棉纤维表面非纤维素物质对浆液黏附力的影响

岳鹏飞 祁 彬 姚一军 沈艳琴

（西安工程大学，陕西西安，710048）

棉纤维表面的非纤维素物质可保护细胞免受环境的破坏和真菌的侵入［1］。但是，这些非纤维素物质形成了天然疏水层，对产品加工造成不便，如浆纱、染 色 、印花、后整 理等［2⁃3］。ÖZLENEN Erdem Ismal研究发现纤维表面的蜡质以及纤维表面状态的改变对棉纤维吸湿性影响显著［4］。杨倩、范雪荣等人则发现影响棉纤维润湿性的主要物质是棉蜡，去除果胶有利于更好地去除棉蜡，因为果胶在初生胞壁的外层作为一种凝集剂，将其他非纤维素物质黏附在一起［5⁃6］。单纯地利用果胶酶去除果胶，棉纱的润湿性不会提高。通过碱性果胶酶［7］、等离子体处理［8］、生物酶［9］等方法虽可有效去除棉纤维中的非纤维素物质，但都是在浆纱工序之后完成，所以有必要研究棉纤维表面的非纤维素物质对棉纱上浆性能的影响规律。

中低温浆纱技术作为一种节能环保型浆纱技术受到了重视［10⁃13］。近年来，已有研究者通过半糊化浆纱［14］、中低 温水溶性 淀粉［15⁃16］、渗透剂 处理［17］等方法对中低温浆纱技术开展了大量研究，取得了很大的成果。但是目前中温浆纱技术浆纱效果不够理想，表现为难以上浆、黏附力差。本研究就中温和高温条件下非纤维素物质对浆液与棉纱黏附力的影响规律作以探讨，为中温浆纱技术推广提供帮助。

1 试验部分

1.1 试验材料及仪器

主要材料：棉14.6 tex纱、棉粗纱（西安纺织集团有限责任公司）；碱性果胶酶、氢氧化钠、苯、乙醇、硫酸铜（天津天力化学试剂有限公司）；精练剂JFC（西安科洛化学试剂有限公司）；SPR中温水溶淀粉（荷兰AVEBE浆料公司）。

主要仪器：JC2000C3型接触角测量仪（北京商德通科技有限公司）；YG（B）371型毛细管效应测定仪（温州际高检测仪器有限公司）；HD026N+型织物强力仪（南通宏大实验仪器有限公司）；HWS⁃250型恒温恒湿箱（上海精宏实验设备有限公司）；Quanta⁃450⁃PEG型扫描电子显微镜（美国PEI公司）；ISH500型光学显微镜（上海测维光电技术有限公司）；SF600型电脑测配色仪（美国Datacolor公司）；NETZSCH STA449 F3型热分析TG/DSC联用仪（德国耐驰公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 棉纱的前处理方法

脱蜡处理：纯棉细纱、粗纱用苯⁃乙醇（体积比2∶1）溶液在80℃下索氏抽提3 h，然后将样品取出在室温下晾干。

碱精练处理：将棉纱浸渍在含有Na OH质量分数3%、精练剂JFC质量分数0.2%的溶液中，浴比1∶20，处理温度95℃～100℃，处理90 min，将纱线洗净室温下晾干。

果胶酶处理：将棉纱浸渍于0.5 g/L果胶酶溶液（p H=8.5）中，浴比1∶20，水浴温度50℃下反应60 min，150 r/min速度振荡，反应结束后将反应体系加热至沸10 min，将酶失活，取出样品充分水洗后在室温下晾干。

热水处理：将纯棉原纱沸水浴煮炼90 min后于室温下晾干。

1.2.2 棉纱芯吸高度测试

将棉纱均匀缠绕在自制铁架框上，在不同温度水中处理一定时间，晾干后于恒温恒湿箱（相对湿度65%，温度25℃）平衡24 h，测试纱线的芯吸高度。测试样长度300 mm，一端固定，另一端用张力夹夹住，期间保持附加张力相同，防止退捻，浸入深度5 mm。重铬酸钾溶液质量分数3%，溶液温度（27±2）℃。测试30 min内溶液上升的高度，每个试样测试20次，取平均值。

1.2.3 棉纱水滴吸收时间测试

将纱线在不同温度水中处理一定时间，晾干后，在恒温恒湿箱（相对湿度65%，温度25℃）里平衡24 h，将纱线均匀缠绕在载玻片上，采用JC2000C3型接触角测量仪测试棉纱的水滴吸收时间。将缠好的纱线水平铺放，距纱线1 cm处垂直滴下水滴（约0.02 mL），记录水滴被纱线全部吸收所需的时间，样本容量10。

1.2.4 棉纱中所含非纤维素物质的量

称取5 g原棉试样，在105℃～110℃条件下烘至恒重，然后放置在预先配好的质量分数3%NaOH溶液、质量分数0.2%JFC溶液中，浴比1∶20，在沸水浴中煮90 min，烘干后称其质量。处理前后的差值即所含非纤维素物质的量。

1.2.5 棉纱中非纤维素物质去除率

将约2 g棉纱均匀缠绕到自制的铁框上，放入烘箱烘干到恒重。在不同温度水中处理一定时间，自然条件下晾干后，烘干到恒重。处理前后的差值除以非纤维素物质的量即为非纤维素物质的去除率。

