苎麻纤维碱-尿素改性工艺的研究*

程浩南

（1.江西服装学院，江西 南昌330201；2.江西省现代服装工程技术研究中心，江西 南昌330201）

苎麻纤维碱-尿素改性工艺的研究*

程浩南1,2

（1.江西服装学院，江西 南昌330201；2.江西省现代服装工程技术研究中心，江西 南昌330201）

以苎麻纤维为试验原料，设计正交试验和单因素试验，探讨苎麻纤维碱-尿素改性工艺中NaOH质量分数、尿素质量分数、试验时间和浴比对纤维弯曲模量的影响。通过对测试数据进行分析，结果显示：正交试验得到碱-尿素改性工艺中的影响因素对纤维弯曲模量的影响显著性不同，其中NaOH质量分数的影响显著性最大，浴比的影响显著性最小。单因素试验得到碱 -尿素改性工艺中的影响因素中苎麻纤维弯曲模量的影响规律也有差异，其中纤维的弯曲模量随着NaOH质量分数、尿素质量分数和试验时间的增加而逐渐减小，但是纤维的弯曲模量随着浴比增加却呈现增大的趋势。

苎麻纤维； 碱-尿素改性；弯曲模量 ；正交试验

苎麻纤维具有良好的吸湿和排汗能力，天然的抗菌特性，其面料外观古朴自然，非常契合消费者追求自然的消费理念，深受广大消费者的喜爱[1]。但苎麻面料因其纤维本身刚度大，容易使人在穿着过程中产生明显刺痒感，降低服装舒适性[2]。因此，研究通过各种物理和化学方法改善纤维或织物的性能，提高苎麻纺织品的档次高附加值成为了热点[3-4]。

本实验在借鉴翟学军[5]和闫畅[6]等人的研究成果，利用碱－尿素工艺对苎麻纤维进行柔化整理，结合正交试验和单因素试验的方法，探讨NaOH质量分数、尿素质量分数、浸碱时间和浴比对单纤维平均弯曲模量的影响，通过分析对该柔化整理工艺进行优化，为苎麻纤维柔化处理的研究提供一些理论参考。

1 苎麻纤维弯曲模量的确定

1.1 理论分析

根据Euler压杆模型[7]，推导出压缩临界载荷模拟纤维刺扎力学特征的纤维轴向压缩中，临界载荷同纤维的I（截面惯性矩）和E（弯曲模量）成正比，同L2（纤维长度的平方）成反比。

同时，纤维的弯曲刚度定义为Rf，见公式 （1）。

Rf=EI （1）

式中，E为纤维的弹性模量 （拉伸模量与压缩模量的综合），cN/cm2；I为纤维的断面轴惯矩，cm4。

天然纤维的横截面不是圆形，在计算其抗弯刚度Rf时，总是在纤维最容易弯曲的地方弯折，需要引入截面形状系数ηf(ηf<1)，纤维的弯曲刚度见公式 （2）。

当E采用比模量 （cN/tex）时，则公式 （3）变为：那么把式 （4）代入式公式就有：

理论计算表明：纤维最大压缩载荷Pcr与压缩弯曲模量E、纤维细度Nt（tex）平方、截面形状系数ηf成正比，与长度L平方、密度ρ成反比。

此种作业方式的安全防护为：1)以绝缘工具、绝缘手套、绝缘披肩、绝缘安全帽等组成带电体与大地之间的纵向绝缘防护，其中绝缘工具为主绝缘，绝缘手套、绝缘披肩、绝缘安全帽等起辅助绝缘作用，形成后备防护；2)在相与相之间，空气间隙作为主绝缘，绝缘遮蔽罩、隔离板等起辅助绝缘作用，组成不同相之间的横向绝缘防护，避免因人体动作幅度过大造成相间短路；3)配合使用羊角抱杆、多功能抱杆、横担抱杆等各类带电作业用绝缘抱杆，起到稳固导线、金具、绝缘子的作用，辅助作业人员更安全、更高效地开展作业。

