中低溫水溶淀粉的制備及其在牛仔紗線上漿中的應(yīng)用

孟雨辰，劉明遠(yuǎn)，王黎明，權(quán)震震，覃小紅，崔運(yùn)花

(東華大學(xué) a.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.紡織學(xué)院, 上海 201620)

牛仔紗線的上漿是牛仔織物生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。牛仔紗線采取先染色后漿紗的特殊工藝,但染色過(guò)程會(huì)對(duì)紗線造成一定傷害,為滿足牛仔紗線的織造要求,需要對(duì)其進(jìn)行上漿。淀粉漿料作為常見(jiàn)紡織漿料,其與棉纖維均有葡萄糖環(huán),兩者成分相似,可實(shí)現(xiàn)良好結(jié)合,故淀粉類漿料被廣泛用于牛仔紗線上漿。但原淀粉存在成膜脆硬、高溫調(diào)漿后才可上漿的問(wèn)題,紗線手感偏硬,并且生產(chǎn)中耗費(fèi)大量能源,故制備中低溫水溶性淀粉漿料并將其用于牛仔紗線上漿成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

目前,制備中低溫水溶性淀粉漿料的方法分為物理法和化學(xué)法。物理法主要破壞淀粉顆粒尺寸,提升其分散性,包括預(yù)糊化淀粉、顆粒狀冷水可溶淀粉。制備顆粒狀冷水可溶淀粉的方法有雙流噴嘴噴霧干燥法、高溫高壓醇法、常壓多元醇法、乙醇-堿法及球磨研磨法[1]等,其中乙醇-堿法[2]因操作簡(jiǎn)便被廣泛應(yīng)用。由于淀粉受力不勻,物理法難以控制淀粉顆粒的破壞程度,這會(huì)影響淀粉性能的穩(wěn)定性,因此需要對(duì)淀粉進(jìn)行協(xié)同化學(xué)改性[3],常用的化學(xué)方法是引入新的官能團(tuán)[4],包括接枝[5]、交聯(lián)[6]、醚化[7]等。其中,醚化法的原理是淀粉葡萄糖環(huán)上的羥基脫氫后與醚化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因具有穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。例如:在中低溫水相環(huán)境中,Shen等[8]以環(huán)氧氯丙烷為醚化劑對(duì)酸解淀粉進(jìn)行改性,制備的羥丙基淀粉在65 ℃的環(huán)境中表現(xiàn)出良好的水溶性,并且所成漿膜表現(xiàn)出良好的柔韌性與力學(xué)性能;宋彥志等[9]以淀粉為基底接枝羧甲基(親水基團(tuán))、辛烯基琥珀酸酯基(親油基團(tuán)),得到兩親性淀粉漿料,顯著提高了淀粉漿料的成膜性與力學(xué)性能;鄭敏捷等[10]通過(guò)改變磷酸酯淀粉的制備工藝進(jìn)一步提高了漿膜的耐屈曲次數(shù);楊俊美等[11]在超聲波的輔助作用下制備了取代度為0.055 9的醋酸酯多孔淀粉;周丹等[12]制備了取代度為0.021 5的醋酸酯淀粉,其漿膜強(qiáng)度大,上漿時(shí)可以有效減少紗線有害毛羽,從而提高紗線強(qiáng)度。然而上述醚化淀粉多為淀粉與陰離子基團(tuán)結(jié)合,并不能很好地應(yīng)用于牛仔紗線的上漿。

