復合功能性竹漿纖維的開發與研究

范小永　李振峰

竹漿纖維是一種新型紡織原料,通過在生產過程中添加功能性助劑,使之充分分散在纖維內部,可制成竹漿遠紅外、負離子、抑菌復合功能纖維,提高紡織品服裝的保健功能。

Bamboo viscose fiber is a new kind oftextile materials, which can be processed to be functional type by means of adding functional additives during its production. This article introduced the process of multi-functional bamboo viscose fiber of far infrared, negative ion and bacteriostatic, and analyzed the factors impacting the functions.

1前言

竹漿纖維以竹材為原料,經制漿加工制成竹漿粕,之后經粘膠纖維生產工藝而制得,目前已廣泛應用于服裝、床上用品、裝飾布等領域。

遠紅外線是波長為 4 ～ 1 000 μm的電磁波,其中波長為 8 ～ 15 μm的遠紅外線具有保暖、消炎鎮靜、改善人體循環、增強新陳代謝、消除疲勞恢復體力、輔助醫療等功能。

負離子是指空氣中帶負電的粉塵粒子以及大氣電離產生的O2-、O2-(H2O)n和水化羥基離子(H3O2)-等。負離子具有消除人體疲勞、活化細胞、增強免疫力,改善睡眠和皮膚干燥等癥狀。

結合竹漿纖維的特性及應用領域,對其添加發射遠紅外線、釋放負離子等功能,生產復合功能性竹漿纖維,將有助于竹漿纖維附加值的提高及應用領域的拓展。

2生產工藝及存在問題

生產功能性纖維的方法主要有涂層法和共混法兩種,涂層法是指將功能材料超微粉體、分散劑、粘合劑等配成分散液,在纖維生產的后處理過程中涂敷于纖維表面制成功能性纖維。采用涂層法生產功能性纖維的工藝路線較短、操作簡單、生產成本低,但所制纖維手感發硬、耐洗滌性差。共混法是指將功能性材料的超微粉體在粘膠纖維生產過程中混入,使功能性材料植入纖維內部而使纖維獲得功能性。共混法生產的纖維在外表上和普通纖維基本沒有區別,經多次使用洗滌后仍具有較強的功能性,從根本上解決了涂層法功能性纖維功能不持久的缺點。

遠紅外負離子功能材料一般為電氣石、麥飯石、蛋白石、竹炭等無機材料,由于此類材料結構中存在非對稱性的電荷,其電荷中心不重合,所形成的偶極矩分子中的原子受到環境中能量的激發,產生壓電效應和熱電效應而輻射遠紅外線,同時形成電場,高壓電荷使電場中的空氣發生電離,被擊中的電子附著于附近的水和氧分子使其轉化為空氣負離子。

由于此類材料的粉體粒徑相對較小,在使用時易團聚形成大顆粒,混入粘膠后會影響纖維的生產過程,使纖維發射遠紅外線和釋放負離子的功能減弱。同時纖維顏色一般發灰或發黑,手感發硬,強度相對較低,嚴重影響了其在下游產品中的應用。因此對功能性粉體提出以下要求:

(1)結合粘膠纖維生產中的過濾材料孔徑、噴絲頭孔徑、成品纖維直徑、纖維強度等因素,功能材料的粒徑理論上應小于 5 μm;

(2)有良好的分散性及和纖維素良好的相容性;

(3)顏色最好為白色或淺色;

(4)有較高的遠紅外法向發射率和負離子釋放功能。

竹漿粕由于反應性能差、灰鐵含量高等缺點,在纖維生產中造成粘膠內在質量差,粘膠中未完全溶解的粘膠粒子數量多,造成過濾困難,影響了竹漿纖維的紡絲成形,從而使纖維的各項常規質量指標均低于其它漿種纖維。如果在竹漿纖維生產過程中混入功能性粉體,對粘膠過濾、紡絲及纖維質量勢必造成更大影響,從而使規?；a難以進行。提高粘膠的內在質量、功能性材料粒子的充分分散以及纖維的紡絲成形質量成為復合功能性竹漿纖維制備過程中的三大難點。

3試驗

3.1檢測

JL - 1155激光粒徑測試儀;

纖維常規指標檢驗依據GB/T14463 — 93;

遠紅外法向發射率檢驗依據 FZ/T64010 — 2000;

負離子濃度檢驗依據 SFJJ – QWX25 — 2006;

