人工加速老化对棉纤维结构与性能的影响*

易 苏， 陈建芳*, 张 蓉, 谭 征

(1.湖南工程学院，湖南 湘潭 411104;2.韶山毛泽东同志纪念馆，湖南 韶山 411301)

人工加速老化对棉纤维结构与性能的影响*

易 苏1， 陈建芳1*, 张 蓉2, 谭 征2

(1.湖南工程学院，湖南 湘潭 411104;2.韶山毛泽东同志纪念馆，湖南 韶山 411301)

以白棉为例，采用光老化、热氧老化、水解老化等人工加速老化的方法对棉纤维进行老化处理，表征了老化前后各样品的化学结构、表面形态、力学性能及白度.研究结果表明：人工加速老化方法可以强化老化因素，有效确定各因素对棉纤维老化程度的影响；光、热、氧化、酸或碱水解等均对棉纤维的老化有影响，高温和氧气的协同作用及酸水解对其结构与性能的影响较大；老化时间的增加会使棉纤维结构与性能的损伤增大.

棉纤维；人工加速老化；化学结构；表面形态；力学性能

棉纺织品以其吸湿透气、抗静电、穿着舒适、手感柔软等优良性能和低廉的价格，深受消费者喜爱，应用市场广阔[1].然而，棉纺织品在潮湿、通风不良、光线辐射和氧化等环境中极易发生色变和老化，使其性能大大降低[2，3].因此，棉纺织品保护方法研究就显得十分必要.对棉纤维老化程度的确定以及老化原因的探索，是研究、选择及评价棉纺织品保护方法的重要依据，具有重要的现实意义[3,4].

材料的老化损伤是诸多因素综合作用的结果[5～7].只有有效地把握单一环境下的老化状况，才能更进一步地研究多种因素作用的老化过程.目前，普遍采用人工加速老化方法模拟单一因素作用的自然老化过程[3,8～11].

本文采用光、热氧、水解等人工加速老化方法研究各种外部因素对棉纺织品纤维结构和性能的影响.旨在了解各因素对棉纤维老化程度的影响，为棉纺织品保护方法研究及后续防老化材料的制备奠定基础.

1 实验部分

1.1 棉纺织品的人工老化

1.1.1 主要材料 纯棉织物：白色商售机织纯棉布.药品：NaOH、HCI等(AR，市售).

1.1.2 老化条件 老化有如下三种形式.

1) 光老化：样品置于光照培养箱(GZX-150BS-Ⅲ)，设置温度为25 ℃，光照强度为80 Lx，每天光照持续24 h，光照一定天数，取出避光密封保存待分析.

2) 热氧老化：样品置于恒温恒湿箱(YG751B)中，设置温度为130 ℃，老化一定时间，取出避光密封保存待分析.

3) 水解老化：室温下，分别用5% NaOH、5% HCI溶液，避光阴凉处浸泡样品一定时间，取出用蒸馏水洗净阴干，避光密封保存待分析.

1.2 分析方法

1.2.1 红外光谱分析 采用VECTOR22型傅立叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司)，用反射法测定样品的化学结构.

1.2.2 外观形态及结构分析 采用JOEL JSM 6610LV型扫描电镜( SEM)(日本理学株式会社)，观察样品表面结构并拍摄成像，放大倍数3 000.

1.2.3 力学性能分析 采用HD026N型电子织物强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)，按GB /T 3923.1-2004标准测定断裂强力.每块样品经向测量3次，取平均值.

1.2.4 白度分析 采用WSB-II型智能数字白度仪(宁波纺织仪器厂)测定样品的白度，将织物折叠成4层( 织物径、纬方向保持一致)，测量同一块织物的3 个不同点， 取算术平均值.

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

将未老化样品及经光、热、水解老化的样品分别进行红外光谱分析，结果如图1所示，其中A、B、C、D、E曲线分别为未老化、热氧老化25 d、光老化25 d、NaOH水解老化24 h、HCl水解老化24 h棉样品红外光谱图.

从图1可以看出，所有曲线均显示出纤维素的谱图特征.在3 200～3 400 cm-1处出现宽而强的吸收峰，归属于纤维素分子结构上三种不同类型的-OH的伸缩振动，这是纤维素的特征吸收峰.同时由于分子间氢键作用，-OH吸收峰向低波数位移.在2 900 cm-1处有-CH2的伸缩振动吸收峰，而在1 500～1 020 cm-1处有与 —C—O—C—伸缩振动有关的连续特征峰.897.6 cm-1处的一个红外吸收带是D-葡萄糖的特征峰.经过热氧老化和光老化后，1 371 cm-1吸收峰和665 cm-1吸收峰的面积之比(A1371/A665)发生变化，说明纤维素的比例发生变化[12].B、C曲线相对A曲线-OH峰向高波数位移，这是因为棉纤维在热和光的作用下部分较弱的氢键遭到破坏.D、E曲线相对A曲线在1 450～1 020 cm-1处多出一系列的吸收峰，这是由于棉纤维在酸和碱的条件下，其中的苷键发生质子化，然后断裂水解成苷元和糖的阳碳离子中间体.

