（纺织材料与纺织品设计专业论文）臭氧对竹纤维产品的氧化处理研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

臭氧对竹纤维产品的氧化处理研究 摘要 以臭氧为手段对竹纤维产品进行性能优化，不仅为竹纤维在纺织上的应用奠定理论与 实践基础，同时对充分利用我国的竹资源、促进竹纤维的工业化进程、促进纺织工业的发 展也意义重大。其社会效益和经济效益不可估量，市场前景十分广阔。 本文首先以本课题组制取的竹纤维为研究对象，进行臭氧处理方法及参数的摸索实 验，并对臭氧处理后的竹纤维性能进行综合评价，得到了臭氧氧化处理的最佳工艺条件。 其次，对臭氧处理竹纤维过程中的化学反应动力学进行了深入研究，计算出臭氧浓度 为9 9 h 、纤维带液率为7 0 、p h 值为5 条件下，臭氧氧化处理竹纤维的反应速率常数k = 0 0 0 2 1 ，反应速率方程为：d c d t = 2 1x1 0 - 3 c 木一。 最后，以竹纤维纱线为研究对象，进行一系列臭氧处理实验和前处理、臭氧处理、后 加强等处理各阶段间的优化组合实验，并对处理后的竹纤维纱线性能进行综合评价。实验 结果表明各处理阶段的最优组合为：臭氧前处理臭氧处理碱煮氧漂超声 波处理。此时，纱线的各项性能为：纱线细度2 0 1 6 8 t e x ，纤维细度2 3 3 t e x ，白度7 9 6 1 ， 强度2 5 c n t e x ，条干均匀度2 8 级，木质素含量4 7 2 ，残胶率1 8 。 本文的研究结果充分表明，臭氧处理可以使竹纤维产品的木质素含量显著降低，同时 还可以细化竹纤维和纱线，而且对竹纤维产品的脱色作用明显；前处理、后加强和超声波 处理对竹纤维纱线的进一步细化、木质素的去除亦有明显的增进作用，使纱线的性能得到 了明显的改善。 关键词：臭氧；竹纤维；氧化处理；反应动力学；木质素 t r e a t m e n tf o rb a m b o of i b e r sa n dy a r n s u s i n go z o n e a b s t r a c t s t u d i e so nb a m b o of i b e r sa n dy a m sb yo z o n et r e a t m e n tw i l ln o to n l yl a yt h et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rb a m b o of i b e r sa p p l i c a t i o ni nt e x t i l eb u ta l s op r o m o t et h eu t i l i z a t i o no f b a m b o or e s o u r c e s ，t h ep r o c e s so fb a m b o of i b e r si n d u s t r i a l i z a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l e i n d u s t r yo fc h i n a i th a ss i g n i f i c a n tb e n e f i ta n dt h em a r k e tp r o s p e c ti sv e r yw i d e a tf i r s t ，t h et r e a t i n gm e t h o da n dp a r a m e t e r so fo z o n ef o rb a m b o of i b e r sm a d eb yo u rr e s e a r c h g r o u pw e r eg r o p e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e so fp r o c e s s e db a m b o of i b e r sw e r ee v a l u a t e d t h e o p t i m u mt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sf o rt r e a t i n gb a m b o of i b e r sw i t ho z o n eh a db e e no b t a i n e d s e c o n d l y , t h em e c h a n i s mo fo z o n ea c t i o nw i t hl i g n i nw a ss t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h e r e a c t i o nr a t ec o n s t a n tw a s0 0 0 21a n dt h er e a c t i o nk i n e t