棉纖維開松預(yù)處理油劑的研制與應(yīng)用性能研究

吳慧萍,王蘭蘭,李大偉,劉慶生,鄧炳耀

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

在綠色低碳循環(huán)發(fā)展理念的倡導(dǎo)下，我國一直積極開展廢舊紡織品的綜合回收再利用研究工作[1]。目前，廢舊紡織品回收再利用方式主要包括捐獻或二次銷售、物理回收、化學(xué)回收以及能量回收[2]。其中，天然纖維回收再利用一般采取直接二次使用或物理開松，而高值化利用方面的探究較少[3]。國內(nèi)外學(xué)者對織物開松前預(yù)處理通常是采用增加織物回潮率的方法，用以減少靜電產(chǎn)生[4-5]，有關(guān)紡絲油劑的制備研究較多，而織物開松預(yù)處理油劑的相關(guān)研究較少，其發(fā)展較為緩慢[6-7]。

本研究的主要目的在于開發(fā)合適的預(yù)處理油劑，并通過施加油劑，降低織物中纖維之間的抱合力，減少纖維在開松過程中的損傷，提升開松再生纖維的長度和機械強度。因此，作者采用高速剪切乳化法制備了高效穩(wěn)定的水包油型乳液，探究了乳化方式、乳化劑用量、乳化時間和乳化速率等制備條件對乳液性能的影響，得到了最佳的乳化工藝參數(shù)，并對制備的油劑進行了應(yīng)用性能方面的研究，取得了較好的結(jié)果。

1 實驗

1.1 原料及試劑

二甲基硅油、聚二甲基二烯丙基氯化銨：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；甘油、吐溫80：分析純，麥克勞林試劑有限公司產(chǎn)；氨基硅油：工業(yè)級，山東優(yōu)索化工科技有限公司產(chǎn)；環(huán)氧改性硅油：工業(yè)級，濟寧佰一化工有限公司產(chǎn)；月桂醇聚氧乙烯醚：分析純，上海阿達瑪斯試劑有限公司產(chǎn)。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2004型電子天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司制；FM200型高剪切分散乳化機：剪切速率分為5檔，其中1檔為7 567 r/min、2檔為9 458 r/min、3檔為11 350 r/min、4檔為13 242 r/min、5檔為15 133 r/min，上海弗魯克科技發(fā)展有限公司制；MCR301型聚合物流變儀：奧地利安東帕有限公司制；ZetaPALs型Zeta電位與粒徑分析儀：美國Brookhaven公司制；TG16-WS型臺式高速離心機：湘儀離心機儀器有限公司制；ITACH-SU1510型掃描電子顯微鏡：日本日立株式會社制；XCF-1A型纖維摩擦系數(shù)測試儀：上海新纖儀器有限公司制；YG028型織物強力機：寧波紡織儀器廠制。

1.3 實驗方法

1.3.1 預(yù)處理油劑的制備

以甘油和不同種類硅油為油相，去離子水為水相，月桂醇聚氧乙烯醚和吐溫80為乳化劑，聚二甲基二烯丙基氯化銨為抗靜電劑。首先，將一定質(zhì)量的油相與乳化劑在高剪切分散乳化機中初步混合均勻，得到粗乳液；然后將一定質(zhì)量水相緩慢滴加到正在均質(zhì)的粗乳液中；最后，在適當(dāng)?shù)募羟兴俾氏戮|(zhì)剪切15 min左右得到最終的復(fù)合乳液，即為預(yù)處理油劑。

1.3.2 上油實驗

首先將棉纖維或裁剪后的棉織物在105 ℃條件下烘干40 min至恒重，恒重質(zhì)量即為棉纖維或織物的干重(Wd)；然后將烘干的纖維或織物在一定濃度比的復(fù)合乳液中浸漬一段時間后經(jīng)軋車處理使其達到固定的質(zhì)量，即為濕重(Ww)；最后，將軋車后纖維或織物在室溫條件下保存24 h。上油率(y)按式(1)計算：

(1)

式中：n為復(fù)合乳液油水比中水的密度。

僅改變復(fù)合乳液中水的比例，通過控制軋車后棉纖維或織物Ww來保證其達到固定y。

1.4 分析與測試

乳液的離心穩(wěn)定性：按照GB/T 11543—2008標(biāo)準(zhǔn)，采用TG16-WS型臺式高速離心機測定乳液的離心穩(wěn)定性。測試條件為離心速率4 000 r/min，時間30 min。