2.2 表面形态及结构分析

用扫描电子显微镜观察不同老化条件下棉纤维表面形态的变化，如图2所示，A、B、C、D图分别为热氧老化25 d、光老化25 d、NaOH水解老化24 h、HCl水解老化24 h的棉纤维结构图.从图2可知，各种老化条件下，棉纤维表面发生了不同程度的刻蚀，出现表面粗糙、细纹及凹陷，有的甚至出现较深的小坑和颗粒状物质.这说明棉织物在光、热氧、酸碱等条件下均发生了老化.同时从图2可以看出，不同样品表面受到的破坏程度不同.其中热氧老化样品表面刻蚀严重，出现明显凹痕和小颗粒状物质.HCl水解老化样品的棉纤维明显变细，且纤维表面出现凹痕和较多颗粒状物质，这是由于棉纤维的主要成分纤维素易被酸分解，造成其中的β-苷键遭受不同程度破坏并流失，被分解的物质重新在纤维材料表面聚集并反应，生成了小分子物质[13].

2.3 力学性能分析

采用电子织物强力仪测定各种老化样品的拉伸断裂强力，将测得数据绘图，得图3、图4.

图3中A、B曲线分别为光、热氧老化棉样品拉伸断裂力峰值.从图3可以看出棉样品的力学性能随老化时间的延长而下降，在0～5 d内力学性能变化趋于平缓，随后有较大幅度的下降.光老化25 d，样品力峰值损失达7.56%.热氧老化条件下，样品的力学性能随时间延长迅速下降，而且曲线下降趋势较光老化曲线明显，由此推断，实验条件下热氧因素对棉样品老化速度的影响大于光照因素.这是由于温度是分子剧烈运动的标志，高温环境促使纤维大分子的振动加速，老化反应速度提高；由于氧气的存在，同时还发生了热氧分解，进一步使老化反应加速，从而导致样品力学性能下降.热氧老化25 d，样品力峰值损失达24.9 %.

图4中A、B曲线分别为NaOH、HCl水解老化棉样品拉伸断裂力峰值.从图4可见棉样品的力学性能随水解老化时间的延长而下降.在NaOH水解老化条件下，样品在最开始的2 h内力学性能有较大的下降，随后变化趋于平缓，在10 h后棉的拉伸断裂力峰值损失也仅为6.41 %，这说明棉具有良好的耐碱性.在HCl水解老化条件下，棉的力学性能急速下降，老化10 h，棉的力峰值损失达12.9 %，这表示棉受酸的损伤很严重，耐酸性不好.

2.4 白度分析

观察各种老化棉样品，表面均有一定程度的泛黄，测试白度，结果如表2、表3所示.

表2 光、热氧老化条件下棉白度值

表2表示光、热氧老化棉样品的白度值，表3表示水解老化棉样品白度值.由表2、表3数据可知，各种老化样品白度均有所降低，这是各因素作用于棉织物表面，引起其表面的大分子链发生断裂，甚至发生炭化，从而影响其白度所致.同时从表2、3数据可见棉织物的白度随着老化时间延长而减小，这是由于随着老化时间的延长，棉织物表面受到的破坏逐渐增强，更多的大分子链发生断裂甚至炭化，从而导致棉织物白度下降和棉织物泛黄.从表中数据还可知热氧老化对棉织物的白度影响显著，其白度值减小43.9 %.这是由于高温环境使纤维分子振动加速，导致纤维有机物分子和分子侧基可能发生侧基断裂、官能团分离，宏观表现即白度降低.

表3 水解老化条件下棉白度值

3 结 论

(1) 人工加速老化商售棉纺织品可以强化老化因素，造成不同程度的棉纤维老化.各因素对棉纤维老化程度的影响可以通过表征其老化前后的化学结构、表面形态、力学性能、白度等方面的变化来确定.

(2) 光、热、氧化、酸或碱水解等均能使棉纤维产生不同程度的老化；实验条件下，高温和氧气的协同作用及酸水解对棉纤维的结构及性能的影响较大.如，5 % HCl催化水解24 h，棉纤维明显变细，且纤维表面出现凹痕和较多颗粒状物质，HCl水解10 h，棉样品拉伸断裂力峰值损失达12.9 %；在130 ℃温度条件下热氧老化25 d，棉纤维表面刻蚀严重，出现明显凹痕和小颗粒状物质，棉样品拉伸断裂力峰值损失24.9 %，白度减小43.9 %.

(3) 老化时间增长，棉纤维结构及性能的受损程度增大.

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责任编辑：朱美香

Effect of Artificial Aging on Structure and Properties of Cotton Fibers

YISu1,CHENJian-fang1*,ZHANGRong2,TANZheng2

(1.The Institute of Hunan Engineering, Xiangtan 411104;2.Shaoshan Comrade Mao Zedong Memorial Museum,Shaoshan 411301 China)

Cotton fabrics, such as white cotton fabrics, were treated by artificial accelerated aging experiment, including light aging, thermal oxygen aging and hydrolyze aging. Their changes of surface morphology, whiteness, mechanical properties and the chemical structure before and after aging were characterized. Results showed that: The method of artificially aging experiment could intensify the aging factors of cotton fibers, and could be used to identify influences of the factors on the aging of cotton fibers；These factors, including light, heat, oxygen, acid and alkali hydrolysis and others had effects on cotton fibers aging; The synergy of high temperature and oxygen and the acid hydrolysis had a significant impact on the structure and properties of cotton fibers; Damages in structure and properties of cotton fibers would become more severe as the aging time increases.

cotton fibers; artificial aging; chemical structure; surface morphology; mechanical property

2014-10-21

湖南省科技计划项目(2011FJ4151)；韶山毛泽东同志纪念馆合作项目(2012)

陈建芳(1965— ),女，湖南 长沙人，博士，教授.E-mail:cjf1228@aliyun.com

TS101.9

A

1000-5900(2015)01-0072-04