纳米二氧化硅与淀粉复合浆对浆纱性能的影响 摘要： 分析对比纳米二氧化硅（同VK-SP30） 与淀粉复合浆对纯棉纱和涤棉混纺纱浆纱性能的影响。配制7种纳米二氧化硅（同VK-SP30）含量不同的淀粉复合浆液，分别对纯棉纱和涤棉混纺纱进行上浆，测试浆纱性能，并进行热重分析。结果表明：纳米SiO2作为浆料添加剂使用时，有利于增强浆液对纤维的粘附性，可有效改善纯棉纱和涤棉纱的浆纱性能；纱线中羟基的含量直接影响纳米SiO2 对浆纱性能的改善程度，纳米二氧化硅（同VK-SP30）对纯棉纱浆纱表面性能和力学性能的改善效果更好。 为了进一步探讨纳米二氧化硅（同VK-SP30）作为浆料添加剂对不同纤维品种的适应性，将纳米SiO2，以不同的比例加入淀粉浆料中，对纯棉和涤棉纱进行上浆试验，分析纳米二氧化硅（同VK-SP30）对纯棉纱和涤棉混纺纱浆纱性能的影响，探讨纳米二氧化硅（同VK-SP30）对提高淀粉浆料上浆性能的作用机理。 1 上浆试验 将不同比例的纳米SiO2加入淀粉浆料中制成纳米SiO2 ／淀粉复合浆料，复合浆料各组分之间不发生化学反应，纳米二氧化硅（同VK-SP30） 在浆液中呈均匀分散状，混合后浆液在4 h～8 h之内不发生分层现象。试验配制4 000 mL含固率为10％ 的浆料，具体的浆料配方见表1。 表1 浆液配方 试验配方 淀粉含量% 纳米SIO2含量% 配方1 100 0 配方2 99 1 配方3 98 2 配方4 97 3 配方5 96 4 配方6 95 5 配方7 94 6 用片纱浆纱机对C 12.5 rex及T／C 50／5012.5 tex纱进行上浆。上浆工艺参数如下：退绕张力5 cN～8 cN，浆液粘度15 S～16 S，上浆温度90 ，烘燥温度130 ，前压浆辊压力2.01 kN，后压浆辊压力1.52 cN，浆纱机车速6 m／min，浸浆高度6.3 cm，上浆率10％ ～11％，回潮率3.2％～ 3.6％ 2 纯棉纱和涤棉纱浆纱性能比较 2．1 浆纱性能测试 7种配方浆纱性能测试结果见表2。 表2 浆纱性能指标测试 配方 品种 增强率% 减伸率% 增磨率% 弹性降低率% 毛羽降低率% 配方1 纯棉 14.0 35.4 29.0 33.6 20.9 配方1 涤棉 5.0 25.4 30.0 25.9 21.9 配方2 纯棉 30.9 32.4 44.7 31.5 27.9 配方2 涤棉 9.0 22.2 35.0 24.8 31.1 配方3 纯棉 26.1 26.5 57.9 31.0 39.8 配方3 涤棉 15.1 22.0 55.0 23.7 41.3 配方4 纯棉 40.0 21.5 94.7 29.9 50.3 配方4 涤棉 22.9 15.0 75.0 21.7 50.1 配方5 纯棉 41.6 22.1 89.5 29.2 51.6 配方5 涤棉 21.4 15.3 65.0 25.4 48.7 配方6 纯棉 31.2 26.5 31.6 32.3 41.6 配方6 涤棉 13.8 15.2 65.0 24.5 43.5 配方7 纯棉 25.0 27.7 15.8 32.0 41.9 配方7 涤棉 14.6 22.8 52.5 25.6 42.0 其中，纯棉品种原纱性能指标如下：断裂强力128.2 cN，断裂伸长率4.432％ ，耐磨次数38次，弹性伸长率38.4％ ，毛羽数48.53根／10 m。