棉杆皮纤维柔软处理工艺与梳理性能研究硕士学位论文.pdf

单位代码 10709分类号 ts102.2 硕士学位论文 论文题目：棉秆皮纤维柔软处理 工艺与梳理性能研究 专专专专业业业业：纺织工程 姓姓姓姓名名名名：张 胜 靖 学学学学号号号号：2008031 指导教师指导教师指导教师指导教师：李 龙（教授） 完成日期完成日期完成日期完成日期： 二零一零年十二月 摘要 棉秆皮纤维作为一种新型的纤维素纤维越来越受到人们的重视， 但是在现有 的工艺条件下所制得的棉秆皮纤维存在纤维粗硬，抱合力低等缺点，严重影响了 纤维的用途。 实验中所用棉秆皮纤维采用化学脱胶工艺制取。纤维的软化采用三种方法， 分别是草酸交联软化法、阳离子表面活性软化法和纤维养生软化法。通过正交实 验和显著因素分析实验得出了草酸交联软化法的最佳工艺为草酸用量为 2%，交 联温度 80，交联时间 3min，纤维的可挠度为 2.55 捻/(texm)；通过单因素实 验和正交实验，结合模糊分析，得出阳离子表面活性剂软化法的模糊最佳工艺为 阳离子表面活性剂 15%（o.w.f） ，处理温度 100，处理时间 2h，浴比 1:60， 纤 维的可挠度为 3.32 捻/(texm)，试剂残留量较少。在纤维养生法中，通过单因 素实验和不同养生方法比较实验，得出最佳的养生方法为凡士林乳液养生法， 并 对这种方法进行深入讨论，通过正交实验和显著因素分析实验得到了最佳工艺， 即凡士林乳液浓度 5%（o.w.f） ，时间 1.5h，浴比 1:20，温度小于 50，纤维的 可挠度为 3.26 捻/(texm)，综合效果较好。 将这三种方法所制得的纤维通过电镜观测、红外光谱分析和结晶度分析， 结 合静摩擦系数、软化效率和乳液残留量等指标，进行综合评价，得出草酸交联法 对棉秆皮纤维的强力有损伤， 减小了纤维内部的结晶度， 软化效率小于其它方法； 阳离子法的乳液残留量过大，影响了纤维的质量；纤维养生法中，凡士林乳液的 软化效果最好，但乳液的残留量相对较多，而有机硅软化法乳液残留量最少， 但 软化效率不高，矿物油乳液养生效果介于两者之间，可以根据用途的不同分别选 用不同的软化方法。 通过实验研究了软化处理对棉秆皮纤维梳理后长度、 细度的影响及纤维的梳 理成网成条效果，得到软化处理可以提高纤维梳理后的长度、细度，减少梳理落 纤率，增加了纤维间的抱合力，有利于提高棉秆皮纤维的成条性能。 关键词关键词关键词关键词：棉秆皮纤维，软化，可挠度，梳理性能 investigation on softness treatment and carding characteristic of cotton-straw peel fiber abstract cotton-straw peel fiber, as a new type of cellulose fiber, has been paid more and more attention, but the cotton-straw peel fibers in the existing conditions obtained have high fiber stiff and low cohesion, which seriously affect the use of the fiber in textile. cotton-straw peel fiber used in the experiment was obtained through chemical degumming method. three methods were used to soften the fiber, that is, cross-linked oxalate softening, cationic surfactant softening and fiber curing softening. the optimum parameters of the cross-linked oxalate softening method were obtained through orthogonal experiment and significant factor analysis. the parameters were 2% oxalic acid, cross linking temperature 80 , cross linking time 3min. under the conditions, the fiber deflection was 2.55 twisting / (tex m); by single factor experiment and the orthogonal experiment, and using combining fuzzy analysis, the optimal parameters of cationic surfactants softening method were cationic surfactants 15%(o.w.f), temperature 100 , the time 2h, liquor ratio 1:60. under the conditions, the fiber