超声波预处理及双氧水氧化法处理汉麻纤维工艺研究

超声波预处理及双氧水氧化法处理汉麻纤维工艺研究

汉麻又名麻杆，是一种传统的可再生原材料，被人类广泛使用，但纤维刚硬，易折叠，逐渐被棉花和酒精取代。随着人类对环保天然纤维的需求日益增长，对汉麻纤维有了新的认识。汉麻具有湿、通风、舒、防、菌、辐射、无静电、散波声波、抗紫外等优点。它可以吸收有毒和有害的气体，并对人体的代谢功能和微循环功能起到良好的作用。这是一种典型的功能性和环保型纺织纤维。汉麻与苎麻、亚麻相比,其胶质含量很高,有些高达40%以上,增加了汉麻的脱胶难度,其脱胶效果直接影响汉麻纺纱的成品质量、织造工艺和染整后处理加工.汉麻脱胶前通常要进行不同方式的预处理,如预酸、预氯和预水,但都存在纤维损伤严重、脱胶稳定性差和脱胶程度低等缺点.超声波作为一种新的能量形式变革化学反应日益受到人们的关注,在液体中会产生强烈的空穴效应,能从分散、排气、扩散3个方面影响液体对纤维的作用.本文通过超声波预处理,结合双氧水煮练,探讨汉麻新脱胶工艺的可行性.1测试1.1材料、仪器和仪器材料:汉麻,产自河北,原麻外观质量较好,剥麻刮青比较干净;30%双氧水(H2O2)、硅酸钠(Na2SiO3)、渗透剂JFC、氢氧化钠(NaOH)(均为化学纯).仪器:DWD-20万能材料试验机,JT202N电子天平,DK-$28电热恒温水浴锅,KS-1018超声波清洗仪,Y801A恒温烘箱.1.2超声预处理工艺研究汉麻原麻→超声波预处理(室温,功率800W,水浴中加入少量渗透剂JFC)→氧化煮练→水洗→亚硫酸钠洗→水洗→脱水→给油→脱油水→烘干.考虑试验过程的稳定性,以下试验条件恒定:硅酸钠用量2%(omf)、渗透剂JFC用量2%(omf),超声波预处理温度为室温,超声波功率为800W.通过探讨超声波预处理频率、处理时间、H2O2用量、NaOH用量、煮练温度和煮练时间6个主要参数,以获得最佳的工艺参数.1.3干态质量测定减量率:通过减量率能够反映汉麻纤维的脱胶程度,也可初步理解为胶质去除率,计算公式为:减量率=(m0/m1-1)×100%式中:m0是处理前试样干态质量;m1是处理后试样干态质量.断裂强度:纺织用纤维的断裂强度是影响纺纱性能和成纱质量的一项重要指标,因此,在脱胶过程中不仅要考虑脱胶效果,还应考虑脱胶后汉麻纤维的断裂强度.用万能材料试验机测试麻束的强力,设定上下夹具的夹持间隔距离为20mm,下夹的位移速度为20mm/min.拉伸测试后剪下20mm隔距的纤维,用于称重,然后计算精干麻纤维的断裂强度,测10组束纤维,取平均值.2结果与讨论2.1超声波预处理技术的参数决定2.1.1超声预处理频率H2O2用量8%,NaOH用量3%,煮练温度90℃,煮练时间50min,采用不同超声波频率对原麻进行脱胶处理,测试汉麻束纤维断裂强度和减量率,结果见图1.图1表明,随着超声波频率的增加,汉麻束纤维断裂强度曲线呈先平坦后降低的趋势,超声波频率超过60kHz后,纤维断裂强度下降趋势明显.原因是起始超声波频率低,空化气泡小,产生的空化泡只冲击汉麻纤维的表面,随着超声波频率提高,对纤维超微结构影响增大,导致纤维断裂强度降低.减量率则相反,随着超声波频率提高,空化泡对汉麻纤维表面冲击力增加,使胶质部分松散,有利于后续氧化脱胶的进行,减量率随之增加,超声波频率达到60kHz左右,减量率曲线变化较小.考虑纤维断裂强度和减量率,超声波预处理频率可选60kHz.2.1.2超声波预处理对汉麻束纤维断裂强度和减量率的影响H2O2用量8%,NaOH用量3%,煮练温度90℃,煮练时间50min,超声波频率60kHz,采用不同超声波预处理时间对原麻进行脱胶处理,测试汉麻束纤维断裂强度和减量率,结果见图2.图2表明,随着超声波预处理时间的延长,汉麻断裂强度曲线呈先平坦后降低趋势,超过60min后,汉麻束纤维断裂强度逐渐下降.受超声波的液体空化效应作用,处理时间延长对纤维超微结构影响增大,纤维损伤增加.同理,减量率随着超声波处理时间延长而增大,因为产生的空化泡对纤维胶质部分作用时间增加,提高了后续氧化脱胶的进程,减量率提高;超声波预处理时间达到50min后,减量率趋于平衡.