季銨鹽陽(yáng)離子淀粉[13]對(duì)牛仔紗線(Zeta電位為負(fù))具有良好的黏附性,能夠達(dá)到良好的上漿效果。李?；ǖ萚14]在反應(yīng)溫度為70 ℃、反應(yīng)時(shí)間為3 h的條件下濕法制備了取代度為0.717的季銨鹽陽(yáng)離子淀粉;Lin等[15]制備了取代度為0.25,含磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.35%的高取代度季銨鹽陽(yáng)離子磷酸鹽陰離子雙親性淀粉。盡管大量研究者制備了季銨鹽陽(yáng)離子淀粉,并將其廣泛應(yīng)用于造紙、水處理、紡織等多個(gè)領(lǐng)域[16],但是在紗線上漿方面的應(yīng)用較少。本文對(duì)季銨鹽陽(yáng)離子淀粉的上漿性能進(jìn)行了討論,首先利用濃鹽酸對(duì)原淀粉進(jìn)行酸解處理,降低相對(duì)分子質(zhì)量,提升液相流動(dòng)性并增大比表面積,再在乙醇-堿的環(huán)境下采取半干法使季銨鹽陽(yáng)離子與酸解淀粉(HS)發(fā)生醚化反應(yīng),制得N-2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨淀粉(HS-g-GTA),改善淀粉的水溶性與液相分散性,同時(shí),利用季銨鹽陽(yáng)離子與靛藍(lán)染料的電性相異,提升淀粉漿料與紗線的結(jié)合效果,為牛仔紗線上漿提供一種新思路。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料:牛仔紗線半成品(線密度為18.2 tex,廣東前進(jìn)牛仔有限公司)、玉米淀粉(海寧楓園食品有限公司)、濃鹽酸(國(guó)藥集團(tuán)有限公司)、N-2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨(GTA)(上海麥克林生化科技有限公司)、NaOH(上海阿拉丁試劑有限公司)、去離子水(實(shí)驗(yàn)室自制)。

試驗(yàn)儀器:RW 20digital型電動(dòng)攪拌器,德國(guó)IKA有限公司;HH-2型電子恒溫不銹鋼水浴鍋,常州智博瑞儀器制造有限公司;Bruker D8型 X射線衍射儀,德國(guó)布魯克有限公司;Nicolet-IS10型傅里葉變換紅外光譜儀,Thermo Fisher Scientific(中國(guó))有限公司;TGA 8000型熱重分析儀,PerkinElmer股份有限公司;SU 8010型掃描電子顯微鏡,日本日立化學(xué)儀器有限公司;ECLIPES LV 100 N POL型偏光顯微鏡,尼康(上海)儀器有限公司;Nano-ZS型Zeta電位分析與粒徑分析儀,英國(guó)馬爾文儀器有限公司;GA 392型單紗漿紗機(jī),江陰市通源紡機(jī)有限公司;AVANCE NEO型核磁共振波譜儀,瑞士布魯克公司;VarioELⅢ型元素分析儀,德國(guó)ELEMENTAR有限公司;YG061F型單紗強(qiáng)力儀,萊州電子有限公司;YG172A型紗線毛羽儀,陜西長(zhǎng)嶺紡織機(jī)電科技有限公司;Y731型紗線耐磨儀,南通三思機(jī)電科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 HS的制備

參照文獻(xiàn)[17]制備HS。在60 ℃水浴條件下,取150 g原淀粉加入350 mL去離子水中,不斷機(jī)械攪拌,制備分散均勻的淀粉乳液,逐滴加入9 g濃鹽酸,酸解處理2 h。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaOH溶液逐滴加入HS淀粉乳液中使其呈中性。最后使用去離子水對(duì)淀粉乳液反復(fù)洗滌抽濾,除去雜質(zhì)。在40 ℃時(shí)烘干,制得HS并備用。

1.2.2 HS-g-GTA的制備

在55 ℃的水浴條件下,取20 g HS溶于10 g去離子水中分散均勻,加入40 g無(wú)水乙醇溶液,在機(jī)械攪拌作用下分散10 min后加入0.04 g NaOH,攪拌10 min,分別加入9.26、7.41、5.56、3.71、1.85 g的GTA固體,恒溫反應(yīng)1 h,借助濃度為0.1 mol/L的稀鹽酸溶液中和滴定。對(duì)制得的HS-g-GTA在乙醇與水的混合體系中進(jìn)行透析,每6 h換一次透析液,透析1星期,以去除其中的雜質(zhì)成分。取出透析后的HS-g-GTA,在40 ℃下烘干、研磨并待用。