deflection was 3.32 twisting / (tex m), and reagent residues was less. in fiber curing softening, the best method obtained by single factor experiments and comparison of different fiber curing softening is vaseline emulsion curing softening method, and the optimum parameters were vaseline emulsion concentration 5% (o.w.f), time 1.5h, bath ratio 1:20, temperature less than 50 . under the conditions, fiber deflection was 3.26 twisting / (tex m). fibers obtained through the three softness methods were tested by electron microscopy, infrared spectroscopy, and crystal analysis. and combined with static friction coefficient, softening efficiency and emulsion residues and other indicators carry on comprehensive evaluation. the conclusion was that the cross-linking oxalate method damaged the strength of cotton-straw peel fiber and reduced degree of crystallinity of fiber, and the softening efficiency is less than other methods; excessive emulsion residues for cationic method influenced the fiber qualities. in the fiber curing methods, vaseline emulsion softening effect was best, but had relatively high residue emulsion. organic silicon softening method had low emulsion residues, but the softening efficiency was not good. mineral oil emulsion curing method was between the vaseline emulsion curing method and the organic silicon softening method. the influence of softening on the carded length, fineness and fiber sliver effect of cotton-straw peel fiber was done. it was obtained that the softening improved fiber carded length and fineness, reduced the fiber waste rate, and increased cohesion of the fibers, which is helpful for cotton-straw peel fibers sliver performance. zhang shengjing (textile engineering major) directed by professor li long key words: cotton-straw peel fiber, softening, deflection, carding characteristic 目录 1 绪 论1 1.1 课题的研究背景.1 1.2 棉秆皮纤维软化的研究现状.1 1.3 课题的研究目的及主要内容.4 1.3.1 课题的研究目的4 1.3.2 课题研究的主要内容4 2 棉秆皮纤维柔软处理机理及实验方法.6 2.1 棉秆皮纤维结构及组成.6 2.2 棉秆皮纤维柔软处理机理.7 2.2.1 草酸交联软化法机理7 2.2.2 阳离子型表面活性剂软化法机理7 2.2.3 纤维养生法软化机理8 2.3 实验研究方法.8 2.3.1 实验原料8 2.3.2 实验仪器9 2.3.3 测试方法9 3 棉秆皮纤维柔软处理工艺11 3.1 草酸交联法软化处理.11 3.1.1 草酸交联法工艺设计及正交实验11 3.1.2 草酸交联正交实验结果分析11 3.1.3 显著因素分析实验13 3.2 阳离子型表面活性剂法软化处理.15 3.2.1 阳离子型表面活性剂用量对纤维柔软性能的影响15 