涤棉品种原纱性能指标如下：断裂强力 159.2 cN，断裂伸长率4.188％ ，耐磨次数40次，弹性伸长率35.5％ ，毛羽数45.23根／10 m。 由表2可知，配方4和配方纳米二氧化硅（同VK-SP30）质量分数为3％和4％)的浆纱强力、耐磨性、毛羽均有较大程度的改善，而弹性损失较小。测试数据也显示出纯棉纱上浆后各项性能比涤棉纱有更好的改善效果。 2．2 纯棉纱和涤棉纱浆纱性能改善程度比较 纯棉和涤棉纱的浆纱性能因浆液中纳米SiO2质量分数的变化而不同，从试验数据可以看出，当纳米二氧化硅（同VK-SP30）在浆液中的质量分数为3％ 一4％时，纯棉和涤棉纱均获得了较好的浆纱性能，并比用纯淀粉上浆时的浆纱性能有了十分明显的改善。表3为纳米SiO2 在浆液中的质量分数为3％～ 4％时纯棉和涤棉纱的浆性能与纯淀粉上浆时浆纱性能的比较。 表3 纯棉纱和涤棉纱使用纳米SiO2对浆纱性能的影响 品种 浆料配方 强力 断裂伸长率 磨断次数 静摩擦 动摩擦 弹性 毛羽 /cN 伸长率% /次 因数 因数 伸长率% 降低率% 纯棉 纯淀粉 146.2 2.861 49 0.239 0.157 25.6 20.9 纯棉 纳米SiO2 181.5 3.478 74 0.191 0.126 27.2 51.6 涤棉 纯淀粉 167.2 3.125 52 0.239 0.165 26.3 21.9 涤棉 纳米SiO2 195.6 3.559 70 0.193 0.131 27.8 50.1 注：纳米SiO：在配方中所占比例为3％ ～4％。 由表3可知，纳米二氧化硅（同VK-SP30）在对纯棉品种上浆时能表现出明显优势。 3 作用机理分析 以下通过对上浆后纳米二氧化硅（同VK-SP30）与不同纤维分子结合状态的分析，探讨纳米SiO2对纯棉和涤棉浆纱性能影响程度的不同。对经同一种浆液含有3％纳米二氧化硅（同VK-SP30）的纳米SiO2／淀粉复合浆上浆后的纯棉纱、涤棉混纺纱、纯涤纶纱经定量退浆处理后的试样进行热重分析，控制3种试样退浆后干重均为10 mg，退浆率为6.7％。试验采用氮气气氛，气体流量为20 mL／min，升温速率为20℃／min，扫描范围为室温至700℃。将3个试样经各失重阶段后的重量变化列于表4中。 表4 试样重量变化 试样 试样 第一失重阶段 第二失重阶段 第三失重阶段 总失 失重 干重 失重率 剩余重量 失重率 剩余重量 失重率 剩余重量 重率 总和 mg % mg % mg % mg % mg 纯棉纱 9.88 7.76 9.11 74.47 1.75 82.23 8.13 涤棉纱 9.93 7.50 9.19 76.24 1.61 83.75 8.32 纯涤纶纱 9.92 2.87 9.64 23.35 7.60 58.86 1.48 85.08 8.44 从表4可以看出，纯棉纱试样和涤棉纱试样 有2个阶段的失重，而涤纶纱则有3个阶段的失重。在50 左右，发生第一阶段失重，纯棉纱、涤棉纱、涤纶纱失重率分别是7．76％、7．50％、2．87％ ，失重率随着纱线中化学纤维成分的增多而减少，纯棉纱、涤棉纱第二阶段失重开始于160℃ ，涤纶纱开始于250 ℃ ，失重率分别是74．47％ 、76．24％ 、23．35％ ，涤纶纱从380 ℃左右发生第三阶段失重，失重率为58．86％ ，当试验温度达到650 ℃时，3种浆纱质量趋于稳定，其总体失重率分别为82．23％ 、83．75％ 、85．08％ ，失去质量总和分别为：8．