抑菌性 金黃色葡萄球菌 檢驗依據JIS L 1902 — 2002。

3.2對功能性助劑的選擇

結合對功能性助劑的要求,選用由臺灣華公司提供的白竹炭漿液,該漿液是由平均粒徑 0.2 ～ 0.4 μm的白竹炭顆粒組成,在水中加分散劑形成懸浮狀的漿液,白度為 69%。

3.3復合功能性竹漿纖維生產工藝的確定

3.3.1白竹炭漿液混膠后對粘膠質量的影響

為了確定白竹炭漿液對粘膠各項指標性能的影響,檢測正常粘膠和混有白竹炭漿液的粘膠在熟成中各項指標的變化并進行對比。試驗中白竹炭的加入量為 3.5%。

(1)白竹炭漿液混入粘膠后對粘膠熟成度的影響

白竹炭漿液為水的稀分散液,混入粘膠后對粘膠的粘度會產生一定影響。粘膠粘度的變化使粘膠的凝固性能發生改變,影響粘膠的熟成,對后續的紡絲過程也會產生一定的影響。

(2)白竹炭漿液混入粘膠后對粘膠過濾性能的影響

白竹炭顆粒由于粒徑較小,其較高的表面能容易使多個顆粒之間發生團聚,形成粒徑相對較大的粒子,在混入粘膠后影響粘膠的過濾性能。

由(1)、(2)分析可知,在粘膠中混入白竹炭漿液后,對粘膠的熟成度變化影響不太明顯,粘膠的過濾性能明顯變差。

3.3.2提高粘膠質量的工藝研究

由于混入白竹炭后粘膠的過濾性能變差,因此纖維的生產過程和各項質量指標必然受到影響。為保證纖維生產過程的順利進行,使纖維具有較好的質量指標,在白竹炭漿液混入前必須對粘膠的過濾性能進行提升,以消除混入白竹炭后對粘膠質量的影響。

(1)浸漬

粘膠纖維生產中的浸漬工序就是通過漿粕和氫氧化鈉溶液(浸液)作用,使漿粕中的半纖維素充分溶出,同時纖維素和氫氧化鈉分子反應生成堿纖維素的過程。

影響浸漬工藝的主要因素有浸液濃度、浸液溫度、浸漬時間等。浸液濃度一般控制為 215 ～ 245 g/L。浸液溫度一般控制在 45 ～ 65 ℃,浸液溫度越低、時間越長,越有利于纖維素的膨潤,有利于半纖維素的溶出,但對漿粕中纖維細胞長度相對較短的竹漿來說,劇烈的膨潤可使后續的壓榨無法進行,反而影響半纖維素與堿纖維素的分離,最終影響纖維的強度。經試驗及生產實踐,竹漿的浸液溫度一般控制在 60 ～ 65 ℃,壓榨效果基本能夠滿足生產要求。浸漬時間越長,越有利于堿纖維素的生成,有利于半纖維素的溶出,有利于提高黃化的反應能力。但過長的反應時間會使纖維素分子鏈斷裂及氧化程度加劇,反而影響纖維的生產過程和纖維質量。在浸液溫度為 60 ℃,浸漬 50 min的條件下,對不同浸液濃度對粘膠過濾性能的影響進行研究;在浸液溫度為 60 ℃,浸液濃度為 240 g/L的條件下對不同浸漬時間對粘膠過濾性能的影響進行研究。

研究發現,浸液濃度在 235 ～ 240 g/L時,粘膠具有較好的過濾性能;浸漬時間在 50 min時,粘膠具有較好的過濾性能。

(2)黃化

浸漬、壓榨、粉碎后的堿纖維素,經過和二硫化碳反應,生成纖維素黃酸酯。由于黃酸基團的引入,一方面增大了纖維素分子之間的距離,另一方面增強了纖維素分子的親水性,與溶劑接觸后發生強烈的溶劑化作用,使纖維素黃酸酯溶解在水或稀堿液之中。酯化度是反映纖維素黃酸酯溶解性能的指標,酯化度越高,并且黃酸基團在纖維素分子上分布越均勻,纖維素黃酸酯的溶解性能越好,間接反映出粘膠的過濾性能也越好。

影響纖維素黃酸酯酯化度的因素主要有黃化碳比、黃化時間、黃化溫度、助劑的使用等。結合竹材漿粕的質量情況及對纖維素黃酸酯質量的要求,本項目采用濕法黃化,黃化溫度控制在 18 ～ 26 ℃。

