鞠 金 星， 王 宝 权， 吕 站 逵， 季 英 超

( 1.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034; 2.辽宁中泽集团朝阳纺织有限责任公司, 辽宁 朝阳 122000 )

0 引 言

大麻纤维适应性强,种植期间不需要喷洒农药和施肥,对周围环境没有污染[1],而且大麻纤维具有吸湿透气、抗菌保健、抗紫外线辐射和消音吸波功能,且刺痒感相对较弱[2]。大麻织物具有“挺而不硬、轻而不飘、爽而不皱”的特点,正是具有这些优越的特性使大麻成为夏季面料中必不可少的原料[3]。但由于大麻纤维结构和化学组分不同于棉、苎麻和亚麻,纤维比较硬,且长度和细度十分不匀,因而大麻纱线在针织机上直接编织成圈困难,易出现断纱、破洞、坏针等问题[4]。为了满足市场的要求,目前均采用大麻纤维混纺来降低纱线刚性。作者提出了先采用氢氧化钠对大麻纱线预处理,再使用柔软剂处理来降低大麻纱线刚度的方法,以期达到生产纯大麻针织产品的目的。

1 碱改性作用原理

为了改善大麻纱线的柔软性,使大麻纱线能在针织机上容易编织成圈,采用氢氧化钠溶液处理大麻纱线。其机理是大麻纤维素在碱液中会吸湿膨胀,一方面纤维自身形态结构发生变化,其结晶度和取向度减弱,而纤维分子中无定形区增加;另一方面碱液渗入纤维素原纤结构,与微原纤之间的半纤维素和木质素发生作用,消除纤维内部应力,使聚合度降低,纤维初生壁及纤维间木质素含量降低,从而使纤维本身变得柔顺[5-6]。

2 试 验

2.1 材料及仪器

原料与试剂:41.7 tex大麻纱线,氢氧化钠,阳离子柔软剂CWS.CON。

仪器:数显恒温水浴锅,电子天平,YG061型纱线电子强力仪,烘箱。

2.2 工艺流程

纱线→浸润→碱改性(浴比为1∶20)→水洗→柔软整理→水洗→烘干。

2.3 测试及评定方法

断裂强力与初始模量:按GB/T 3916—1997《纺织品、卷装纱、单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定实验方法》,在YG061型纱线电子强力仪上测定。初始模量的大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度,即纤维的初始模量大,其制品比较挺括；反之,初始模量小,制品比较柔软[4]。

减量率:按标准方法测试出试验前后试样的质量,并按式(1)计算:

(1)

通过减量率能够反映氢氧化钠对纱线的处理程度,减量率应控制在3%以内。

3 结果与讨论

3.1 碱改性工艺条件的选择

3.1.1 碱改性正交试验

为优选适用于大麻纱线的柔软工艺,以碱液质量浓度(ρ)、温度(θ)、浸渍时间(t)作为主要影响因素,选用初始模量、断裂强力、减量率作为分析指标进行正交试验[7],结果如表1所示。

表1 正交试验方案与数据处理

由表1试验结果可知,对大麻纱线初始模量的影响因素显著次序为碱液质量浓度>温度>浸渍时间,且Fρ(2,2)=595.66>F0.1(2,2)=9.0,所以碱液质量浓度在水平α=0.1下显著；由Fθ(2,2)=4.02>F0.25(2,2)=3.0可知,温度在水平α=0.25 的条件下显著；浸渍时间对初始模量的影响不大。对大麻纱线断裂强力的影响因素显著次序为碱液浓度>温度>浸渍时间,且Fρ(2,2)=140.58>F0.1(2,2)=9.0、Fθ(2,2)=3.38>F0.1(2,2)=9.0,所以碱液质量浓度与温度在水平α=0.1下显著；由Ft(2,2)=4.13>F0.25(2,2)=3.0可知,浸渍时间在水平α=0.25的条件下显著。对大麻纱线减量率的影响因素显著次序为碱液质量浓度>温度>浸渍时间,且Fρ(2,2)=38.50>F0.1(2,2)=9.0,所以碱液质量浓度在水平α=0.1 下显著；由Fθ(2,2)=7.50>F0.25(2,2)=3.0可知,温度在水平α=0.25的条件下显著；浸渍时间对纱线减量率的影响不大。

通过分析纱线初始模量、断裂强力、减量率及工艺条件综合考虑得出最佳工艺条件为:碱液质量浓度100 g/L,温度20 ℃,浸渍时间20 min。在此工艺条件下整理的大麻纱线,初始模量降低了62.73%,手感柔软,可编织性能明显提高,且断裂强力降低1.82%(小于5%),减量率为2.0%(小于3%),同时碱用量与温度都较低,有利降低成本和排放。为了验证最优工艺条件,对不同影响因素做以讨论并且进行了单因素分析。