1.2.6 其他测试

参照文献［18］的方法测试粗纱黏附力。拉伸速度50 mm/min，夹持间距100 mm，样本容量10。

采用扫描电镜对棉纤维表面形态进行观察，放大倍数8 000倍；采用光学显微镜观察棉纤维的染色效果，放大倍数60倍。

采用配色仪测定棉纤维的铜盐染色效果。

采用热分析TG/DSC联用仪测定棉蜡的熔点。温度测定范围0℃～100℃，温度以10℃/min的速度上升。

2 结果与分析

2.1 棉纤维中非纤维素物质的成分分析

脱蜡前后棉纤维表面形态如图1所示。从图1可以看出，棉纤维表面均匀包覆着呈漆膜状的蜡质，其下方可以看到棉纤维生长过程中由纤维素在初生胞壁沉积而成的原纤网状组织，这些原纤网状组织与纤维轴近似平行。棉纱经脱蜡处理后，下方的原纤网状组织粗糙程度明显增加，可见棉蜡分布在棉纤维的最外层。

图1 原棉纤维与脱蜡棉纤维表面的电镜照片

脱蜡前后棉纤维的铜盐染色效果如图2所示。由图2可以看出，棉纤维经过脱蜡处理后，染色效果明显优于未脱蜡的棉纤维。可见脱蜡前棉蜡均匀分布在纤维的外表面，阻碍了铜离子与果胶中游离的羧酸根离子结合，所以铜盐染色浅；脱蜡之后的棉纤维使果胶暴露出来，有利于铜盐染色，表明果胶存在于棉蜡的下方，棉蜡分布在棉纤维的最外层。

图2 脱蜡前后棉纤维铜盐染色显微镜照片

提取棉纤维上的蜡质，采用差示扫描量热法测定棉蜡的熔点，结果如图3所示。从图3可以看出，棉蜡的差示扫描量热曲线中出现了3个熔融峰，说明棉蜡的熔点为52℃、67℃和74℃。

图3 棉纤维蜡质的差示扫描量热曲线

2.2 非纤维素物质对棉纱润湿性的影响

原纱的芯吸高度为0.2 cm，对棉纱分别进行果胶酶处理、热水煮炼、脱蜡处理、脱蜡/果胶酶处理、碱精练处理，处理后棉纱的芯吸高度分别为1.3 cm、1.8 cm、2.6 cm、2.8 cm、3.2 cm。由此可以看出，碱精练处理去除了棉纱上非纤维素物质，使棉纱的润湿性提高。热水温度高于棉蜡的熔点时，棉蜡熔融分散到热水中，改善了棉纤维润湿性，芯吸高度上升，非纤维物质对棉纱的润湿性有较大的影响，可视为一个物理性的憎水阻挡层，而脱蜡处理使纱线的润湿性得到提高。但经果胶酶处理后，棉纱的润湿性仍然不足，说明仅仅去除果胶质对棉纤维的润湿性改善不明显。脱蜡处理后再经过果胶酶处理，棉纱的润湿性得到很大提高，表明棉蜡分布在棉纤维的表面，果胶分布在棉纤维的初生胞壁，并使其他非纤维素物质黏合在一起。棉蜡是非纤维素物质中影响棉纱润湿性的主要因素。

2.3 水处理温度、时间对棉纱润湿性的影响

在浆纱过程中，浆纱机速度决定了棉经纱在浆槽中所停留的时间，通常纱线在浆槽中停留2 s～4 s，时间较短。因此对不同水温处理不同时间的棉纱的芯吸高度、水滴吸收时间、非纤维素物质的去除率进行测试，结果如表1所示。

表1 热处理温度和时间对棉纱润湿性、非纤维素物质去除率的影响

从表1可以看出，原纱润湿性差，而随着热水温度的升高和处理时间增加，棉蜡去除，更多的纤维素点暴露出来，棉纱的润湿性越来越好。从表1还可以看出，水温对非纤维素物质的去除率影响很大，但是随着水处理时间缩短，处理温度对非纤维素物质的去除率影响减小。这是因为棉纤维上棉蜡去除需要一定的时间。上述结果表明，棉蜡需经95℃处理5 s左右的时间才可以去除。而95℃热水处理3 s后，非纤维素物质去除率虽没有增加，但热水改变了棉纤维上疏水性非纤维素物质的重新分布，使纤维素点暴露出来，棉纱的润湿性得到提高。

2.4 非纤维素物质对浆液与棉纱黏附力的影响

采用中温可溶淀粉浆料SPR测试浆液与棉纱的黏附力。表2为在不同的浆液温度下，SPR浆液对原棉粗纱和碱精练棉粗纱上浆率和黏附力的影响。

表2 非纤维素物质对浆液与棉纱黏附力、上浆率的影响

从表2可以看出，在不同的浆液温度下，浆液对碱精练棉粗纱的黏附力变化很小，说明去除非纤维素物质后，浆液温度的变化对浆液与棉纱黏附力的影响较小。而对于原棉纤维，浆液温度显著影响到了浆液对棉纱的黏附力，这是由于测定黏附力的过程中棉粗纱在高温浆液中浸渍5 min，棉纤维表面的棉蜡熔融到浆液中，浆液对棉纱的亲和性提高。

从表2还可以看出，随着浆液温度的降低，原棉粗纱上浆率迅速下降，而碱精练粗纱上浆率变化很小，由此说明去除棉纤维表面的非纤维素物质有利于浆液对棉纱的渗透，提高上浆率。

3 结论

（1）棉纤维表面的非纤维素物质影响浆液对棉纱的渗透性和润湿性能。高温浆液与中温浆液对棉纱的黏附性和上浆率有显著差异。

（2）棉蜡呈漆状分布在棉纤维的外层，果胶分布在棉蜡的下方，棉蜡的熔点在50℃～75℃。

（3）温度高于棉蜡熔点的水可使棉纤维上棉蜡熔融再分布，暴露出更多的纤维素接触点，可使棉纱的润湿性得到提高。