i ce q u a t i o nw a s ：d c 术d t = 2 1xlo c 术1 5 f i n a l l y , t h ec o m b i n a t i o no ft h ep r e t r e a t m e n t ，t h eo z o n et r e a t m e n ta n dt h ep o s tt r e a t m e n tf o r b a m b o of i b e ry a r n sw e r eo p t i m i z e d i tw a sf o u n dt h a tt h eb e s tc o m b i n a t i o nw a s t h ep r e - t r e a t i n g , t h eo z o n e t r e a t i n g ，s o d ab o i l i n g ，o x y g e nb l e a c h i n ga n dt h eu l t r a s o n i ct r e a t i n g t h ec o u n to fy a m s ， t h ef i b e rf i n e n e s s ，t h ew h i t e n e s s ，t h eb r e a k i n gt e n a c i t y , t h ey a me v e n n e s s ，t h ec o n t e n t so fl i g n i n a n dt h er e s i d u a lg u mr a t eo fb a m b o oy a r n su n d e rt h i sc o n d i t i o nw e r er e s p e c t i v e l y2 0 1 6 8t e x , 2 3 3t e x ，7 9 6 1 ，2 5c n t e x ，2 8 ，4 7 2 ，1 8 b yt h i ss t u d i e s ，i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eo z o n et r e a t m e n tc o u l dr e d u c et h el e v e lo fl i g n i n g r e a t l y , l o w e rt h ec o u n to fy a m sa n di n c r e a s et h ew h i t e n e s s a d d i t i o n a l l y , t h ep r e t r e a t m e n t ，t h e p o s tt r e a t m e n ta n dt h eu l t r a s o n i ct r e a t m e n tc o u l di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so ft h eb a m b o of i b e r y a m sf u r t h e r k e yw o r d s ：o z o n e ；b a m b o of i b e r ；o x i d a t i o nt r e a t m e n t ；r e a c t i o nk i n e t i c s ；l i g n i n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：吕职煞日期：矽8 年，二月劣自 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：吕朋霞日期：2 缈窖年月钐日 导师签名： 五逡彳 日期：刎矿年2 ，月5 日 北京服装学院硕十学位论文 第1 章绪论 近几十年，随着科学技术的迅猛发展，人们在追求物质财富的同时，越来越关注自身 的健康和生存环境，开始渴望回归自然，在服饰方面则更加注重舒适和休闲。目前，越来 越多的业内人士认识到，服装业的竞争已集中于面料的领先性、安全性和健康性，正是这 些需求促使绿色天然纤维竹纤维步入纺织市场。竹纤维是一种天然的、可降解的纤维， 它在泥土中能完全分解，对周围环境不造成破坏，是目前比较理想的环保材料。采用天然 竹纤维生产的纺织产品最大的特点是凉爽、吸湿性好、可降解、原料资源丰富等，它是继 t e n c e l 纤维、大豆蛋白纤维之后又一种前景广阔的新型环保纤维。 纺织用竹纤维即( 天然) 竹纤维，是采用物理、机械的方法将竹子碾平、扭转、梳理， 而后再对竹纤维脱胶、去除糖分、脂肪、消毒、晾干而成m2 1 ，属1 0 0 天然纤维，是本课 题的研究对象。 开发竹纤维产品，不仅能够满足人们环保和健康的要求，同时对开发我国的竹资源、 推动国家的林业产业和纺织工业的升级也具有深远的意义。 1 1 竹纤维的研究现状 1 1 1 竹纤维的制取研究现状 目前对天然竹纤维的研究主要集中在天然竹纤维的制取方法和竹纤维改性上。