本发明涉及特别适用于纺织工业的改进韧型植物纤维,尤其是涉及亚麻纤维,本发明也涉及这种纤维的制取方法。 所谓韧型植物纤维,即来自植物韧皮部的纤维,例如来自亚麻、大麻、黄麻、洋麻、苎麻等,或细茎针茅、剑麻科植物韧皮部的纤维,也就是说,在纤维束方面具有与胶合剂相类似的结构的纤维。
在说明书及权利要求中,较多地涉及亚麻纤维作为最佳实例,但本发明不局限于亚麻纤维。
用来加工的亚麻茎中,纤维以初级纤维束的形式排列在表皮与本质部之间的表层上,每个纤维束有30至40根初级纤维,由有机胶合剂(果胶、半纤维素、木质素等)胶合在一起。在提取例如纺织工业用纤维所采用的机械或化学的不同方法中,由于胶合剂在不同的加工阶段中没有完全滤除,因此,所制取的纤维一般称为加工纤维,它们是初级纤维的集合体。这些亚麻纤维,由于它们的特殊结构,因此,就具有一种初级纤维束所具有的细度,而且还包括一大部分非纤维素的结钙质壳的物质。
人们已试着通过化学退胶和漂白处理来增大亚麻纤维的细度,减少非纤维素的物质的含量。
实际上,对于未加工的亚麻纤维来说,进行过退胶和漂白处理的亚麻纤维(下面统称为漂白亚麻纤维)具有比较大的细度,而且在裂解过程中还含有不可忽视的许多纤维束,有时是完整无损的纤维束;进行过退胶和漂白处理的亚麻纤维,还含有比较少的结钙质壳的物质,如同在红外线光谱仪以及焓差分析中所见到的那样,但是仍有相当大的一部分。然而我们知道,进行漂白会损坏纤维素的晶状结构。
然而改进的韧型植物纤维,尤其是亚麻纤维,与现有未加工的或漂白的亚麻纤维相比较,具有比较大的细度,非纤维素的物质的数量比较小,晶状结构至少如同已排列的那样。
根据本发明,这些改进的可纺纤维,在梳理后和纺前,基本上是初级纤维,可能带有少量残留的纤维束,但就漂白纤维特别是未加工纤维的成分来说,在比例上是可以忽略的,亚麻纤维更如此。这是初级纤维的优点,它们的标准细度指数明显低于其他未改进纤维所具有的细度指数:比未加工的亚麻纤维至少低30%,比漂白亚麻纤维至少低15%。
根据本发明,较佳的改进的亚麻纤维的特点是,纤维素的纯度很高,同时,非纤维素的结钙质壳物质的剩余量少,而且,其晶状结构未被破坏,甚至通过加工处理反而得到改善。非纤维素的结钙质壳物质的剩余量可通过各种各样的分析来确定,或直接采用离子交换色谱法在配量的水解作用之后测定可提取糖的总含量来确定,或间接地通过红外线光谱仪测定能表示木质素和果胶这样的结钙质壳的物质的酮基数量来确定。或通过透射式电子显微镜观察小切片、用焓差分析观察解聚作用峰值形状来进行比较。亚麻纤维中这些非纤维素的结钙质壳的物质含有不同的成分,在水解作用时,会产生半乳糖、木糖、阿戊糖、鼠李糖、甘露糖、葡萄糖、果胶和木质素等。
根据本发明的较佳改进的亚麻纤维中所含的剩余糖量明显低于未加工亚麻纤维和漂白亚麻纤维的剩余糖的含量;实际上,当亚麻纤维在150℃下用摩尔量硫酸处理四小时后,通过离子交换色谱法定量测得的糖的含量会出现这样的情况;据本发明从改进的亚麻纤维中提取的糖的总含量,至少低于从未加工亚麻纤维或漂白亚麻纤维中提取的糖的总含量的两倍。我们还发现,根据本发明从改进的亚麻纤维中提取的半乳糖含量至少低三倍。