1.2.3 調(diào)漿與上漿

取30 g HS-g-GTA置于三頸燒瓶中,加入470 g去離子水,水浴60 ℃攪拌30 min,并在該溫度下保溫1 h制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的漿液。在單紗漿紗機(jī)上進(jìn)行上漿,上漿工藝參數(shù):卷繞長(zhǎng)度為1 500 m,漿紗速度為10 m/min,烘干溫度為70 ℃。漿紗方式采取雙浸雙壓,并在室溫下進(jìn)行上漿。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 紅外測(cè)試分析

借助傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)原淀粉、HS-g-GTA、GTA進(jìn)行測(cè)試,分析醚化反應(yīng)前后淀粉中官能團(tuán)的變化。掃描次數(shù)為32次,測(cè)試波長(zhǎng)范圍為500～4 000 cm-1。

1.3.2 XRD測(cè)試分析

采用X射線衍射儀觀察原淀粉、HS、HS-g-GTA結(jié)晶度的變化,掃描角度為5°～50°。

1.3.3 核磁共振氫譜分析

采用核磁共振波譜儀(400 Hz)對(duì)HS-g-GTA進(jìn)行氫譜測(cè)試,觀察其裂解峰的變化,溶劑為二甲基亞砜(DMSO),內(nèi)標(biāo)為四甲基硅烷(TMS)。

1.3.4 熱重分析測(cè)試

采用熱重分析儀對(duì)原淀粉、HS、HS-g-GTA的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析,升溫范圍為30 ～700 ℃,升溫速率為40 ℃/min。

1.3.5 取代度與反應(yīng)效率

利用元素分析儀測(cè)定淀粉的氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算取代度與反應(yīng)效率[17],分別如式(1)和(2)所示。

(1)

式中:WN為HS-g-GTA的氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;MS為淀粉中葡萄糖單元摩爾質(zhì)量,MS=162.15 g/mol;MN為氮元素的摩爾質(zhì)量,MN=14.01 g/mol;MG為GTA的摩爾質(zhì)量,MG=151.6 0 g/mol。

(2)

式中:nGTA和nAGU分別為GTA和淀粉中葡萄糖單元(AGU)的量,mol。

1.3.6 溶解度測(cè)試

在55 ℃的水浴環(huán)境下,稱取一定質(zhì)量淀粉(記為m1)制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的漿液,靜置一段時(shí)間后取上清液置于聚四氟乙烯板上自然晾干,將該漿膜烘干并稱取質(zhì)量(記為m2),則溶解度計(jì)算如式(3)所示。

(3)

1.3.7 Zeta電位測(cè)定

將不同取代度的HS-g-GTA配置成質(zhì)量濃度為1 g/L的均一溶液,并將該均勻溶液pH值調(diào)至7。使用Zeta電位粒徑分析儀測(cè)定淀粉表面的Zeta電位,平衡時(shí)間設(shè)定為120 s,測(cè)量3次取平均值。

1.3.8 形貌觀測(cè)

通過(guò)偏光顯微鏡與掃描電鏡(SEM)觀測(cè)線密度為18.2 tex的牛仔紗線上漿前后的形貌結(jié)構(gòu)變化,以分析漿液與紗線的黏附效果。在偏光顯微鏡下放大10倍,在掃描電鏡觀測(cè)前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理,提升紗線導(dǎo)電性,在放大倍數(shù)為300倍的條件下進(jìn)行紗線結(jié)構(gòu)觀察。

1.3.9 力學(xué)性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 3916—2013 《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》的要求,采用單紗強(qiáng)力儀測(cè)試上漿前后紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率,重復(fù)30次取平均值。

1.3.10 紗線毛羽測(cè)試

參照FZ/T 01086—2000 《紡織品紗線毛羽測(cè)定方法:投影計(jì)數(shù)法》,通過(guò)紗線毛羽測(cè)試儀重復(fù)測(cè)試30次取平均值。

1.3.11 紗線耐磨測(cè)試

在紗線耐磨儀上測(cè)試原紗、原淀粉漿紗、HS-g-GTA漿紗的耐磨次數(shù),每種紗線取50根,測(cè)試其磨斷次數(shù),以此表征紗線的耐磨次數(shù)。