竹纤维 作为纺织用原料主要有两个问题：一是竹单纤维太短，无法纺纱。现在采用半脱胶的方法 使其形成一定长度的束纤维，以满足纺纱的要求。在我国，已有科技人员丌始从事对天然 竹纤维的制取研究工作。二是竹纤维中的木质素含量很高，且有很强的耐碱性，难以去除。 木质素含量高，造成纤维粗硬、发脆、泛黄。因此，研究去除木质素的机理，从而在不损 伤纤维素的前提下，最大限度去除木质素，使得粗硬的竹纤维精细化，是提高竹纤维可纺 性的重要一环。 竹单纤维长度极短，平均为2 3 7 m m ，( 平均宽度为1 6 6 p , m ，平均长宽比为1 4 5 ，平均 壁厚为6 2 1 a m ，壁腔比平均为3 6 ) ，不能用环锭纺纱机加工。因此，不能进行全部脱胶， 而只能制成工艺纤维( 束纤维) 后才有可能进行纺纱加工。现有的脱胶方法主要有机械脱 胶法、化学脱胶法以及生物脱胶法。 国外最早开始研究竹纤维的是日本，日本采用闪爆工艺制得竹纤维束，所谓闪爆工艺 是指在高温高压状态下瞬时失压，与纤维包裹在一起的淀粉、果胶、木质素及其它杂质发 l 第1 章绪论 生膨化，纤维得到分离和丌松而制取竹纤维的技术【3 l 。此方法所制取的竹纤维因纤维短、 粗、不匀率大，无法应用在纺织品上，但其廉价、可降解、质轻等特点常用于建筑和土工 材料。 东华大学的万玉芹对竹纤维采用化学脱胶方法，并以简单的机械辅助方法进行了尝 试，取得了一定进展。但是纤维细度在1 8 t e x 左右，断裂强度为3 0 9 9c n d t e x ，断裂伸长 率为3 4 8 ，无法在纺织服装上应用，而且采取的脱胶工艺流程复杂，需使用多种脱胶助 剂，所以仍需要进一步的深入研究【4 】。 东华大学的张巍采用生物化学联合脱胶方法，利用丹麦诺维信公司提供的复合生 物酶在对竹材进行生物酶处理的基础上再进行化学脱胶处理，经处理后，尽管制得的竹纤 维胶质含量减少，且纤维强度和伸长率有所上升，但制取的工艺纤维最细为1 3 6 5 t e x 5 1 ， 远远达不到纺纱的要求。 天津工业大学和浙江林学院都采用爆破方法将竹材制成了束状竹原纤维，但纤维较粗 硬，限制了竹原纤维的推广应用【6 】。 苏州大学的唐人成采用烧碱处理法从粗竹纤维中提取天然竹纤维户通过失重率的测定 和扫描电镜、傅立叶红外光谱、紫外吸收光谱、广角x 射线衍射等分析方法，研究了烧碱 浓度和处理温度对脱胶去杂程度和竹纤维结构的影响。其研究结果表明：在1 1 0 和1 2 0 时，烧碱质量浓度不超过4 5 9 l 时，粗竹纤维的失重率高，脱胶去杂效果好，竹纤维易于分 离。但其分离所得竹纤维的细度不够，只能有待于迸一步细化或者用于造纸业。 中南林学院的喻云水和湖南株洲雪松麻业有限公司采用机械、化学相结合的方法吲。 先用物理、机械的方法将竹子辗平、扭转、梳理，而后再对竹纤维脱胶、去除糖分、去除 脂肪、消毒、晾干而成。但其细度也达不到纺纱要求【8 】o 2 0 0 0 年4 月，经过四川省外贸公司、东方远成机械有限公司和阆中棉纺织厂的竹纤维 研制小组共同探索研究，在棉纺设备上纺出了原生竹纤维纱线。该原生竹纤维是用生长了 1 2 个月1 8 个月的慈竹或毛竹，经过去青和齿轮的反复轧压后，采用脱胶工艺进行部分 脱胶，制成需要的竹纤维( 束纤维) 。但该纤维处理工艺还不完善，就纤维和纱线而言， 谈不上可纺、可用【吼。 北京服装学院在众多研究的基础上，自2 0 0 4 年开始一直致力于竹纤维的制取及性能 评价。目前，在竹纤维的制取上有了重大突破，已经有了较为成熟的竹纤维制取方法和工 艺，所制取的竹纤维已初步达n - - i 纺性的基本要求【m j 。学院在制取了初步达到可纺性要 求的竹纤维基础上，在竹纤维的木质素脱除方面也做了很多工作，取得了突破性进展，木 2 北京服装学院硕十! 学位论文 质素含量明显下降，制取的竹纤维已初步能够应用于纺织领域，但为了使竹纤维能够应用 于工业化生产，深入研究其木质素脱除方法工艺及反应机理是很有必要的。 虽然不少学者对竹纤维进行了研究，但就目前的竹纤维产品研究和丌发情况看，尚有 以下问题急需解决【1 2 1 ： ( 1 ) 竹纤维的制取工艺技术还需要进一步成熟； ( 2 ) 竹纤维纺织品的服用性能有待研究； ( 3 ) 高档、精细化竹纤维纺织面料尚未开发； ( 4 ) 竹纤维纺织品的染整工艺有待探索与研究。 本课题就是对制取后的竹纤维和竹纤维纱线进行细化、脱木素、漂白等一系列的加工， 使其中的木质素进一步脱除，从而改善竹纤维的各项性能，从而有助于提高其织物的服用、 舒适性能，并为织物的染整加工提供方便，是竹纤维高档面料开发的先期准备研究。 1 1 2 竹纤维的改性 由于竹纤维束较粗硬，纤维素含量相对棉、麻较少，无论从强力、手感、可纺性上都 存在很大问题，所以，人们对竹纤维的研究也集中在木质素含量的降低上，从而使纤维细 度、白度等性能得以改善。 木质素：木质素是植物细胞壁的主要成份之一，它是纤维素的粘合剂，以增加植物体 的机械强度，起支撑作用。