通过其他一些分析方法,例如间接的方法或比较的方法,都可以得出下述结论,即根据本发明改进的亚麻纤维含有非常少量的非纤维素的结钙质壳的物质。通过红外线光谱仪可以发现,酮基(C=O)的吸收与(CH2)基的吸收的比值,对于本发明的改进的亚麻纤维来说,明显低于未加工亚麻纤维中所获得的比值,而稍低于漂白亚麻纤维中所获得的比值。用透射电子显微镜观察未加工亚麻纤维的小切片,就会见到一种非常明显的同心环结构;对于漂白亚麻纤维来说,这种结构略微弱些,而对于本发明的改进的亚麻纤维来说,这种环状结构几乎消失,只有一个或两个最靠近纤维腔管的环。根据焓差分析可以发现,如果是本发明改进的亚麻纤维,则解聚作用的峰值具有非常大的强度;如果是漂白亚麻纤维,则具有中等强度;而如果是未加工的亚麻纤维,则这种强度无法计算,毫无疑问,这是由于不同峰值的迭加而造成的。
根据本发明改进的亚麻纤维,具有经过加工处理而没有改变的晶状结构,而漂白亚麻纤维则相反。实际上,用X射线衍射法进行观察一方面可以发现,对于未加工的亚麻纤维、漂白亚麻纤维以及根据本发明改进的亚麻纤维来说,同不定形的纤维素标准比较起来,结晶度的比率是一样的,但是,另一方面,同未加工的亚麻纤维比较起来,根据本发明改进的亚麻纤维进行同样程度的漂白甚至更高程度的漂白时,晶粒的大小可减少10%以上。
把浸渍不足的已碎茎的亚麻纤维,在限定的时间内用高压水蒸汽进行水解处理,接着急剧减压至大气压力,然后再进行洗涤,即可获得本发明的改进的亚麻纤维。按照一种专门方法,水解处理可在10秒钟的时间里和压力为30巴的情况下进行。
把浸渍不足的已碎茎的本发明的亚麻纤维进行包括用酸溶液或碱溶液浸渍在内的第一次处理,然后,在稍微长一些时间例如90秒钟内,用压力低一些例如15巴的水蒸汽中进行水解处理,接着急剧减压至大气压力,然后再进行洗涤,也可以获得本发明的改进的亚麻纤维。按照一种先进的专门方法,第一次处理用的浸渍溶液是含有碱的重量为4%至6%的碱溶液。
由于说明书例举的一种实施例比较了四种短亚麻纤维:未加工的亚麻纤维、漂白亚麻纤维以及根据本发明改进的两种亚麻纤维,并且附有照片和曲线图,因此,本发明是很好理解的。
图1至图4是该四种亚麻纤维在光学显微镜下的照片,分别为:未加工的亚麻纤维(图1)、漂白亚麻纤维(图2)、改进的亚麻纤维A(图3)、改进的亚麻纤维B(图4)。
-图5至图8是该四种亚麻纤维在透视电子显微镜下的照片,分别为:未加工亚麻纤维(图5)、漂白亚麻纤维(图6)、改进的亚麻纤维A(图7)、改进的亚麻纤维B(图8)。
-图9至图12是该四种亚麻纤维在焓差分析中的曲线图:未加工亚麻纤维(图9)、漂白亚麻纤维(图10)、改进的亚麻纤维A(图11)、改进的亚麻纤维B(图12)。
短纤维的未加工亚麻纤维是一种碎茎后用各种不同开毛机械进行机械梳麻处理的纤维。许多年来,这种短纤维的未加工亚麻纤维是工业用和商品用亚麻产品。它用于纺织工业,生产含有亚麻纤维和合成纤维的混纺纱线,这种纱线中,亚麻纤维占的比例小;一般不超过25%。
经过漂白的亚麻纤维是一种机械梳麻处理后的亚麻纤维,如同上述那样,经过退胶处理和漂白处理,是市场上现有的最纯产品。
根据本发明改进的第一种亚麻纤维,称为改进的亚麻纤维A,首先是把浸渍不足的碎茎的亚麻都切割成70毫米长并放入反应器,然后,把它们放在压力为30巴的水蒸汽中进行10秒钟的水解处理,水解处理过程结束后,打开反应器的排汽口,使反应器从高压急剧减压到大气压力,从反应器中排出的亚麻纤维放入一个槽中,该槽含有弱碱性水(碱为0.4%),亚麻纤维在槽中被洗涤,然后漂清。
根据本发明的第二种改进的亚麻纤维,称作改进的亚麻纤维B,首先,把浸渍不足的碎茎的亚麻都切割成70毫米长,用含有碱的重量为4%的碱溶液进行第一次浸渍处理,然后,把经过上述第一次浸渍处理过的亚麻放入如上所述的反应器,在90秒钟的时间里用压力为15巴的水蒸汽进行水解处理。此后的工序同改进的亚麻纤维A的工序是一样的。
