新黏膠纖維的結構與吸濕性能研究*

連文偉 張 勁 李明福 鄧干然 薛 忠 何俊燕 黃 濤 莊志凱

(中國熱帶農業科學院農業機械研究所，湛江，524091)

目前我國的紡織業進入了轉型和創新發展的關鍵時期。然而，人口眾多、耕地少制約了棉、麻等天然纖維的種植面積。雖然依靠科技進步，棉花的單產有所提高，但仍然滿足不了我國紡織業的市場需求，目前仍然需要大量進口［1］。同樣在世界上，纖維領域中天然纖維的比重越來越少，而它的珍貴度越來越高［2］。

如何尋找和開發新的天然纖維資源，特別是對速生植物纖維素的基礎性科學研究和開發利用，將有助于開拓紡織原料的來源，緩解制約我國紡織工業發展的瓶頸問題［1］。

香蕉和菠蘿都是熱帶著名的水果，2011年我國種植面積分別為36.67 萬 hm2［3］和 5.53 萬 hm2［4］。從種植到收獲僅需12～18個月時間，水果采收后的香蕉莖桿和菠蘿葉片可以提取紡織原料——一種新型環保的天然纖維［5-6］。

以香蕉莖桿纖維和菠蘿葉纖維為原料，從中提取純凈的纖維素，經燒堿、二氧化硫處理制備成黏稠的紡絲溶液，采用濕法紡絲制造而成的新黏膠纖維已有文獻［7-8］論述。本文對香蕉黏膠纖維、菠蘿黏膠纖維、普通黏膠纖維的結構和吸濕性能進行了對比分析，希望通過這項研究得到有關吸濕的性能參數，根據其優缺點和特有的性能，為今后繼續研發產品提供理論支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

以中國熱帶農業科學院提取的香蕉莖桿纖維和菠蘿葉纖維為原料，與山東海龍股份有限公司國家級技術中心合作，利用黏膠中試生產線聯合研究試制出香蕉黏膠纖維和菠蘿黏膠纖維。普通黏膠纖維(棉型)由湛江紡織集團提供，材料規格如表1所示。

表1 材料規格

1.2 試驗儀器

傅里葉交換紅外光譜儀，德國Bruker公司;S-4800型掃描電子顯微鏡，日本日立公司;YG747型八籃恒溫快速烘箱，南通三思機電科技有限公司;YG501D型透濕試驗箱，上海麗馳計量儀器有限公司;電子天平(精確度0.000 1 g)、玻璃干燥器、玻璃皿、密封稱量盒等。

1.3 纖維結構表征分析方法

1.3.1 形態結構觀察

縱表面形態:將黏膠纖維試樣平鋪于樣品臺上，經真空濺射鍍金后，采用S-4800型掃描電鏡觀察黏膠纖維的表面形態。

橫截面形態:將黏膠纖維試樣切片后固定于樣品臺上，經真空濺射鍍金后，采用S-4800型掃描電鏡觀察黏膠纖維的截面形態。

1.3.2 紅外光譜分析

將黏膠纖維制作成細粉末，與KBr粉末混合均勻后壓片制成樣品，通過傅里葉紅外光譜儀，在4 000～500 cm－1范圍內掃描進行紅外光譜測定。

1.4 性能測試

1.4.1 吸濕試驗

依據GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定烘箱干燥法》和GB 6529—1986《紡織品的調濕和試驗用標準大氣》，采用烘箱干燥法。稱取約1 g質量的黏膠纖維試樣后放置在40～50℃烘箱內干燥1 h，降低黏膠纖維試樣的回潮率，稱取試樣的初始質量。將試樣放置在玻璃皿中，保持蓬松狀態下進入吸濕過程，每隔5 min記錄1次試樣質量，直至纖維在標準狀態(熱帶)下達到吸濕平衡。試樣在105℃烘箱內烘干，密閉冷卻，稱取干質量，計算回潮率。

1.4.2 放濕試驗

依據GB/T 9995—1997和 GB 6529—1986，采用烘箱干燥法。稱取約1 g質量的黏膠纖維試樣后放置在YG501D型透濕試驗箱內，在相對濕度為100%的環境中放置96 h，讓試樣充分吸濕;然后在標準狀態(熱帶)下測試試樣放濕過程，每隔5 min記錄1次試樣質量變化;在試樣達到放濕平衡后，將試樣烘干，密閉冷卻，稱取干質量，計算回潮率。

