（纺织工程专业论文）竹原纤维化学改性研究.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重卢明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所蔓交的学位论文，是本人在导师的 指导f ，独立进行研究+ l ：作所取得的成果。除文中已明确注明和引h j 的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本卢明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 1 乃子疋 日期：d - 年d 肖p 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被商阅或借阅。本人授权东华人学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 描等 复制手段保存和汇编本学位论文 保密乜在 本学位论文属丁 不保密口。 学位论文作者签名： 日期：叮年) 月恤 立二- 年解密后适用本版权书。 亍 f o ，( 1 ，2 ) = 8 5 3 二次项 4 6 1 7l4 6 1 71 4 6f f o ，( 1 ，2 ) = 8 5 ：3 二次项0 0 3 510 0 3 58 7 5f f 。( 1 ，2 ) = 8 5 3 剩余 0 0 0 820 0 0 4 总计0 0 9 2 4 表3 - 9 细度方差分析表 方筹来源平方和自由度均方和f 比显并性 一次项1 0 9 6 l 1 0 9 6 3 2 9 7 1 f f 。，( 1 ，2 ) = 9 8 5 二次项 0 0 6 4 510 0 6 4 51 9 4 0 f e 一( 1 。2 ) = 1 8 5 剩余0 0 0 7 0 0 0 3 51 总计1 1 6 7 4 2 l 5 5 4 5 3 5 2 5 1 5 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 恣 p v 苣囊 第三章竹原纤维交联改性研究 表3 - 1 0 强度方差分析表 方差来源平方和自由度均方和f 比 显著性 一次项 0 6 6 61 0 6 6 68 7 1f f o 1 ( 1 ，2 ) = 8 5 3 二次项 0 1 2 2l o 1 2 23 2 lf f o 惦( 1 ，2 ) = 1 8 5 二次项 1 7 8 5 511 7 8 5 52 2 8f f oo 。( 1 ，2 ) = 9 8 5 二次项 1 1 9 2 4 l 1 1 9 2 47 2 5 4f f oo s ( 1 ，2 ) = 1 8 5 剩余 0 3 2 920 1 6 5 总计 8 4 1 2 64 表3 1 4细度方差分析表 方差来源平方和自由度均方和 f 比 显著性 一次项 0 6 1 21o 6 1 22 0 4f f oo s ( 1 ，2 ) = 1 8 5 二次项0 3 0 6 10 3 0 61 0 2 f f o ，( 1 ，2 ) 2 8 5 3 剩余0 0 6 0 20 0 3 0 总计0 9 7 8 4 表3 1 5强度方差分析表 方差来源 平方和自由度 均方和f 比显著性 次项 o 1 4 2lo 1 4 21 2 9 3f f o 。( 1 ，2 ) = 8 5 3 二次项 o 1 1 510 1 1 5l o 5 2f f o 。( 1 ，2 ) = 8 5 3 剩余0 0 2 2 20 0 l l 总计 0 2 7 94 由图3 11 图3 1 4 可以看出，随着时间的增加，在初始阶段纤维的强度和模 量有明显的上升趋势，呈二次规律，且纤维的强度和初始模量分别在5 r a i n 和7 m i n 时出现极大值后，时怕j 进一步增加纤维强度、初始模量变化不再明显，时间变化 对伸长的影响规律比较复杂，在时n j j 超过3 m i n 之后伸长变化量很小。这些变化表 明随着焙烘时l 日】的增加。交联剂与纤维作用的程度在加深。 在催化剂存在的情况下，当达到环氧化合物的活化温度后，随着时间和温度 第三章竹原纤维交联改性研究 的增加交联程度逐渐上升，交联点与交联网络随温度和时间的增加而增加，但是 交联点密度过大，纤维分子链的整体移动和链间滑移受到限制，纤维网络不能均 匀受力，过高的温度和过长的时间还会使纤维产生脆化现象，改性纤维强度和伸 长有所下降。从试验数据可以看出，适当的焙烘温度和时间可以使纤维达到适度 的交联，从而可以达到提高纤维的弹性、模量和强伸性能的目的，为改善纺织品 的抗皱和耐磨性能奠定了基础。 