3.2.2 阳离子法影响因素分析实验17 3.2.3 最佳工艺验证实验23 3.3 纤维养生法软化处理.23 3.3.1 纤维养生乳液的配制23 3.3.2 纤维养生探索性试验24 3.3.3 不同养生方法对比试验25 3.3.4 最优养生法的影响因素分析实验26 3.3.5 最优养生法显著因素分析实验27 3.4 本章小结.28 4 软化对棉秆皮纤维性能的影响.29 4.1 纤维测试条件.29 4.1.1 测试材料29 4.1.2 测试仪器、条件29 4.2 软化对纤维结构的影响.30 4.2.1 表面形态分析30 4.2.2 表面结构分析31 4.2.3 结晶度分析33 4.3 软化性能综合评价.35 4.4 本章小结.37 5 棉秆皮纤维梳理成网成条性能.38 5.1 实验方法.38 5.1.1 测试指标38 5.1.2 梳理设备38 5.2 影响棉秆皮纤维梳理性能的因素.39 5.2.1 纤维加水率对梳理性能的影响39 5.2.2 纤维软化对梳理性能的影响41 5.3 软化处理对棉秆皮纤维混纺成网性能的影响.44 5.4 本章小结.46 6 结 论47 6.1 结论.47 6.2 不足之处.48 参考文献.49 攻读学位期间发表论文 西安工程大学学位论文知识产权声明 西安工程大学学位论文独创性声明 致 谢 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题的研究背景 棉秆由韧皮和茎杆组成，茎杆外部的韧皮可提取出纤维。由于我国是产棉大 国，棉花种植面积53.33万公顷，棉秆年产量达1530万吨，皮部占26%，所以有棉 秆皮400万吨1。但棉秆作为农业废料，农村大多数将其作为燃料烧掉，只有少 数用作造纸，用量有限，利用率不高。 棉秆皮中纤维素含量为23.65%，木质素含量为25.23%，半纤维素含量为 25.88%，果胶3.34%，半纤维素和木质素的含量远远大于一般的麻纤维，由于半 纤维素较易去除， 所以从棉秆皮中提取出棉秆皮纤维的重点是去除棉秆皮中的大 部分果胶和木质素。 木质素是一种无定形的高分子化合物， 主要存在于木质层中， 韧皮层中也有少量分布。纺织用纤维中木质素的含量超过一定值时，纤维的总体 性能变差，主要表现为纤维干硬，无光泽，手感差，弹性、可纺性及上染性低， 不耐日晒等，反之木质素含量越低则纤维质量越好。棉秆皮纤维属工艺纤维， 果 胶类物质分布于纤维的细胞壁、细胞内及细胞间，棉秆皮纤维的脱胶就是使部分 细胞间的果胶分解，使纤维分离出来，同时又要靠未分解的果胶粘结单纤维使之 成为具有可纺性的工艺纤维的过程。如果脱胶过度，单纤维间的胶质全部分解， 纤维成短的单纤维状态，就会丧失纤维的使用价值；脱胶过轻，纤维粘连严重， 则无法进行纺织。 现有制取棉秆皮纤维的方法，制得的纤维细度不均，粗而硬，抱合力低， 成 网成条困难，可纺性差。所以对棉秆皮纤维进行软化处理，改善纤维的梳理成网 成条性能。对纤维进行软化主要有两种途径，一是在前期脱胶时尽可能的减少木 质素和残胶的含量，以提高纤维素含量的方法来软化纤维；二是在后期对纤维进 行处理，通过试剂的化学和物理作用来使纤维达到软化的目的。在脱胶工艺确定 的情况下，后期的处理显得尤为重要，本课题的主要方向就是探讨后期软化处理 对棉秆皮纤维的性能影响。 1.2 棉秆皮纤维软化的研究现状 棉秆是棉农摘取棉花后的废弃物，富含纤维素、木质素和多缩戊糖，具有多 种利用价值。经过有关科研人员的研究，目前棉秆开发利用的主要途径有：(1) 造纸及包装箱纸板。(2)加工刨花板。(3)加工纤维板。(4)加工建筑材料。(5) 棉秆发酵饲料等2,3。有关单一棉秆皮纤维的应用研究很少。 一些研究人员对于棉秆皮纤维的制取方法进行了研究。1998年，申传起等人 1 绪 论 2 发现了一种棉秆皮纤维的脱胶方法。该方法采用烧碱和催化剂的溶液，在常压 95100的条件下，处理棉秆皮12小时，然后利用打洗机打洗制得，再经软 纤、养渗，然后经大切机梳理成束，再上圆梳机梳理成单纤维4。 2006年， 天维纺织科技有限公司发现了一种棉秆皮粗纤维的加工方法并申请 专利，专利号为200610036594.7。该发明介绍了一种棉秆皮粗纤维的加工方法， 使用加了表面活性剂的烧碱溶液在2060下浸泡棉秆皮1228小时以获得棉 秆皮纤维，所制得的棉秆皮粗纤维长度5mm65mm，细度为2.640d5。 2007年，浙江理工大学发现了一种棉秆皮快速脱胶方法并申请了专利，专利 号为200710066830.4。 该发明采用化学处理和闪爆相结合的方法对棉秆皮纤维进 行脱胶处理。得到了工艺时间短，脱胶均匀的棉秆皮纤维快速脱胶方法6。 中原工学院使用化学脱胶的方法制取了棉秆皮纤维，其脱胶工艺流程为： 试 样准备预尿氧处理水洗碱煮水洗酸洗水洗抖松烘干7-9。 西安工程大学分别用化学方法和生物化学联合的方法对棉秆皮纤维进行脱 胶处理，并研究了棉秆皮纤维的性能与结构10。 通过研究认为，棉秆皮纤维粗硬，抱合力差，难以成网成条。要使棉秆皮纤 维实现纺织应用，纤维的成网成条是关键。因此，本课题研究棉秆皮纤维的软化 处理方法及其对纤维性能的影响，以便改善纤维的梳理成网成条性能。从资料检 索看，目前还没有棉秆皮纤维软化研究的报道，然而，对其它韧皮纤维素纤维的 软化有文献报道。 