堿處理對木棉纖維結構及性能的影響

李長龍，常 桑，周 磊

(安徽工程大學紡織服裝學院，安徽蕪湖 241000)

木棉纖維是一種天然纖維素纖維，是天然纖維中中空度最高的纖維，具有優良的隔熱、隔音、保暖、拒水吸油的性能，是很好的浮力材料。但由于木棉纖維強力低，長度短，表面光滑，抱合力差，難以單獨紡紗［1］，目前關于木棉纖維性能及紡紗方面的研究較多。由于經過不同質量濃度堿處理會對木棉纖維的形態結構及物理化學性能產生影響，國內外關于這方面的研究還鮮有報道。本文研究了堿處理對木棉纖維結構及性能的影響，以期提高木棉纖維的可紡性，擴大木棉纖維的開發及應用。

1 實驗部分

1.1 材料

國產木棉散纖維:線密度為1.86 dtex，長度為8～32 mm。

1.2 堿處理

室溫下配制質量濃度分別為 4、6、8、10、12 g/L的NaOH溶液。采用浴比1∶300對木棉纖維分別處理，溫度為90℃，時間為120 min。處理后的纖維用蒸餾水洗凈，直至纖維附著液的pH值在6～7左右，再在40℃條件下烘干，供測試備用［2］。

1.3 測試方法

1.3.1 形貌觀察

在日本日立S-4800掃描電子顯微鏡/X射線能譜儀下，觀察纖維的縱向形態。

1.3.2 質量損失率測試

將堿處理前后的木棉纖維烘干后放在干燥器中干燥24 h后稱量，得到堿處理前后纖維質量分別為W0和W1，纖維的質量損失率W按下式計算:

1.3.3 力學性能測試

采用單纖維強力機進行測試，預加張力0.1 cN，夾持距離設為10 mm，拉伸速度為10 mm/min。每組試樣測50次。測試條件［3］:濕度為(65±2)%，溫度為(20±2)℃。

1.3.4 浸潤性能測試

采用德國DCAT11界面張力儀對木棉纖維浸潤性能進行測試。

1.3.5 熱性能測試

采用日本島津DSC-60A自動差熱熱重同時測定裝置，測定木棉纖維的熱分解曲線［4］。其中N2升溫速率為 10℃/min，流量為 60 mL/min，溫度為50～600℃。

1.3.6 化學組成測試

制取粉末試樣，用日本島津IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀測試。根據紅外光譜中吸收峰的強度、位置和形狀，確定纖維的化學組成。

2 結果與討論

2.1 堿處理對纖維形態結構的影響

圖1為放大800倍的木棉纖維縱向掃描電鏡形態結構圖。圖1(a)為沒有經過堿處理的木棉纖維縱向形態，可看出木棉纖維縱向外觀呈圓柱形，表面光滑，不顯轉曲。圖1(b)為經過質量濃度為8 g/L的堿液處理后的木棉纖維的縱向形態，可看出，經過堿處理木棉纖維表面沿纖維軸向會出現一些不規則的刻蝕痕跡。這主要是因為堿處理去除了木棉纖維表面的蠟質與果膠，使得纖維表面變得粗糙。還可能是因為結晶區以及非結晶區有缺陷區域的大分子鏈被NaOH水解而產生的斑痕和坑穴，從而增大了纖維表面的摩擦因數，可提高紡紗時纖維間的抱合力。

圖1 堿處理前后木棉纖維縱向形態電鏡照片(×800)Fig.1 Longitudinal SEM photos of kapok fiber(×800).(a)Untreated;(b)Treated with NaOH

2.2 堿處理對纖維質量損失率的影響

根據文獻［5－6］可知，木棉纖維的化學組成為:64%纖維素，23%半纖維素，13%膠質和木質素。圖2示出NaOH質量濃度對木棉纖維質量損失率的影響。由圖可看出，隨著堿液質量濃度的增大，木棉纖維的質量損失率總體趨勢是逐漸增大的，這是因為堿處理使得蠟質乳化，無機鹽溶解，脂肪和蛋白質水解，去除了低分子的膠質成分。經適當質量濃度的堿煮可去除纖維表面的蠟質、果膠及半纖維素。半纖維素易被堿液水解而去除，而木質素是一種相對分子質量較高的物質，在堿液中溶解度不大［7］，但可能會有少量堿溶木質素被溶解而去除。經測試木棉纖維堿處理后質量會降低18%左右。當NaOH質量濃度較低的時候，隨著其質量濃度的增加，纖維質量損失率增加的幅度比較大;當NaOH質量損失濃度增加到一定程度(≥10 g/L)時，隨著堿液質量濃度的增加，纖維質量損失率趨于平緩。這主要是因為堿液質量濃度小于10 g/L時就可使纖維中能參加反應的物質反應完全，再增加質量濃度對提高纖維質量損失率沒有明顯效果。在一般情況下，纖維素對堿的化學性能比較穩定，但是在高濃度、高溫度等條件下纖維素大分子鏈也會出現斷裂，從而影響木棉纖維的各方面性能，所以前處理過程中堿液的質量濃度、溫度都不宜太高。