由上面的试验结果可以看出，交联剂浓度、焙烘温度、焙烘时间对竹原纤维 化学改性处理有显著的影响，因此在试验过程中要严格控制纤维吸液量的多少。 同时前处理选取常温浸水处理，最终确定竹原纤维交联改性工艺流程为： 图3 - 1 5 竹原纤维交联化学改性试验流程图 第三节交联改性工艺参数的优化 一、助剂对试验结果的影响 竹原纤维吸收溶胀剂之后，体积变大、分子之间的内聚力变弱而柔软，在交 联化学改性过程中，这也是交联剂对纤维素大分子链上的羟基进攻，发生酯、醚 化反应的前提，尿素作为一种优良的溶胀剂，对纤维的溶胀效果影响显著，氯化 镁作为反应过程中的一种催化剂，会影响改性纤维的性能，因此，设计币交试验 考察尿素、氯化镁添加量对纤维改性效果的影响。 根据单因子试验情况，选取工艺参数为：交联剂浓度为5 ，焙烘温度为1 3 0 ，焙烘时i n j5 m i n ，依据已确定的工艺流程考察了助剂对竹原纤维改性效果的影 响。试验采用两因子三水平二次正交试验设计，设计如下： 第三章竹原纤维交联改性研究 表3 - 1 7 因子水平编码表 因素尿素( )氯化镁( ) 编码记号 j c l恐 基准水平 2 ( 0 )2 ( 0 ) 上水平 3 ( 1 ) 3 ( 1 ) 下水平 l( 1 )1( 1 ) 变化区间 2 2 表3 - 1 8 试验方案 设计矩阵自变餐系数矩阵 试验号 而而 x 0 而工2 x 3 = 3 ( x t2 2 3 ) x 4 = 3 ( x 22 - 2 3 ) 黾2 五而 111111111 2ollo1210 311l11l11 41011o120 50ol0022o 6loll012o 71111ll11 8o 1 1 o 12 1 o 91ll11lll 表3 一1 9 试验数据 强力细度强度伸长模量 试验号 ( c n )( d t e x )( c n d t e x )( )( c n d t e x ) 12 8 4 37 0 74 0 24 11 0 8 5 4 22 9 1 06 9 24 2 l4 11 1 3 2 2 3 3 1 2 7 7 9 83 9 2 4 69 6 8 0 4 2 9 2 07 0 3 4 1 5 4 0 1 1 2 7 1 52 9 1 76 8 l4 。2 84 51 1 7 4 4 6 2 8 8 4 7 6 93 7 54 21 0 4 0 9 7 2 9 8 0 7 0 64 2 24 39 6 2 5 82 8 8 16 3 34 5 64 31 1 5 2 1 9 3 1 1 l 7 9 63 9 14 79 5 3 6 试验数据处理通过i 雌t l a b 软倒二进行，计算得到各个指标的回归函数方程，各 个指标的回归方程如f ： 第三章竹原纤维交联改性研究 强力( c n ) ： 少：2 9 5 3 + o 6 3 五+ 0 1 6 而+ + o 7 2 1 3 ( x2 _ 2 ) 一0 6 9 1 3 ( x 2 2 _ 2 ) + o 3 8 五而 细度( d t e x ) ： y ：7 21 + 0 4 1 而一o 1 x 2 + o 2 6 3 ( x 1 2 一詈) 】+ o 0 2 3 ( x 2 2 一昙) 】+ o 0 2 5 毛x 2 jj 强度( c n d t e x ) ： y ：4 11 一o 1 4 z l + o 1 2 2 一o 3 6 3 ( x l2 一要) 】一o 0 9 3 ( x 2 2 一；) 】一o 0 5 x l x 2 伸长( ) ： y ：4 2 7 + o m l + o 0 8 x 2 + + o 1 1 3 ( 而2 一吾) 卜o 0 6 3 ( x 2 2 一昙) 】+ o 0 3 v 2 模量( c n d t e x ) ： 少：l0 6 6 3 3 5 4 x l “9 6 x 2 4 3 3 3 ( _ 2 一詈) 卜2 3 9 3 ( x 2 2 一寻) 】+ 2 7 1 v 2 二、回归方程的方差分析 表3 2 0 强力方差分析表 方差来源平方和 自由度均方和 f 比 显著性 回归平方和7 1 6 l51 4 37 3 1 f f o 。( 5 ，3 ) = 5 3 l 剩余平方和 0 9 8 030 3 2 总计8 1 4 18 表3 2 1 细度方差分析表 方差来源平方和自由度均方和f 比显著性 同归平方和 2 2 9 6 50 4 97 5 6f f 0 。( 5 ，3 ) = 5 3 l 剩余平方和0 1 8 230 0 6 总计2 4 7 88 表3 - 2 2 强度方差分析表 方差来源平方和自由度均方和f 比显著性 同i 门平方和 0 4 3 45 0 0 8 7 7 4 4 f f ( 。