乳液類型：采用稀釋法對乳液類型進行測定，觀察乳液滴入水中的稀釋分散情況。

乳液黏度：采用聚合物流變儀測定乳液黏度隨剪切速率的變化情況。

乳液的粒徑分布：采用Zeta電位與粒徑分析儀測定乳液的粒徑分布情況。測試條件為溫度25 ℃，時間3 min。

纖維表面形貌：采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同油劑預(yù)處理后纖維的表面形貌并拍照。測試條件為噴金時間30 s，電壓15 kV。

纖維摩擦因數(shù)：采用XCF-1A型纖維摩擦系數(shù)儀測試?yán)w維和金屬輥以及纖維與纖維輥間的摩擦力。其中動摩擦力為Fd，靜摩擦力為Fs。測試條件為摩擦輥轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速30.0 r/min，張力夾負(fù)荷0.1 cN。

織物紗線抽拔力[8]：采用織物強力機測試油劑預(yù)處理后紗線從織物中抽拔所需力的大小及變化情況。將織物沿經(jīng)向或緯向裁剪成大小為5 cm×17 cm的樣布，在距樣布上邊緣6 cm處裁剪一個1 cm×1 cm的小方格，抽出方格中除中間4根相鄰紗線外全部的經(jīng)紗和緯紗，并在小方格下方1 cm處沿織物緯向或經(jīng)向剪切寬度為1 cm縫隙，每組實驗取20個試樣，拉伸速率50 mm/min，拉伸距離50 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液的穩(wěn)定性

2.1.1 乳化方法

乳化方法的選擇對乳液的穩(wěn)定性有直接的影響。在室溫條件下，選擇不同的工藝方法對油劑進行乳化，乳化方法分別選擇：機械攪拌與高速剪切乳化(A方法)、機械攪拌與超聲波乳化(B方法)、高速剪切乳化與超聲波乳化(C方法)、高速剪切乳化(D方法)4種方式。在靜置時間為0時測得的不同乳化方法對乳液粒徑分布影響的結(jié)果如圖1和表1所示。

圖1 乳化方法與乳液粒徑分布的關(guān)系Fig.1 Relationship between emulsifying method and emulsion particle size distribution■—A方法；●—B方法；▲—C方法；▼—D方法

表1 不同乳化方法對乳液粒徑的影響Tab.1 Influence of different emulsifying methods on particle size of emulsion

由圖1可知，在乳化劑用量、乳化時間和剪切速率不變的情況下，僅改變?nèi)榛椒ǎ渲蠧方法所制備的乳液粒徑最小為(86.7±6.7) nm，效果最好；而A方法所制備的乳液粒徑最大，穩(wěn)定性最差。結(jié)合表1可知，C和D方法所得乳液誤差較小， C方法所制備的乳液的分散性較差。這是由于機械攪拌和高速剪切乳化機僅對混合后乳液進行剪切，形成的液滴分布不均勻，難以達到穩(wěn)定的效果[9]；采用高速剪切分散機與超聲波乳化結(jié)合時，其后續(xù)超聲相對于高速剪切乳化機的乳化均勻效果差，導(dǎo)致其分散性較大，穩(wěn)定性較差；而高速剪切分散乳化機對乳液分步剪切，形成的小液滴較多，穩(wěn)定性更佳。因此，選擇高速剪切乳化法(D方法)制備乳液效果更佳，后續(xù)實驗均采用此法進行制備研究。

2.1.2 乳液的離心穩(wěn)定性

圖2為在D方法其他條件不變的情況下，改變其中的一個條件下所得的結(jié)果。從圖2a可以明顯看出，油相與乳化劑的質(zhì)量比為5:1時，乳液分層現(xiàn)象明顯，其他條件下外觀無明顯變化。由圖2b可知，乳化時間為5 min時，乳液穩(wěn)定性較差，有分層現(xiàn)象，其他條件下乳液外觀無明顯變化。而由圖2c可看出，當(dāng)乳化速率分別設(shè)置為1檔、2檔、3檔、4檔和5檔時，經(jīng)離心測試后外觀都無明顯區(qū)別。因此，離心穩(wěn)定性可作為乳液穩(wěn)定性能的重要參考之一，進一步研究乳液穩(wěn)定性能需探討其內(nèi)部粒子分布情況，下面實驗主要以乳液粒徑分布情況作為有效參考。

