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新疆棉秆皮纤维纺纱性能的研究方向探讨

摘要 : 新疆作为全国的商品棉基地,实施棉花目标价格改革政策后,2017年度棉花总产量在450万吨以上。棉花秸秆作为棉花生长的枝干,其数量远远大于棉花。棉花采摘完毕后,棉秆大部分被焚烧或者直接翻埋沤肥,焚烧棉秆会造成严重的环境污染,直接翻埋沤肥的降解周期长
        新疆作为全国的商品棉基地,实施棉花目标价格改革政策后,2017年度棉花总产量在450万吨以上。棉花秸秆作为棉花生长的枝干,其数量远远大于棉花。棉花采摘完毕后,棉秆大部分被焚烧或者直接翻埋沤肥,焚烧棉秆会造成严重的环境污染,直接翻埋沤肥的降解周期长,未降解的棉秆会对地膜等设施造成伤害。棉秆皮纤维存在于棉花秸秆的表层韧皮中,是由纤维素伸长增厚形成的长纤维,这种纤维是纯天然有机纤维,绿色环保,可以自然降解。
        棉秆皮纤维是一种优良的韧皮长纤维,棉秆皮部分占整株棉秆重的26%,棉秆皮中纤维素含量高达70%,纤维长度多分布在5cm~25cm,细度为2.77tex~4.46tex,断裂强力44.63cN/tex,断裂伸长7.56%;其长度比黄麻、大麻和竹纤维要长,细度与亚麻、黄麻接近,断裂强力与亚麻接近,比黄麻、竹纤维要高 [1] ,断裂伸长比亚麻、黄麻、竹纤维都要高。由此可见棉秆皮纤维具有较强的可纺性能,通过试验已经证明棉秆皮纤维经过精细处理后可以应用于纺织,如果能够大规模推广,不仅能避免资源浪费,还能显著增加农民收入。

棉秆皮纤维脱胶工艺

        棉秆皮纤维是由纤维素、果胶、半纤维素、木质素和灰分等组成,其中纤维素等成分都是由果胶作为粘合剂粘结在一起,只有对棉秆皮纤维进行脱胶处理,才能得到适于纺织的纤维,并且脱胶的方法和效果决定了棉秆皮纤维的可纺性和染色性 [2] 。传统的棉秆皮脱胶方法采用化学方法或天然水沤法,化学法环境污染严重,水资源消耗大,水沤法劳动生产率低、耗费时间长。考虑到新疆水资源匮乏,生态资源基础脆弱,因此认为棉秆皮纤维的脱胶研究方向为绿色环保的生物酶脱胶法、闪爆脱胶法、超声波脱胶法。
        生物酶脱胶法就是将脱胶菌培养到菌生长的衰老期后进行过滤或离心等处理,得到的粗酶液,再将粗酶液提纯、浓缩为液剂或粉剂,使用时再还原成粗酶液,用于浸渍棉秆皮,使其酶解脱胶 [3] 。生物酶脱胶法具有纤维损伤小、环境污染少等优点,但面临的困难主要是产酶菌种活力太低,去除木质素效果不是很好,脱胶后的纤维还含有较多的残留胶质,目前国内生物酶脱胶的应用尚未形成规模。
        闪爆脱胶法就是在高温高压条件下,水蒸气渗入到纤维素分子内部与纤维素内部羟基形成氢键,由于闪爆过程是瞬间完成,吸附在纤维素内孔及间隙的水蒸气瞬间冲出,释放出巨大的能量,足以打断纤维束间的化学键结合,达到脱胶的目的。闪爆脱胶法具有处理时间短、高效、低成本、无污染等优点,同时闪爆脱胶法还能够有效改善纤维的结构,提高了纤维的热稳定性及化学反应性能,但也存在蒸汽闪爆压力较难控制、纤维分裂度不高等问题。
        超声波脱胶法就是利用超声波特有的“空化效应”,通过对预处理后棉秆皮纤维微观结构中水分子的作用,液体中的微小泡核在声波作用下被激活,表现为泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程,再通过微波独特的加热方式,达到松解和去除棉秆皮中胶质的目的。超声波脱胶法具有脱胶时间短、能耗小、低环保等特点,且在保护纤维原有结构基础上,大幅度改善其可纺性能,但也存在脱胶设备费用较高,效果影响因素复杂,技术研究不够广泛等问题。