黄麻原麻木质素和半纤维素含量高，纤维粗硬11，严重限制了应用范围。 所 以必须对原麻进行精细化改性12,13。精细化改性以后，黄麻纤维木质素和半纤维 素得到部分去除，性能有所改善，但仍然存在一定的缺陷，如黄麻纤维柔性小， 抱合力差， 导致纱线的可纺支数较低14； 纤维各部位细度离散性大、 纤维强度低， 导致梳理时落麻率高，成品制成率低；纱线手感粗硬，毛羽较多，刺痒感强。 刘东升等人研究了黄麻的养生改性方法，采用复配助剂对黄麻纤维处理30 个小时，然后测试纤维的可挠度、强度及落麻率，确定出复配助剂中各部分含量 的最佳工艺条件，并借助生物显微镜说明养生纤维与未养生纤维的区别15。 雷雷16等人综述了国内外化学和生化的方法对黄麻纤维进行软化的研究， 国 外以前多数17-19采用h2o2、h2o2和k2s2o8混合试剂、naoh、hcl等试剂进行软化，近 些年来则更多的采用化学软化剂或生物化学试剂进行黄麻纤维的软化处理20-23。 列举如下： (1)naoh处理： 在1018naoh溶液中室温(30)处理30min条件下, 可以得到明显的软化效果24，能够使黄麻纤维得到最大的弯曲长度、抗弯刚度、 弯曲模量的降低， 并且强度损失适中， 断裂伸长率增加到最大值。 (2)稀盐酸(hcl) 处理：试验采用0.52hcl、30、30min240min对黄麻纤维进行处理， 结 1 绪 论 3 果表明黄麻纤维的弯曲长度、抗弯刚度、弯曲模量值降低，强力、折皱回复角降 低，亮度提高。但处理效果不如18naoh的效果好。(3)纤维素酶、特制混合生 化酶处理：试验表明，在单独使用纤维素酶、特制混合生化酶以及加入纤维素酶 的增强混合酶的试验中，随着酶浓度增加，重量损失、收缩性能显著增加。断裂 伸长率、白度和亮度值增加。弯曲长度、抗弯刚度、弯曲模量值降低。(4)化学 软化剂处理：试验中采用的3种化学软化剂：catasoflener、氨基改性有机硅乳 剂、多缩含氧乙烯基乳液软化剂。使用catasoflener会使得黄麻纤维颜色黄化程 度加剧。氨基改性有机硅乳剂可以增加黄麻纤维的抗挠刚性，但如果百分比浓度 过高则会显示相反的效果。试验中采用catasoftener、氨基改性有机硅乳剂混合 处理经漂白的黄麻纤维结果显示并没有出现两种试剂的协同效果。试验数据表 明： 相同条件下应用24的多缩含氧乙烯基乳液软化剂软化经3h2o2漂白的 黄麻纤维能够得到明显的软化效果， 比应用catasoftener和氨基改性有机硅乳剂 要好，但比生化酶和naoh的软化效果差24。研究20证明轻度氧化处理可以破坏 黄麻纤维中的聚合链。在应用化学软化剂前，必须采用适当的预处理降低黄麻纤 维的内在硬度。例如采用k2s2o8对黄麻纤维进行轻度氧化处理可以有效地降低初 始模量和纤维强度， 折皱回复角、 弯曲长度、 抗弯刚度、 弯曲模量一定程度下降， 白度和亮度有一定的改善25。 丁小五等人研究了预处理助剂对黄麻纤维性能的影响， 指出预处理工艺能够 松解纤维的紧密结构，提高黄麻纤维膨化率，特别是复配助剂处理后，纤维的膨 化率显著提高，比未处理纤维提高了18%26；预处理后纤维的断裂强力降低，但 断裂伸长率有所增大；复配助剂处理后，纤维的断裂强力适中断裂伸长率显著提 高，较未处理纤维提高97%27-29。 夏兆鹏等在对黄麻纤维的预处理基础上使用物理细化工艺进一步对纤维进 行处理，物理细化是借助机械牵伸、梳理和打击，将黄麻纤维切断到一定长度， 同时工艺纤维进一步发生劈裂，细度进一步提高的工艺过程，经过物理细化的纤 维达到了在棉纺设备上与棉型纤维进行混纺的条件30。 亚麻纤维也存在可纺性较差的问题，无法满足成纱和棉纺的要求31-36。对亚 麻纤维进行软化，可以降低纤维表面的摩擦因数，改善纤维间的抱合力，显著提 高其可纺性能37-41。吴丽莉42等研究了棉纺型精细化亚麻预处理油剂的配方， 讨 论了复配油剂对纤维强度，可挠度，摩擦性能，回潮率43，抗静电性能的影响， 并比较了三种不同的复配油剂对纤维可纺性能的影响44,45，得出结论，精细化亚 麻原料经过复配油剂的预处理，配合适当的纺纱工艺，完全可以用普通棉纺设备 完成高支高比的亚麻/棉混纺纱线的生产。 曹颖等研究了精细化改性预处理工艺对亚麻二粗纤维性能的影响， 使用复配 1 绪 论 4 助剂对亚麻二粗纤维进行预处理，然后再进行碱煮，纤维的残胶率、分裂度、 断 裂强度等物理化学指标都较好，改善了纤维的可纺性46。 何俊等使用不同的复配助剂对亚麻纤维进行处理， 提高了亚麻工艺纤维的性 能和可纺性指标，使之能够在普通棉纺工艺和设备上开发出多样化的产品47。 汉麻纤维作为一种新型的生态纺织原料受到了人们的关注48-52， 其织物无需 特别的处理就可避免其它麻类纺织品的刺痒感和粗硬感53； 汉麻还具有优良的高 吸湿性、抗菌抗霉性54、抗静电性55、抗紫外线、抗海水腐蚀56和较好的声学 性能57。但由于其纤维短、粗、硬，纤维素的含量低而影响了纺纱的效果，使得 汉麻织物折皱性和柔软性较差58。 郝新敏等分别采用浓度均为10的苎麻软麻油和生物柴油两种试剂对汉麻 纱线进行汽蒸法快速养生，目的是缩短养生的时间，提高养生的效率59。 