圖2 不同條件下的乳液離心穩(wěn)定性Fig.2 Centrifugal stability of emulsion under different conditions

2.1.3 乳化劑用量對乳液性能的影響

在D方法其他條件不變的情況下，通過改變?nèi)榛瘎┯昧縼砜疾烊橐毫降姆植记闆r，分別選擇油相與乳化劑的質(zhì)量比為2:1，3:1，4:1，5:1，靜置0，24，48 h后，研究其對乳液穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，在D方法其他條件不變的情況下，乳液粒徑分布與乳化劑的用量有關(guān)，且隨著靜置時間推移發(fā)生明顯變化。由于乳化劑用量較少時，部分剪切后的小液滴未完全被乳化劑包裹，相互之間產(chǎn)生團聚，形成的粒徑較大，乳液不穩(wěn)定；乳化劑用量增加，液滴包覆量也相應(yīng)增大，其表面張力下降，液滴凝聚阻力較大；而乳化劑用量較多時，泡沫產(chǎn)生量會增多，分散性與流動性變差[10]。因此，當(dāng)油相與乳化劑質(zhì)量比為3:1時，乳液粒徑變化較小，有效直徑基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，乳化效果最好。

圖3 不同靜置時間下乳化劑用量與乳液粒徑分布的關(guān)系Fig.3 Relationship between emulsifier dosage and emulsion particle size distribution at different standing time■—2:1；●—3:1；▲—4:1；▼—5:1

2.1.4 乳化時間對乳液性能的影響

在D方法其他條件不變的情況下，改變?nèi)榛瘯r間分別為5，10，15，20，25 min，靜置0,24，48 h后取樣，觀察其粒徑分布的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同靜置時間下乳化時間與粒徑分布的關(guān)系Fig.4 Relationship between emulsifying time and emulsion particle size distribution at different standing time■—5 min；●—10 min；▲—15 min；▼—20 min;◆—25 min

由圖4可知，在乳化方法、乳化劑用量和剪切速率不變的情況下，改變?nèi)榛瘯r間對其穩(wěn)定性有一定的影響作用。當(dāng)乳化時間較短時，乳液粒徑較大，均勻性較差；隨著乳化時間的延長，粒徑逐漸變小，分散性與穩(wěn)定性較好。從粒徑分布可以看出，乳化時間較短時，乳液不能充分乳化，體系處于不穩(wěn)定狀態(tài)，粒徑較大[11]；隨著乳化時間的增加，逐漸處于較穩(wěn)定的動態(tài)體系，粒徑變化較小且伴隨靜置時間進一步延長，粒徑變化較小甚至無變化，與靜置時間關(guān)聯(lián)性逐漸變低。基于乳液制備的便捷高效，綜合考慮其乳化效果，確定最佳乳化時間為15 min。

2.1.5 剪切速率對乳液性能的影響

在D方法其他條件不變的情況下，將剪切速率分別設(shè)置為1，2，3，4，5檔進行實驗，靜置時間為0時測得的粒徑分布和黏度與剪切速率的關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 乳液粒徑分布與剪切速率的關(guān)系Fig.5 Relationship between shear velocity and emulsion particle size distribution■—1檔；●—2檔；▲—3檔；▼—4檔;◆—5檔

圖6 乳液黏度與剪切速率的關(guān)系Fig.6 Relationship between emulsion viscosity and shear velocity

由圖5、圖6可知：當(dāng)剪切速率較低時，乳液粒徑偏大且分散性較差，黏度高；隨著剪切速率增大，粒徑明顯降低且分散性較好，黏度偏低。這主要是由于剪切速率慢，粒子間碰撞幾率降低，易形成凝聚，凝聚液滴不能充分地分散成細(xì)小的液滴[12]，有的甚至形成膏狀體，黏度大大增加；而剪切速率快，粒子間碰撞幾率增加，液滴逐漸分布均勻，比表面積增大，更易分散成細(xì)小、均一的液滴，乳液黏度降低。從圖5、圖6還可以看出，當(dāng)剪切速率提高至3檔后，乳液的有效直徑偏小且分散性較好，繼續(xù)增大剪切速率對乳液粒徑和黏度影響較小。因此，選擇剪切速率為3檔時則可達到較佳的乳化效果。

