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微波处理对棉纤维结构与性能的影响

来源:印染在线 发布时间:2011年07月27日

l材料与方法
  1.1材料
  纺织用白棉纤维,回潮率为8.8%,断裂强力为4.1cN。
  1.2实验方法
  1.2.1回潮率测试
  采用YK.01型纱线微波快速定形系统,微波频率为2450MHz,微波输出功率分别为345、410、475、540、605、670、735、800W,对试样进行微波辐照处理,并间隔0.5min进行称重,微波处理使其最终回潮率小于0.26%。设定最终回潮率为0.26%为临界点,是因为纤维回潮率小于0.26%时,微波处理过程中棉纤维有可能出现糊化现象。
  1.2.2强伸性能测试
  采用XQ-l型纤维强伸度仪,将微波处理后的试样以及未处理的试样(称为试样0)进行强伸性能的测试。夹持长度为10mm,下降速度为20mm/min。每组纤维随机测试50根,测得断裂强力和断裂伸长率,每组取其平均值。
  1.2.3形貌观察
  采用日立电子JSM.5600LV扫描电子显微镜观察试样的横截面和表面形貌,加速电压20kV。采用KajaaniFS-200纤维长度测定仪测定纤维长度,测试之前先用活塞分散器将试样分散均匀。
  1.2.4广角X射线衍射测试
  采用D/max-2550PC18kW转靶x射线衍射仪,试样安放在玻璃的样品架上,在稳定条件下分析。测试条件:Ni滤波,Cu靶Ks射线,管压40kV,管流40mA,扫描速度2。/min,扫描范围5--~50。。
  利用两种方法计算结晶度。一种是分峰法,衍射曲线利用Lorentzian函数进行分峰,除了四个结晶峰101、101、002、040,无定形的结晶峰的最大值对应于101和002晶面之间的波谷。结晶度用以下方程计算:

1.2.5红外光谱测试
  傅立叶红外光谱在尼高力NEXUS670红外一拉曼光谱仪测定,分辨率为2cm-1,每个样品扫描100次。采用哈氏切片器制备5.0mg的干燥纤维粉末和200mg的KBr混合压片。

2结果与

讨论
  2.1微波处理后棉纤维的回潮率变化
  图l中,Fal~Fa8曲线分别显示了不同微波辐照功率下棉纤维的回潮率变化。从曲线的总体趋势看来,在时间一定的情况下,回潮率随辐照功率的增大而减小。在功率一定的情况下,回潮率随时间的延长而降低,但是回潮率曲线变化的斜率都是减小的。在微波处理时间0.5min之内,水分变化是最明显的。这是因为,棉纤维中所含水分分为结合水和自由水两种状态,它们对微波的吸收作用也不相同。自由水的分子可以自由转动,因而吸收微波显著。结合水的分子紧紧地与纤维的分子结合,不容易受到微波的作用而极化,很少吸收微波。回潮率为8.8%的棉纤维,其内部为结合水,所以微波对其水分的作用不明显,而且当水分越少,微波的吸收越弱,最后表现为对纤维自身的作用。

2.2强伸性能
  图2显示棉纤维在不同辐照功率下微波处理之后的断裂强力,样品为棉纤维原样(O#)和微波处理后的试样(1#)。从图2可以看出,微波处理后的棉纤维强力总体趋势是下降的,采用345W功率处理之后的试样的强力是增大的。经过微波处理的棉纤维的强力发生了较大的变化,这说明微波处理对于棉纤维的内部结构也造成了一定的影响。选择微波处理后强力增大的试样(1#),通过X射线衍射和红外光谱来测试分析其内部结构的变化,并且与未处理的试样(0#)进行对比分析。

2.3形态结构

利用扫描电子显微镜在放大5000倍下观察了试样O#和l#的表面形貌,如图3所示。纤维表面都有明显的微纤构造。棉纤维在经过微波处理之后,表面变得粗糙,而且这种现象可能会导致棉纤维吸水性能的增强,所以还需采用红外光谱测试来分析其吸湿指数。

2.4广角X射线衍射分析
  对试样0#和1#进行广角x射线衍射(WAXD)分析,图谱如图4。计算其结晶度、晶粒尺寸和取向度,结果如表l所示。

图4显示,两者的X射线衍射曲线的形状以及衍射峰所对应的衍射角都非常接近,这说明实验所提供的微波

处理不会引起纤维内部晶体基本结构的变化。从表l的计算结果来看,试样1#比试样0#的结晶度和晶粒尺寸均降低,但是取向度增大。这是因为在微波电磁场的作用下,介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向(见图5),这样晶粒取向变好,取向度增大。但是部分大分子链段断裂,大分子进行重组,致使结晶度和结晶尺寸下降。

2.5傅立叶红外光谱分析
  图6为两种试样的傅立叶红外光谱(FTIR)图。Ritchter提出了用137lcm吸收峰和665/cm吸收峰的面积之比Al37l/A665)作为纤维素的经验结晶指数(CI),而1430/cm吸收峰的强度和898cm吸收峰的强度之比(H1430/H898)常常定义为侧向有序指数(LOI),与纤维素I的比例相关,不能用于含纤维素II的样品,表示晶粒的侧向有序指数。将1638/cm吸收峰和898/cm吸收峰的面积之比(A163/A898)定义为吸湿指数(MI)。由表2的计算结果可知,试样l#的cI和LOI均比试样0小,这与X射线衍射图分析结果一致。计算其吸湿指数MI可知,试样1#高于0#,这是因为经过微波处理之后,结晶度下降,无定型区尺寸增加,而且表面粗糙度增加,使得吸湿指数增大。

3结论
  从回潮率变化曲线的总体趋势看来,在时间一定或者功率一定的情况下,回潮率随微波时间或者功率的增大而减小。在微波辐照处理0.5min之内,回潮率的变化幅度是最大的。微波处理之后的棉纤维断裂强力总体趋势是下降的,但是在特定的微波功率下,即345W功率处理之后试样的断裂强力是增大的。此外,微波处理后的试样与原样相比,表面都有明显的微纤构造,但是处理后试样变得粗糙,且结晶度和晶粒尺寸下降,取向度增大,同时吸湿指数也增大。


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