采用N-甲基吡咯烷酮的苧麻纖維柔軟處理

李夢珍， 張 斌,， 郁崇文,

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

苧麻具有較好的吸濕透氣性和天然抑菌性能，適宜開發(fā)夏季服用面料[1-2]。脫膠后的苧麻主要成分為纖維素，是由β-1, 4-糖苷鍵連接六元吡喃環(huán)形成的大分子高聚物[3]，在分子鏈內和鏈間分布有大量氫鍵，使分子鏈緊密排列而呈現(xiàn)高度有序的規(guī)整性[4]，導致纖維結晶度大，取向度高，纖維剛硬而柔軟性差，受力時不易彎曲扭轉，織物穿著刺癢，在生產高端面料上受到限制[5]。傳統(tǒng)工業(yè)中常使用濃堿或液氨對苧麻進行溶脹處理[6-7]，改善其柔軟性能。此外，研究人員先后采用離子液體[8]、N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)[9]、二甲基亞砜(DMSO)[10]和N, N-二甲基乙酰胺(DMAC)[11]等試劑對苧麻纖維進行處理，雖然有一定的柔軟效果，但存在纖維強力受損過大和試劑成本較高、使用量過大等問題。

N-甲基吡咯烷酮(NMP)是一種強極性溶劑，與帶有強極性基團的NMMO、DMSO和DMAC等試劑分子類似，NMP分子中帶有良好的氫鍵受體——吡咯烷酮環(huán)，環(huán)上的氮、氧原子均帶有孤對電子，能與羥基形成氫鍵，拆散纖維素內原有氫鍵，從而降低纖維素結晶度[4]。Hiroyuki等[12]在LiCl/NMP體系中加入微晶纖維素、苧麻粉等，然后加入1, 2, 3, 4-丁烷四羧酸(BTCA)及催化劑對纖維素進行交聯(lián)及接枝，該溶劑體系破壞了纖維素的結晶結構，進而增加了反應可及性。此外，鄭虹等[13]發(fā)現(xiàn)，當NMP單獨作用時，可溶脹纖維素而不能將其溶解。岳軍等[4]發(fā)現(xiàn)，堿化后的纖維素在極性溶劑NMP作用下，纖維素的氫鍵可進一步被削弱。苧麻纖維的主要成分為纖維素，NMP對苧麻纖維是否具有較好的降晶效果，至今相關研究甚少。為此，本文使用NMP作為溶脹劑對苧麻纖維進行處理，探究不同處理因素對苧麻纖維處理效果的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

1.2 NMP處理苧麻纖維

配制不同質量分數(shù)的NMP溶液，定量稱取苧麻精干麻，升溫至指定溫度，按照浴比為1∶20將纖維放入溶液中，恒溫處理一段時間后取出水洗，經烘箱于105 ℃干燥2～3 h。最后置于相對濕度為(65±2)%、 溫度為(20±1) ℃的恒溫恒濕室中平衡回潮48 h，備用。

1.3 測試方法

1.3.1纖維線密度測試

依據(jù)GB/T 5884—1986《苧麻纖維支數(shù)試驗方法》，采用切斷稱重法測試苧麻纖維的線密度。將梳理整齊的纖維用Y171B型中段切斷器定長切斷，在JN-B型精密扭力天平上稱量并計數(shù)，按下式計算苧麻纖維的線密度：

式中：Nt為纖維線密度，tex；m為束纖維質量，g；l為束纖維長度，m；n為束纖維中纖維根數(shù)。

1.3.2纖維強伸性能測試

依據(jù)GB/T 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強度試驗方法》，采用XQ-1型單纖強力儀測試苧麻纖維的強伸性能，包括斷裂強度和斷裂伸長率。

繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進是終末期腎病患者常見的并發(fā)癥之一，主要致病原因為血鈣、血磷含量升高導致甲狀旁腺素大量分泌，主要癥狀表現(xiàn)為甲狀旁腺激素的過快增長及甲狀旁腺增生[1-3]。本研究旨在探討甲狀旁腺切除術聯(lián)合西那卡塞治療繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進患者的療效。現(xiàn)報道如下。

1.3.3纖維柔軟性能測試

根據(jù)文獻[14]采用Y331+型單紗捻度儀測試單纖維的柔軟度，纖維在捻度儀上加捻至斷裂的圈數(shù)為斷裂回轉數(shù)，以斷裂回轉數(shù)表征纖維的柔軟性能。