1.3.12 退漿率

將原紗與漿紗分別浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH溶液,浸泡1 h后取出烘干并稱取質(zhì)量。在計(jì)算紗線退漿率時(shí)需要考慮毛羽損失率,其計(jì)算公式如式(4)所示,退漿率計(jì)算如式(5)所示。

(4)

式中:β為毛羽損失率,%;m3和m4分別為原紗浸入NaOH溶液前后的質(zhì)量,g。

(5)

式中:S為退漿率;m5和m6分別為漿紗浸入NaOH溶液前后的質(zhì)量,g。

2 結(jié)果討論

2.1 HS-g-GTA的制備機(jī)理

HS-g-GTA的制備機(jī)理如圖1所示。淀粉是由葡萄糖單元借助α-1,4甙鍵與α-1,6甙鍵相互連接而成的高分子化合物。天然淀粉內(nèi)部支鏈分子占據(jù)較大比例,羥基之間的原子間距小,分子鏈間纏繞概率大,容易形成分子內(nèi)相互作用即氫鍵,在后續(xù)醚化反應(yīng)中淀粉分子能夠參與反應(yīng)的位點(diǎn)較少,反應(yīng)效率較低,同樣天然淀粉與水分子的結(jié)合點(diǎn)也較少,其溶解度也較差。因此,需要對(duì)天然淀粉進(jìn)行酸解預(yù)處理再進(jìn)行醚化反應(yīng)來(lái)制備HS-g-GTA,如圖1(a)所示。利用鹽酸[18]可降低淀粉鏈節(jié)間甙鍵活化能,使得α-1,4甙鍵與α-1,6甙鍵被攻擊,淀粉支鏈與直鏈均有一定程度斷裂,酸解預(yù)處理降低了淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量與分子鏈長(zhǎng),破壞了原淀粉的晶型結(jié)構(gòu),催化了水解淀粉的特性,提升了淀粉的液相流變性與分散性,為后續(xù)GTA的醚化反應(yīng)(如圖1(b)所示)提供更多反應(yīng)機(jī)會(huì)。在堿性環(huán)境中,淀粉中的羥基(-OH)被活化為負(fù)氧離子(O-);GTA的環(huán)氧基團(tuán)在堿與高溫的作用下易于開(kāi)環(huán),并與淀粉直鏈上葡萄糖環(huán)的負(fù)氧離子相結(jié)合,生成HS-g-GTA,同時(shí),—OH與淀粉骨架上的負(fù)氧離子中心產(chǎn)生靜電斥力,淀粉大分子骨架上引入GTA長(zhǎng)鏈可削弱淀粉鏈間的相互作用,進(jìn)一步破壞結(jié)晶區(qū),降低淀粉糊化溫度,改善淀粉成膜性;乙醇的加入降低了體系的含水量,避免GTA的過(guò)度水解,防止在醚化反應(yīng)的過(guò)程中淀粉顆粒表面與水分子結(jié)合形成一層膠體,阻止反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,乙醇的蒸發(fā)在淀粉顆粒內(nèi)部留下空穴,進(jìn)一步提高淀粉的溶解性[19]。

圖1 HS和HS-g-GTA的制備機(jī)理Fig.1 Preparation mechanism of HS and HS-g-GTA

2.2 紅外光譜分析

原淀粉、GTA與HS-g-GTA的傅里葉變換紅外光譜圖如圖2所示。從圖2可以看出,原淀粉與HS-g-GTA在3 425 cm-1左右處均出現(xiàn)了—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰,在1 018 cm-1處為淀粉甙鍵(C—O—C)的特征吸收峰,表明醚化后淀粉中原有的特征峰并未消失或者偏移,醚化反應(yīng)未改變淀粉材料的特質(zhì)。HS-g-GTA在1 480 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為季銨鹽N+(CH3)3的特征吸收峰,在920 cm-1處出現(xiàn)了明顯的特征峰,該峰為季銨鹽基團(tuán)的—CH 鍵對(duì)應(yīng)的振動(dòng)吸收峰。季銨鹽基團(tuán)的出現(xiàn)證明GTA單體與淀粉之間發(fā)生了醚化反應(yīng),成功地對(duì)淀粉進(jìn)行了陽(yáng)離子改性。