全部对照试验现已描述完毕,所有的试验均采用在普通梳理机梳理之后以及纺前的原料(未加工亚麻纤维、漂白亚麻纤维、改进的亚麻纤维A和改进的亚麻纤维B)进行。
光学显微镜
用光学显微镜对图1(放大520倍)中示出的未加工亚麻纤维进行观察,可以很清楚地看到大量完整无损的纤维束(1),或者处于裂解过程中的纤维束(2)。漂白亚麻纤维(图2)(放大325倍)含有裂解过程中的纤维束(2),有时含有完整无损的纤维束(1)。改进的亚麻纤维A和改进的亚麻纤维B中几乎只含有初级纤维(3),如果是改进的亚麻纤维A,则可能带有一些纤维束(4)。
标准细度指数
标准细度指数(IFS)的测定,首先是在予定的压力下,把质量不变的材料塞规压入模子,然后,测定穿过材料塞规的以毫米丙醇柱表示的气流的压力损失ΔH,标准细度指数(IFS)由下列公式求得:
IFS= 1000/(ΔH)
用四种亚麻纤维求得的值分别为:对于未加工的亚麻纤维是23.2对于漂白亚麻纤维是17.2,对于改进的亚麻纤维A是13.8,对于改进的亚麻纤维B是11.3。在所有的试验中,变化系数为2%或3%。
离子交换色谱法
首先,亚麻纤维在105℃下用摩尔量硫酸浸渍四个小时,然后,按照在法国纺织研究院科学通报1977年第三季度第六卷第23期上所述及的法国纺织研究院布洛尼实验室的糖类色谱分析法,对所获得的提取物进行分析。这种方法可按百分比计算出用摩尔量硫酸进行水解作用后提取到的糖的总含量,这些糖是亚麻纤维中的半纤维素和戊聚糖,尤其是阿戊糖、配糖键比较弱的木糖、半乳糖、鼠李糖、甘露糖和葡萄糖。关于所提取的糖的总含量,同用来进行分析的亚麻纤维的量相比,所占的百分比分别为:对于未加工亚麻纤维来说为8.5%对于漂白亚麻纤维来说为11%,对于改进的亚麻纤维A来说为2.9%对于改进的亚麻纤维B来说为3%。关于所提取的半乳糖的量,同用来进行分析的亚麻纤维的量相比,所占的百分比分别为:对于未加工亚麻纤维来说为3.0%,对于漂白亚麻纤维来说为3.5%,对于改进的亚麻纤维A来说为0.4%,对于改进的亚麻纤维B来说为0.6%。
红外光谱法
首先,把亚麻纤维的试样研成粉末,然后,在记录吸收光谱之前,与无水溴化钾一起制成片状。在所获得的光谱中,同酮基(C=0)吸收,同许多1730cm-1的波有关的峰值显示出亚麻纤维的变化,这些变化同结钙质壳的物质,尤其是木质素和果胶的含量多少有关。为了使这些变化更量子化,我们已经计算出由(C=0)吸收对(CH2)吸收之比所限定的一种指数。
用四种亚麻纤维获得的这种指数的值分别为:对于未加工亚麻纤维来说为0.635,对于漂白亚麻纤维来说为0.639,对于改进的亚麻纤维A来说为0.344,对于改进的亚麻纤维B来说为0.264。
透射电子显微镜
在时间为一个小时,温度为20℃的情况下,用0.1M的高碘酸钠溶液;在时间为1小时、温度为20℃的情况下,用硃叉二肼饱和溶液;在时间为12小时、温度为20℃的情况下,用四氧化锇溶液,对亚麻纤维进行连续处理。然后,用水漂清并进行干燥,再把这种亚麻纤维封入环氧树酯中,并用超微切片切成小切片,放在透射电子显微镜下进行观察。
