洋麻/芳纶混纺纱线的耐化学性能探究*

王春红 何顺辉 任子龙

(天津工业大学纺织学院，天津，300387)

对位芳纶因其优异的力学、热学性能而被广泛应用于军工、航天航空、防护等领域［1］。随着生产技术的进步和生产规模的不断扩大，芳纶逐步进入民用领域，但是芳纶价格昂贵，且耐酸碱性差［2］。在改善芳纶缺陷的方法中，混纺是简单有效的途径之一［3］。在众多的混纺纤维中，洋麻纤维由于可纺性差而被人们忽略，但洋麻纤维具有比强度和比模量高、质轻价廉、资源丰富及优异的吸湿导电性等优点，将洋麻与芳纶混纺，在降低产品成本的同时，利用洋麻纤维的优异性能可以改善芳纶产品的性能。本文通过对洋麻纤维进行精细化处理，使其能够与芳纶混纺，以改善芳纶产品的性能，降低芳纶产品的成本。通过测试不同混纺比纱线经过蒸馏水和酸碱处理后的质量和拉伸性能变化，探索化学试剂对纱线性能的影响。

1 试验部分

1.1 原料处理

试验所选洋麻(Kenaf)产自马来西亚，经过初步沤麻处理。洋麻纤维粗硬、无卷曲，不能直接进行混纺，需要对其进行精细化处理。对位芳纶(Kevlar 49)由美国杜邦公司生产，为使芳纶能够在棉纺系统上纺纱，需要对其进行处理。原料处理工艺见表1，洋麻纤维碱处理前后及芳纶的性能见表2。

表1 洋麻纤维、芳纶纺前处理

表2 洋麻纤维碱处理前后及芳纶性能

1.2 纺纱

洋麻纯纺比较困难，因此在洋麻中加入20%的棉纤维进行混纺，代替纯纺洋麻纱线进行性能测试。为了提高纱线强度和条干均匀度，在细纱工序后又增加了并捻联合工序。试验用纺纱设备见表3。

表3 纺纱设备一览表

1.3 纱线性能测试

将每种纱线分别使用蒸馏水、5%NaOH和5%HCl溶液在温度60℃、浴比1∶30的条件下处理5 h，测试处理前后纱线质量和强度的变化，比较纱线的耐化学性。按照标准ASTM D2256—2002《用单线法测定纱线拉伸性能的试验方法》测试纱线的拉伸性能，设备为Instron 3369型万能强力机，夹持距离为250 mm，拉伸速度为300 mm/min。

2 试验分析

2.1 纱线线密度

不同溶液对纱线线密度的作用效果有较大的差别，经过蒸馏水处理的纱线线密度略微减小，经5%HCl处理后的纱线线密度减小得最多。纱线线密度变化见图1。

图1 纱线线密度变化

在蒸馏水的作用下，5种纱线的质量都有少许减小。因为在洋麻脱胶过程中，水解后的半纤维素等物质容易重新附着在纤维表面，经蒸馏水高温处理，可以使附着在纤维表面的半纤维素等物质脱落，而洋麻纤维中的木质素、果胶质、脂蜡质、水溶物等物质也会部分溶解［4］。同时，通过长时间的高温蒸馏水处理，纺纱过程中添加的油剂被部分去除。半纤维素和油剂含有许多亲水基，去除半纤维素和油剂不仅减轻了纱线的质量，还可以减小纱线的回潮率，因此使纱线的质量减轻。

使用5%HCl处理纱线，纱线的质量都有较为明显的下降。洋麻纤维的成分主要是纤维素、半纤维素、木质素等，洋麻纤维依靠胶质连接，在酸的作用下，胶质、纤维素、半纤维素以及木质素等都比较容易水解，造成洋麻纤维的断裂。纤维素大分子依靠1-4甙键链接，酸释放出的［H+］打破了纤维素链中的甙键和葡萄糖中的杂环醚键，使纤维素水解。半纤维素酸水解机理与纤维素相似，首先酸释放的［H+］与水结合生成水合氢离子，它能使半纤维素大分子中糖苷键的氧原子迅速质子化而形成共轭酸，降低苷键键能而使其断裂，末端形成的正碳离子与水反应最终生成单糖，同时又释放出质子，后者又与水反应生成水合氢离子，继续参与新的水解反应。木质素在酸性条件下，在高温和质子的作用下产生正碳离子，同样使木质素分解为单糖而发生水解［5-7］。芳纶分子结构具有高度规整性，两个苯环通过酰胺键链接。酰胺键中的N原子电负性强，且含有孤对电子，易受到HCl溶液中大量的［H+］进攻生成带正电荷的伯胺基，从而使芳纶水解［8］。酸处理引起的酰胺键水解使芳纶表面大分子断裂和剥离，纤维表面受到刻蚀作用，造成纤维质量损失［9］。

