微溶解處理對大麻/棉混紡織物拉伸性能的影響

鐘智麗， 廖鎮東， 張宏杰

(天津工業大學 紡織學院， 天津 300387)

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微溶解處理對大麻/棉混紡織物拉伸性能的影響

鐘智麗， 廖鎮東， 張宏杰

(天津工業大學 紡織學院， 天津 300387)

為探討預處理和微溶解工藝對大麻/棉混紡織物拉伸性能的影響，對織物和原大麻纖維進行預處理和氯化鋰/N，N-二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)微溶解處理。其中，LiCl/DMAc是一種具有良好穩定性的新型綠色纖維素溶劑體系，微溶解的具體工藝是10%的LiCl/DMAC溶劑，溫度65 ℃。用紅外光譜(FT-IR)和X射線衍射(XRD)對纖維進行表征，并用萬能強力機測試織物的拉伸性能。結果表明：大麻纖維經過預處理和微溶解體系后，主要基團沒有發生明顯的變化，且纖維素在微溶解過程中未發生衍生化反應。經過不同工藝處理體系后，織物的斷裂伸長率和斷裂強力均得到不同程度的增加。其中，經堿活化和LiCl/DMAc微溶解后，織物拉伸性能得到提高，斷裂強力提高44.5%。

大麻/棉混紡織物； 氯化鋰/N-N二甲基乙酰胺溶解體系； 大麻纖維； 拉伸性能

大麻是一種中國傳統種植的麻類作物，隨著其培育和研究工作逐漸受到重視，麻類紡織品的開發和利用空間很大程度上為中國的麻紡織業提供了較好的宏觀環境[1]。大麻纖維除具備天然纖維素纖維吸濕透氣、穿著舒適外，還具備抗紫外線、抗菌抑菌等保健功能，日益受到人們的青睞[2]。大麻纖維的主要成分是纖維素、半纖維素、木質素，和棉纖維一樣，是重要的紡織原材料[3]。

隨著人們對織物功能性要求的不斷提高，傳統織物已經不能滿足人們的要求。棉織物織造簡單、天然環保、穿著舒服，但功能單一[4]。大麻纖維性能優良，但純紡困難，很難織造出高品質的紡織品[5]。因此，兩者混合一方面利用了棉纖維的高可紡性，另一方面利用了大麻纖維的高功能性，減少了棉織物的后期加工成本，提升了大麻纖維的綜合價值。

棉、大麻混紡雖然有利于2種纖維的價值體現，但是大麻纖維具有線密度大、飽和性差等缺點[6]，因此，大麻纖維影響最終產品的力學性能，特別是拉伸性能。纖維素纖維在試劑中發生溶脹皺縮，使紡織品的結構變緊密，在堿溶液中，大麻纖維會發生部分“解束”，這些都會影響紡織品的拉伸性能。

1979年，氯化鋰/N,N-二甲基乙酰胺LiCl/DMAc體系首次被用來溶解纖維素[7]。王巖等[8]利用LiCl/DMAc體系溶解木材纖維素。陳一等[9]進一步驗證DMAc活化法和堿活化處理能夠有效提高棉纖維的溶解度。Kabir等[10]使用堿處理大麻纖維后發現其力學性能有所下降。張華等[11]運用堿處理大麻織物，處理后織物的抗彎剛度和耐磨性能都有較大的增加。

利用纖維在溶液中的收縮提升織物的拉伸性能， LiCl/DMAc的溶解性能可部分去除或者“軟化”織物表面的纖維，提升表面光潔度[12]。本文采用不同的工藝對大麻/棉織物進行整理，重點討論了織物的拉伸性能。并用相同工藝處理大麻纖維，利用紅外光譜、X射線衍射手段表征其內部結構和基團變化，對應分析織物拉伸性能變化的原因。