由分析可知,隨著碳比的上升,黃酸酯酯化度呈上升趨勢,并且助劑對酯化度的影響逐漸減弱。黃化碳比在 32%時,黃酸酯酯化度在 55% ～ 60% 之間,能夠滿足溶解對黃酸酯酯化度的要求。黃酸酯酯化度隨時間的延長呈上升趨勢,當黃化時間在 110 ～ 120 min時達到最大值,黃化時間在 100 min時,黃酸酯酯化度達到 55% ～ 60%,能夠滿足溶解、過濾對黃酸酯酯化度的要求。

3.3.3提高白竹炭微粒分散性的研究

白竹炭微粒的平均粒徑為 0.2 ～ 0.4 μm,由于粒徑較小,較高的表面能容易使其發生團聚。其分散液通過對pH值的調整和加入分散劑,使白竹炭微粒表面具有較高的動電電位和形成空間位阻效應,阻止白竹炭微粒之間的團聚;白竹炭漿液只在短時間內處于一種相對穩定狀態,一般在靜置 72 h后由于白竹炭微粒團聚而引起沉淀,混入粘膠后嚴重影響粘膠的過濾性能。為消除由于白竹炭微粒團聚對粘膠過濾性能造成的影響,在使用前必須對微粒進行解團聚,一般采用機械分散或超生波分散。

總之,經過對竹漿制膠工藝的優化和調整,在混膠前對白竹炭進行分散處理,可使粘膠內在質量大幅提升,粘膠的過濾性能得到明顯改善。

3.3.4紡絲成形工藝的確定

(1)牽伸

在粘膠纖維的生產中,粘膠從噴絲頭噴出后,纖維素分子在絲條中的排列處于雜亂狀態,要得到具有一定強度并且符合紡織要求的纖維,必須對絲條進行牽伸,以提高纖維素分子在纖維中的取向度和結晶度,使纖維具有一定的強度和伸度。

普通粘膠短纖維生產中的拉伸主要分為 3 部分,即噴絲頭拉伸、紡絲盤拉伸和塑化拉伸。粘膠中混入白竹炭微粉后,初生絲條強度較低,因此紡絲時不宜采用較大的紡絲盤牽伸和塑化牽伸。本項目采用塑化牽伸 1.18 倍,對紡絲盤牽伸進行調整,觀察纖維的可紡性,以摸索最大紡絲盤牽伸倍數,不同紡絲盤牽伸對纖維可紡性的影響如表 1 所示。

由表 1 可知,在塑化牽伸 1.18 倍,紡絲盤牽伸在 1.24 倍以下時,粘膠具有較好的可紡性,并且在 1.24 倍時出現亂絲,說明復合功能性竹漿纖維的最大紡絲盤牽伸不宜超過1.24 倍。

(2)酸浴

紡絲時,在保證粘膠細流良好地凝固和纖維素黃酸酯適度分解的前提下,酸浴中的H2SO4應采用較低的濃度。但如果H2SO4濃度過低,粘膠細流的凝固程度則低,容易引起單絲早期斷裂,造成亂絲和紡絲斷頭?；烊氚字裉康恼衬z細流在出酸浴后的強度比普通粘膠細流更低,酸浴含酸在理論上應比普通粘膠纖維的酸浴含酸度高,這樣可使絲條在進行紡絲盤牽伸之前具備足夠的強度,能夠經受后續較大的牽伸。經測試發現,酸浴含酸在 130 ～ 135 g/L時,所紡纖維具有較高的干強,且在 135 g/L時,纖維強度達到最大值。

經過對制膠、白竹炭微粒的分散以及紡絲成形工藝的研究,復合功能性竹漿纖維順利通過了中試生產,產品經國家紡織制品質量監督檢驗中心檢測,各項質量指標均處于較好的水平。纖維的截面顯微鏡照片如圖 1 所示,各項性能指標如表 2 所示。

由圖 1 和表 2 可以看出,白竹炭微粉已均勻地分布在纖維中,纖維的常規指標能夠達到了GB/T14463 — 93一等

品標準,并且具有較好的遠紅外法向發射率和釋放負離子功能。

4結論

(1)通過對制膠工藝的優化和調整,對白竹炭漿液在混膠前進行分散處理,可使其粘膠的過濾性能接近正常粘膠。

(2)在紡絲中對牽伸和酸浴等工藝條件進行優化和調整,使混入白竹炭后的粘膠具有較好的可紡性,所紡纖維具有較好的常規指標。

(3)纖維的功能性在一定范圍內隨加入量的增加而提高,達到一定量后纖維的功能性反而下降。

參考文獻

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[2] 楊之禮,蔣聽培,王慶瑞,等. 纖維素與粘膠纖維[M]. 北京:中國紡織出版社,2001.