圖2 原淀粉、GTA與HS-g-GTA的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of raw starch, GTA and HS-g-GTA

2.3 核磁共振氫譜分析

HS-g-GTA的核磁共振氫譜圖如圖3所示。由圖3可知:δ=2.50、3.40處分別為溶液體系中二甲基亞砜(DMSO)與水的特征峰的位置;位于δ=4.25～5.75區(qū)域的特征信號(hào)峰屬于淀粉葡萄糖環(huán)中氫原子的信號(hào);δ=3.65、3.58、3.45、3.44、3.42、3.34、3.32處分別屬于HS-g-GTA中與N原子相連的甲基上的氫原子的特征峰;δ=3.14、3.12處分別為HS-g-GTA中與N相連的亞甲基(CH2—N+)上氫原子的裂解峰。綜合以上分析可知HS-g-GTA存在季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán),淀粉發(fā)生一定程度的陽(yáng)離子化可為其在中低溫環(huán)境下的溶解提供基礎(chǔ)。

圖3 HS-g-GTA的1H NMR譜圖Fig.3 1H NMR spectrum of HS-g-GTA

2.4 XRD分析

原淀粉、HS、HS-g-GTA的X射線衍射圖譜如圖4所示。從圖4可以看出,原淀粉、HS、HS-g-GTA在2θ=15°,17°,18°及23°處均有明顯的結(jié)晶衍射峰,這屬于淀粉材料的特征結(jié)晶峰,為典型的A型結(jié)晶峰,說(shuō)明3種淀粉的晶型構(gòu)造相近,同時(shí),也表明酸解處理與醚化反應(yīng)未改變淀粉晶型結(jié)構(gòu)。觀察圖像還可明顯發(fā)現(xiàn)原淀粉、HS、HS-g-GTA淀粉的結(jié)晶峰強(qiáng)度依次減弱,由軟件MDI Jade6計(jì)算可得結(jié)晶度分別為23.17%、21.58%、12.89%。這是由于淀粉經(jīng)酸解氧化作用后,葡萄糖環(huán)上的甙鍵斷裂,使得淀粉相對(duì)分子質(zhì)量下降,在一定程度上破壞了淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu),降低了淀粉結(jié)晶度;引入GTA可延長(zhǎng)淀粉分子鏈側(cè)基,增大淀粉分子空間位阻,破壞分子內(nèi)氫鍵作用,有效改善淀粉常溫溶解度,提高淀粉顆粒的水溶性。

圖4 原淀粉、HS、HS-g-GTA X射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of raw starch, HS and HS-g-GTA

2.5 熱穩(wěn)定性分析

原淀粉、HS、HS-g-GTA的熱重分析曲線如圖5所示。由圖5可知,樣品質(zhì)量下降可分為3個(gè)階段。第1階段,在0～100 ℃內(nèi),樣品均出現(xiàn)少量的質(zhì)量損失,這主要是由材料中的水分損失所導(dǎo)致的,不影響材料自身熱穩(wěn)定性。第2階段,原淀粉、HS、HS-g-GTA開(kāi)始分解的溫度分別為305、269、250 ℃,HS-g-GTA開(kāi)始分解的溫度明顯低于原淀粉與HS,在此溫度下,原淀粉質(zhì)量沒(méi)有發(fā)生變化,HS熱重曲線下降速度較緩慢,而HS-g-GTA熱重曲線下降速度較快。這是由于HS與GTA反應(yīng)后,削弱了淀粉分子鏈間的相互作用,破壞了淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu),使得淀粉熱穩(wěn)定性下降,其結(jié)果與圖4所示的結(jié)晶度變化一致。第3階段,HS-g-GTA在230～600 ℃的失重主要是由GTA單體中的陽(yáng)離子側(cè)鏈斷裂與淀粉單體中支鏈斷裂引起的,并且在600 ℃左右不再失重,說(shuō)明HS-g-GTA在提高淀粉顆粒水溶性的同時(shí)仍然具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖5 原淀粉、HS、HS-g-GTA的TGA圖譜Fig.5 TGA spectra of raw starch, HS and HS-g-GTA