超声波预处理时间可选50~60min.2.1.3高聚物纤维断裂强度超声波频率60kHz,NaOH用量3%,处理时间55min,煮练温度90℃,煮练时间50min,采用不同H2O2用量对原麻进行脱胶处理,测试汉麻束纤维断裂强度和减量率,结果见图3.图3表明,随着H2O2用量的增大,汉麻束纤维断裂强度曲线呈先上升后降低趋势.小于4%时,汉麻脱胶不彻底,单纤维没有分离出来,无法作纺纱用;随H2O2用量的增多,其降解胶质作用加强,胶质渐渐脱离纤维表面,纤维截面逐渐变细,断裂强度有所升高;超过6%,纤维素葡萄糖苷键氧化断裂,生成酸性氧化纤维素,断裂强度下降.减量率曲线先快速上升,原因是氧化作用使脱胶效果明显;当H2O2用量达到5%以后,曲线上升变缓,渐趋平衡,这部分减量率变化除了有微量胶质脱落,也可能伴随着纤维氧化损耗.考虑到纤维手感与可纺性,保留微量胶质是必要的,双氧水用量可选5%~6%.2.1.4naoh用量对汉麻纤维断裂强度的影响.naoh用量是一个单超声波频率60kHz,处理时间55min,H2O2用量5%,煮练温度90℃,煮练时间50min,用不同NaOH用量对原麻进行脱胶处理,测试汉麻束纤维断裂强度和减量率,结果见图4.由图4可知,随着NaOH用量的提高,汉麻纤维的断裂强度呈先略上升后下降的趋势.适量的NaOH为双氧水分解提供一个良好的碱性环境,有利于双氧水电离出OOH-,OOH-是对果胶、半纤维素、木质素产生氧化作用的主要成分.NaOH用量小于2%时,随着NaOH用量增加,脱胶程度加深,纤维被细化,断裂强度呈上升趋势;达到3%以上,双氧水过度分解消耗,加快对纤维的损伤,而且强碱介质使纤维素水解发生剥皮效应,使纤维素聚合度下降,导致纤维强度下降.减量率曲线先快速上升,之后上升趋势有所减小,由于起始NaOH对汉麻纤维起溶胀作用,机械的搅拌使少量胶质脱落,之后,直接由双氧水电离出OOH-快速作用,使脱胶程度加深;达到4%以后,减量率不再有明显变化.综合考虑,NaOH用量可选2%~3%.2.1.5煮练温度和时间对双氧水分解率的影响超声波频率60kHz,处理时间55min,H2O2用量5%,NaOH用量3%,煮练时间50min,采用不同煮练温度对原麻进行脱胶处理,测试汉麻束纤维断裂强度和减量率,结果见图5.由图5可知,当煮练温度上升,汉麻纤维的断裂强度先缓慢增大后缓慢减小.双氧水分解率随着温度的升高而增加,70~80℃时,双氧水的有效分解使纤维脱胶效果好;80℃时,纤维断裂强度达到最大值;超过80℃时,双氧水分解加快,造成对纤维的氧化以及其他无效分解等副反应.因此,煮练温度上升能提高汉麻的断裂强度,超过某一特定值后,高温反而会损伤纤维的强力.减量率随着煮练温度升高呈上升趋势,90℃后,减量率曲线趋于平衡.综合考虑,确定煮练温度为90℃.2.1.6组织胶结剂为双氧水作用纤维脱胶和渗透剂超声波频率60kHz,处理时间55min,H2O2用量5%,NaOH用量3%,煮练温度90℃,采用不同煮练时间对原麻进行脱胶处理,测试汉麻束纤维断裂强度和减量率,结果见图6.图6表明,胶质和纤维粘结在一起,煮练液渗透时间短,脱胶不彻底,麻样呈黄色,胶质的掺杂导致强力变化不大;超过40min,双氧水作用纤维表面的时间延长,胶质和纤维粘结力越弱,脱胶效果越好,纤维细度细化,断裂强度呈上升趋势;超过80min,双氧水电离出的OOH-在与胶质作用的同时,对麻纤维有所侵蚀强力略下降.减量率的变化比较单一,煮练时间延长脱胶效果更好,呈上升趋势;当煮练60min,减量率曲线趋于平衡,此时,汉麻纤维的断裂强度达到较大值在4.5cN/dtex以上.煮练时间选择60min.2.2脱胶前后的理化指标和物理指标按GB/T5888-1989《苎麻化学成分定量分析方法》对汉麻纤维进行化学成分定量分析,脱胶前后的物理和化学指标见表1.由表1可见,通过该工艺脱胶后,汉麻纤维的木质素、果胶质、脂蜡质、水溶物和灰分的含量总和小于10%,断裂强度在4.5cN/dtex以上,脱胶效果较好.3工艺2.2优化工艺脱胶工艺(1)汉麻纤维的新型脱胶工艺方法:先在室温条件下,采用800W超声波预处理,再进行氧化煮练.最