木质素的含量直接影响纤维的光泽、柔软性、弹性及可纺性， 因此木质素越少越好。由于它经过酸、碱、氧化剂处理仍不易脱除，所以，木质素含量的 降低是脱胶的难点。 脱木质素的三种反应： ( 1 ) 氯化【1 3 】：氯可以与木质素发生反应，生成溶于碱的红褐色氯化木质素。过程中 发生氢的置换反应，和木质素双键的加成反应。同时，氯分子还可以与水反应生成次氯酸， 次氯酸对木质素有氧化作用。 ( 2 ) 氧化：木质素与氧化剂反应不如纤维素和氧化剂作用稳定，木质素易受氧化剂 作用而裂解。在处理过程中要采取措施，防止纤维素被破坏。 ( 3 ) 碱【1 4 】：木质素可与碱液发生化学水解，生成物从木质素表面脱离，溶于溶液中。 以上三种脱木素反应中，氯化反应不环保，反应过程中产生的氯气对环境污染较重。 碱液主要是与竹纤维中的半纤维素发生反应，从而使竹纤维结构变松，在脱除半纤维素的 同时连带脱除部分木质素。碱液主要是脱除竹纤维中的半纤维素，对木质素的去除收效甚 微。选择合适的氧化剂，选择合适的工艺对竹纤维进行氧化处理，是脱除木质素的有效途 3 第1 章绪论 径。 北京服装学院在竹纤维的改性研究上已取得了一定的研究成果： 张立欣和刘西南利用化学氧化方法对竹纤维进行氧化漂白处型。5 1 ，对比了次氯酸钠和 双氧水处理后竹纤维的性能差异。结果显示：氯漂后，竹纤维细度和残余木质素含量都明 显降低，但纤维损伤较大，并存在污染问题；氧漂后，竹纤维的白度较好、强度损伤较低， 但对竹纤维细化和木质素去除效果不佳。从而，提出了氧漂、氯漂相组合处理的方法，并 取得了较好的处理效果。 彭默寒和王丽玲采用物理方法处理竹纤维【1 6 】。研究了超声波、微波和红外线处理对竹 纤维性能的影响，提出了红外线预处理和超声波水洗作用相组合的方法。结果显示：单纯 的物理处理方法效果不佳，必须与化学处理方法相结合才能得到较好的处理效果。 1 2 臭氧技术 1 2 1 臭氧技术概述 1 2 1 1 臭氧的特性 臭氧是氧分子的同素异形体，常温下呈淡蓝色，有刺激性气味，它稳定性差，在空气 中可分解为氧气，具有极强的氧化性【1 7 】。由于臭氧的种种特点，在提倡集约型、节约型、 生态型资源利用模式的今天，无残留、无污染、处理效果好等特点成为臭氧利用的优势。 1 2 1 2 臭氧产生技术 ( 1 ) 无声放电法【1 8 1 ( 电晕放电法) ：是将干燥的含氧气体，如氧气、空气以及含氧、 氮、二氧化碳、氩等其他稀有气体的循环气体通过电晕放电区，反应产生臭氧。其反应过 程为：电晕中的自由高能离子离解氧分子，然后通过三体碰撞反应形成臭氧，同时氧原子 和电子也同臭氧反应生成氧。 ( 2 ) 紫外线辐射法：利用紫外线的能量，使一个处于激态的氧分子分解成氧原子， 再结合一个氧原子，生成臭氧。此种方法不适合大规模生产。 ( 3 ) 电化学法：利用直流电电解含氧电解质，在电极的阳极将水电解为臭氧、氧气、 h + 和e ，在阴极，电解出的h + 与e 。反应成氢气，或氧气、矿、e - 反应生成水。 本论文试验中，臭氧的制取方法采用无声放电法。 臭氧的结构使其具有亲电攻击能力，能与木素发生亲电反应【1 9 1 。它主要对木素苯环及 侧链双键进行亲电取代，破坏木素的发色基团，进而达到漂白及脱木素的目的。 1 2 1 。4 臭氧技术应用现状 臭氧技术在各个领域均有不同程度的应用f 2 0 1 。 4 北京服装学院硕十学位论文 ( 1 ) 臭氧在水处理中的应用 用臭氧处理水，主要是利用臭氧杀灭水中的细菌、病毒，消除异味，分解色素，分解 有害物质，氧化重金属元素等。以前常用氯净化饮用水，可能产生多种致癌、致畸、致突 变的氯化有机物，造成二次污染。臭氧净化水可以避免这种情况的发生。 ( 2 ) 臭氧在工业上的应用 臭氧在造纸、粘土工业中是理想的漂白剂；臭氧分解生成的有机氧化物和过氧化物可 用来合成多种化工原料和化学产品；臭氧还可用于核工业中各种放射性元素与硝酸溶液的 分离；在半导体工业中，清洗半导体器件，消除表面有机物也用到臭氧。臭氧在工业上的 应用不胜枚举。 ( 3 ) 臭氧在医疗上的应用 臭氧在我国医疗卫生系统中用来对手术室、病房、医疗器械和相关人员的物品进行消 毒【2 。在国外臭氧参与到病人的治疗过程中，臭氧疗法也已经发展为十余种，利用臭氧对 各种疾病的治疗研究有很多，如臭氧对糖尿病及其并发症、口腔疾病、皮肤病、脚气、静 脉曲张、女性疾病、癌症的治疗尝试等。 ( 4 ) 臭氧在生活上的应用 在日常生活中，臭氧可以用于蔬菜瓜果、餐具等的消毒。用于消除卧室、厨房、卫生 间的异味，对于新装修的房间，臭氧还可以去除涂料中散发的甲醛、苯、氨等有害气体， 用于空气的净化。臭氧水清洁皮肤对皮肤有保养的作用，用臭氧水清洗伤口可以加速伤口 的愈合。 ( 5 ) 臭氧在农业养殖业的应用 臭氧可以用于大棚的除草剂，还可防治病虫害【2 2 1 。在蔬果的储藏方面，臭氧有着很好 的防腐效果。在养殖业经过臭氧水喷淋的虾及鱼制品，杀菌率可达9 5 以上【2 3 1 ，且对色泽、 风味没有影响。臭氧还可以用于净化养殖水，对养殖场进行消毒。