( 5 ，3 ) = 5 3 l 剩余平方和0 0 3 430 o l l 总计 0 4 6 88 表3 - 2 3 伸长方差分析表 方差来源平方利 自由度 均方和f 比显蒋性 网 平方和 0 6 0 950 1 2 l3 3 7 3f f t 。( 5 ，3 ) = 2 8 2 剩余平方和 0 0 1 l 3 0 0 0 4 总计o 6 28 第三章竹原纤维交联改性研究 表3 - 2 4 模量方差分析表 方差来源平方和自由度均方和f 比显著性 回归平方和5 6 8 5 8 251 1 3 7 37 8 3f f o 。( 5 ，3 ) = 5 3 1 剩余平方和 4 3 5 6 831 4 5 l 总计6 1 2 1 5 18 由以上方差分析可以看出，各个目标回归拟合方程检验后，在一定程度上显 著，整理各目标回归方程，计算、求得每个指标函数在取得极值时，尿素和氯化 镁的用量，如表3 2 5 。 表3 - 2 5 各指标两种助剂处理时的理论计算值 指标 强力( c n )细度( d t e x ) 强度( c n d t e x )伸长( )模量( c n d t e x ) 尿素( g l ) 2 2 51 2 73 6 7 3 9 72 1 2 氯化镁( g l ) 2 3 72 2 62 5 81 9 12 1 7 从表中可以看出，指标强度和伸长的尿素和氯化镁的理论计算量超出了试验 设计时助剂所取的范围，从而会影响预报结果的精度，故舍去，选取细度、模量、 强力为目标函数，通过咨询专家和老师三者的权重确定为f 细度= f 强力= 0 3 ；f 模- = 0 4 ，求得助剂的使用量分别为：尿素1 9 1 ：氯化镁2 2 6 。 三、交联化学改性参数优化 1 、试验设计 在两种助剂尿素和氯化镁用量确定以后，由于交联剂浓度、焙烘时间、焙烘 温度是影响竹原纤维交联化学改性的主要因素，因此选为试验因子，采用三因子 三水平正交试验设计，安排试验方案，因子水平编码表见表3 2 6 。 表3 - 2 6因子水平编码表 冈子a 一交联剂浓度b 一焙烘温度 c 一焙烘时间 虏严 ( )( )( r a i n ) l31 2 03 251 3 0 ) 371 4 0 7 2 、试验结果讨论 第三章竹原纤维交联改性研究 表3 - 2 7 试验结果表 测试指标 abcd 强力细度伸长 模量 柔软度强度 ( c n )( d t e x )( )( c n d t e x )( 捻5 c m )( c , n dt e x ) l11l12 9 3 86 8 74 1 71 0 7 3 01 9 0 04 2 7 2l2223 1 4 36 4 l4 2 31 0 4 4 62 1 5 04 9 0 3l3332 8 8 26 5 34 0 91 1 9 0 41 7 5 04 3 9 421233 1 5 96 2 84 4 3 1 0 9 7 3 2 5 5 05 0 3 522313 2 6 56 3 24 7 81 1 0 4 42 3 5 05 1 6 623l 22 8 5 46 8 54 3 11 0 8 7 92 0 5 04 1 6 73l32 3 0 9 76 4 6 4 2 9 1 1 9 1 22 3 0 0 4 7 9 83 2 132 9 4 36 9 84 5 51 0 6 2 52 0 o o4 2 l 9332l2 7 8 66 6 94 1 l1 1 3 8 11 9 5 04 1 6 k i j 8 9 5 39 1 9 48 7 3 58 9 8 9 强t = 2 7 0 k 2 j 9 2 7 89 3 5 l9 0 8 89 0 4 4 力 5 7 k 3 j 8 8 2 68 5 1 29 2 3 48 9 7 4 k 1 j 1 9 8 l1 9 6 l2 0 7 1 9 8 8 细t = 5 9 k 2 j 1 9 4 51 9 7 l1 9 3 81 9 7 2 度3 9 k 3 j 2 0 1 32 0 0 71 9 3 11 9 7 9 k q 1 2 4 91 2 8 9 91 3 0 31 3 0 6 伸 k 2 j 1 3 5 21 3 5 61 2 7 71 2 8 3t ：3 8 9 6 长 k 3 j 1 2 9 51 2 5 l1 3 1 61 3 0 7 k 1 j 3 3 0 8 03 3 6 1 53 4 8 6 03 3 1 5 5 模 k 2 j 3 2 8 9 63 2 1 1 53 2 8 0 03 3 2 3 7t = 9 9 8 9 4 量 k 3 i 3 3 9 1 83 4 1 6 43 2 2 3 43 3 5 0 2 柔 k i ) 5 8 o6 7 55 9 56 2 0 软 i ( 2 i 6 9 5 6 5 06 6 56 5 0t = 1 9 0 0 0 度 k 3 j 6 2 55 7 56 4 o6 3 o k q 1 3 5 61 4 0 91 2 6 41 3 5 9 强 k 2 j 1 4 3 51 4 2 71 4 0 91 3 8 5t = 4 1 0 7 度 k 3 j 1 3 1 61 2 7 11 4 3 41 3 5 9 对各指标进行方差分析，各方差分析表如表3 2 8 表3 3 3 。 