崔宁等用羊绒分梳机对脱胶后的汉麻纤维进行分梳， 并对分梳前后的汉麻纤 维及分梳的落麻纤维的细度、长度进行了测试，测试结果表明：分梳后汉麻纤维 细度提高了15.3，细度不匀率降低了46.5；汉麻纤维的平均长度比分梳前减 小了1.6，但是长度整齐度提高了13.8；用羊绒分梳设备对汉麻纤维分梳， 去粗效果较好；大大降低了汉麻纤维长度、细度变异值，为进一步开发汉麻/羊 绒混纺纱线及织物奠定了基础60。 以上这几种麻纤维的柔软化处理工艺和梳理方法， 为棉秆皮纤维的柔软处理 和梳理性能的研究提供了参考。 1.3 课题的研究目的及主要内容 1.3.1 课题的研究目的 本课题针对棉秆皮纤维存在的梳理成网成条性差的问题， 采用不同的方法软 化棉秆皮纤维，通过分析比较，得到合理的棉秆皮纤维软化方法与参数，以改善 纤维性能，增加纤维间的抱合力，提高纤维的梳理性能。 1.3.2 课题研究的主要内容 (1) 使用草酸交联处理法、 阳离子表面活性剂处理法和纤维养生处理法对纤 维进行软化处理，以可挠度、增重率、断裂强度和断裂伸长率为评价指标，通过 正交实验，得到了各方法的软化条件及对纤维软化效果的影响程度。 (2) 通过电镜观测，红外光谱分析和 x 射线衍射，分析不同软化方法对棉秆 皮纤维表面形态、结构及结晶度、纤维可挠度的影响，综合评价各种软化方法的 优劣。 1 绪 论 5 (3) 比较软化处理对棉秆皮纤维梳理后纤维长度、细度和落纤率的影响，并 对棉秆皮纤维的梳理成网成条性能进行了实验研究。 2 棉秆皮纤维柔软处理机理及实验方法 6 2 棉秆皮纤维柔软处理机理及实验方法 2.1 棉秆皮纤维结构及组成 棉秆指棉花的秆基，属一年生半木化植物，在分类学上隶属被子植物门、 双 子叶植物纲、锦葵科、棉属。棉秆由皮层，形成层，初生木层和髓芯等部分组成。 棉秆皮层含有色素，占整株棉秆重量的 26%，主要为韧皮纤维，长度多分布在 1.12.0mm，平均长度为 1.45mm 左右，接近针叶木纤维的水平，纤维宽度多分 布在 620m，平均宽度为 16.7m，长宽比为 8761。棉秆皮纤维的单纤长度 过短，难以应用，所以纺织上研究的棉秆皮纤维是指棉秆皮的工艺纤维，即纤维 束。棉秆皮纤维的纵向形态和麻相似，表面粗糙，无转曲62。如图 2-1 所示： 图 2-1 棉秆皮纤维纵向形态（2000） 棉秆皮中主要含有纤维素、半纤维素、木质素和水溶物等成分。其中纤维素 约占 23.65%，其他近 76%的非纤维素成分统称为胶质，包括半纤维素、果胶、 木 质素、水溶物、脂腊质、灰分等物质。对棉秆皮进行化学处理的目的是获取纤维 素，同时去除大部分的胶质10。 纤维素是棉秆皮纤维的主要成分， 构成纤维的强度、 弹性、 伸长等物理性质。 纤维素属于多糖类物质， 在酸性环境下较易水解， 常态下对碱是稳定的， 高温 （150 ）时发生碱性水解，极易氧化。 半纤维素是一种与纤维素伴生的低聚合度的糖类物质， 是多种单糖所组成的 不均一聚糖，大部分存在于纤维素细胞的胞间层和细胞壁上。半纤维素易被酸水 2 棉秆皮纤维柔软处理机理及实验方法 7 解，在碱性溶液中比纤维素的稳定性差。 果胶是一类含有酸性， 高聚合度， 胶状的多糖类物质， 具有可塑性和亲水性， 分为生果胶和熟果胶，熟果胶可溶于沸水中，生果胶不溶于水，但经过无机酸和 稀碱液处理即能溶解和水解。 木质素是植物细胞壁的主要组成部分之一，存在于细胞胞膜和细胞壁内部， 是一种芳香族的高分子化合物，化学性能稳定，较难除去。由于木质素的含量影 响纤维的品质，所以从纺纱的角度讲，希望在脱胶过程中尽可能的去除木质素。 脂腊质覆盖于纤维的表面增加纤维光泽，可溶于有机溶剂，在一定温度下可 以熔化。 灰分主要以硅酸、碳酸、盐酸、磷酸等的钾盐、钠盐、镁盐等物质为主， 在 纤维中所占比例较小。 2.2 棉秆皮纤维柔软处理机理 2.2.1 草酸交联软化法机理 交联是指用交联剂使 2 个或者更多的分子分别偶联从而使这些分子结合在 一起的过程。交联分为化学交联和物理交联。化学交联一般通过缩聚反应和加聚 反应来实现；物理交联利用光、热等辐射使线型聚合物交联。 纤维的交联改性有环氧化合物交联改性和草酸交联改性 63。 草酸交联改性易 于实现，不需要合成环氧化合物交联剂，简单方便。纤维的交联属于化学交联， 经适度交联后，纤维的柔软度会有所改善。 交联剂是一种带有两个或者两个以上官能团的有机物。 官能团一般指碳一碳 双键，羧基，羟基等，它能和被交联的分子中的某些机团发生反应，如自由基反 应，羧基一羟基酯化反应，羧基一羧基脱水反应等，从而把原先两个不联系的被 交联分子连接起来，起到“桥”的作用。经过交联，可提高聚合物的热稳定性和 化学稳定性，如玻璃化转变温度升高，熔点的升高，耐溶剂性的增强等等。草酸 具有交联活性，是由于其本身的双键能够在催化剂作用下开环与氨基、梭基等化 合物加成，发生交联反应生成三维网状结构的大分子64。 2.2.2 阳离子型表面活性剂软化法机理 阳离子表面活性剂中大多含有氮原子，主要品种为铵盐类，如十二烷基三甲 基溴化铵，可以用作纺织品的柔软剂。 纤维素易在水中电离出氢离子（h +）而使纤维呈现负电性，阳离子表面活性 剂水解后带有正电荷，可以定向的吸附在纤维表面，即亲水基团与纤维接触， 疏 2 棉秆皮纤维柔软处理机理及实验方法 8 水基团指向纤维外侧。 表面活性剂的脂肪烃链的特殊性能可以赋予纤维柔软光滑 的手感65。这种静电吸附是一种强吸附，较之于普遍存在的范德华力的弱吸附， 具有较强的作用力，不易发生脱附。