用一定浓度的臭氧水喷 淋种鸡蛋，甚至可以提高孵化率。 1 2 2 臭氧技术在纺织及相关行业的应用 国内对臭氧在纺织业中的应用研究较少，较典型的是利用臭氧极强的氧化性能快速氧 化靛青等色素，通过喷洒可在织物上形成斑点效果，用于牛仔服装中特殊效果的加工。国 外对臭氧技术的应用研究较为深入。 5 第1 章绪论 1 2 2 1 臭氧在漂白工艺上的应用 ( 1 ) 臭氧对棉的处理 土耳其的s e h e rd p e r i n c e k ，k e r i md u r a n ，a y s e g u le k o r l u 和i b r a h i mm b a h t i y a r i 研究了 用臭氧氧气的混合气体对本色棉织物进行漂白【2 4 1 。臭氧漂白后的洗涤工序、臭氧的浓度、 织物的p h 值、媒介温度，以及作用时间等因素对被漂白织物性能的影响都进行了研究。 实验结果显示：在臭氧漂白过程中，随着臭氧处理时间的延长，织物的白度与时问成比例 增加。与常规织物漂白相比，用臭氧漂白可以得到相同甚至更高的白度，但织物聚合度降 低。臭氧处理是一种环保的方法，因为它不需要使用有害化学药品，只需要很少的水，可 以在室温下在很短的时间内进行，不用任何的供暖或制冷能源。因为这些优点，可以说很 短时间的臭氧漂白就可以获得一个可接受的、可用于染色的白度，特别是聚合度损伤不是 很严重。未来的研究方向是研究不同的纺织品漂白稳定剂和化学药品的稳定效果，来控制 漂白机制，从而降低臭氧漂白时纤维的聚合度损伤。 印度的mp r a b a h a r a n 8 和jv e n k a t ar a o 进行了臭氧对棉坯布退浆、煮练和漂白作用的 研列2 5 1 ，比较了臭氧处理法和传统方法退浆，煮练和过氧化氢漂白的机械性能，化学性能 和染色性能等方面的差异。研究发现臭氧处理方法最大程度降低了对纤维素的损伤，并可 以快速得到可以被接受的白度( 这个白度可以用于染色) ，这个处理过程还有节省热能， 水和化学药品的优势。但由于臭氧处理纤维素纤维得到的白度不是很理想，因此建议采用 臭氧处理、过氧化氢处理两步法对纤维进行处理，可以得到较好的白度。本文将臭氧处理 应用在竹纤维上，因为竹纤维和棉纤维同属纤维素纤维，因此在处理过程及处理效果评定 上有可借鉴之处。 ( 2 ) 臭氧对蚕丝的处理 印度的d s a r g u n a m a n i 和n s e l v a k u m a r 研究了臭氧处理对柞蚕丝性能的影响【2 6 1 ， 用臭氧加皂炼处理与臭氧加过氧化氢处理对比，目的是提高织物的韧性和降低黄度。实验 结果显示：臭氧对柞蚕丝的性能有重要影响，尽管在处理过程中反应产物会使织物变黄， 但最后柞蚕丝的黄度值均有下降。与臭氧处理效果相比，仅用皂炼处理的生丝有稍高的黄 度值，较低的断裂强度，断裂伸长和抗弯刚度；仅用过氧化氢处理有较高的黄度值。由于 此前没有关于臭氧处理蚕丝的研究，所以，d s a r g u n a m a n i 和n s e l v a k u m a r 的研究是臭 氧处理丝织物的先例，也为进一步深入研究奠定了基础。 1 2 2 2 臭氧在纺织废水处理上的应用 纺织废水中含有大量染料，如活性染料、分散染料、直接染料和酸性染料，其中活性 6 北京服装7 1 9 c 硕十学位论文 染料在纺织品上的固色率低，因此废水中含有最多的染料为活性染料。r a m a nl a l l 、r a j m u t h a r a s a n 和y t s h a h 研究了臭氧氧化，超声波和超声波加强臭氧氧化作用对活性兰1 9 的脱色作用【2 7 1 。文章研究了在不同的超声波功率、染料浓度、臭氧浓度、p h 值和温度条 件下葸醌染料的氧化性，证明了超声波加强臭氧化法作为一种氧化方法对活性葸醌染料脱 色作用中在加强质量传递和内在动力方面具有优势，对染料废水的脱色作用具有明显的效 果。这种染料脱色方法的应用没有很多技术和设备上的限制，而且通过防治废水处理方法 的设计，将在效益上得到提高。 1 2 2 3 臭氧在纤维改性方面的应用 埃及学者做了紫外线、臭氧相结合的处理方法对化学纤维进行改性研究【2 引，他选用不 同的处理时间，对纯毛、纯涤纶和毛涤混纺织物进行紫外线、臭氧处理，并对处理后织物 的各项性能进行检测。研究发现：纤维结构中的无定型区结构增大，且面料强力下降。 1 2 3 臭氧对竹纤维的改性作用 在国内，除北京服装学院外，利用臭氧对竹纤维改性的研究还未见报道，北京服装学 院师生在此方面走在了前列。刘西南就臭氧对竹纤维的处理进行了初步探索，发现臭氧对 纤维的细化作用佳，漂白和木质素去除效果好，当然对纤维强度也有一定的损伤，但未对 臭氧处理的各工艺参数进行系统摸索。本课题将对臭氧氧化漂白竹纤维进行深入研究。通 过变化臭氧处理过程中的不同参数，寻求最佳的处理方法，并结合其他漂白方法，从各方 面提升竹纤维氧化漂白的效果。 基于臭氧在纺织行业的一些研究可以得出臭氧在纺织行业具有巨大的开发潜力。