1.5 數據處理

根據以上檢測的統計數據，采用SAS數據分析軟件進行黏膠纖維的回潮率對時間的相關關系以及回潮率對吸濕、放濕速率相關關系的回歸分析。

2 結果與討論

2.1 纖維形態結構

香蕉黏膠纖維、菠蘿黏膠纖維和普通黏膠纖維的截面和表面形態的掃描電鏡照片見圖1。從三種纖維的截面形態圖可以看出，它們的橫截面都呈不規則鋸齒形狀，具有縫隙空洞多的較疏松結構;從表面形態圖可以看出，菠蘿黏膠纖維表面光潔，無明顯裂紋，而香蕉黏膠纖維和普通黏膠纖維同樣縱向平直，均為帶有平直縱條紋的柱體，表面光滑且有深淺不一的溝槽和裂縫，但香蕉黏膠纖維表面較粗糙。三種黏膠纖維的內層結構疏松、有空隙，表面的結構較緊密和光滑，都具有皮芯層結構［7-9］。

圖1 三種纖維的截面形態和表面形態

2.2 紅外光譜分析

根據紅外光譜的吸收圖譜可推斷出黏膠纖維所含基團和化學鍵類型及數量。由圖2可知，三種黏膠纖維的紅外光譜吸收圖譜基本相似，表明它們主要成分的化學結構相同，說明這三種纖維都屬于纖維素纖維。由圖2所得到的主要基團及對應的吸收譜帶情況見表2。由表2可以看出，三種纖維的主要基團和鍵的位置基本上未發生位移，它們的區別在于O—H和C—O—C峰的強度有些差異［8-10］。

圖2 三種纖維的紅外光譜圖

表2 試樣的主要紅外線特征吸收峰(單位:cm－1)

紅外光譜能夠確定纖維素纖維的結晶度及不同生產方式對纖維素纖維結晶度的影響程度，紅外結晶度指數反映了纖維素纖維結晶度的大小。O’Connor［9］等分別用物理和化學的方法對纖維素進行處理后，對纖維素結構進行研究時，發現1 429 cm－1譜帶的強度隨結晶度的降低而下降，893 cm－1譜帶的強度隨結晶度的降低而升高。因此他們首先提出了用A1429/A893作為結晶度指數分析纖維素的結晶度，得出的結果與用密度法的結果一致。三種纖維的紅外結晶度指數見表3。

表3 試樣黏膠纖維的紅外結晶度指數

2.3 纖維吸放濕性能分析

圖3(a)是三種纖維的吸濕曲線，可以看出:三種黏膠纖維的吸濕曲線相似，在120 min左右達到吸濕平衡。在吸濕初始階段，香蕉黏膠纖維速率最快，始終高于另兩種。隨著吸濕時間的增加，纖維的回潮率變化緩慢，在120 min后達到吸濕平衡。此時，吸濕平衡回潮率分別是香蕉黏膠纖維20.5%、菠蘿黏膠纖維18.4%、普通黏膠纖維18.9%。

圖3(b)是三種纖維的放濕曲線。可以看出:三種黏膠纖維的放濕曲線也相似，呈前快后慢的特點。比較初始回潮率的高低情況，菠蘿黏膠纖維﹥香蕉黏膠纖維﹥普通黏膠纖維。三種黏膠纖維均在120 min后達到放濕平衡，放濕平衡回潮率分別為香蕉黏膠纖維26.3%、菠蘿黏膠纖維26.8%、普通黏膠纖維24.6%。

圖3 三種纖維的吸放濕曲線

香蕉、菠蘿、普通三種黏膠纖維的吸濕滯后值分別為5.8%、8.4%、5.7%。吸濕滯后值與纖維的吸濕能力有關，一般規律是吸濕性大的纖維吸濕滯后值比較大［10］?？梢?，菠蘿黏膠纖維的吸濕性大于香蕉黏膠纖維和普通黏膠纖維。

2.4 吸濕、放濕回潮率回歸方程的建立

根據纖維在吸放濕過程中回潮率和時間關系的曲線，通過菲克方程推導出其理論曲線為指數函數。因此將吸濕回潮率(W吸)和放濕回潮率(W放)對時間(t)的回歸方程通式表示為:

式中:W吸、W放——吸濕、放濕回潮率，%;

t——時間，min;

a、b、c——常數。

利用SAS分析軟件，將試驗數據進行曲線擬合，得到三種纖維在吸、放濕過程中回潮率對時間的回歸方程如下:

吸、放濕過程中的回潮率曲線見圖4。

對菠蘿黏膠纖維吸濕、放濕等回歸方程進行方差分析，見表4，回歸結果顯著。

表4 菠蘿黏膠纖維吸濕回歸方差分析表

2.5 吸濕、放濕速率回歸曲線的建立

從圖3和圖4可以看出，三種纖維在吸、放濕整個過程中的吸、放濕速率是不斷變化的，且吸、放濕速率也會影響到服裝面料的熱濕舒適性和纖維吸濕、放濕的快慢程度。因此，有必要建立纖維吸、放濕速率的回歸曲線來掌握其變化規律。

纖維吸濕、放濕速率的物理意義是:在標準狀態下，單位質量的纖維瞬間吸收或放出水分的量，可表示為:

結合式(1)，可得到纖維吸、放濕速率回歸方程通式:

式中:V吸、V放——吸、放濕速率，g/min;

b、c——常數。

根據式(2)～式(7)，可得到三種纖維的吸、放濕速率回歸方程:

圖4 吸放濕過程回潮率回歸曲線

根據吸濕、放濕速率回歸方程(10)～(15)繪制三種纖維的吸濕、放濕速率回歸曲線，如圖5所示。在整個吸放濕過程中三種纖維的吸濕、放濕速率不斷發生變化，當吸放濕初始時，纖維吸濕、放濕速率最大;隨著時間的延長，纖維的含濕量不斷增大或減小，纖維吸濕、放濕速率呈指數形式衰減;纖維達到吸放濕平衡時，其吸濕、放濕速率降到最小，最終趨近于零。

圖5 吸放濕速率回歸曲線

由圖5(a)可以看出:當吸濕初始時，香蕉黏膠纖維的吸濕速率最大，在60 min附近處與菠蘿黏膠纖維和普通黏膠纖維的吸濕速率曲線重合在一起;隨著時間的增加，吸濕速率減小，大約在130 min后趨近于零，達到吸濕平衡。由圖5(b)可知:在放濕初期，菠蘿黏膠纖維的放濕速率最快，香蕉黏膠纖維居中，普通黏膠纖維較慢;60 min后三種纖維的放濕速率逐漸減小，在130 min左右放濕速率曲線趨近于零。

以上現象的形成與黏膠纖維內在的結構有關，三種黏膠纖維都屬于纖維素纖維，有相同的化學結構和較強的親水基團。但它們的形態結構和集聚態結構有所不同，因此造成了它們的吸濕性差異。在形態結構方面，香蕉黏膠纖維不僅與普通黏膠纖維、菠蘿黏膠纖維的表面和截面形態相似，有較大的比表面積，而且表面粗糙程度更高。比表面積越大，吸濕性也越大［11］。香蕉黏膠纖維表面吸附能力大，吸濕的動力比另兩種黏膠纖維多，所以吸濕初期速率最快。在集聚態結構方面，菠蘿黏膠纖維的結晶度最低，存在較大的無定形區，吸濕主要發生在無定形區［10］，吸濕的區域較多，所以吸濕量增加;在放濕初期，纖維均釋放毛細水，故在一定時間內，菠蘿黏膠纖維的毛細水減少最多，并且纖維具有較高的比表面積，表面有溝槽，截面呈鋸齒形，縫隙空洞多，產生毛細管現象，使得纖維輸水快速擴散和揮發，因而能迅速將吸收的水分子排放到外層蒸發，即放濕速率最快［12］。

3 結論

(1)香蕉黏膠纖維、菠蘿黏膠纖維和普通黏膠纖維的形態結構相似，表面結構較緊密和光滑，截面呈不規則鋸齒形狀，內層結構疏松、有空隙，都具有皮芯層結構。但香蕉黏膠纖維較普通黏膠纖維和菠蘿黏膠纖維表面粗糙度高。

(2)通過紅外光譜分析發現:三種纖維的紅外光譜吸收圖譜基本相似，都具有纖維素的特征吸收峰，因此它們都屬于纖維素纖維。

(3)三種纖維的紅外結晶度指數為普通黏膠纖維最大，香蕉黏膠纖維居中，菠蘿黏膠纖維最小。

(4)三種纖維的吸濕滯后值大小順序為菠蘿黏膠纖維＞香蕉黏膠纖維≈普通黏膠纖維，證明菠蘿黏膠纖維具有較好的吸濕、放濕性能。

(5)香蕉黏膠纖維的吸濕速率高于菠蘿黏膠纖維和普通黏膠纖維;隨著時間的延長，三種纖維的吸濕速率減小，在130 min后達到吸濕平衡。

(6)菠蘿黏膠纖維的放濕速率最快，香蕉黏膠纖維居中，普通黏膠纖維最慢;隨著時間的延長，三種纖維的放濕速率快速減小，在130 min后達到放濕平衡。

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