用四种亚麻纤维(图5至图8)获得的照片可验证下列情况。未加工亚麻纤维(图5)(放大11000倍)具有结钙质壳物质特征的同心环结构。在漂白亚麻纤维(图6)(放大9000倍)中,可以看到环状结构有所消弱,然而还是存在环状结构。相反地,在改进的亚麻纤维A和改进的亚麻纤维B中(图7和图8)(放大11000倍),可以看到环状结构几乎都消失;有时,只在最靠近纤维的腔管,即纤维的中心部位有一个或两个环状物。
焓差分析法
使1至5毫克的氮助熔剂的物质在每分钟升高20℃的线性温度下升温,记录装有物料的熔锅和对照熔锅之间的温差来进行测定。解聚作用的峰值同时通过温度和强度来说明。
比较四种亚麻纤维的曲线图,可以得出这样的结论:未加工亚麻纤维在曲线形状上明显同其他三种亚麻纤维不同,而且不能正确计算出解聚作用峰值的温度。之所以不能正确计算上述解聚作用峰值的强度,是由于峰值重迭而造成的。未加工亚麻纤维的解聚作用峰值的温度为375℃(图9)。
漂白亚麻纤维具有中等强度的解聚作用峰值,温度为369℃(图10)。
改进的亚麻纤维A具有高强度峰值,温度为373.5℃(图11)改进的亚麻纤维B具有比较高的强度的峰值,温度为378.5℃(图12)。
X射线衍射法
亚麻纤维被切成80微米的段,在359kg/cm2的压力下使其乱取向和锭化。记录衍射光谱可在10°-40°的2θ角度范围内测定衍射峰值的面积,并可比较不定形纤维素的标准,计算出试样的结晶度。用四种亚麻纤维获得的结晶度数值都明显地差不多,对于未加工亚麻纤维、改进的亚麻纤维A和改进的亚麻纤维B来说,结晶度为40%;对于漂白亚麻纤维来说,结晶度为39%。
为了测定晶粒的大小,可以使纤维中心部位衍射,测定衍射射线的厚度,就能计算出原料的最小晶体的平均值。射线的选择同22.5°的2θ角相一致,并与纤维素的002结晶平面有关。
按照与002结晶平面相垂直的方向测得的晶粒的大小分别为:对于未加工亚麻纤维来说为51.4,对于漂白亚麻纤维来说为40.5,对于改进的亚麻纤维A来说为54.5,对于改进的亚麻纤维B来说为60。
漂白处理会破坏纤维素的晶状结构,而根据本发明的亚麻纤维,具有同未加工亚麻纤维一样排列的晶状结构。
显然,既然亚麻纤维的成分受生长和沤麻的气候条件和产地的影响,那么,因为生长时间年年有变化,产地也不同,所以上述的计算结果应当视为大概的数字。然而,这些数字还是能很好地说明,根据本发明改进的亚麻纤维优于未加工亚麻纤维,并优于按传统方法进行化学处理的亚麻纤维的特征。
要着重指出的是,用作本发明改进的亚麻纤维的基础原料是浸渍不足的亚麻纤维,例如,过早地收集在地下浸渍的亚麻纤维。用传统方法加工的浸渍不足的亚麻纤维,总是比用标准浸渍过亚麻纤维粗糙一些,在测定中,使纤维相互胶合以及使纤维束相互胶合在一起的胶合剂不足以破坏浸渍中的菌剂。这样,已浸渍的亚麻纤维所含有的结钙质壳的物质往往比正常浸渍的亚麻纤维中的多。值得注意的是,根据本发明改进的亚麻纤维具有比较好的性能,而亚麻纤维具有不太好的性能。
改进的亚麻纤维A已经用来纺纱,同合成纤维,如丙烯酸纤维一起混纺成亚麻纤维纱线。如同上述实施例中所述及的那样,把上述生产出的纱线,与未加工亚麻纤维混纺生产出的纱线相比较,可以发现,对于用75%的丙烯酸纤维同25%的亚麻纤维进行混纺成的纱线来说,用改进的亚麻纤维A纺出的纱线比用未加工亚麻纤维纺出的纱线条杆更均匀,另外,我们已能用改进的亚麻纤维A生产以亚麻纤维为主的纱线,而在工业上用未加工亚麻纤维来生产上述纱线则是没有发展前途的。
根据本发明处理的纤维,尤其是亚麻纤维,可以在所有传统的纺织工业中使用,尤其可用于同比例变化最大的天然纤维或化学纤维一起进行混纺,但也适用于其他应用范围。