北京 服装学院竹纤维课题组在制取的竹纤维已具有初步可纺性的基础上，又在臭氧用于竹纤维 的木质素脱除方面做了一些工作，对比了含氯氧化剂、双氧水氧化剂和臭氧氧化剂在木质 素脱除上的优缺点，得出臭氧处理在木质素的去除效果上有明显的优势，在纤维细化上也 有很好的效果，白度也可达到纺织加工的要求，而且臭氧处理对纤维强度的损伤并不严重， 是一种很有开发前景的方法，有待进一步研究。但是前期由于时间，条件等各方面因素的 限制，此方面并没有得到深入细致、系统的研究，因此本文将在此基础上进行深入研究。 1 3 本课题的研究意义 随着人们对生态环境和能源问题关注程度的加深，开发和利用具有绿色环保优势的特 种植物纤维将成为未来纺织业发展的必然趋势，也将具有广阔的发展前景。竹纤维作为一 种绿色环保纤维近年来被广泛关注，被誉为2 1 世纪最具发展前景的健康面料。 7 第1 章绪论 ( 1 ) 竹材是一种生长快、成活率高、可快速再生的高产资源。竹材的大量应用可减 少木材的砍伐量，是保护自然资源的有效途径。 ( 2 ) 竹子生长过程中无需施加杀虫剂或其他农药，不会造成环境及植物本身的污染： 用竹纤维加工的纺织服装产品在废弃后可完全分解，具有优良的生物可降解性，可完全回 归自然【2 9 】。从这些角度来说其产品均可称之为绿色环保产品。 ( 3 ) 竹纤维具有的独特性能，越来越受到关注，竹纤维的开发与应用将提高纺织品 档次，增加产品竞争力，同时扩大纺织品的品种和用途，从而促进传统纺织业的高技术化 改造。 综上所述，开发竹纤维产品，不仅能够满足人们环保和健康的要求，还可以缓解纺织 植物原料与日俱增的供需矛盾，而且有利于森林资源的综合利用【3 们。同时竹纤维的开发对 开拓市场潜力、提高经济价值具有重大意义。 为了减少竹纤维加工工艺流程，缩短处理时间，降低成本，减轻损耗，实现绿色生产， 本课题将深入研究臭氧对竹纤维的处理工艺。臭氧作为一种新型无污染漂白剂，氧化性很 强，漂白效率较高。由于在臭氧漂白中无含氯漂白剂，因此其漂白废水可逆流回收，消除 了漂白废水的污染，使漂白车间无废水排放，从而实现绿色生产，获得绿色产品。 1 4 本课题的研究内容 ( 1 ) 臭氧处理方法及工艺的摸索 以本课题组自行制取的竹纤维为研究对象，主要通过臭氧处理方法摸索实验、臭氧处 理f 交实验、臭氧处理单因素等实验对竹纤维进行臭氧处理。并通过工艺纤维细度( 本文 中出现的竹纤维均指工艺竹纤维，简称为竹纤维) 、断裂强度、白度、残胶率以及残余木 质素含量等性能测试对臭氧处理后的竹纤维性能进行综合评价。从而探索臭氧处理方法在 竹纤维处理上应用的可行性，研究竹纤维臭氧处理的最佳工艺条件。 ( 2 ) 臭氧化学氧化作用机理分析及反应动力学研究 以臭氧处理前后竹纤维样品和产生的黑液样品为研究对象，从中分别提纯出木质素。 通过红外检测，分析臭氧处理前后竹纤维中木质素结构的变化，从而研究臭氧化学氧化作 用的机理。 臭氧处理竹纤维过程中，通过测定不同时间点臭氧的消耗量和竹纤维的残余木质素含 量，根据化学反应动力学原理，研究臭氧与竹纤维化学反应的历程。 ( 3 ) 臭氧在竹纤维纱线整理上的应用 以竹纤维纱线为研究对象，进行臭氧处理方法的应用实践，进行臭氧前处理、臭氧处 r 北京服装学院硕十学位论文 理、后加强处理三阶段实验以及各阶段处理工艺的优化组合实验。通过纱线细度、纱线断 裂强度、纱线断裂伸长率、白度、条干均匀度、残胶率、残余木质素含量以及纱线中竹纤 维细度等性能的测试，对臭氧处理后的竹纤维纱线性能进行综合评价，从而使臭氧处理方 法在竹纤维纱线上得以应用。 9 第2 章臭氧处理方法及l ：艺的摸索 第2 章臭氧处理方法及工艺的摸索 2 1 实验材料与实验方法 2 1 1 臭氧对竹纤维处理实验 2 1 1 1 实验材料 以慈竹为原料自行制取的竹纤维，规格、指标见表l 。 表1 竹纤维规格及指标 2 1 1 2 实验仪器及药品 氧气机( h g 5 系列) ，沈阳昌泰医疗科技有限公司 臭氧发生器( s b ) ，北京三龙腾飞臭氧设备制造厂 仪表恒温水浴锅( 双列八孔) ，上海树立仪器仪表有限公司 精密p h 计( p h s 3 c ) ，上海精密科学仪器有限公司 电子分析天平( a r 2 1 4 0 ) ，奥豪斯国际贸易( 上海有限公司) 实验用药品见表2 。 表2 实验用药品 2 1 1 3 实验方法 一 ( 1 ) 臭氧处理方法摸索实验 实验设计：对比气、液态臭氧对竹纤维的处理效果，从而找出较好的臭氧处理方法。 实验中变化了臭氧浓度、处理时间、p h 值及带液率( 带液率仅在气态臭氧处理中考虑) 四 个因烈3 1 1 ，对其不同水平组合的处理效果进行对比，具体安排见表3 。 l o 北京服装学院硕十学何论文 ( 注：f l 代表液态处理方法；f 0 代表气态处理方法) 工艺流程：臭氧处理一水洗一整理干燥 ( 2 ) 臭氧处理正交实验 实验设计：针对处理效果较好的气态臭氧处理方法，为了用最少的实验数量得到气态 臭氧处理各参数的最佳范围并j ，解各因素的影响作用，采用正交实验设计方法进行实验安 排。