1.3.4結晶結構表征

將試樣剪成粉末，采用D/Max-2550 PC型X射線衍射儀進行測試。測試參數(shù)為：銅靶，電壓 40 kV，電流200 mA，2θ為10°～40°。

1.3.5化學結構表征

將試樣置于Nicolet 5700型紅外光譜儀上采用衰減全反射法測試纖維的化學結構。調試參數(shù)為：波數(shù)范圍 4 000～500 cm-1，分辨率0.09 cm-1，波數(shù)精度±0.01 cm-1。

1.3.6表觀形貌觀察

將試樣黏在電鏡臺上，對其噴金處理后采用 TM 3000 型掃描電子顯微鏡觀察纖維的表觀形貌，加速電壓為15 kV。

2 結果及討論

2.1 NMP質量分數(shù)對纖維處理效果的影響

將苧麻于溫度為90 ℃的NMP溶液中處理 40 min，研究NMP質量分數(shù)對纖維強伸性能及柔軟性能的影響，結果如圖1所示。可知，當NMP質量分數(shù)增加時，苧麻纖維的斷裂伸長率隨之增加，斷裂強度隨之降低。NMP質量分數(shù)增大，則進入苧麻纖維內部的NMP分子相應增多，對苧麻大分子鏈間氫鍵的破壞也愈加劇烈，苧麻分子間作用力減弱，拉伸時所受滑移阻力變小，因此，斷裂強度降低，而斷裂伸長率增加。

圖1 NMP質量分數(shù)對苧麻纖維強伸性能和柔軟性能的影響Fig.1 Effect of NMP mass fraction on tensile properties(a)and softness (b) of ramie fiber

由圖1還可知，當NMP質量分數(shù)增加時，苧麻纖維的斷裂回轉數(shù)先增加后降低。溶脹過程中，NMP分子破壞了苧麻分子鏈中原有氫鍵，使其柔順性增加。隨著進入苧麻纖維中NMP分子數(shù)持續(xù)增加，苧麻分子鏈的線性完整性和剛性被破壞，強力受損，斷裂回轉數(shù)也隨之降低。以斷裂回轉數(shù)和伸長率為評價指標，兼顧其強度，NMP質量分數(shù)為15%時，苧麻纖維綜合性能較佳，此時，苧麻纖維的斷裂回轉數(shù)為 472圈，斷裂強度為6.88 cN/dtex，斷裂伸長率為3.35%，斷裂回轉數(shù)和斷裂伸長率較處理前分別增加了69.78%和17.54%。

2.2 處理時間對纖維處理效果的影響

將苧麻于溫度為90 ℃，質量分數(shù)為20%的NMP溶液中處理40～120 min，研究處理時間對苧麻纖維強伸性能及柔軟性能的影響，結果如圖2所示。

由圖2可知，當處理時間增加時，苧麻纖維的斷裂伸長率隨之增加，斷裂強度隨之降低。延長處理時間，NMP分子從苧麻纖維表面漸漸滲透到大分子內，鏈間氫鍵被逐步破壞，晶格被溶脹，無序區(qū)增加，苧麻分子鏈間束縛減弱，受拉伸時鏈間滑移變大，纖維延展性增加，抵抗外力形變能力弱化，從而強度降低。

由圖2還可知，隨著處理時間不斷延長，苧麻纖維的斷裂回轉數(shù)先增加后減少。處理時間從 40 min 增加到 60 min 時，NMP極性分子進入苧麻纖維長鏈大分子間隙，破壞苧麻分子間的氫鍵，苧麻分子鏈的剛性被削弱，柔軟性增強。繼續(xù)增加處理時間，溶脹作用加劇，苧麻纖維損傷增大，因此，斷裂回轉數(shù)逐漸降低。以斷裂回轉數(shù)和伸長率為評價指標，同時考慮斷裂強度，處理時間為60 min時，苧麻纖維的綜合性能相對較佳，此時，斷裂回轉數(shù)為470圈，斷裂強度為6.70 cN/dtex，斷裂伸長率為3.71%，斷裂回轉數(shù)和斷裂伸長率較處理前分別增加了69.06%和31.23%。

圖2 處理時間對苧麻纖維強伸性能和柔軟性能的影響Fig.2 Effect of treatment time on tensile properties (a) and softness(b) of ramie fiber

2.3 處理溫度對纖維處理效果的影響

將苧麻于不同溫度條件下，用質量分數(shù)20%的NMP溶液處理40 min， 研究處理溫度對纖維強伸性能及柔軟性能的影響，結果如圖3所示。可知，當處理溫度升高時，苧麻纖維的斷裂伸長率隨之增加，斷裂強度隨之降低。升溫時，NMP分子熱運動加劇，同時其進出苧麻大分子的速率加快。長鏈大分子間的氫鍵遭受破壞，晶區(qū)消減，苧麻分子鏈間的作用力減弱，滑移阻力降低，導致苧麻纖維的強度降低，伸長率增加。