第三章竹原纤维交联改性研究 表3 - 2 8 强力方差分析表 离差平平均离差 方差来源自由度f 比显著性f 比临界值 方和平方和 交联剂浓度 3 6 2 2 921 8 1 1 5 1 2 7 l f ( o ，n ( 2 , 2 ) - - - 9 焙烘温度1 3 2 6 3 3 26 6 3 1 7 4 6 5 3 f ( 0 0 5 ) ( 2 ，2 ) = 1 9 焙烘时间 4 3 8 8 l22 1 9 4 11 5 3 9 f ( o 0 1 ) ( 2 ，2 ) - - - - 9 9 误差( e ) 0 2 8 5 02 表3 - 2 9 强度方差分析 离差平平均离差 ， 方差来源自由度f 比显著性f 比临界值 方和平方和 交联剂浓度 0 2 4 4 520 1 2 2 3 1 8 7 1 f ( o i ) ( 2 ，2 ) - - - 9 焙烘温度0 4 8 5 620 2 4 2 83 7 1 6 幸幸 ff o 0 5 ) ( 2 ，2 ) = 1 9 焙烘时间 o 5 6 1 720 2 8 0 94 2 9 8 f ( o 0 1 ) ( 2 ，2 ) - - 9 9 误差( e )o 0 1 3 120 0 0 6 1 从方差分析来看，在影响强力的因素中，焙烘温度对改性效果影响非常显著， 焙烘时间和交联剂浓度影响相对弱一些；在影响改性竹原纤维强度的因素中，焙 烘温度和焙烘时间对改性效果影响非常显著，交联剂浓度韵影响相对弱一些。 表3 - 3 0 细度方差分析 离差平平均离差 方差来源自由度 f 比 显著性f 比临界值 方和平方和 交联剂浓度0 7 7 1 52 0 3 8 5 81 7 9 8 焙烘温度0 3 9 0 220 1 9 5 19 0 9 t f ( o1 ) ( 2 ，2 ) = 9 ff o 0 5 ) ( 2 ，2 ) 2 1 9 焙烘时间 4 0 8 8 222 0 4 4 19 5 3 2 毒 f ( o 0 1 ) ( 2 ，2 ) - - 9 9 误著( e ) 0 0 4 2 820 0 2 1 4 从方差分析来看，在影响改性竹原纤维细度的因素中，焙烘时间对改性效果 影响非常显著，焙烘温度和交联剂浓度的影响相对弱一些。 表3 3 l伸长方差分析 离差平平均离差 方差来源自由度f 比显著性f 比i t a i 界值 方和平方和 交联剂浓度 o 1 7 7 520 0 8 8 71 4 4 4 3 0 t f ( o1 ) ( 2 ，2 ) = 9 焙烘温度0 1 8 8 420 0 9 4 21 5 3 3 2 7 ft 0 0 5 7 ( 2 ，2 ) 2 1 9 焙烘时间 0 0 2 6 320 0 1 3 22 1 3 9 2 f ( oo i ) ( 2 ，2 ) 2 9 9 误差( e ) 0 0 1 2 320 0 0 6 2 从方差分析来看，在影响改性竹原纤维伸长的因素中，焙烘温度和交联剂浓 3 i 第三章竹原纤维交联改性研究 度对改性效果影响显著，焙烘时间影响相对弱一些。 表3 - 3 2 模量方差分析 离差平平均离差 方差来源自由度 f 比 显著性f 比临界值 方和平方和 交联剂浓度 1 9 7 8 4 329 8 9 2 29 0 2 2 1 f ( o1 ) ( 2 ，2 ) 2 9 焙烘温度 7 4 9 9 8 723 7 4 9 9 43 4 2 0 0 8 f ( o0 5 ) ( 2 ，2 ) = 1 9 焙烘时间 1 2 7 3 3 1 526 3 6 6 5 85 8 0 6 6 2 f1 00 1 ) ( 2 ，2 ) - - - 9 9 误差( e ) 2 1 9 2 921 0 9 6 5 从方差分析来看，在影响改性竹原纤维模量的因素中，焙烘温度和焙烘时问 对改性效果影响非常显著，交联剂浓度影响相对弱一些。 