苧麻纖維堿-尿素改性工藝的研究*

程浩南

（1.江西服裝學院，江西 南昌330201；2.江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌330201）

苧麻纖維堿-尿素改性工藝的研究*

程浩南1,2

（1.江西服裝學院，江西 南昌330201；2.江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌330201）

以苧麻纖維為試驗原料，設(shè)計正交試驗和單因素試驗，探討苧麻纖維堿-尿素改性工藝中NaOH質(zhì)量分數(shù)、尿素質(zhì)量分數(shù)、試驗時間和浴比對纖維彎曲模量的影響。通過對測試數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果顯示：正交試驗得到堿-尿素改性工藝中的影響因素對纖維彎曲模量的影響顯著性不同，其中NaOH質(zhì)量分數(shù)的影響顯著性最大，浴比的影響顯著性最小。單因素試驗得到堿 -尿素改性工藝中的影響因素中苧麻纖維彎曲模量的影響規(guī)律也有差異，其中纖維的彎曲模量隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)、尿素質(zhì)量分數(shù)和試驗時間的增加而逐漸減小，但是纖維的彎曲模量隨著浴比增加卻呈現(xiàn)增大的趨勢。

苧麻纖維； 堿-尿素改性；彎曲模量 ；正交試驗

苧麻纖維具有良好的吸濕和排汗能力，天然的抗菌特性，其面料外觀古樸自然，非常契合消費者追求自然的消費理念，深受廣大消費者的喜愛[1]。但苧麻面料因其纖維本身剛度大，容易使人在穿著過程中產(chǎn)生明顯刺癢感，降低服裝舒適性[2]。因此，研究通過各種物理和化學方法改善纖維或織物的性能，提高苧麻紡織品的檔次高附加值成為了熱點[3-4]。

本實驗在借鑒翟學軍[5]和閆暢[6]等人的研究成果，利用堿－尿素工藝對苧麻纖維進行柔化整理，結(jié)合正交試驗和單因素試驗的方法，探討NaOH質(zhì)量分數(shù)、尿素質(zhì)量分數(shù)、浸堿時間和浴比對單纖維平均彎曲模量的影響，通過分析對該柔化整理工藝進行優(yōu)化，為苧麻纖維柔化處理的研究提供一些理論參考。

1 苧麻纖維彎曲模量的確定

1.1 理論分析

根據(jù)Euler壓桿模型[7]，推導出壓縮臨界載荷模擬纖維刺扎力學特征的纖維軸向壓縮中，臨界載荷同纖維的I（截面慣性矩）和E（彎曲模量）成正比，同L2（纖維長度的平方）成反比。

同時，纖維的彎曲剛度定義為Rf，見公式 （1）。

Rf=EI （1）

式中，E為纖維的彈性模量 （拉伸模量與壓縮模量的綜合），cN/cm2；I為纖維的斷面軸慣矩，cm4。

天然纖維的橫截面不是圓形，在計算其抗彎剛度Rf時，總是在纖維最容易彎曲的地方彎折，需要引入截面形狀系數(shù)ηf(ηf<1)，纖維的彎曲剛度見公式 （2）。

當E采用比模量 （cN/tex）時，則公式 （3）變?yōu)椋耗敲窗咽?（4）代入式公式就有：

理論計算表明：纖維最大壓縮載荷Pcr與壓縮彎曲模量E、纖維細度Nt（tex）平方、截面形狀系數(shù)ηf成正比，與長度L平方、密度ρ成反比。

此種作業(yè)方式的安全防護為：1)以絕緣工具、絕緣手套、絕緣披肩、絕緣安全帽等組成帶電體與大地之間的縱向絕緣防護，其中絕緣工具為主絕緣，絕緣手套、絕緣披肩、絕緣安全帽等起輔助絕緣作用，形成后備防護；2)在相與相之間，空氣間隙作為主絕緣，絕緣遮蔽罩、隔離板等起輔助絕緣作用，組成不同相之間的橫向絕緣防護，避免因人體動作幅度過大造成相間短路；3)配合使用羊角抱桿、多功能抱桿、橫擔抱桿等各類帶電作業(yè)用絕緣抱桿，起到穩(wěn)固導線、金具、絕緣子的作用，輔助作業(yè)人員更安全、更高效地開展作業(yè)。

對于同種苧麻纖維，在假設(shè)截面形狀系數(shù)ηf、壓縮彎曲模量E、纖維密度ρ為常數(shù)的情況下，依據(jù)公式 （5），可知壓縮臨界載荷Pcr與成正比。

1.2 苧麻纖維壓縮彎曲模量的確定

同時有：

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗選擇4組細度不同的苧麻精干麻為材料。具體如表1所示。

表1 四組苧麻精干麻的細度

2.2 試驗儀器及參數(shù)