1 實驗部分

1.1 材 料

大麻/棉混紡平紋坯布(山西綠洲紡織有限公司，具體規格見表1)，大麻纖維，購于沈陽北江麻業發展有限公司。氫氧化鈉(NaOH),N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，無水氯化鋰(LiCl)，購于天津科密歐化學試劑有限公司。

表1 織物規格

1.2 儀器及測試方法

電子天平(諸暨市超澤衡儀器設備有限公司)，DZKW-S-6型電熱恒溫水浴鍋(余姚市東方電子儀器廠)，萬用電爐(北京中興偉業儀器公司)，INSTRON3369型萬能強力拉伸儀(美國英斯特朗公司)。

Tensor37傅里葉變換紅外光譜儀(德國Bruker公司)，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

D8 DISCOVER with GADDS面探測器X射線衍射儀(德國BRUKER公司)，掃描模式2θ，Cu靶α射線(λ=0.154 1 nm)，電壓40 KV,電流為40 mA, 角度為5°～60°，掃描步徑為0.05°。

1.3 實驗方法

表2示出對2種規格的織物進行預處理和微溶解的方法。試樣1、2和3經過不同的預處理工藝后進入微溶解體系，試樣4和5直接進入微溶解體系，對試樣的處理時間均為165 min。試樣6為未處理原樣。同時，使用同樣的工藝對大麻纖維進行處理。

表2 實驗工藝表

1.4 測試標準

根據GB/T 7689.5—2001《增強材料 機織物試驗方法》，利用INSTRON3369萬能強力儀測定織物的拉伸性能。織物規格為25 cm×2.5 cm，隔距為10 cm，拉伸速度為50 mm/min。

2 結果與討論

表3示出棉/大麻的微觀結構參數。由表可知，棉的聚合度、纖維素含量、結晶度都遠遠大于大麻。聚合度越大，相對分子質量越大，結構越穩定；結晶度高，分子間作用力強，化學試劑的可及性降低。同等條件下，試劑與大麻纖維發生反應的幾率增大，纖維破壞程度增強。同時，大麻剩余的成分多為半纖維素、木質素、果膠等，這些低分子物質在預處理和微溶解體系中更易發生反應。鑒于以上原因，微溶解體系作用于棉/麻混紡織物中，最主要、最直接受影響的是大麻纖維。

表3 大麻/棉的微觀結構參數

2.1 傅里葉變換紅外光譜分析

圖1 不同工藝處理條件下的大麻纖維紅外光譜圖(a)及X射線衍射圖(b)Fig.1 FT-IR spectrogram (a) and XRD diagram (b) of hemp fibers be treated with different methods

同時,譜圖其他波數的峰形位置沒有發生明顯變化，這也說明LiCl/DMAc在溶解大麻纖維時是非衍生化的直接溶解。

2.2 X射線衍射分析

圖2為不同工藝處理條件下的X射線衍射圖從圖1(b)可見，經過不同手段處理后，各晶面的位移沒有出現明顯遷移，唯一不同點是纖維特征衍射峰強度發生了變化，這與處理前后纖維結晶度發生變化有關。經過NaOH處理過的3、5試樣在11.8°和11.9°左右出現微小的波峰，是由于纖維在堿液作用下發生堿化作用，形成了堿纖維素。

經過不同工藝處理后， 除處理工藝3和處理工藝5，大麻纖維的結晶度變化不大(見表4)。主要由于濃堿液除對纖維素、木質素具有溶解作用，同時對纖維素也有一定的破壞作用，特別是在長時間高溫條件下，如處理工藝5；對于處理工藝3而言，經過了NaOH活化后，纖維活性增加，試劑可及性增強，因此在進入溶解體系后，纖維素纖維會發生部分溶解，非結晶區增加，相對而言，纖維結晶區下降。同時，測試了采用處理工藝3的棉纖維的結晶度，實驗表明結晶度由72.13%上升到了79.62%，這是由于棉纖維的高分子質量使試劑進入纖維內部難度增大，由于試劑對于非結晶區的破壞，相對結晶區增大，結晶度增加。大麻纖維結晶度的微小減少和棉纖維結晶度增加，有利于織物拉伸性能的改善。