表3 - 3 3 柔软度方差分析 离差平平均离差 方差来源自由度 f 比 显著性f 比临界值 方和平方和 交联剂浓度 2 2 3 8 8 921 1 1 9 4 91 4 3 9 2 8 f ( o j l ( 2 ，2 ) 2 9 焙烘温度 1 8 0 5 5 629 0 2 7 81 1 6 0 7 l f ( o 0 5 ) ( 2 ，2 ) = 19 焙烘时间 8 3 8 8 924 1 9 4 45 3 9 2 9 ff o0 1 ) ( 2 ，2 ) 2 9 9 误差( e ) 1 5 5 5 620 7 7 7 8 从方差分析来看，在影响改性竹原纤维柔软度的因素中，焙烘温度和交联剂 浓度对改性效果影响显著，焙烘时间影响相对弱一些。 3 、正交表的结果与讨论 根据测试指标确定的最佳工艺条件列于表3 - 3 4 ，最终确定的工艺条件如表 3 3 5 。 表3 - 3 4 各指标最佳工艺 测试指标最佳工艺条件 强度 a 2 8 2 c 3 细度 a 2 8 1 2 c 3 模鼙a 1 2 8 2 c 3 伸ka 2 8 2 c 柔软度 a 2 8 2 c 强力a 2 8 2 c 3 注：字母卜没仃数字的表示该冈子对目标无显著的影响，字母卜有两个数字的表示这两个水 平对冈子的影响相近，所以最佳i ：艺为气：b = c 。 3 2 第三章竹原纤维交联改性研究 4 、试验验证 表3 - 3 5最佳工艺条件表 交联剂浓度焙烘温度焙烘时间 项目 ( ) ( ) ( r n i n ) 参数 51 3 07 表3 3 6 最佳工艺改性纤维与未改性纤维指标比较 项细度强度强力伸长模量断裂比功卷曲数柔软度 目( d t e x )( c n d t e x ) ( o n ) ( )( c n d t e x )( c n d t e x ) ( 个2 5 m m ) ( 捻5 c m ) a6 3 94 9 73 1 7 44 5 81 1 2 6 90 1 3 95 22 0 b5 - 3 1 5 4 62 8 9 93 61 5 4 6 50 0 4 8o 1 5 注：a 一最佳工艺试验改性纤维指标；b 一未改性纤维指标 由试验验证结果来看，改性竹原纤维与未改性竹原纤维相比伸长、卷曲、柔 软性能得到了明显的提高，模量和断裂比功显著提高，由于交联剂与纤维作用形 成新的交联点，纤维的强力也得到了提高。因此，所得优化工艺在一定范围内是 可信的。 第三章竹原纤维交联改性研究 第四节本章小结 本章主要进行了交联剂制取及前处理工艺、单因子对改性效果的影响和交联 改性工艺参数的优化三部分试验，并建立了回归方程进行了方差分析，结论如下： 1 、考察不同交联剂、不同前处理工艺以及含水量和吸液量对改性效果的影响， 选取三甘醇甘油醚为交联改性的交联剂，前处理工艺为常温水处理1 5 m i n ，控制 纤维的含水量在5 0 ，改性过程纤维的吸液量控制在2 5 。 2 、考察了交联剂浓度，焙烘温度和焙烘时间对交联改性效果的影响，发现随 着交联剂浓度、焙烘温度和焙烘时间的增加，改性效果逐步得到提高，当增加程 度过高时，改性效果反而会有所下降，并且由试验数据可以看出程度过高或者过 低都不利于纤维改性效果的提高，通过建立回归方程和方差分析，初步确定交联 剂浓度为5 - - - - 7 ，焙烘时i 日j 为5 t m i n ，焙烘温度为1 2 0 。c 1 4 0 。c 。并确定工 艺流程为： 3 、通过正交试验，优化交联改性的工艺参数交联剂浓度为5 ，焙烘温度为 1 3 0 c ，焙烘时间为? m i n ；助剂用量：尿素为1 9 1 ，氯化镁为2 2 6 。 4 、验证试验结果表明：在最佳工艺参数配置下，交联改性对纤维伸长性能、 柔软性能和卷曲性能有较为明显的改善。 第四章竹原纤维碱改性研究 第四章竹原纤维碱改性研究 第一节碱改性方法工艺流程的确定 纤维碱改性技术成熟，是迄今为止唯一能进入工业化生产的改性工艺，碱改 性可以改变天然纤维素纤维的内部微观结构和袁碰形态，从而达到改善纤维服用 性能的目的，主要应用于麻、棉的纤维和织物。由于竹原纤维与麻、棉同属于天 然纤维素纤维，碱改性机理一致，在工艺流程确定的过程中可以借鉴参考，但是 竹原单纤维长度很短，实际生产中使用的是工艺纤维，为了减少在改性过程中对 纤维的损伤，同时达到中和碱液的目的，适当降低酸浴的浓度，将传统的一步酸 浴法改为两步法，综上所述，确定竹原纤维碱化学改性工艺流程： 脱胶竹原纤维一浸碱一脱碱一抖松一酸浴一酸浴一水洗一脱水一给油一脱水 一抖松一烘干。 第二节碱改性法的单因素探讨 在碱改性过程中，溶胀剂的选择对纤维改性效果的影响是至关重要的，溶胀 剂对纤维素作用的真正单元不是单一的大分子，而是由分子间氢键结合而成的纤 维素链片，由于溶胀剂的渗入，使纤维产生溶胀和膨化。碱液种类不同，溶胀能 力也不同，原因在于金属氧化物对纤维素的溶胀作用与碱金属离子半径和水化度 有关，水化能力越强对纤维素溶胀作用越大。