经5%NaOH溶液处理后的纱线线密度也发生明显的下降。由图1可知，洋麻含量高的纱线，线密度变化较大。洋麻纤维中，纤维素是耐碱物质，但是半纤维素和木质素在碱性条件下都容易发生水解。半纤维素自身是无序的聚集态，使［OH－］容易与其β糖苷键作用发生碱性水解。木质素在碱性介质中，在［OH－］等亲核基团作用下使主要醚键断裂，木质素大分子碎片化，部分木质素溶解于反应溶液中。在NaOH与芳纶发生反应的过程中，［OH－］进攻酰胺键中的缺电子体C原子，通过一系列反应使 C═O键解体，从而使芳纶发生水解［8］。

不管是洋麻还是芳纶，对酸的敏感度要远远大于碱，这两种纤维在酸性条件下更容易水解，所以表现为在酸性条件下，纱线的线密度变化较大。

2.2 纱线强度

由图2可知，纱线在经过蒸馏水处理后，强度都有一定的增加。洋麻纤维有较多的孔隙，在蒸馏水的长时间处理下，水分容易进入纤维内部，使纤维横向发生膨胀，纤维间抱合力增强。蒸馏水高温处理可以减小纺纱过程中因纤维受力不匀而产生的内应力，增强纱线结构的稳定性。此外，通过蒸馏水的处理，使纱线的质量减轻，线密度减小，在纱线强力不变的情况下使纱线强度有所增加。

图2 纱线强度变化

纱线经过HCl处理后，强度都有较大幅度的下降。芳纶是由于酰胺键的水解导致分子链断裂，从纤维的表面向内部延伸，致使芳纶强度大幅度下降。酸还可以破坏芳纶的皮芯结构，使纤维的表面形成不规则的剥离，导致纤维粗细发生变化，在受力过程中，会发生应力集中现象［10］。观察洋麻/芳纶混纺纱线，发现强度损失率要小于纯芳纶和纯纤维素纤维纱线。分析认为，由纱线中纤维的转移机理可知，芳纶较细软，洋麻纤维较粗硬，洋麻纤维分布在纱线外层［11］，当酸处理纱线时，会先与外面的洋麻纤维反应，然后再向内与芳纶反应，外层的洋麻起到了保护内层芳纶的作用。混纺纱线中，芳纶是纱线强度的主要承担者，所以混纺纱经过酸处理后强度下降得不如纯芳纶那么大。观察处理后的纱线也可发现，混纺纱经过酸处理后，轻微触碰就会有洋麻碎屑落下。洋麻和芳纶耐酸性较差，酸处理能够使酰胺键和纤维素大分子水解，使纱线强度有较大损失，其中纯芳纶纱线强度损失达64.16%，纯洋麻纱线强度损失达82.66%。根据强度损失情况可知，洋麻对酸更为敏感，会先于芳纶与酸反应，起到保护芳纶的作用。比较洋麻/芳纶混纺纱线强度损失率可知，洋麻含量越高，强度损失率越低。由此可以推断，洋麻起到了保护芳纶的作用，减小了强度损失率。

不同纱线经过NaOH处理后，强度的变化也不同。洋麻/棉(80/20)纱线的强度变大，其他纱线强度降低。分析认为，纤维素纤维的耐碱性较好，碱处理可以去除半纤维素、木质素、胶质等，但是纤维素是主要的受力体，而棉纤维几乎都是纤维素，碱处理可以使纤维素发生溶胀，大分子链间的氢键被拆散，舒解了纱线中贮存的内应力。溶胀使纤维直径增大变圆，纱线结构更紧密，从而使洋麻/棉(80/20)纱线的强度增加。碱可以促使芳纶中酰胺键水解，导致大分子链断裂，芳纶的结构遭到破坏，从而导致芳纶强度降低。从含有芳纶的4种纱线来看，基本上呈现出随芳纶含量增加，强度损失增大的趋势。因此，在碱性环境下，洋麻也能起到保护芳纶的作用。

3 结语

(1)经蒸馏水处理后，能够去除附着在纤维表面的半纤维素和施加的油剂，使纱线线密度减小，强度增加。

(2)根据纤维转移理论，洋麻纤维在纱线外层，起到了保护芳纶的作用。经过酸碱处理的洋麻与芳纶混纺纱线的强度损失率比纯芳纶纱线的强度损失率要小。

(3)洋麻和芳纶对酸的敏感程度不同，洋麻更容易与酸反应，起到了保护芳纶的作用。

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