本試驗所采用的測試裝置借鑒毛寧等[8]人的研究成果，測試裝置如圖1所示，其中 （a）是測試裝置原理圖；（b）是測試裝置測試部分的實物圖；（c）是測試裝置的電腦主窗界面。圖1中苧麻纖維 （1）的一端夾持在夾持器 （2）上，測試盤 （4）裝在懸臂梁式傳感器上，傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機依次進行相連，測試數(shù)據(jù)通過計算機最后統(tǒng)一進行處理和分析。測試開始時，測試盤 （及傳感器）在設(shè)置的速率下逐漸下降，當接觸到苧麻纖維后，不斷的壓縮纖維至設(shè)定壓縮動程后返回至初始位置。與此同時，整個測試過程中的壓縮位移及壓力數(shù)據(jù)被采集，統(tǒng)一由計算機進行分析，并生成實時壓縮曲線。

圖1纖維軸向壓縮性質(zhì)測試裝置

測試盤上包覆0.1 mm厚乳膠膜，其作用當苧麻纖維與測試盤接觸時，乳膠膜能發(fā)生輕微變形，形成對纖維端的約束，防止發(fā)生滑移，提高測試的成功率。

2.3 試驗工藝流程

精干苧麻用堿 -尿素浸漬→脫堿 （1 min）→開松→酸浴→水洗 （500 mL蒸餾水6次）→脫水 （2 min）→開松→室溫晾干。

2.4 正交試驗設(shè)計

正交試驗選擇苧麻纖維堿 -尿素改性工藝中NaOH質(zhì)量分數(shù)、尿素質(zhì)量分數(shù)、浴比和處理時間作為影響因素，借鑒柳啟煌等[9]關(guān)于苧麻纖維的堿法改性的研究成果，當NaOH質(zhì)量分數(shù)達到16%的時候，苧麻纖維的纖維素Ⅰ向纖維素Ⅱ轉(zhuǎn)化的臨界值。通過四因素三水平的正交設(shè)計L9（34），得9種試驗方案進行化學處理，測試改性后纖維軸向壓縮性能的變化 （正交試驗方案如表2和3所示）。

表2 改性工藝參數(shù)因素水平表

表3 改性方案試驗表

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 堿-尿素改性后纖維軸向壓縮性能測量

表4至表12分別為試驗號為1～9的堿 -尿素改性苧麻纖維軸向壓縮試驗指標。

表4 1號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

表5 2號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

表6 3號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

表7 4號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

表8 5號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

表9 6號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

表10 7號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

表11 8號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

表12 9號試驗苧麻纖維刷最大軸向壓縮力值cN

3.2 數(shù)據(jù)指標分析

由表4至表12，可以得到經(jīng)9個試驗處理后的苧麻單纖維軸向壓縮臨界值Pcr同纖維關(guān)系的擬合直線，如表13所示，然后代入公式（7）計算正交實驗的平均苧麻單纖維彎曲模量分析表，具體見表14所示。

表13 苧麻單纖維軸向壓縮臨界值P同纖維關(guān)系的擬合直線cr

表13 苧麻單纖維軸向壓縮臨界值P同纖維關(guān)系的擬合直線cr

試驗號 R2擬合方程1 0.9312 Y=0.0018 X+0.0058 2 0.9238 Y=0.0019 X+0.0060 3 0.9114 Y=0.0018 X+0.0059 4 0.9062 Y=0.0017 X+0.0054 5 0.9146 Y=0.0016 X+0.0050 6 0.9313 Y=0.0015 X+0.0050 7 0.9214 Y=0.0016 X+0.0050 8 0.9112 Y=0.0013 X+0.0042 9 0.9210 Y=0.0014 X+0.0045

表14 正交分析表

通過表14中的數(shù)據(jù)分析可得：正交試驗的四個因素中對苧麻纖維彎曲模量的影響顯著性次序為：D

3.3 試驗各因素對苧麻纖維彎曲模量的影響

堿-尿素改性工藝中，影響苧麻纖維彎曲模量的因子有很多，且各因子對其的影響各不相同。在保持其他因子不變的情況下，變化某一因子進行試驗，并對結(jié)果進行討論。可以找出該因子對纖維性能的影響趨勢。采用單因子試驗的方法來研究各因子在試驗中所起的作用。堿環(huán)境是苧麻纖維改性的基本環(huán)境，堿液質(zhì)量分數(shù)、尿素質(zhì)量分數(shù)、浴比和浸堿時間對改性后的纖維彎曲模量有著密切的關(guān)系。因此，對堿液質(zhì)量分數(shù)、尿素質(zhì)量分數(shù)、浴比和浸堿時間四因子進行試驗分析。