由表4 1 可知钠离子比钾、铷、铯 离子的水化能力都高【悖】，且离子半径小易于穿透纤维素链片间引起结晶区的溶胀， 同时氢氧化钠价格较低，综合使用效果良好。 表4 1 碱金属离子半径和水化度 项目l in akr bc s 离子半径( a )0 7 8 0 9 81 3 31 4 61 6 6 水化度1 2 06 61 61 41 3 在选定氢氧化钠作为溶胀剂之后，影响碱化学改性效果的因素还有碱液的浓 度、浸碱的时间和温宣等客观因素，一般来说，在一定的浸碱温度和时问下，随 着碱液浓度的增加纤维素的溶胀程度也增加，当达到一定浓度后溶胀度最大，而 后碱液浓度再增加，溶胀度反而会下降：纤维素与碱液反应足个放热反应，因此 纤维在浸碱时温度的过高会导致氢氧化钠化学结合量的下降并减少水化程度，进 而影响反应的速度和程度；随着浸碱时间的增加，溶胀剂对纤维的溶胀作用会增 第四章竹原纤维碱改悔研究 大。此外，在配置溶液时溶剂的不同会改变碱纤维素的水解作用大小，在本次试 验过程中考虑到实际的应用，选取水作为配置碱液的溶剂。 一、碱液浓度对改性纤维的影响 由于碱法改性必须在一定的碱液浓度中进行，碱液浓度的变化对纤维的溶胀 效果、细度的变化以及强伸性能方面有非常显著的影响，在保证浸碱的温度和时 间等因素定的情况下，来确定合适的碱液浓度，工艺参数如下： 温度( t ) 、时间( t ) 、浴比( v ) 一定。其中t - - 4 5 ：t = 1 2 m i l 3 ：v = l ：2 0 ： 碱液浓度由1 4 0 9 l - - - 2 2 0g l ，变化的间距为2 0 9 ，分别取1 4 0 9 l ；1 6 0g l ； 1 8 0g l ；2 0 0g l ；2 2 0g l ； 酸浴：硫酸：1 2 5 o 5g l ；硫酸钠：9 0 + 5g l ；硫酸锌：8 + 0 5g l ； 酸浴温度：4 0 + 5 ：酸浴时间：8 m i n ，同一条件下进行两次； 水洗：水洗至中性； 脱水：5 3 含水率； 给油：乳化油浓度：2 ；温度：8 5 3 ；浴比：l ：1 0 ，时间：3 小时； 烘干：1 0 0 烘干。 图4 1 图4 - 4 分别为改性竹原纤维模量、伸长、细度和强度与碱液浓度间关 系拟合图。纵坐标为改性纤维的各个指标，横坐标为碱液的浓度，由最d x - 乘法， 经方差检验得拟合方程( 式中，x 为碱液浓度) 如下： 模量( c n d t e x ) ：y 1 3 3 4 9 x + 3 5 5 2 8 伸长( ) ：y = 0 0 6 5 8 x 一6 1 4 7 细度( d t e x ) ： y = o 0 3 0 8 x 一0 6 6 6 强度( c n d t e x ) ：y = - 0 0 2 6 x + 9 0 2 4 甘 z ? 刚 辎 鬟 v 出 b 图4 1 玫性纤维模域与碱液浓度的关系 图4 2 改性纤维伸k 与碱液浓度的关系 3 6 第四章竹原纤维碱改性研究 o 专 v 麒 图4 - 3改性纤维细度与碱液浓度的关系 每个指标的拟合方程都经过方差检验， 分析见表4 - 2 - - 表4 5 。 1 4 01 6 01 8 02 0 02 2 0 怅度( ，l ) 图4 - 4 改性纤维强度与碱液浓度的关系 在一定程度方程显著，各个指标方差 表4 2模量方差分析表 方差来源平方和自由度均方和f 比显著性 一次项 7 1 2 7 2 9 8 0l7 1 2 7 2 9 8 01 0 4 6 9 f f o o l ( 1 ，2 ) = 9 8 5 二次项 3 8 0 1 2 1 613 8 0 1 2 1 65 5 8 f f 。惦( 1 ，2 ) = 1 8 5 二次项0 5 4 8 l 1 0 5 4 8 1o 5 9f e ( 1 ，2 ) = 1 8 5 二次项0 0 4 3 5l0 0 4 3 50 4 5f f o 循( 1 ，2 ) = 1 8 5 二次项 0 2 0 9l0 2 0 91 6 4f f ( 1 ，2 ) = 1 8 5 _ 二次项o 0 7 1 4lo 0 7 1 40 6 3f f i ，( 1 ，2 ) = 8 5 3 剩余0 2 2 8 520 1 1 4 3 总计 3 9 0 0 04 3 9 幻 o 蕃茹2：棚辱 5 4 3 2 ， d x耄名)毽牡 第四章竹原纤维碱改性研究 表4 7细度方差分析表 方差来源 平方和自由度均方和 f 比 显著性 一次项0 0 2 6 0 l 0 0 2 6 01 6 3f f o ，( 1 ，2 ) = 8 5 3 剩余 o 0 3 1 920 0 1 5 9 总计 o 2 1 6 5 4 表4 - 8强度方差分折表 方差来源平方和自由度均方和f 比显著性 一次项 o 1 1 41o 1 1 43 0 8 f f o ( 1 ，2 ) = 1 8 5 剩余 0 0 7 320 0 3 7 总计 0 9 5 34 由图4 - 5 图4 8 可以看出，随着碱浸时间的增加，改性纤维的细度呈现出先 增加，然后下降的变化规律；伸长呈上升的趋势；强度以二次规律变化，而模量 与浸碱时间的变化比较复杂，没有呈现出明显的规律性，但是与未改性纤维相比 模量下降很多，且在1 8 m i n 后纤维模量有较为明显的下降趋势。