優(yōu)工藝為C₄A₃D₁B₁。

2．2．3驗(yàn)證試驗(yàn)及分析

從優(yōu)化結(jié)果看，以優(yōu)化方案A3B1C4D1進(jìn)行漢麻纖維柔軟處理試驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試驗(yàn)證組性能得到處理后漢麻纖維的斷裂強(qiáng)度為4．35cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為6．14%，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)為56．03r。柔軟處理的最優(yōu)工藝為:DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%、TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、處理時(shí)間40min和處理溫度60℃。由此，經(jīng)過漢麻纖維柔軟處理試驗(yàn)，漢麻纖維的斷裂強(qiáng)度下降了35．94%，斷裂伸長(zhǎng)率提高了15．41%，斷裂回轉(zhuǎn)數(shù)提升了54．44%。

2．3漢麻纖維經(jīng)最優(yōu)工藝處理后的結(jié)構(gòu)分析

2．3．1外觀形貌分析

最優(yōu)工藝處理前后漢麻纖維的表觀形貌圖見圖5。

圖5 最優(yōu)工藝處理前后漢麻纖維表觀形貌圖

由圖5可知，處理后漢麻纖維的表觀形貌發(fā)生了較明顯的變化。由圖5(a)和圖5(b)對(duì)比可知，處理前漢麻纖維的表面整體較平整且有麻節(jié)存在，縱向存在著自然形成的溝壑，而處理后纖維表面整體較粗糙且麻節(jié)不再明顯，縱向的溝壑經(jīng)延伸形成裂縫。由圖5(c)和圖5(d)對(duì)比可知，處理后漢麻纖維的空腔略有減小。對(duì)漢麻纖維進(jìn)行柔軟處理時(shí)，DMSO/TEAC體系對(duì)纖維有溶脹作用，破壞了纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)纖維造成了一定程度的損傷，因此處理時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免對(duì)纖維的過度損傷。

2．3．2X射線衍射分析

最優(yōu)工藝處理前后漢麻纖維的X射線衍射圖見圖6。

圖6 最優(yōu)工藝處理前后漢麻纖維的X射線衍射圖

由圖6可知，處理前后的漢麻纖維在2θ為14．9°、16．4°、22．7°以及28．8°處的衍射峰強(qiáng)度有所減弱，在34．3°處的衍射峰強(qiáng)度有所增強(qiáng)。2θ為14．9°、22．7°、34．3°處是典型的纖維素Ⅰ的特征峰，16．4°和28．8°處是纖維素Ⅱ的特征峰，由此可知經(jīng)過DMSO/TEAC體系的處理，纖維內(nèi)部結(jié)晶區(qū)變少，無定形區(qū)增多。同時(shí)，由圖6可知處理前后并沒有新的衍射峰出現(xiàn)，表明沒有形成新的纖維素類型。經(jīng)計(jì)算可得原漢麻纖維的結(jié)晶度為77．14%，處理后漢麻纖維結(jié)晶度為56．15%，下降了27．21%，表明漢麻纖維經(jīng)最優(yōu)工藝處理后，其纖維素大分子的無定形區(qū)有所增加而結(jié)晶區(qū)有所減少，因此纖維剛度下降，柔軟性能得到改善。

2．3．3紅外光譜分析

漢麻纖維處理前后的紅外光譜圖見圖7。

圖7 最優(yōu)工藝處理前后漢麻纖維的紅外光譜圖

由圖7可知，漢麻纖維在處理前后紅外光譜圖基本沒有變化，都有纖維素Ⅰ型特征譜帶。

在纖維素圖譜中，3338cm－1處為—OH伸縮振動(dòng)峰，2906cm－1處為飽和C—H的伸縮振動(dòng)峰，1428cm－1處為C—H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，1030cm－1處出現(xiàn)最明顯的吸收峰為C—O的伸縮振動(dòng)峰。在柔軟處理前后，漢麻纖維的特征峰基本一致，表明采用DMSO/TEAC復(fù)配體系對(duì)漢麻纖維進(jìn)行柔軟處理并沒有改變漢麻纖維本身的官能團(tuán)，且DMSO或TEAC分子也沒有殘留。

3結(jié)語

本文采用DMSO/TEAC復(fù)配體系對(duì)漢麻纖維進(jìn)行柔軟處理，得出最優(yōu)工藝為:DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%、TEAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、處理時(shí)間40min，處理溫度60℃。在保證纖維斷裂強(qiáng)度高于紡紗工藝強(qiáng)度要求的前提下，纖維的結(jié)晶度降低，漢麻纖維的柔軟性能得到改善，同時(shí)纖維的斷裂伸長(zhǎng)率提高，這有助于提高漢麻纖維在紡紗過程中的紡紗效率和成紗質(zhì)量，為其在紡紗領(lǐng)域的應(yīng)用拓寬了道路。

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文章摘自：楊冰杰，荊妙蕾，王春紅，左祺，王利劍，邵瑞琪.DMSO/TEAC復(fù)配體系對(duì)漢麻纖維柔軟性能的影響[J].上海紡織科技，2022，50(10):25-30.DOI:10.16549/j.cnki.issn.1001-2044.2022.10.080.