实验考虑了四个影响因素分别为：臭氧浓度( g h ) 、处理时间( m i n ) 、p h 值、纤维带液 率( ) 。每个因素分别尝试三个水平，具体安排见表4 。 表4 臭氧处理竹纤维正交实验安排 第2 章臭氧处理方法及i ：艺的摸索 ( 注：分别州乙酸、氢氧化钠调协溶液p h 值) 工艺流程：臭氧处理一水洗一整理 ( 3 ) 臭氧处理单因素实验 a 臭氧浓度因素实验 实验设计：在正交实验的基础上，本实验进一步确定臭氧处理过程中各参数的准确条 件。实验中，固定p h 值、带液率、臭氧处理时间等因素，仅改变臭氧处理的浓度，具体 安排见表5 。 表5 臭氧浓度因素实验安捧 ( 注：处理时间：5 m i n ，p h 值= 5 ，带液率：7 5 ) b 带液率因素实验 实验设计：固定p h 值、臭氧处理浓度、臭氧处理时间等因素，仅变化带液率，从而 得到带液率因素的准确条件，具体安排见表6 。 表6 带液率因素实验安排 ( 注：臭氧浓度：9 9 h ， 处理时间：5 m i n ，p h 值= 5 ) c 臭氧处理时间因素实验 实验设计：固定带液率、p h 值、臭氧处理浓度等因素，仅变化臭氧处理时间，从而得 到臭氧处理时间的最佳条件，具体安排见表7 。 1 2 北京服装学院硕十学位论文 ( 注：臭氧浓度：9 9 h ，p h 值= 5 ，带液率：7 0 ) 2 1 2 竹纤维性能测试实验 实验材料为2 1 1 中竹纤维原样经不同工艺处理后的样品。 2 1 2 1 纤维细度的测定 实验方法：依据g b6 1 0 0 8 5 ，采用中段切断法 实验仪器：纤维切断器( y 1 7 1 ) ，精度1 0 4 - 0 1 m m 宁波纺织仪器厂生产 电子分析天平a r 2 1 4 0 ，奥豪斯国际贸易( 上海有限公司) 生产 电脑式恒温恒湿箱( y g 7 5 l b ) ，宁波纺织仪器厂 实验条件：纤维在温度2 0 2 ，相对湿度为6 5 5 的条件下调湿2 4 h 切断长度：1 0 m m 测试根数： 3 0 0 根 实验结果计算：t t = m ( l x n ) 1 0 5 t t - 纤维细度，t e x ； l - 一切断纤维长度，l o m m ； 2 1 2 2 纤维断裂强度的测定 i l 卜中段纤维重量，g ； i 卜纤维根数，根 实验方法：参照g b 5 8 8 2 8 6 苎麻单纤维断裂强度测试方法 实验仪器：电子单纤维强力仪( e l e c t r o n i cs i n g l ef i b e rs t r e n g t ht e s t e r ) ( m o d e ll l y - 0 6 c p c ) ，莱州市电子仪器有限公司( l a i z h o ue l e c t r o ni n s t r u m e n tc o l t d ) 电脑式恒温恒湿箱( y g 7 5 1 b ) ，宁波纺织仪器厂 实验条件：拉伸速度：2 0 m m m i n 预加张力：0 8 c n 夹持距离：2 0 m m 试样在温度2 0 2 ，相对湿度为6 5 5 的条件下调湿2 4 h 测试指标：断裂强度 2 1 2 3 白度的测定 实验方法：依据g b t 1 7 6 4 4 1 9 9 8 纺织纤维白度色度试验方法 1 3 第2 章臭氧处理方法及i ：艺的摸索 实验仪器：全自动色差计( s c 8 0 c ) ，北京康光仪器有限公司 实验条件：纤维剪碎，使其长度 2 m m 测试指标：亨特白度值w h 2 1 2 4 残余木质素含量的测定 实验方法：参照g b5 8 8 9 8 6 苎麻的化学成分测试方法 实验仪器：八篮恒温烘箱( y 8 0 2 l ) ，莱州市电子仪器有限公司生产 电子分析天平( a r 2 1 4 0 ) ，奥豪斯国际贸易( 上海有限公司) 生产 循环水式多用真空泵( s h b i i ! ) 郑州长城科工贸有限公司生产 仪表恒温水浴锅( 双列八孔) ，上海树立仪器仪表有限公司 其他实验用品：1 2 0 目分样筛、称量瓶、玻璃干燥器、锥形瓶、玻璃砂芯滤器、三角 烧瓶等 实验药品：h 2 s 0 4 溶液( 7 2 ) b a c l 2 溶液( 10 ) 实验条件：纤维剪碎，使其长度 处理时间 p h 值。 2 2 2 5 臭氧处理正交实验的最优参数确定 通过上述臭氧处理j f 交实验结果的分析，得出竹纤维各项性能指标的臭氧处理参数最 优水平，见表1 5 。 表1 5 臭氧处理实验各项性能最优水平 1 04 4 ( )1 0 0 -0 由上表可知：臭氧浓度方面，当浓度为1 2 9 h 时，臭氧处理的竹纤维在白度、细度、一 残胶率和木质素的去除上效果最好，且竹纤维的断裂强度高，可满足纺纱要求；处理时间 方面，因臭氧处理时间过长，易导致纤维受损，断裂强度降低，因此倾向于选择最短5 m i n 的处理时间，在保证断裂强度的前提下对纤维的性能进行改进；在带液率方面，低带液率 下臭氧处理后的纤维明显氧化不足、高带液率下处理的纤维氧化过分，姑且选择7 5 ；在 p h 值方面，当取5 时，竹纤维的各项性能较好。