13 mg、8．32 mg、8．44 mg。 在第一失重阶段中，试样失去的主要物质是水，棉纤维是多孔性物体，纤维的内部和纤维之间存在有很多的孔隙，纤维大分子及包覆在纱线表面上的淀粉大分子中含有很多的羟基及醇羟基，这些基团属于亲水性基团，易与空气中的水分子缔合，在纤维内部保存下来。涤纶纤维仅由苯环、烷基(一CH，一)以及酯基(一C00一)所组成，对水的吸引力弱，所以吸湿性较差。在加入纳米二氧化硅（同VK-SP30），材料后，淀粉大分子上的部分羟基与纳米SiO2，粒子表面不同键合状态的羟基形成氢键，纳米颗粒占据着基体材料中的部分空隙，使水分子不能进入，也会对试样的吸湿性产生一定的影响。因此，第一失重阶段中，纯棉纱失重最多，涤棉混纺纱次之，纯涤纶纱最少。 在第二阶段的失重中，主要是由于高分子链的无规裂解失重，在无规裂解中，化学键的断裂发生在高分子主链的任意处，结果使高分子主链变短、分子量降低，裂解所得到的小分子只有当它的小堆分子量低于某个值后从反应体系中挥发出来，产生失重。比较3个试样的第二阶段失重率，涤纶纱与纯棉纱、涤棉纱有较大的不同，由于棉纤维的熔点高于分解点，在高温作用下，直接分解，它的分解点温度一般为150 ℃，而涤纶纤维的软化温度在200 ℃～210 ℃左右，熔点在250 ℃左右，所以纯棉及涤棉纱的第二阶段的失重温度要小于涤纶纱。淀粉大分子的熔点(230 ℃)远高于其分解温度(170 ℃)，在这阶段的失重中，由于淀粉与棉纤维的熔点及降解的速率相差不大，因此，纯棉及涤棉浆纱中失去的质量主要是纤维及淀粉的质量，而涤纶浆纱先失去淀粉及一部分纤维的质量。由于涤纶与淀粉、棉纤维大分子降解的速率不同，涤纶大分子继续产生第三阶段失重。随着温度的增加，纳米二氧化硅（同VK-SP30） 属于无机材料，熔点远高于试验最高温度，因此加热达到700℃高温也不会挥发，而淀粉与纤维基体中的分子链段早已开始断裂，发生分解。所以在测试完成之后纳米二氧化硅（同VK-SP30） 都将作为残留物被称量出来，在温度达到650 ℃左右，3种试样质量趋于平衡，在残余试样中，纯棉浆纱剩余质量最高，其次是涤棉，再次是涤纶纱，因此随着纤维中化学成分的增多，总失重率增加。试验结果显示定量退浆后，纯棉纱比涤棉纱及纯涤纶纱残留了更多的纳米SiO2。 可以推断，上浆后浆液中的纳米二氧化硅（同VK-SP30） 与淀粉大分子产生结合的同时还与棉纤维之间依靠氢键产生了很强的结合，增强了棉纤维之间的内聚力。而由于化学纤维中官能团的不同，不易与淀粉及纳米SiO2 大分子中的羟基发生键合作用，定量退浆以后残留的纳米SiO2，很少。由此可以解释表2、表3中所表现的纳米SiO2，对纯棉品种纱线上浆时更具有优越性。 4 结论 (1) 纳米二氧化硅（同VK-SP30）作为浆料添加剂使用时，其特殊性能有利于增强浆液对纤维的粘附性，其表面的活性羟基和淀粉及棉纤维上的羟基之间存在或强或弱的氢键作用，可以有效改善纯棉和涤棉纱的浆纱性能。 (2)纱线纤维中羟基的含量直接影响纳米二氧化硅（同VK-SP30）对浆纱性能的改善程度，因纯棉纱比涤棉纱含有更多的羟基，纳米SiO2对浆纱表面性能和力学性能的改善程度在纯棉纱上有更好的表现，可以推断，纳米二氧化硅（同VK-SP30）更有利于纤维素纤维的上浆。 (3)相对于原纱，用纳米二氧化硅（同VK-SP30）改性淀粉浆上浆后，在各个测试指标中，纱线的增强和增磨及减少毛羽的效果最好，较好地符合了经纱上浆的目的和要求。