3.1.2 碱液质量浓度对纱线性能的影响

对大麻纱线进行改性处理时,碱液浓度是非常重要的因素[8]。为了考察碱液浓度对改性效果的影响,在温度20 ℃、浸渍时间20 min、浴比1∶20的工艺条件下,采用不同质量浓度的氢氧化钠溶液对大麻纱线进行柔软整理,处理后纱线性能指标见表2。

表2 碱液质量浓度对大麻纱线性能的影响

Tab.2 Effect of alkali concentration on performance of hemp yarns

ρ/(g·L-1)初始模量/(cN·tex-1)断裂强力/cN减量率/%8084.96897.551.610057.88887.662.112054.05873.602.715043.35811.754.518040.64779.905.1

由表2可知,随氢氧化钠质量浓度的提高,纱线初始模量与断裂强力下降,但减量率增加；而当氢氧化钠质量浓度增加到150 g/L以上时,强力下降过大,减量率过高,而纱线初始模量降低不明显。这可能是由于氢氧化钠质量浓度在150 g/L时,大麻纤维产生了不可逆溶胀,继续提高碱液浓度,纤维的溶胀程度增大,消晶和解取向程度更大,导致强力下降很大。综合考虑成本与纱线的可编织性能,确定氢氧化钠质量浓度在100 g/L较合适。

3.1.3 温度对纱线性能的影响

在大麻纱线改性的反应中,温度也是一个很重要的影响因素[9],它影响氢氧化钠反应速度。在碱液质量浓度100 g/L、浸渍时间20 min、浴比1∶20的工艺条件下,采用不同温度对大麻纱线进行处理,处理后纱线性能指标见表3。

表3 温度对大麻纱线性能的影响

Tab.3 Effect of temperature on performance of hemp yarns

θ/℃初始模量/(cN·tex-1)断裂强力/cN减量率/%2056.47887.332.04056.15886.692.46055.30885.812.78052.28810.403.7

由表3知,温度升高对纱线手感影响不大,但纱线断裂强力却有较大降低,减量率增加明显。因此,温度应控制在一定范围内,即确定为20 ℃。

3.1.4 浸渍时间对纱线性能的影响

在碱液质量浓度100 g/L、温度20 ℃、浴比1∶20 的工艺条件下,采用不同浸渍时间对大麻纱线进行处理,处理后纱线性能指标见表4。

表4 浸渍时间对大麻纱线性能的影响

Tab.4 Effect of soaking time on performance of hemp yarns

t/min初始模量/(cN·tex-1)断裂强力/cN减量率/%1556.98887.652.02056.47887.332.02555.87876.522.53055.30863.662.7

由表4可知,氢氧化钠作用时间长短对纱线手感影响不大,而当时间过长时,纱线的强力损失很大,减量率过高。因此浸渍时间确定为15 min比较合适。

通过正交试验与单因素分析确定了最优的碱改性工艺条件为:碱液质量浓度为100 g/L,温度20 ℃,浸渍时间15 min,浴比1∶20。

3.2 超柔软整理讨论

大麻纱线经碱改性处理后纱线刚性下降,手感柔软性得到改善,可编织性能提高。但纱线表面不滑顺,毛羽较多。为进一步提高大麻纱线的柔软整理效果,采用柔软剂进行柔软再处理降低大麻纱线的刚性,提高纱线的上机编织性能[10]。柔软整理配方与工艺如下:柔软剂2.5 g/L,渗透剂4 g/L,温度50 ℃,时间40 min,浴比1∶8。

经超柔软整理后纱线的初始模量降低66.43%,柔软度进一步提高,纱线表面滑顺,毛羽减少。这是由于经碱处理后使纤维形态结构发生变化,更容易使柔软剂中的反应基团与大麻纤维表面的羟基等相互作用,在纤维表面形成非常牢固的吸附,从而在纤维表面生成一层极薄的膜,降低了纤维与纤维之间的摩擦系数。从表面化学观点来看,经柔软整理后,大麻纤维的表面能降低,纤维容易舒展,使纱线产生柔软滑顺的性能[6]。

4 结 论

(1)大麻纤维的改性程度越高,其性能也越优。在大麻纱线柔软处理中,通过正交试验与单因素分析,确定碱改性处理的最优工艺条件为:碱液质量浓度为100 g/L,温度20 ℃,浸渍时间15 min,浴比1∶20。

(2)大麻纱线经碱改性后,纤维的结构形态和物理性能发生变化,大麻纱线的柔软性得到改善,但强力有所下降,这就要求在整理操作中应该严格按照工艺要求进行。

(3)大麻纱线经碱改性与柔软剂超柔软整理后,初始模量较原纱线降低66.43%,柔软整理效果明显,手感柔软细腻,提高了纱线的上机编织性能,为生产纯大麻针织面料提供了条件。

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