所以，在阳离子法的实验中，表征表面活性 剂对纤维吸附的量增重率会很大，远远大于其它的方法，这也说明了这种静电引 力的强大。 2.2.3 纤维养生法软化机理 纤维养生是纤维的纺前处理，指用油剂、助剂、水的混合制剂在一定的条件 下对纤维进行处理，使纤维的回潮率改善，表面的摩擦系数降低，抱合力增加， 在一定的程度上增加纤维的强度、柔软度，控制静电的产生，从而达到提高纤维 可纺性和产品质量的目的。 油剂包括各种矿物油、植物油和动物油，可以降低纤维与纤维，纤维与机械 间的摩擦系数，改善纤维手感，减少纺织中的静电产生。助剂包括乳化剂、渗透 剂、柔软剂等，一般为非离子或阴离子型表面活性剂，可以改善纤维得性能， 提 高纤维的品质。 纤维养生的机理是纤维养生乳液在纤维表面的吸附及对纤维内部的渗透。 纤 维对于乳液的吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是一种较弱的吸附，作用 力是大分子间的范德华力， 这种吸附是可逆的， 吸附上去的分子可能会脱附下来， 在一定的条件下，吸附和脱附达成一种动态平衡。化学吸附主要是静电力（阳离 子型表面活性剂）和氢键的作用，纤维中带有羟基（oh） ，能够与带有羟基、 胺基（nh2）或醚基（o）的表面活性剂之间通过氢键相互吸引。由于任何 分子间都存在范德华力，所以物理吸附没有选择性。不同种类的表面活性剂与纤 维发生物理吸附时， 吸附力会有大小差异， 但差别不大， 仅仅是吸附量有所不同。 发生化学吸附时，表面活性剂与纤维表面之间是通过化学键相联的，在吸附的过 程中发生了电子的转移、原子的重排、化学键的断裂与形成等过程。化学吸附往 往具有选择性， 表面活性剂只与某种特定的纤维表面发生化学反应66。 乳液的渗 透是在表面吸附的的基础上乳液进一步进入纤维中的微孔和空隙的过程。 养生提 高了纤维表面的光滑性，减少纤维与纤维以及纤维与机件之间的摩擦，使纤维具 备一定的强度和柔韧性。 2.3 实验研究方法 2.3.1 实验原料 棉秆皮产自西安市灞桥区，棉秆收割后手工剥皮晒干。棉秆皮纤维由化学脱 2 棉秆皮纤维柔软处理机理及实验方法 9 胶二煮法制得，在实验前需要对脱胶的纤维进行开松处理。表 2-1 为棉秆皮纤维 各项性能指标。 表 2-1 棉秆皮纤维各项性能指标 性能 可挠度/ 捻(texm) -1 强度/ cn(dtex) -1 断裂伸长率/ % 长度/ mm 细度/ tex 静摩擦系数 棉秆皮纤维2.133.725.928.724.140.8462 2.3.2 实验仪器 ja1203n 型电子天平（上海精密科学仪器有限公司） ；ja-n 型精密扭力天平 （上海第二天平仪器厂） ；y171-1 型纤维切断器（宁波纺织仪器厂） ；y321b 型纱 线加捻解捻器（宁波纺织仪器厂） ；y802a 型八篮恒温烘箱（常州纺织仪器厂） ； hhs11-4 电热恒温水浴锅（北京长安科学仪器厂） ；dzkw-4 电子恒温水浴锅（上 海科析试验仪器厂） ；jj-1 型定时电动搅拌器（江苏省金坛市正基仪器有限公 司） ；yg004 型电子单纤维强力机（宁波纺织仪器厂） ；y151 型纤维摩擦系数测定 仪（常州第二纺织仪器厂有限公司） 。 2.3.3 测试方法 a.可挠度测试 可挠度是表征纤维柔软度的间接指标，可挠度越大，说明纤维越柔软，反之 则纤维越刚硬。测试方法为将纤维整理成束，选择中部切取 40mm。每次取固定 量的纤维，夹持长度为 15mm，用加捻解捻器对纤维进行加捻，直至断裂，得出 断裂时的捻回数，将捻断的纤维在扭力天平上称重，根据公式 2-1 求得纤维的可 挠度67，测试 50 组，取平均值。 ）纤维重量（）纤维夹持长度（ 断裂捻回数（捻） ）（可挠度（捻 mgmm 0.140mm =/mtex（公式 2-1） b.强度测试 取适量纤维，用手扯法将纤维整理成束，去除粗节和杂质，从中取出 100 根长度大于 20mm 的纤维排列在黑绒板上。然后电子单纤维强力机上进行拉伸， 记录断裂强度、断裂伸长率等数据，求得平均值。夹子夹距为 10mm，拉伸速度 为 10mm/min。 c.摩擦系数测试 纤维表面的摩擦系数用来表征纤维的摩擦情况或润滑特性。 分为静摩擦系数 和动摩擦系数，其中静摩擦系数越小，表明纤维在较小的外力作用下，就容易发 2 棉秆皮纤维柔软处理机理及实验方法 10 生变形，因而手感也就越柔软68。 摩擦系数采用绞盘法测试69， 将纤维以一定角度包围在绞盘上， 纤维的一 端张力为 f1，另一端的张力为 f2，拉伸纤维时，由于纤维与绞盘表面存在着摩 擦力，所以张力 f2 大于 f1，根据欧拉公式，纤维在绞盘上的摩擦系数可通过公 式 2-2 得到，测试 30 组，求平均值。 )log(log733. 0=00mff （公式 2-2） 其中：为摩擦系数，f0为预加张力（本实验为 200cn） ，m 为测试值。 d.纤维增重率 纤维增重率是指纤维未处理前的干重与处理后的干重之差， 与处理前的干重 的比值，如公式 2-3，用来表征乳液对纤维的吸附程度。 100 )( )()( (%) g gg 处理前纤维干重 处理前纤维干重处理后纤维干重 纤维增重率 （公式 2-3） e.