在时间变化的初 始阶段，由于时间较短，碱液与纤维反应并不充分，造成碱液对纤维作用的不均 匀性增加。从而使得纤维在初始阶段强力、强度比较低，伸长、细度较小，随着 时间的进一步增加，碱液浸入纤维内部与纤维素充分反应，纤维的结晶度和取向 度下降，内应力减小，改性纤维的性能得到明显的改善，由试验数据可以看出， 改性纤维在时间1 5 2 1 m i n 变化区间内各项指标变化明显。 三、浸碱温度对改性纤维的影响 通过浸碱时间单因子试验，选定浸碱时间为1 8 m i n ，碱液浓度为2 0 0 9 l ，浴 比同前单因子试验，考察浸碱温度对竹原纤维改性效果的影响，浸碱温度由2 5 6 5 ，变化间距为l o 。c ，分别取2 5 、3 5 、4 5 、5 5 、6 5 。后道处理工序 保持不变。 改性纤维伸长和强度与浸碱温 曼关系，经方差检验后不甚著，图4 1 0 和图4 1 2 给出了伸长与浸碱温宣变化趋势图图4 - 9 图4 1 1 为模量、细度与浸碱温度的 拟合曲线图。 第四章竹原纤维碱改性研究 2 53 5街箱6 5 鬻 v 出 口 图4 1 0 改性纤维伸长与浸碱温度的关系 右跖讴 弱铂 倔度【) 图4 - 11 改性纤维细度与浸碱温度的关系图4 1 2 改性纤维强度与浸碱温度的关系 纵坐标为改性纤维的各个指标，横坐标为浸碱温度，由最d , - 乘法，经方差 检验得拟合方程( 式中，x 为浸碱温度) 如下： 模量( c n d t e x ) ：y = 0 4 9 1 x + 4 9 5 2 5 细度( d t e x ) ： y = o 0 0 0 1 x 3 0 0 2 0 5 x 2 + 0 8 7 4 7 x 一3 5 5 2 5 每个指标的拟合方程都经过方差检验，检验水平相同，各指标方差分析表见 表4 9 、表4 1 0 。 表4 - 9模量方差分析表 方筹来源 平方和臼由度均方和 f 比 显性 一j ! 欠项3 6 0 0 0l3 6 0 0 03 1 5 0f ) f 。( 1 2 ) = 8 5 3 _ 二次项0 0 7 1 4l0 0 7 1 40 6 3f f o 。( 1 ，1 ) = 3 9 9 二次项0 0 2 8 l1 0 0 3 8 1 2 9 6f f o 。( 1 。1 ) = 3 9 9 剩余 0 0 0 9 6l0 0 0 9 6 总计 0 9 8 8 94 由图4 9 图4 1 2 可以看出，随着碱浸温度的增加，改性纤维的伸长变化在 超过4 5 c 以后有较为明显的下降趋势，而模量呈现出一次上升的变化规律，斜率 变化较小。纤维的细度变化规律比较复杂，在初始阶段纤维有上升的趋势，在温 度3 5 的时候纤维细度达到最大值，随着温度的进一步增加，纤维细度有明显的 下降，当温度达到5 5 以后变化不再明显。而纤维的强度伴随着温度的增加，也 呈现出先增加后下降的变化规律。 纤维素的溶胀实际包括水化和溶胀两个过程。在水化阶段中，纤维与碱液发 生作用，同时伴有放热现象，但纤维素的体积并无变化。溶胀阶段，纤维素在碱 液中产生溶胀量，同时亦产生放热现象。由于竹原纤维是工艺纤维，表面附有一 层胶质，在温度变化的初始阶段，由于温度较低，溶液的分子自由能较低，碱液 不容易渗入纤维内部与纤维素发生作用，因此在初始阶段纤维细度随着温度的增 加碱液与纤维素反应增加引起纤维素的溶胀，结晶度、取向度下降，细度有上升 的趋势，随着温度的进一步增加，由于碱液与纤维素反应是放热反应，温度的增 高抑制了反应的进行，因此细度、伸长呈现出下降，模量上升的规律。由图可以 看出浸碱温度在3 5 - 5 5 之间的时候纤维改性效果明显。 四、浴比对改性纤维的影响 温度( t ) 、浓度( g l ) 、时间( t ) 一定。考察浴比对竹原纤维改性效果的影 响。其中t = 4 5 ；m - - 2 0 0 9 l ：t = 1 8 m i n 。 在浴比变化时，有两种可能的情况，一种是保持碱液的浓度不变：另一种是 保持投料比不变使碱液的浓度降低或者升高。