表4 不同處理工藝大麻纖維的2θ位置和結晶度

2.3 織物拉伸性能測試

表5示出2種織物的斷裂伸長率和斷裂強力。從表中可看出，經過不同手段處理后，織物的斷裂伸長率均得到了不同程度的增加，其中2種經過堿處理后織物的變化尤為明顯。這是因為織物在處理過程中逐漸吸收試劑，發生溶脹，隨著時間和溫度的增加，可能會發生皺縮，纖維素纖維在堿液中表現的尤為明顯，這種狀態會在織物整理后保持下來。因此，在織物拉伸過程中，先是紗線受力，然后單纖維在拉伸力作用下逐漸伸直，同時伴隨著纖維間的摩擦，產生一定的位移，纖維的斷裂伸長增大，最終導致織物斷裂伸長的增加。

表5 不同處理工藝織物的斷裂強力與伸長率

從表中還可以看出，織物經過不同的處理工藝后，織物的斷裂強力變化不大，但經工藝2、3處理后，織物拉伸強力提高，這是由于織物在微溶解體系中，堿縮使得紗線結構變緊密，其次大麻與棉纖維會在堿液、熱水中發生部分的分束，增加紗線在單位面積內的承載力的個數，從而使得織物的強力會有一定程度的提高。最后，纖維中半纖維素、木質素的部分去除，提高了纖維的結晶度，構成紗線主體的纖維結構性能提高，紗線強力提高，織物的斷裂強度增加[13]。

其中，36 tex的大麻/棉混紡織物，拉伸斷裂強力高于28 tex大麻/棉混紡織物，是由于紗線線密度大，紗線斷裂強力高，從而織物的斷裂強力也提高。

3 結 論

1)大麻纖維經預處理、微溶解后，主要基團沒有發生明顯的變化，紅外、X射線衍射波峰的變化說明半纖維素、木質素得到了部分的去除，大麻纖維在溶解體系中是非衍生化的直接溶解。

2)大麻纖維經預處理、微溶解后，除經過堿處理的纖維結晶度有所減小外，其他并無大的變化；同時，經過工藝3處理后，棉纖維結晶度增加，棉纖維結晶度的增加與大麻纖維結晶度的降低對于大麻織物性能有一定影響。

3)大麻/棉混紡織物經預處理和微溶解后，織物的拉伸性能均有所提高。其中，經NaOH活化預處理和LiCl/DMAc微溶解后，織物拉伸性能提高最大，36 tex的大麻/棉混紡織物拉伸斷裂強力提高44.5%。

FZXB

[1] 龔飛.漢麻纖維及其應用[J].山東紡織科技，2010(3):48-50. GONG Fei.Hemp fibre and its application [J].Shandong Textile Technology, 2010(3):48-50.

[2] 段亞峰，姚江薇.竹漿纖維/滌綸/大麻纖維混紡面料的開發及其性能分析[J].紡織學報，2013，34(10)：43-47. DAUN Yafeng,YAO Jiangwei. Development and properties of bamboo pulp fiber/polyester/hempmulti-component fabrics[J].Journal of Textile Research,2013，34(10):43-47.

[3] KABIR M M, WANG H, LAU K T, et al.Effects of chemical treatments on hemp fibre structure[J].Applied Surface Science, 2013, 276:13-23.

[4] 邢彥君，黃文琦，沈麗，等.棉織物超疏水整理的研究進展[J].紡織學報，2011，32(5)：142-147. XING Yanjun,HUANG Wenqi,SHEN li,et al.Progress in superhydrophobic finishing of cotton fabrics[J]. Journal of Textile Research,2011，32(5):142-147.

[5] 李巧娜，孫天祥，奚柏君，等.大麻纖維及其制品的研究[J].紹興文理學院學報，2013,33(8)：44-47. LI Qiaona,SUN Tianxiang,XI Bojun,et al. On hemp fiber and its products [J].Journal of Shaoxing University, 2013, 33(8):44-47.