对于同种苎麻纤维，在假设截面形状系数ηf、压缩弯曲模量E、纤维密度ρ为常数的情况下，依据公式 （5），可知压缩临界载荷Pcr与成正比。

1.2 苎麻纤维压缩弯曲模量的确定

同时有：

2 试验设计

2.1 试验材料

试验选择4组细度不同的苎麻精干麻为材料。具体如表1所示。

表1 四组苎麻精干麻的细度

2.2 试验仪器及参数

本试验所采用的测试装置借鉴毛宁等[8]人的研究成果，测试装置如图1所示，其中 （a）是测试装置原理图；（b）是测试装置测试部分的实物图；（c）是测试装置的电脑主窗界面。图1中苎麻纤维 （1）的一端夹持在夹持器 （2）上，测试盘 （4）装在悬臂梁式传感器上，传感器、数据采集卡和计算机依次进行相连，测试数据通过计算机最后统一进行处理和分析。测试开始时，测试盘 （及传感器）在设置的速率下逐渐下降，当接触到苎麻纤维后，不断的压缩纤维至设定压缩动程后返回至初始位置。与此同时，整个测试过程中的压缩位移及压力数据被采集，统一由计算机进行分析，并生成实时压缩曲线。

图1纤维轴向压缩性质测试装置

测试盘上包覆0.1 mm厚乳胶膜，其作用当苎麻纤维与测试盘接触时，乳胶膜能发生轻微变形，形成对纤维端的约束，防止发生滑移，提高测试的成功率。

2.3 试验工艺流程

精干苎麻用碱 -尿素浸渍→脱碱 （1 min）→开松→酸浴→水洗 （500 mL蒸馏水6次）→脱水 （2 min）→开松→室温晾干。

2.4 正交试验设计

正交试验选择苎麻纤维碱 -尿素改性工艺中NaOH质量分数、尿素质量分数、浴比和处理时间作为影响因素，借鉴柳启煌等[9]关于苎麻纤维的碱法改性的研究成果，当NaOH质量分数达到16%的时候，苎麻纤维的纤维素Ⅰ向纤维素Ⅱ转化的临界值。通过四因素三水平的正交设计L9（34），得9种试验方案进行化学处理，测试改性后纤维轴向压缩性能的变化 （正交试验方案如表2和3所示）。

表2 改性工艺参数因素水平表

表3 改性方案试验表

3 试验结果与分析

3.1 碱-尿素改性后纤维轴向压缩性能测量

表4至表12分别为试验号为1～9的碱 -尿素改性苎麻纤维轴向压缩试验指标。

表4 1号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

表5 2号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

表6 3号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

表7 4号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

表8 5号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

表9 6号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

表10 7号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

表11 8号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

表12 9号试验苎麻纤维刷最大轴向压缩力值cN

3.2 数据指标分析

由表4至表12，可以得到经9个试验处理后的苎麻单纤维轴向压缩临界值Pcr同纤维关系的拟合直线，如表13所示，然后代入公式（7）计算正交实验的平均苎麻单纤维弯曲模量分析表，具体见表14所示。

表13 苎麻单纤维轴向压缩临界值P同纤维关系的拟合直线cr

表13 苎麻单纤维轴向压缩临界值P同纤维关系的拟合直线cr

试验号 R2拟合方程1 0.9312 Y=0.0018 X+0.0058 2 0.9238 Y=0.0019 X+0.0060 3 0.9114 Y=0.0018 X+0.0059 4 0.9062 Y=0.0017 X+0.0054 5 0.9146 Y=0.0016 X+0.0050 6 0.9313 Y=0.0015 X+0.0050 7 0.9214 Y=0.0016 X+0.0050 8 0.9112 Y=0.0013 X+0.0042 9 0.9210 Y=0.0014 X+0.0045

表14 正交分析表

通过表14中的数据分析可得：正交试验的四个因素中对苎麻纤维弯曲模量的影响显著性次序为：D

3.3 试验各因素对苎麻纤维弯曲模量的影响

碱-尿素改性工艺中，影响苎麻纤维弯曲模量的因子有很多，且各因子对其的影响各不相同。在保持其他因子不变的情况下，变化某一因子进行试验，并对结果进行讨论。可以找出该因子对纤维性能的影响趋势。采用单因子试验的方法来研究各因子在试验中所起的作用。碱环境是苎麻纤维改性的基本环境，碱液质量分数、尿素质量分数、浴比和浸碱时间对改性后的纤维弯曲模量有着密切的关系。因此，对碱液质量分数、尿素质量分数、浴比和浸碱时间四因子进行试验分析。