2.3 堿處理對纖維力學性能的影響

圖3示出堿液質量濃度對木棉纖維斷裂強力的影響。由圖可看出，隨著堿液質量濃度的增加，木棉纖維的斷裂強力呈現出先增加后下降的趨勢，這是因為堿處理可去除木棉纖維的雜質和半纖維素，這些成分含量越高，對纖維強力影響越大，纖維品質越低。經過堿處理固化了沿纖維長度方向的弱點，使得纖維內部結構得到改善，纖維強力得到提升。但是當堿液質量濃度過高(≥8 g/L)時，堿液對纖維結構的損傷會大于其對纖維力學性能的改善，從而導致纖維出現角質層及初生胞壁的溶解，反而使纖維的斷裂強力下降。另外，由于纖維素大分子中含有羥基，如果堿液質量濃度過高，纖維會發生剝皮現象，對纖維素產生副損傷，從而會導致木棉纖維的強力下降。

圖2 NaOH質量濃度對木棉纖維質量損失率的影響Fig.2 Effect of weightlessness rate of kapok fiber with different concentration of NaOH treatment

圖3 NaOH質量濃度對木棉纖維斷裂強力的影響Fig.3 Effect of breaking strength of kapok fiber with different concentration of NaOH treatment

2.4 堿處理對纖維浸潤性能的影響

纖維的動態接觸角包括前進角和后退角。前進角是液體潤濕固體表面能力的一種量度，對拒水性敏感;后退角表示液體從固體表面移去的難易，對親水性敏感;二者差值為接觸角滯后值，可反映物質的潤濕性、異質均勻性、粗糙度及水在物質表面的停留時間［8］。圖4為Wilhelmy吊片法平衡原理圖。試樣吊片經浸入和提出的過程，并用高精度電子天平記錄吊片在不同浸漬位置時的拉力。測試完成后，根據系統軟件分析，得出木棉纖維的前進角θ1、后退角θ2及二者的差值接觸滯后角△θ，結果見表1。由于沒有經過堿處理的木棉纖維表面有蠟質和果膠的存在，拒水性很強。而經過堿液處理的木棉纖維，對比其滯后角可發現:隨著堿液濃度的增加，纖維表面蠟質和果膠被不斷去除，木棉纖維的浸潤性能不斷增加;但當堿液質量濃度＞10 g/L時，浸潤性能又會出現下降。這主要是因為較高質量濃度的NaOH破壞了非結晶區大分子結構中的氫鍵，使得無定形區自由分子鏈溶解，從而使纖維結構變得更加緊密，不利于水分的滲透［9］。

圖4 Wilhelmy吊片法平衡原理圖Fig.4 Schematic diagram of Wihelmy balance

表1 木棉纖維的動態接觸角Tab.1 Dynamic contact angle of kapok fiber

2.5 堿處理對纖維熱性能的影響

圖5示出了堿處理前后木棉纖維在氮氣氛下的熱分解曲線圖。曲線a為沒有經過堿處理的木棉纖維的熱分解曲線，可看出木棉纖維在287℃開始分解。100℃以下主要是木棉纖維中的水分及其他微小雜質的分解，到370℃為止主要是纖維素主體部分的分解，350～450℃主要是木質素的分解［10］，到600℃木棉纖維的質量幾乎不再變化，接近于零。曲線 b、c、d、e、f分別為用質量濃度為 4、6、8、10、12 g/L的NaOH處理后木棉纖維的熱分解曲線，可看出經過堿處理后，木棉纖維在380℃時就已經基本完成了熱分解過程，這主要是因為堿處理去除了大量的木質素。可看出堿處理對纖維素的熱分解溫度影響不大。