在考察浴比变化的时候，本论文中 以前面试验中所用的浴比( 1 ：2 0 ) 作为标准，同时考察了l ：1 0 和l3 0 两种情 况，溶液配比情况分别如表4 一l l 和表4 1 2 ，并进行了对比分析。 4 2 第四章竹原纤维碱改性研究 1 、浴比为1 ：1 0 。 表4 - 11 浴比为1 ：1 0 时溶液配比 代号浴比 溶液量( m 1 )用碱量( g ) a l1 ：1 0 5 0 1 0 0 21 ：1 05 02 0 注a l ：保持碱液浓度不变；a 2 ：投料比不变。 2 、浴比为l ：3 0 。 表4 一1 2浴比为l ：3 0 时溶液配比 代号浴比溶液量( m 1 ) 用碱量( g ) c l1 ：3 01 5 03 0 c 21 ：3 01 5 02 0 注c l ：保持碱液浓度不变；c 2 ：投料比不变。 在下面的图中，其中b 代表的是温度t ( 4 5 。c ) 、浓度m ( 2 0 0 9 l ) 、时间t ( 2 1 m i n ) 一定，浴比为l ：2 0 的标准浴比。 图4 1 3改性纤维模颦与浴比的关系图4 1 4 改性纤维伸长与浴比的关系 -b c bc 静比 褥嫩 图4 1 5改性纤维细皮与浴比的芙系图4 1 6改性纤维细度与浴比的火系 由试验数据变化趋势图4 1 3 - 图4 1 6 可以看出，在浓度一定的时候( 2 0 0 9 l ) ， 纤维在不同的浴比的情况下，在a l 、b 和c l 三种情况下，模量有下降的趋势，并 4 3 s i 5 s 5 z 5 l s o l 2 i o 一：、电)珂拳 第四章竹原纤维碱改性研究 且在浴比为1 ：2 0 和1 ：3 0 的时候变化明显，且c l 即l ：3 0 的时候模量最小，这是 纤维在碱液中充分浸润、溶胀反应，纤维的结晶度和取向度下降的缘故。而在相 同浴比的情况下，随着碱液浓度的增加，模量有明显的下降 从纤维的伸长来看，在浓度一定的时候( 2 0 0 9 l ) ，纤维在不同的浴比的情况 下，在a l 、b 和c l 三种情况下，伸长有明显的增加，且c l 即浴比l ：3 0 的时候 纤维的伸长最大。而在相同的浴比情况下，随着碱液浓度的上升，纤维的伸长在 浴比为l ：1 0 的情形下伸长最小，但变化不明显；而浴比在l ：3 0 的时候，纤维 的伸长却有上升的趋势，达到了最大值。 从纤维的细度来看，在碱液浓度一定的时候( 2 0 0 9 l ) ，纤维在不同的浴比情 况下，在b 和c l 两种浴比时纤维细度变化不明显，而在浴比为a 1 的时候，纤维 细度明显变细，这是由于浴比过小，纤维未能在碱液中充分溶胀反应的缘故。而 在相同浴比的情况下，随着碱液浓度的上升，纤维细度均有明显的上升趋势。 从纤维的强度来看，在浓度一定的时候( 2 0 0 9 l ) ，纤维在不同的浴比的情况 下，在a l 、b 和c l 三种情况下，强度有较明显的减小，且c 1 即浴比l ：3 0 的时 候纤维的强度最小。而在相同的浴比情况下，随着碱液浓度的上升，纤维的强度 在a 2 即浴比为1 ：1 0 的情形下强度最小，；而浴比在l ：3 0 的时候，纤维的强度 随着碱液浓度的增加，强度也呈下降的趋势。 由以上的分析可以看出，在不同的浴比情况下，各指标随碱液浓度的变化规 律与单因子试验中随碱液浓度变化规律是一致的，且在浴比为l ：2 0 的时候改性 纤维综合性能优良，在综合考虑水、氢氧化钠用量以及改性效果的情况下，浴比 选择为1 ：2 0 合适。 五、碱液回用试验 在碱化学改性过程中，碱液的浓度非常大，达到了2 2 0 9 l ，这样大浓度的碱 液在碱浸过程中与竹原纤维发生反应后，有大量的碱液剩余，如果直接排放到自 然界中，不但引起极大的环境污染，而且浪费大量的原料，为了充分利用原料， 节约成本，减少污染，进行了碱液回用的试验，在碱液回用之前，由酸碱滴定的 方法测试回用碱液的浓度，然后计算出需要加入的氢氧化钠的量，配胃成与未回 用碱液相同的浓度，试验验证了碱液经过两次回用后竹原纤维的改性效果。表4 1 3 列出了经过回用碱液处理的竹原纤维的物理性能。 第四章竹原纤维碱改性研究 表4 1 3碱液二次回用改性竹原纤维性能对比 细度强度强力强力不匀伸长模量 指标 ( d t e x )( c n d t e x )( c n )( )( )( c n d t e x ) 未同用7 5 83 4 22 5 9 22 2 39 85 6 7 3 一次同用7 4 63 3 4 2 4 9 l2 4 8 9 45 7 2 5 二次同用 7 5 53 5 02 6 4 42 5 98 - 36 7 5 4 从试验数据可以看出碱液经过两次回用之后，改性竹原纤维的性能变化不大， 二次回用后纤维的模量有稍微