3.3.1 碱液质量分数对苎麻纤维弯曲模量的影响

根据图2可知：苎麻纤维的弯曲模量随着NaOH质量分数的增加而逐渐减小。这是因为，在一定温度下，NaOH与纤维素接触后，会发生浸润、扩散和膨胀等物理化学作用，且伴生醇型化合物的生成。碱金属离子或碱分子与纤维素大分子上羟基不断结合，导致纤维素大分子上的氢键减少，削弱了分子间的作用力，纤维弯曲模量降低，从而使苎麻纤维变得柔软，在一定程度上降低了苎麻纤维的刺痒感。

图2 NaOH质量分数对苎麻纤维弯曲模量的影响

3.3.2 尿素质量分数对苎麻纤维弯曲模量的影响

图3 尿素质量分数对苎麻纤维弯曲模量的影响

根据图3可知：随着尿素质量分数的增加，苎麻纤维的弯曲模量呈现逐渐减小的趋势。这是因为苎麻纤维改性中，纤维浸碱溶胀后，尿素的水合离子有滞留在大分子无定形区中，进一步迫使已为碱液所润湿和充满的微纤间隙扩大，苎麻纤维进一步溶胀，其大分子作用力减弱，弯曲模量降低。

3.3.3 碱-尿素处理时间对苎麻纤维弯曲模量的影响根据图4可知：苎麻纤维的弯曲模量在碱-尿素处理时间10～15 min之间变化并不明显，15 min以后出现下降，且下降较急剧。这是因为在15 min之后，随着反应溶液中的NaOH和尿素活性大分子的含量增加，使得化学改性反应的速率不断变大，造成苎麻纤维微纤间隙迅速扩大，弯曲模量明显降低。

图4 碱-尿素处理时间对苎麻纤维弯曲模量的影响

3.3.4 浴比对苎麻纤维弯曲模量的影响

图5 浴比对苎麻纤维弯曲模量的影响

根据图5可知：浴比从1∶10到1∶30的过程中苎麻纤维的弯曲模量呈现上升趋势。这是因为随着浴比的增加，反应溶液中的NaOH和尿素的质量分数降低，同时参加改性反应的活性大分子的浓度变小，会造成纤维素氢键的减少与分子间作用力的削弱程度下降，最终导致苎麻纤维弯曲模量降低程度减小。

4 结论

通过设计正交试验和单因素试验对苎麻纤维进行碱-尿素改性工艺的研究，以该工艺中的NaOH质量分数、尿素质量分数、试验时间和浴比为影响因素，将苎麻纤维弯曲模量作为评价指标，得到以下结论：

（1）通过正交试验得到碱 -尿素改性工艺中的四个影响因素对苎麻纤维弯曲模量的影响显著性并不相同，其中NaOH质量分数的影响显著性最大，浴比的影响显著性最小，试验时间和尿素质量分数的影响显著性居中，且两者的显著性相似。

（2）通过单因素试验得到碱 -尿素改性工艺中的四个影响因素中对苎麻纤维弯曲模量的影响规律也有差异，苎麻纤维的弯曲模量随着NaOH质量分数、尿素质量分数和试验时间的增加而逐渐减小，苎麻纤维的弯曲模量随着浴比增加而增大。

[1] 程浩南，蒋丽萍，张鹏飞.低温柔化处理后苎麻面料刺痒感的研究 [J].毛纺科技，2017，45（6） :40-43.

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Abstract:The effects of NaOH concentration， urea amount， testing time and bath ratio on bending modulus of ramie fiber were studied by orthogonal test and single factor test.Orthogonal test results showed that，the factors affecting the fiber bending modulus were significantly different in alkali-urea modification process，NaoH concentration had the highest significant effect but bath ratio had the lowest effect.Single factor test results showed that，the bending modulus of ramie fiber was decreased with the increase of NaoH concentration， urea amount and test time， but increased with the increase of bath ratio.

Keywords:ramie fiber， alkali-urea modification， bending modulus， orthogonal test

RESEARCH ON THE TECHNOLOGY OF RAMIE FIBER WITH ALKALI-UREA MODIFICATION

CHENG Hao-nan1,2
(1.Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang Jiangxi 330201， China.2.Jiangxi Provincial Modern Research Center of Clothing Engineering Technology， Nanchang Jiangxi 330201， China)

TS190.62

A

10.3969／j.issn.1672-500x.2017.03.002

1672-500X(2017)03-0005-08

2017-08-03

程浩南 （1986-），男，河南周口人，硕士，助教。主要研究方向为生物质纺织材料和纺织材料改性。

江西省教育厅科技青年项目 （GJJ151224）