棉秆皮纤维柔软处理方法

        脱胶后得到的棉秆皮纤维束,细度显著提高,但仍具有弯曲刚度大、成网抱合力差等缺点,在棉型梳理机上成网困难,无法直接与棉及其他纤维进行纺纱,需要进行棉秆皮纤维柔软处理,增加纤维的柔软度,改善回潮率,降低表面摩擦系数等。纤维柔软处理方法主要有草酸交联法、阳离子活性剂法和养生软化法。通过相关试验对比,认为研究方向为对纤维损伤小、试剂残留量少的养生软化法。
        草酸交联法是使用化学的方法,通过交联剂的作用,使纤维分子间发生缩聚反应和加聚反应,生成三维网状结构的大分子,试验证明经适度交联,纤维的柔软度会有所改善,但会对纤维造成不同程度的损伤。
        阳离子活性剂法就是利用纤维素在水中,因为电离作用呈现负电性,加入带有正电性的阳离子活性剂后,发生定向吸附,借助阳离子活性剂的特殊性能可以改善纤维的柔软度,但是阳离子活性剂的吸附具有较强的作用力不易发生脱附,致使纤维增重率很大,试剂残留比较严重。
        养生软化法是指用油剂、助剂等制备养生乳液,养生乳液在一定条件下对纤维进行处理,表现为纤维表面的吸附和纤维内部的渗透,从而增加纤维的强度、柔软度、控制静电的产生。油剂包括各种矿物油、植物油和动物油,助剂包括乳化剂、渗透剂、柔软剂等 [4] 。这种吸附和渗透的作用力较弱,不会产生严重的纤维增重,有效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。

棉秆皮纤维纺织改性方法

        棉秆皮纤维经过柔软处理之后,适纺性能明显改善,可以与棉等纤维进行混纺,得到不同纺织类型和混纺比例的纱线或面料。根据棉秆皮纤维具有高结晶度、高取向度、断裂伸长小、卷曲性小、初始模量大等缺点,预计其纱线或面料粗糙硬挺,毛羽多、染色性差,穿着时有刺痒感,易折皱,为了克服这些缺点,就要进行棉秆皮纤维的纺织改性处理。改性处理方法主要有化学处理法、低温等离子法、生物酶法、超声波处理法、液氨处理法等。化学处理法对纤维有不同程度的损伤,环境污染严重,认为研究方向为节能环保的低温等离子法、生物酶法、超声波处理法、液氨处理法。
        低温等离子处理法是利用等离子体中含有的大量电子、离子、激发态的原子、分子等活性粒子,用其轰击材料表面时会将能量传递给表层分子,使材料发生热蚀、交联、降解和氧化反应,在材料表面产生大量的自由基或引进一些极性基团,从而使材料表面性能获得优化。试验结果表明通过等离子体作用,明显改进棉秆皮纤维的染色性能,同时对接枝改性效果也较好 [5] 。
        生物酶法是通过生物酶催化作用,使纤维素大分子发生水解,从而改变分子间结构。此方法对环境污染小,节约能源,整理后的纱线和面料上不残留任何有害化学物质。试验结果表明经过生物酶法整理的棉秆皮纤维白度、断裂强度有所下降,但是织物的手感变得柔软,品质提高。超声波处理法是通过超声波的“空化效应”,对纤维微观结构中水分子的作用,使纤维无定形区的空隙加大,同时提高染料的分散程度,致使染料分子更容易地扩散进入纤维的无定形区。试验表明超声波处理后,棉秆皮纤维上染速率增大,匀染透染性好,可以实现织物的低温短时间染色等效果。
        液氨处理法是利用液氨分子量小,能渗入纤维内部,引起纤维均匀膨化,从而松弛了织物加工过程中所受的各种应力,提高纤维分子间定向排列程度,同时又不损伤纤维,作用完毕能够快速渗出,达到改变纤维性质的目的。
试验结果表明用液氨整理出的纱线和面料具有尺寸稳定、回弹性好,布面平整、纹路清晰,光泽柔和、手感滑爽,变色少等显著特点 [6] 。
        通过上面的分析可以看出,棉秆皮纤维具有很高的可纺性能和使用价值,是优质的天然纤维 [7] 。然而目前对棉秆皮纤维纺织性能方面的研究还远远不够,没有开发出棉秆皮纤维的经济价值,造成大量宝贵资源的废弃。应当从节能环保、减少化学残留的方向,加大力度对棉秆皮纤维的综合利用进行研究,弥补我国天然纺织纤维资源的短缺。文章不足之处请大家指正。
参考文献:
[1] 张胜靖,李龙.棉秆皮纤维柔软处理工艺与梳理性能研究[D].西安:西安工程大学,2010:20-23.
[2] 李龙,盛冠忠,吴磊,棉秆皮资源利用开发研究[J],中国麻业科学,2008(4):12-13.
[3] 张燕,陈宇岳,亚麻纤维蛋白质改性及结构与性能研究[D].江苏:苏州大学,2009:25-27.
[4] 吴君南,陈建勇,郝新敏,闪爆处理对环麻纤维脱胶效果结构与性能影响的研究[D].浙江:浙江理工大学,2008:31-33 .
[5] 杨震,陈建勇,棉秆皮高温快速脱胶及棉秆皮纤维结构性能的研究[D].浙江:浙江理工大学,2003:27-29.
[6] 杨英贤,姜宜宽.罗布麻超声波脱胶工艺研究[D].青岛:青岛大学,2006:36-38.
[7] 裴华强,翟耀华,棉秆皮纤维化学脱胶工艺初探[J],山东纺织科技, 2008(4):30-32.
(作者单位:喀什地区纤维检验所)
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