2.6 GTA與AGU摩爾比對(duì)取代度、反應(yīng)效率、溶解度與Zeta電位的影響

不同GTA與AGU摩爾比(nGTA∶nAGU)與HS-g-GTA的取代度、反應(yīng)效率、溶解度、Zeta電位的關(guān)系如圖6所示。

圖6 nGTA:nAGU對(duì)HS-g-GTA的取代度、反應(yīng)效率、溶解度與Zeta電位的影響Fig.6 The effect of nGTA:nAGU on degree of substitution, reaction efficiency, solubility and Zeta potential for HS-g-GTA

由圖6(a)可知,隨著GTA與AGU摩爾比的增大,HS-g-GTA的取代度先增大后減小,在nGTA∶nAGU=0.4時(shí),取代度達(dá)到最大,為0.142。當(dāng)nGTA∶nAGU小于0.4時(shí),隨著GTA用量的增加,取代度不斷增加,這是由于GTA用量的增加提高了其與淀粉的羥基碰撞概率;當(dāng)nGTA∶nAGU大于0.4時(shí),隨著GTA用量的增大,取代度反而減小,這是由于大量GTA的存在增加了分子間空間位阻,不利于產(chǎn)生醚化反應(yīng)。當(dāng)nGTA∶nAGU=0.1時(shí),反應(yīng)效率達(dá)到最大,為64%;nGTA∶nAGU=0.3時(shí),反應(yīng)效率次之,為55.7%;nGTA∶nAGU=0.5時(shí)反應(yīng)效率最小,為27.8%。這是由于GTA中的氨基基團(tuán)較大,接枝在淀粉上的空間位阻也大,隨著GTA用量的增大,可供反應(yīng)的羥基也在逐漸減少,GTA水解等副反應(yīng)導(dǎo)致反應(yīng)效率下降。由圖6(b)可知,HS-g-GTA的Zeta電位始終表現(xiàn)為正,且隨著GTA含量的增加,Zeta電位先上升后降低,隨著GTA用量的增加,淀粉可引入更多季銨基團(tuán),提高了淀粉的Zeta電位,當(dāng)GTA用量進(jìn)一步提高時(shí),淀粉上的活性位點(diǎn)已經(jīng)飽和,不再與GTA發(fā)生醚化反應(yīng),Zeta電位有所下降。由圖6(c)可知,HS-g-GTA的溶解度在nGTA∶nAGU=0.4時(shí)達(dá)到最大(96%),這是因?yàn)榧句@鹽陽(yáng)離子化會(huì)引入親水基團(tuán)并破壞原淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu),有利于水分的滲透,滲透的水分子可與季銨基團(tuán)結(jié)合,進(jìn)而提高淀粉的溶解度[20]。綜上所述,HS-g-GTA的取代度、Zeta電位、溶解度均先隨GTA用量的提高而提高,在nGTA∶nAGU=0.4時(shí)達(dá)到峰值,隨后有所下降,三者的變化趨勢(shì)一致。結(jié)合原紗上漿的需要,同時(shí)考慮取代度(取代度≥0.070即為高取代淀粉)、反應(yīng)效率及溶解度的多重要求,本試驗(yàn)選擇nGTA∶nAGU=0.3制備的HS-g-GTA(取代度為0.111,反應(yīng)效率為55.7%,溶解度為93%)進(jìn)行后續(xù)上漿實(shí)踐。

2.7 上漿紗線表面形貌及構(gòu)成分析

原淀粉與HS-g-GTA上漿后的牛仔紗線形貌結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7(a)可以看出,經(jīng)過(guò)原淀粉上漿后牛仔紗線結(jié)構(gòu)松散,其表面排列著大量雜亂無(wú)序的毛羽,紗體周圍有松散的纖維,紗線表面覆蓋不均勻的漿膜,棉纖維間抱合不緊密。由圖7(b)可以看出,經(jīng)HS-g-GTA上漿后的牛仔紗線結(jié)構(gòu)緊密且表面光滑,幾乎沒(méi)有毛羽,紗線表面被覆一層漿膜,漿液的滲透作用使得棉纖維間抱合緊密。這是由于原淀粉漿料在常溫下上漿容易凝沉,流動(dòng)性差,導(dǎo)致表面上漿,漿液被覆不勻;而HS-g-GTA在常溫下可溶,漿液流動(dòng)性好,能很好地被覆與滲透在紗線表面與內(nèi)部,減少紗線表面毛羽,提高紗線的可織性。