2.6 堿處理對纖維化學組成的影響

圖5 堿處理前后木棉纖維TG圖Fig.5 TG of kapok fiber before and after alkali treatment

圖6為堿處理前后的木棉纖維的紅外譜圖，曲線a為未經過堿處理的木棉纖維的紅外譜圖。由圖可看出木棉纖維具有K-lason木質素和硝酸-乙醇纖維素的特征吸收峰。文獻［11］表明，木質素特征基團紅外光譜吸收峰主要在1750～1500 cm－1的范圍內。木棉纖維1630 cm－1處的吸收峰為木質素分子結構的芳香環骨架基團振動。其中官能團3401 cm－1處為 O—H 伸縮振動，2914 cm－1處為C—H鍵的吸收。889 cm－1處附近為C—H面外彎曲振動，1742 cm－1處是 ==C O鍵吸收峰。曲線b、c分別為經質量濃度為8和12 g/L的NaOH處理后的木棉纖維紅外光譜圖，木棉纖維與三者的紅外光譜特征峰極為相似。經堿液處理后(曲線b、c)可看出指紋區在1051 cm－1附近仍出現纖維素特征峰，即β-D-葡萄糖苷鍵的特征吸收峰，處理后此處吸收峰幾乎沒有變化，這說明堿處理對纖維素結構影響不大［12］。3401 cm－1處仍有較明顯的O—H伸縮振動特征吸收峰，吸收值變大，峰寬增加，面積變大，說明纖維素大分子中游離羥基數量增多。而在1730 cm－1處半纖維素的特征吸收峰及1630 cm－1處木質素的特征吸收峰都有所減弱，這說明堿處理可去除木棉纖維表面的部分半纖維素及木質素等雜質。堿處理后木棉纖維在1249 cm－1處附近逐漸產生1個較為明顯的小肩峰，這是處理后纖維素分子中O—H平面彎曲振動的特征。纖維素型纖維中，當1249 cm－1處出現的峰形越明顯時，說明該纖維中晶區與非晶區比值越大，纖維結晶度越高［9］。由上述分析可看出，經適當濃度的堿處理后，木棉纖維結晶度是有所提高的。

圖6 堿處理前后木棉纖維紅外譜圖Fig.6 FT-IR spectra of kapok fiber before and after alkali treatment

3 結論

堿處理會對木棉纖維的形態結構及物理化學性能產生影響。經過堿處理木棉纖維表面會變得粗糙;隨著堿液質量濃度的增加，木棉纖維斷裂強力先增大后降低，但整體比未經過處理的木棉纖維的斷裂強力大;當堿液質量濃度≤10 g/L時木棉纖維的浸潤性能逐漸增大，當質量濃度＞10 g/L時纖維的浸潤性能出現下降;此外堿處理去除了纖維表面的果膠、蠟質、脂肪、木質素等化學組分，使得木棉纖維熱分解完成溫度降低。綜上可知，木棉纖維在堿處理過程中堿液質量濃度在8～10 g/L之間為宜。

［1］ MANSOU S H.Kapok［J］.Journal of Applied Polymer Science，2006，102(6):58 －61.

［2］ 劉杰，王府梅.堿處理對含木棉纖維紗線形態結構和性能的影響［J］.紡織學報，2009，30(12):55 －60.LIU Jie，WANG Fumei.Effect of alkali treatment on structure and propertiesofyarn containing kapok fiber［J］.Journal of Textile Research，2009，30(12):55－60.

［3］ 王劍英，奚柏君，沈蘭萍.堿處理對黃麻纖維性能的影響［J］.現代紡織技術，2013(4):27－28.WANG Jianying，XI Bojun，SHEN Lanping.Effect of alkaline treatmenton propertiesofjute fiber［J］.Advanced Textile Technology，2013(4):27 －28.

［4］ 肖紅，于偉東，施楣梧.木棉纖維的基本結構和性能［J］.紡織學報，2005，26(4):4 －6.XIAO Hong，YU Weidong，SHI Meiwu.Structures and performances of the kapok fiber［J］.Journal of Textile Research，2005，26(4):4 －6.

［5］ FENGEL D.Studies on kapok［J］.Holzforsehun，1986，40(6):325－330.

［6］ ALKA Goel.Agro based fibres［J］.Colourage，1999，46(6):26－28.

［7］ 趙欣，高樹珍，王大偉.亞麻紡織與染整［M］.北京:中國紡織出版社，2007:94.ZHAO Xin，GAO Shuzhen，WANG Dawei.Flax Textile and Dyeing and Finishing［M］.Beijing:China Textile ＆Apparel Press，2007:94.

［8］ 鳳權.功能性納米纖維的制備及固定化酶研究［D］.無錫:江南大學，2012:23 －27.FENG Quan.Study on the preparation of functional nanofibers and their applications far enzyme immobilization［D］.Wuxi:Jiangnan University，2012:23－27.

［9］ 楊建慧，顧俊晶，楊旭紅.堿處理對竹漿纖維微觀結構的影響［J］.棉紡織技術，2010，38(10):634－636.YANG Jianhui，GU Junjing，YANG Xuhong.Effect of alkali treatment on bamboo fiber micro-structure［J］.Cotton Textile Technology，2010，38(10):634 －636.

［10］ 駱介禹，駱希明.纖維素基質材料阻燃技術［M］.北京:化學工業出版社，2003:26－31.LUO Jieyu，LUO Ximing.Flame Retardant Technology of Cellulose Matrix Materials［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2003:26 －31.

［11］ 蔣挺大.木質素［M］.北京:化學工業出版社，2009:47－48.JIANG Tingda.Lignin［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2009:47 －48.

［12］ ALBANO C，ICHAZO M.Effects of filler treatments on the mechanical and morphological behavior of PP/wood four PP/sisal fibre ［J］.Material Research Innovation，2001，4(5/6):284－ 293.