软化效率 软化效率是指软化纤维与未处理纤维的可挠度之差占未处理纤维可挠度的 百分比，如公式 2-4，用来说明软化方法的优劣。 100% =% 未处理纤维可挠度 未处理纤维可挠度软化纤维可挠度 ）软化效率（公式 2-4） 3 棉秆皮纤维柔软处理工艺 11 3 棉秆皮纤维柔软处理工艺 3.1 草酸交联法软化处理 草酸交联法应用于棉秆皮纤维的改性是借鉴了黄麻的交联改性方法63， 在交 联之前需要对棉秆皮纤维进行预处理，以使纤维内部溶胀，便于交联剂交联。 3.1.1 草酸交联法工艺设计及正交实验 a、工艺参数设计 草酸交联法工艺流程为：纤维预处理交联剂浸润焙烘。 （1）预处理：草酸钠 2%（o.w.f 为试剂占纤维的质量百分数） ，温度 45， 时间 30min，浴比 1:10，后洗去多余钠盐。 （2）交联剂浸润：草酸 x（o.w.f ） ，乙醇与草酸摩尔比为 1:1，溶胀剂尿 素 2%（o.w.f ） ，催化剂氯化镁 2%（o.w.f ） ，时间 20min，浴比 1:10，温度 45 ，抖松后在 60烘箱中烘 3h。 （3）焙烘：交联温度 x，交联时间 x min。 b、正交实验 对草酸的用量、交联温度、交联时间三因素使用四因素三水平的正交试验表 确定最佳工艺。 不考虑交互作用， 评价指标为可挠度。 设计正交表表头为表 3-1。 表 3-1 草酸交联法正交实验因素水平表 因素 水平 草酸用量/% a 交联温度/ b 交联时间/min c 1 2 3 1 2 3 80 100 120 3 5 7 3.1.2 草酸交联正交实验结果分析 正交实验结果如表 3-2 所示。 表 3-2 草酸交联法正交实验表及结果分析 因素 试验号 草酸用量/% a 交联温度/ b 交联时间/min c 可挠度/ 捻(texm)-1 118032.26 2110052 3 棉秆皮纤维柔软处理工艺 12 3112071.68 428052.31 5210072.04 6212032.31 738072.01 8310032.24 9312051.97 k11.982.272.193 k22.222.0932.093 k32.0731.911.987 极差0.240.360.206 a、直观分析 由表 3-2 的极差分析中可以看出，对可挠度的影响大小是 bac，即交联温 度草酸用量交联时间。 可挠度越大，表示纤维越柔软。对于因素 a（草酸用量） ：k2k3k1，故水 平 2（草酸用量为 2%）为最佳；对于因素 b（交联温度） ：k1k2k3，故水平 1 （交联温度 80）为最佳；对于因素 c（交联时间） ：k1k2k3，故水平 1（交 联时间 3min）为最佳。所以实验的最佳工艺为a2b1c1，即草酸用量为 2%，交联 温度 80，交联时间 3min，所得到的棉秆皮纤维可挠度最大，最柔软。 b、方差分析 方差分析是根据实验数据来推断一个或多个因素在其状态变化时， 是否对实 验指标产生显著影响的一种数理统计方法70。方差分析采用 f 分布检验的方法， 设定显著水平=0.01，需要计算出各因素的偏差平方和 si、误差的偏差平方和 se以及自由度 fe，各因素的自由度 fi因素水平数1。计算结果如表 3-3 所示。 表 3-3 可挠度的方差分析及 f 检验 因素偏差平方和 si自由度 fifi值f0.01(2,2)显著性 a0.08828899 b0.194219499 c0.06426499 误差0.0012 注：代表显著 由表 3-3 可知，交联温度在本实验中是显著因素，它的变化对可挠度的影响 较大。有必要对交联温度进行单因素分析。 3 棉秆皮纤维柔软处理工艺 13 3.1.3 显著因素分析实验 根据上面实验所得到的最佳工艺， 并结合显著性因素， 对实验方案设计如下： （1）预处理：草酸钠 2%（o.w.f 为试剂占纤维的质量百分数） ，温度 45， 时间 30min，浴比 1:10，后洗去多余钠盐。 （2）交联剂浸润：草酸 2%（o.w.f ） ，乙醇与草酸摩尔比为 1:1，溶胀剂尿 素 2%（o.w.f ） ，催化剂氯化镁 2%（o.w.f ） ，时间 20min，浴比 1:10，温度 45 ，抖松后在 60烘箱中烘 3h。 （3）焙烘：交联温度 70、80、100、120、130，交联时间 3 min。 不同交联温度下的实验结果如表 3-4，图 3-1，图 3-2，图 3-3 所示。 表 3-4 单因素试验数据 试验号交联温度/可挠度/捻(texm)-1强度/cn(dtex)-1断裂伸长率/% 1702.343.256.1 2802.553.135.36 31002.362.864.82 41202.252.183.14 51301.531.512.02 708090100 110 120 130 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 可挠度/捻*(tex*m)-1 交联温度/ 708090100 110 120 130 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 强度/cn*(dtex)-1 交联温度/ 图 3-1 交联温度对可挠度的影响图 3-2 交联温度对强度的影响 可挠度/捻(texm)-1 可挠度/捻(texm)-1 交联温度/交联温度/ 