圖7 牛仔紗線經(jīng)原淀粉、HS-g-GTA上漿后的形貌結(jié)構(gòu)Fig.7 Morphologies of denim yarn after sizing with raw starch and HS-g-GTA

2.8 紗線性能測(cè)試

在單紗漿紗機(jī)上分別采用原淀粉、HS-g-GTA對(duì)線密度為18.2 tex的牛仔紗線進(jìn)行上漿,原紗、原淀粉漿紗、HS-g-GTA漿紗的毛羽、斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂強(qiáng)度、耐磨次數(shù)及退漿率測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可以看出:相較于原紗,原淀粉漿紗的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度、耐磨次數(shù)在一定程度上有所提高,毛羽指數(shù)降低了65%,但斷裂伸長(zhǎng)率略有降低,這是由于原淀粉漿液雖然能夠被覆在紗線表面,但其成膜性差,原淀粉漿膜阻止了纖維間的相互滑移;而HS-g-GTA漿紗相較于原淀粉漿紗,毛羽指數(shù)、斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率以及耐磨次數(shù)均得到了一定程度的改善,紗線性能更加優(yōu)異;相較于原紗,HS-g-GTA漿紗的斷裂強(qiáng)度增加了40.07%、斷裂伸長(zhǎng)率提高了11.82%,這是由于HS-g-GTA在常溫下溶解性好,有利于對(duì)棉紗纖維內(nèi)部浸透,增強(qiáng)纖維間的抱合力,提高紗線的強(qiáng)伸性等力學(xué)性能[21]。同時(shí),相較于原紗,經(jīng)HS-g-GTA上漿后的紗線毛羽指數(shù)降低了90%,耐磨次數(shù)增加了約4倍。這主要是由于HS-g-GTA中的季銨鹽陽(yáng)離子可與牛仔紗線中含有的靛藍(lán)染料(顯負(fù)性)形成靜電吸引,提升漿液的黏附性與成膜性,淀粉漿液黏度小,因而漿液在紗線表面可以形成毛細(xì)作用,使得漿膜在毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)的作用下牢牢被覆在紗線表面而不易脫落,同時(shí)漿液在紗線內(nèi)部的浸透增強(qiáng)了纖維之間的黏結(jié)抱合能力,進(jìn)而使紗線毛羽貼服,增加紗線耐磨性。在堿液中進(jìn)行退漿試驗(yàn),結(jié)果顯示,在堿性環(huán)境中淀粉會(huì)產(chǎn)生負(fù)氧離子,產(chǎn)生一定量的負(fù)電荷,易于紗線的退漿。

表1 原紗及漿紗的性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Performance test results of raw yarn and sizing yarn

3 結(jié) 論

1)原淀粉經(jīng)過(guò)酸解預(yù)處理后在乙醇-堿的條件下與GTA發(fā)生醚化反應(yīng),使淀粉陽(yáng)離子化,制備的HS-g-GTA低溫水溶性良好,其漿液性能與漿膜性能滿足牛仔紗線漿紗的要求,可為實(shí)現(xiàn)牛仔紗線的中低溫上漿奠定了基礎(chǔ)。

2)在制備高取代度陽(yáng)離子淀粉的前提下,考慮HS-g-GTA的反應(yīng)效率與溶解度,并結(jié)合紗線上漿性能,得到本試驗(yàn)HS-g-GTA的最佳工藝參數(shù):反應(yīng)溫度為55 ℃,反應(yīng)時(shí)間為1 h,nGTA∶nAGU=0.3。

3)HS-g-GTA漿料的上漿實(shí)踐表明,上漿后牛仔紗線的強(qiáng)伸性能、耐磨性能都明顯增強(qiáng),毛羽顯著減少,能夠滿足其上機(jī)織造要求。