[6] 張建春，張華.漢麻纖維的結構性能和加工技術[J].高分子通報，2008(12)：44-51. ZHANG Jianchun, ZHANG Hua. Structure and performance of hemp fibre and progress technolog [J]. Polymer Bulletin, 2008(12)：44-51.

[7] MCCORMICK C L, LICHATOWITCH D K. Homogeneous solution reaction of cellulose,chitin,and other polysaccharides to produce controlled-activity pesticide systems[J]. J Polym Sci，1979,17:479-484.[8] 王巖,何靜,路婷,等. 木材纖維素在LiCl/DMAc溶劑體系中的溶解特性[J]. 北京林業大學報,2006,28(1):114-116. WANG Yan,HE Jing,LU Ting,et al.Research on the dissolubility of wood-cellulose in LiCl/DMAc solvent system[J].Journal of Beijing Forestry University,2006,28(1):114-116.

[9] 陳一,包永忠,黃志明. 棉纖維在LiCl/DMAc極性溶液中的溶解性能研究[J]. 纖維素科學與技術,2009,17(3):12-18. CHEN Yi,BAO Yongzhong,HUANG Zhiming.Research of solution of cotton cellulose in LiCl/DMAc polar solvent[J].Journal of Cellulose Science and Technology,2009,17(3):12-18.

[10] KABIRM M, WANG H, LAU K T,et al. Tensile properties of chemically treated hemp fibres as reinforcement for composites[J]. Composites, 2013(53):362-368.

[11] 張華，馮家好，王杰，等.堿處理對大麻織物染色和力學性能的影響[J].紡織學報，2008,29(4)：79-82. ZHANG Hua,FENG Jiahao,WANG Jie,et al.Influence of caustic mercerization on the dyeing and mechanical properties of hemp fabric[J].Journal of Textile Research, 2008,29(4)：79-82.

[12] 哈麗丹·買買提.纖維素LiCl/DMAc 溶液的制備及其穩定性[J].紡織學報，2010,31(8):6-11. HALIDAN Mamat.Preparation and stability of cellulose LiCl/DMAc solution[J].Journal of Textile Research, 2010,31(8): 6-11.

[13] KOICHI Goda, SREEKALA M S, ALEXANDRE Gomes, et al. Improvement of plant based natural fibers for toughening green composites: effect of load application during mercerization of ramie fibers [J]. Composites: Part A, 2006, 37: 2213- 2220.

Influence of micro-dissolution treatment on tensile properties of hemp/cotton blended fabric

ZHONG Zhili， LIAO Zhendong， ZHANG Hongjie

(CollegeofTextile,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to discuss the influence of different micro-dissolution methods and activation on the tensile properties of hemp/cotton blended fabric, fabrics and hemp fibers were subjected to pretreatment and LiCl/DMAc micro-dissolution. LiCl/DMAc is a kind of green cellulose solvent system with good stability, and the process of the micro-dissolution was LiCl/DMAc solvent of 10% and temperature of 65 ℃. Fibers were analyzed with FT-IR and XRD methods, and the tensile properties of fabrics were tested by Instron. The result shows that after hemp fibers were subjected to pretreatment and micro-dissolution treatment, the main groups have no obvious changes, and cellulose derivative reaction has not been found during micro-dissolution. The elongation at break and the breaking strength of fabrics subjected to different micro-dissolution processing systems increase by different degrees. After alkali activation and LiCl/DMAc micro-dissolution, the tensile properties of fabric are improved, and the breaking strength is improved by 44.5%.

hemp/cotton blended fabric; LiCl/DMAc; hemp fiber; tensile property

10.13475/j.fzxb.20140902705

2014-09-18

2015-06-24

鐘智麗(1962—)，女，教授，博士。主要研究方向為纖維新材料、產業用紡織品、紡織復合材料。E-mail:zhongzhili@tjpu.edu.cn。

TS 106.5

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