3.3.1 堿液質(zhì)量分數(shù)對苧麻纖維彎曲模量的影響

根據(jù)圖2可知：苧麻纖維的彎曲模量隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸減小。這是因為，在一定溫度下，NaOH與纖維素接觸后，會發(fā)生浸潤、擴散和膨脹等物理化學作用，且伴生醇型化合物的生成。堿金屬離子或堿分子與纖維素大分子上羥基不斷結(jié)合，導致纖維素大分子上的氫鍵減少，削弱了分子間的作用力，纖維彎曲模量降低，從而使苧麻纖維變得柔軟，在一定程度上降低了苧麻纖維的刺癢感。

圖2 NaOH質(zhì)量分數(shù)對苧麻纖維彎曲模量的影響

3.3.2 尿素質(zhì)量分數(shù)對苧麻纖維彎曲模量的影響

圖3 尿素質(zhì)量分數(shù)對苧麻纖維彎曲模量的影響

根據(jù)圖3可知：隨著尿素質(zhì)量分數(shù)的增加，苧麻纖維的彎曲模量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這是因為苧麻纖維改性中，纖維浸堿溶脹后，尿素的水合離子有滯留在大分子無定形區(qū)中，進一步迫使已為堿液所潤濕和充滿的微纖間隙擴大，苧麻纖維進一步溶脹，其大分子作用力減弱，彎曲模量降低。

3.3.3 堿-尿素處理時間對苧麻纖維彎曲模量的影響根據(jù)圖4可知：苧麻纖維的彎曲模量在堿-尿素處理時間10～15 min之間變化并不明顯，15 min以后出現(xiàn)下降，且下降較急劇。這是因為在15 min之后，隨著反應溶液中的NaOH和尿素活性大分子的含量增加，使得化學改性反應的速率不斷變大，造成苧麻纖維微纖間隙迅速擴大，彎曲模量明顯降低。

圖4 堿-尿素處理時間對苧麻纖維彎曲模量的影響

3.3.4 浴比對苧麻纖維彎曲模量的影響

圖5 浴比對苧麻纖維彎曲模量的影響

根據(jù)圖5可知：浴比從1∶10到1∶30的過程中苧麻纖維的彎曲模量呈現(xiàn)上升趨勢。這是因為隨著浴比的增加，反應溶液中的NaOH和尿素的質(zhì)量分數(shù)降低，同時參加改性反應的活性大分子的濃度變小，會造成纖維素氫鍵的減少與分子間作用力的削弱程度下降，最終導致苧麻纖維彎曲模量降低程度減小。

4 結(jié)論

通過設(shè)計正交試驗和單因素試驗對苧麻纖維進行堿-尿素改性工藝的研究，以該工藝中的NaOH質(zhì)量分數(shù)、尿素質(zhì)量分數(shù)、試驗時間和浴比為影響因素，將苧麻纖維彎曲模量作為評價指標，得到以下結(jié)論：

（1）通過正交試驗得到堿 -尿素改性工藝中的四個影響因素對苧麻纖維彎曲模量的影響顯著性并不相同，其中NaOH質(zhì)量分數(shù)的影響顯著性最大，浴比的影響顯著性最小，試驗時間和尿素質(zhì)量分數(shù)的影響顯著性居中，且兩者的顯著性相似。

（2）通過單因素試驗得到堿 -尿素改性工藝中的四個影響因素中對苧麻纖維彎曲模量的影響規(guī)律也有差異，苧麻纖維的彎曲模量隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)、尿素質(zhì)量分數(shù)和試驗時間的增加而逐漸減小，苧麻纖維的彎曲模量隨著浴比增加而增大。

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Abstract:The effects of NaOH concentration， urea amount， testing time and bath ratio on bending modulus of ramie fiber were studied by orthogonal test and single factor test.Orthogonal test results showed that，the factors affecting the fiber bending modulus were significantly different in alkali-urea modification process，NaoH concentration had the highest significant effect but bath ratio had the lowest effect.Single factor test results showed that，the bending modulus of ramie fiber was decreased with the increase of NaoH concentration， urea amount and test time， but increased with the increase of bath ratio.

Keywords:ramie fiber， alkali-urea modification， bending modulus， orthogonal test

RESEARCH ON THE TECHNOLOGY OF RAMIE FIBER WITH ALKALI-UREA MODIFICATION

CHENG Hao-nan1,2
(1.Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang Jiangxi 330201， China.2.Jiangxi Provincial Modern Research Center of Clothing Engineering Technology， Nanchang Jiangxi 330201， China)

TS190.62

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2017.03.002

1672-500X(2017)03-0005-08

2017-08-03

程浩南 （1986-），男，河南周口人，碩士，助教。主要研究方向為生物質(zhì)紡織材料和紡織材料改性。

江西省教育廳科技青年項目 （GJJ151224）