3 棉秆皮纤维柔软处理工艺 14 708090100110120130 2 3 4 5 6 断裂伸长 率/% 交联温度/ 图 3-3 交联温度对断裂伸长率的影响 由图中可以看出，在草酸用量，交联时间一定的情况下，可挠度随着交联温 度的增加先增大后减小，在 80附近达到最大值；断裂强度和断裂伸长率随着 交联温度的增加急剧降低，说明草酸交联法在软化纤维的过程中对纤维损伤较 大，棉秆皮工艺纤维内部短纤的结合受到了严重的破坏，所以这也限制了草酸交 联法的软化程度，比如最佳工艺（交联温度 80）得到的纤维可挠度为 2.55 捻 (texm) -1， 断裂强度为 3.13cn(dtex)-1， 而未处理纤维的可挠度为 2.13 捻(tex m) -1，断裂强度为 3.72cn(dtex)-1，软化效率仅为 19.72%（软化效率为软化纤 维与未处理纤维的可挠度之差占未处理纤维可挠度的百分比） ，而强度却降低了 15.9%，纤维的脆性加大，易折断。为了进一步说明纤维的损伤程度，故做如下 极端对比实验： （1）预处理：草酸钠 2%（o.w.f 为试剂占纤维的质量百分数） ，温度 45， 时间 30min，浴比 1:10，后洗去多余钠盐。 （2）交联剂浸润：草酸 3%（o.w.f ） ，乙醇与草酸摩尔比为 1:1，溶胀剂尿 素 2%（o.w.f ） ，催化剂氯化镁 2%（o.w.f ） ，时间 20min，浴比 1:10，温度 45 ，抖松后在 60烘箱中烘 3h。 （3）焙烘：交联温度 140，交联时间 7 min。 得到的纤维形态如图 3-4 所示。 图 3-4 草酸交联极端对比实验 断裂伸长率/% 交联温度/ 3 棉秆皮纤维柔软处理工艺 15 图中（1）为未处理纤维， （2）为草酸交联样。可以看出，草酸交联样的纤 维短纤很多， 这是由于残留强酸和高温的共同作用使得棉秆皮工艺纤维的结构遭 到了破坏，大量纤维断裂造成的。 （2）中的纤维已经不具备纤维的性能，在较小 的力的作用下便会成为粉末。 综上所述，草酸交联软化法是一种对纤维有损伤的软化方法，是以纤维的强 力减小为代价的。在棉秆皮纤维的应用中，如果对强力要求不高，可以使用此方 法，但此方法的软化效果有限。 3.2 阳离子型表面活性剂法软化处理 阳离子型表面活性剂有抗静电、柔软的作用，易吸附于固体表面，使固体表 面改性。本实验使用的阳离子型表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵，是可溶性 的季铵盐类表面活性剂，为白色粉末状固体，有粘性。实验讨论了阳离子型表面 活性剂对纤维柔软性能的影响。 3.2.1 阳离子型表面活性剂用量对纤维柔软性能的影响 本实验探索了在温度，时间，浴比一定的条件下，改变阳离子表面活性剂的 用量，棉秆皮纤维性能的变化，测试指标为可挠度、断裂强度、断裂伸长率及纤 维增重率。 实验工艺及参数设计如下： （1）试样准备：取一定量的纤维，烘至恒重。 （2）试样处理：十二烷基三甲基溴化铵 2%、5%、10%、15%、20%（o.w.f） ， 温度 50，浴比 1:20，处理时间 1h。 （3）烘干：将处理好的纤维从溶液取出，挤干水分，放入烘箱中烘至恒重。 试验结果如表 3-5，图 3-5，图 3-6，图 3-7，图 3-8 所示。 表 3-5 阳离子用量软化分析表 阳离子用量/%可挠度/捻(texm)-1强度/cn(dtex)-1断裂伸长率/%增重率/% 22.523.75.8511 52.673.695.6314.4 102.773.715.0217 152.823.744.4937.6 202.773.663.9255.8 3 棉秆皮纤维柔软处理工艺 16 02468 10 12 14 16 18 20 22 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 可挠度/捻*(tex*m)-1 阳离子 用量/% 02468 10 12 14 16 18 20 22 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0 强度/cn*(dtex)-1 阳离子 用量/% 图3-5 阳离子用量对可挠度的影响图 3-6 阳离子用量对断裂强度的影响 02468 10 12 14 16 18 20 22 0 1 2 3 4 5 6 7 断裂伸长 率/% 阳离子 用量/% 02468 10 12 14 16 18 20 22 10 20 30 40 50 60 增重率/% 阳离子 用量/% 图 3-7 阳离子用量对断裂伸长率的影响图 3-8 阳离子用量对增重率的影响 由图 3-5 可知，随着阳离子量的增加，可挠度增大，当阳离子量为 15%时， 可挠度达到最大，随后又开始下降，可挠度的最大改进率（软化效率）为 32.4%。 由图 3-6 可知，纤维的断裂强度变化不大，而未处理纤维的强度为 3.72cn (dtex) -1，说明阳离子法不损伤纤维的强力。这是因为阳离子法是一种纤维表面 的吸附方法，只对纤维表面产生物理作用，不改变纤维内部的结构及化学构成， 所以对强力没有受到影响。由图 3-7 和 3-8 可知，纤维的断裂伸长率有所减小， 纤维的增重量急剧增加。增重量反应阳离子表面活性剂对纤维吸