2.2 油劑的應(yīng)用性能

2.2.1y對棉纖維表面形貌的影響

在油相與乳化劑的質(zhì)量比為3:1，乳化時間為15 min，剪切速率為3檔，采用D方法制得復(fù)合乳液，并使用其對棉纖維進行上油處理。觀察y分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，以上未上油處理和經(jīng)水處理的棉纖維的表觀形貌，其SEM如圖7所示。

圖7 y對棉纖維表面形貌的影響Fig.7 Effect of y on surface morphology of cotton fiber放大倍數(shù)為500。

由圖7可知：當(dāng)棉纖維未處理或y過低時，纖維表面溝壑較多，光滑性較差；隨著y的增加，纖維表面光滑度增加；而y過大時，纖維表面會產(chǎn)生黏連或聚集在一起成集束狀。這是由于油劑濃度較低時，油劑在纖維表面形成的油膜較少或較薄，不足以形成完整均勻的油膜覆蓋，因此產(chǎn)生的表面較為粗糙；當(dāng)y過高時，油劑容易在纖維表面堆積，使得表面形成凹凸不平的粗糙表面，纖維相互之間產(chǎn)生黏連，黏度較大。因此，y為1.0%時，纖維表面效果較好，形成的纖維膜較為均勻。

2.2.2y對棉纖維摩擦力的影響

由圖8、圖9可知，隨著y的增加，纖維摩擦力整體上呈現(xiàn)先下降后增長的趨勢。結(jié)合圖7結(jié)果可知：y較低時，纖維表面未形成光滑油膜，摩擦力較大；y增加，逐漸形成光滑油膜，摩擦力降低；y過大，油劑在纖維間產(chǎn)生堆積，纖維間產(chǎn)生黏連或形成堆積的粗糙油膜，摩擦力增大[13]。綜合分析，當(dāng)y為1.0%時，摩擦力最低，此時纖維與金屬輥間的Fs為5.21×10-2cN,Fd為4.64×10-2cN；纖維與纖維輥間的Fs為6.16×10-2cN，F(xiàn)d為4.86×10-2cN，對纖維進行上油處理對降低其摩擦力有一定的作用。

圖8 y對棉纖維與金屬輥間摩擦力的影響Fig.8 Effect of y on friction between cotton fiber and metal roller

圖9 y對棉纖維與纖維輥間摩擦力的影響Fig.9 Effect of y on friction between cotton fiber and fiber rollers

2.2.3y對織物紗線抽拔力的影響

由表2可知，油劑處理后織物紗線抽拔力明顯下降，當(dāng)y為5%時，紗線抽拔力下降了46.4%，繼續(xù)增大y，其抽拔力變化較小，處于正常的范圍內(nèi)波動變化。由于纖維本身具有良好的親水性，乳化劑親水部分排列在纖維表面，疏水劑向外排列，油劑在纖維表面形成了一層薄油膜[14]，使纖維之間變得光滑，纖維間摩擦力下降，紗線容易從織物中抽拔出來。因此，添加少量油劑使y達到5%左右，即可降低紗線從織物中抽拔的力，降低纖維損傷。綜上所述，棉織物的最佳y為5%，此時棉織物紗線抽拔力為5.81 N，誤差較小，與未處理的棉織物相比其抽拔力下降了46.4%。

表2 y與紗線抽拔力之間的關(guān)系Tab.2 Relationship between y and yarn pull-out force

3 結(jié)論

a.制備了棉纖維預(yù)處理油劑，確定了最佳工藝條件為：采用高速剪切均質(zhì)乳化法，油相與乳化劑的質(zhì)量比為3:1；乳化時間為15 min；剪切速率為11 350 r/min。

b.對棉纖維進行上油處理，y為1.0%時，纖維表面效果較好，形成的纖維膜較為均勻；當(dāng)y為1.0%時，摩擦力最低，此時纖維與金屬輥間的Fs，F(xiàn)d分別為5.21×10-2，4.64×10-2cN；纖維與纖維輥間的Fs，F(xiàn)d分別為6.16×10-2，4.86×10-2cN。

c.棉織物的最佳y為5%，此時棉織物紗線抽拔力為5.81 N，誤差較小，與未處理的棉織物相比其抽拔力下降了46.4%。