由此，臭氧处理正交实验的最优参数初步 确定为臭氧浓度1 2 9 h 、处理时间5 m i n 、p h 值5 、纤维带液率7 5 。 2 l 第2 章臭氧处理方法及j l ：艺的摸索 2 2 3 臭氧处理单因素实验的结果与分析 通过以上f 交实验了解到臭氧处理过程中各影响因素对竹纤维性能的影响大小( 臭氧 浓度 带液率 处理时f b j p h 值) ，并初步确定了各影响因素的最佳取值范围。以下单因 素实验将依次对臭氧浓度、带液率、处理时间三个影响较大因素进行进一步的细化分析， 以确定其最佳取值点。 2 2 3 1 浓度因素实验的结果与分析 基于本文2 2 2 臭氧处理正交实验中，臭氧浓度因素在一水平时处理后的竹纤维综合 性能较好的结论，即只需较低的臭氧浓度，竹纤维的白度与细度均得到改善，因此在该实 验中进一步降低臭氧浓度，以寻求更好的效果。实验中共考虑6 、9 、1 2 、1 5 9 h 四个水平。 处理过程中其它工艺参数为：处理时间5 m i n ，p h 值为5 ，纤维带液率7 5 。 表1 6 不同浓度下的纤维各项性能的测试结果 681 01 2 1 4 1 6 臭氧浓度( g h ) 681 01 21 41 6 臭氧浓度( g ，h ) 图2 不同臭氧浓度下的纤维各项性能变化 从图2 中可知：随着臭氧浓度的增加，纤维强度、残余木质素含量下降，纤维细度先 下降，但过度氧化后，纤维平均细度反而增大，纤维的白度和残胶率随浓度增大反而呈下 阳 加 5 0 5 0 5 0 5 5 5 4 4 3 3 2 北京服装学院硕十学位论文 降的趋势，故整体来看，在臭氧浓度为9 9 h 到1 2 9 h 时纤维的综合性能较好。 因此在后续实验中选择9 9 h 为最佳臭氧浓度值。 2 2 3 2 带液率因素实验的结果与分析 依据本文2 2 2 臭氧处理j 下交实验中带液率因素对竹纤维各项性能指标的影响，本实 验共考虑了4 0 到8 0 1 n 的五个水平。处理过程中其他工艺参数为：臭氧浓度9 9 h ，处理 时间5 m i n ，p h 值为5 。 表1 7 不同带液率下的纤维各项性能的测试结果 4 05 06 07 08 0 带液率( ) ) 4 05 06 07 08 0 带液率( ) 图3 不同带液率下的纤维各项性能变化 由图3 可知：随着纤维带液率的增加，纤维细度基本保持不变，断裂强度稍微上升， 残余的木质素含量呈明显下降，纤维白度整体呈上升的趋势，并在带液率7 0 时白度最佳， 因此在后续实验中选择7 0 为最佳带液率值。 2 2 3 3 时间因素实验的结果与分析 通过本文2 2 2 臭氧处理正交实验中时间因素对竹纤维各项性能指标的影响分析，本 实验中处理时间选取3 、5 、7 、9 m i n 四个水平，处理过程中其他参数为：臭氧浓度9 9 h ， 2 3 为 加 加 6 5 5 4 4 3 3 2 2 第2 章臭氧处理方法及l ：艺的摸索 p h 值为5 ，纤维带液率为7 0 。 表1 8 不同处理时间下的纤维各项性能的测试结果 345678 ，9 时阃( m i n j 3456789 时问( r a i n ) 图4 不同处理时间下的纤维各项性能变化 由图4 可知：随处理时间的延长，纤维的残余木质素含量整体呈现下降趋势，纤维 断裂强度也逐渐下降，纤维白度整体呈上升的趋势、纤维残胶率变化幅度不大，纤维细度 稍有下降。持续延长臭氧处理时间对竹纤维各项性能的改进效果不明显，所以，臭氧处理 时间选取为5 m i n 即可，故5 m i n 是臭氧处理实验中时间因素的最佳取值点。 2 3 本章小结 本章主要通过臭氧处理方法摸索实验、臭氧处理正交实验、臭氧处理单因素等实验对 竹纤维进行了臭氧处理，并通过纤维细度、断裂强度、白度、残胶率以及残余木质素含量 等性能测试对臭氧处理后的竹纤维性能进行了综合评价，从而得出以下结论： l ，气态臭氧对竹纤维的处理效果明显优于液态臭氧； 2 气态臭氧处理过程中：各影响因素对竹纤维综合性能的影响程度为：臭氧浓度 带 液率 处理时间 p h 值；最佳处理工艺参数为：臭氧浓度9 9 h ，处理时间5 r a i n ，p h 值为 阳 扣 8 7 6 5 4 3 2 北京服装学院硕十学何论文 5 ，纤维带液率7 0 。 第3 章臭氧化学反应动力学研究 第3 章臭氧化学反应动力学研究 3 1 臭氧化学反应动力学研究 3 1 1 实验材料 实验材料同2 1 1 。l 。 3 ，1 2 实验方法 3 1 2 1 臭氧化学反应历程实验 ( 1 ) 臭氧化学反应历程实验 实验药品：同2 1 1 2 。 仪器设备：同2 1 1 2 。 实验设计与安排：在臭氧处理竹纤维过程中，通过测试不同时间点的臭氧用量和纤维 残余木质素含量，来了解反应进程，分析反应速度随时问的变化，确定不同时制段的臭氧 作用效率，从而全面了解整个反应过程。本实验中，固定臭氧浓度、带液率、p h 值等因素， 仅变化臭氧处理时间，具体实验安排见表1 9 。