圖3 處理溫度對苧麻纖維強伸性能和柔軟性能的影響Fig.3 Effect of treatment temperature on tensile properties(a) and softness(b) of ramie fiber

由圖3還可知，隨著處理溫度逐漸升高，苧麻纖維的斷裂回轉數(shù)先增加后保持穩(wěn)定。從60 ℃升至80 ℃，隨溫度升高，苧麻纖維的斷裂回轉數(shù)增加。升高溫度，NMP分子在溶液和苧麻纖維中的運動程度加劇，進入纖維長鏈中破壞長鏈大分子間的氫鍵，使晶區(qū)消減，因此，苧麻纖維耐彎折扭轉能力降低，柔軟度增加。80 ℃后繼續(xù)升溫，則對斷裂回轉數(shù)的影響較小。這是由于可被破壞的氫鍵不再隨溫度的升高而增加，致使苧麻纖維的斷裂回轉數(shù)變化不再明顯。以斷裂回轉數(shù)和斷裂伸長率為評價指標，考慮必要的纖維強度，認為溫度為80 ℃時，苧麻纖維的綜合性能相對較佳。此時，斷裂回轉數(shù)為445圈，斷裂強度為7.01 cN/dtex，斷裂伸長率為3.36%，斷裂回轉數(shù)和斷裂伸長率較處理前分別增加了60.07%和17.89%。

綜合考慮不同因素對苧麻纖維強伸性能和柔軟性能的影響，NMP處理苧麻纖維的較佳工藝條件為：NMP質量分數(shù)15%，處理時間60 min，處理溫度80 ℃。

2.4 結晶性能分析

圖4示出較佳工藝處理前后苧麻纖維的X射線衍射圖。

圖4 處理前后苧麻纖維的X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction spectra of ramie fibers before and after treatment

由圖4可知，處理前后的苧麻纖維衍射峰沒有明顯變化。通常15°和23°處為I型纖維素和II型纖維素的特征峰，圖4中2條曲線在2θ為15°和23°處均有明顯特征峰，表明處理后纖維中沒有生成新的晶型。經Jade 6.0軟件對圖譜分析計算，得到處理前后纖維的結晶度分別為80.37%和70.19%，可見處理后纖維的結晶度下降了12.67%，表明苧麻纖維內晶區(qū)消減。

2.5 化學結構分析

圖5示出經較佳工藝處理前后苧麻纖維的紅外光譜圖。可知，處理前后苧麻纖維的紅外光譜圖幾乎完全相同，均有明顯的纖維素I型特征譜帶。在纖維素圖譜中，3 336、3 332 cm-1處為—OH伸縮振動峰，2 898、2 896 cm-1處為飽和C—H的伸縮振動峰，1 428、1 426 cm-1處為C—H的面內彎曲振動峰，1 186、1 184 cm-1處為C—O的伸縮振動峰。處理前后纖維的特征峰大致相同，表明NMP處理并未改變苧麻纖維的化學基團。

圖5 處理前后苧麻纖維的紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrum of ramie fibers before and after treatment

2.6 表觀形貌分析

圖6示出經較佳工藝處理前后苧麻纖維的表觀形貌。

圖6 處理前后苧麻纖維的掃描電鏡照片(×1 500)Fig.6 SEM images of ramie fibers before(a) and after(b) treatment(×1 500)

由圖6可知，處理后的苧麻纖維表觀形態(tài)發(fā)生了較明顯的變化，處理前纖維表面有明顯麻節(jié)，并且縱向有天然溝壑，經溶脹處理后，苧麻纖維的表面變得粗糙，麻節(jié)被弱化，原有的豎紋沿縱向延伸形成劈裂，因此，對纖維進行柔軟處理時，應盡可能減少纖維劈裂損傷。

3 結 論

1) 采用N-甲基吡咯烷酮對苧麻纖維進行柔軟處理，當NMP質量分數(shù)增加，處理時間延長或處理溫度升高時，苧麻纖維的斷裂伸長率隨之增加，而斷裂強度隨之降低。當NMP質量分數(shù)增加或處理時間延長，苧麻纖維的斷裂回轉數(shù)先增加后減小。當處理溫度升高，苧麻纖維的斷裂回轉數(shù)先增加后保持穩(wěn)定。

2) 通過實驗得出較佳處理工藝參數(shù)：NMP質量分數(shù)為15%，處理時間為60 min，處理溫度為 80 ℃。經該工藝處理后，苧麻纖維結晶度降低了12.67%；處理過程沒有改變苧麻纖維的化學基團；處理后苧麻纖維表面麻節(jié)弱化，縱向形成裂縫。