微波对纤维素纤维结构与性能的影响及应用研究

论文摘要

纤维素纤维是一类重要的纺织原料而且资源丰富,人们在重视纤维素纤维使用性能的同时,对纤维素纤维的利用、处理和研究进行了重新认识和发掘。而微波加热处理技术是一种节能高效的热能技术,微波处理纺织材料正是微波技术与纺织领域相结合而开辟出来的新领域。尽管微波处理技术发展较早,但是关于微波对纤维作用的研究,大多数国家主要从事其应用方面的研究,而关于微波与纤维相互作用的微观机理方面的研究未见报道,因而目前仍然没有一套完备理论对微波与含水纤维素纤维的相互作用进行描述,对于微波处理后的纤维素纤维结构与性能的研究也未见系统的文献报道。本文选择棉和苎麻为天然纤维素纤维的代表,粘胶、天丝和醋酸纤维素纤维为再生纤维素纤维的代表,采用不同微波处理参数,对不同状态参数的五种纤维素纤维的外观形貌、微观结构及内部结构的影响进行系统性的研究,得出微波处理对纤维素纤维结构与性能的影响规律,并将微波干燥应用于纤维素纤维产业的毛巾干燥行业。首次建立了纤维素纤维微波干燥的动力学模型,系统的描述了微波作用下的纤维素纤维的失水程度和过程。同时首次采用核磁共振技术,对于微波处理前后的棉纤维进行晶粒内部结构表征的研究和对比,得出微波处理后棉纤维结晶结构的变化趋势。并将微波处理技术应用于企业生产中的毛巾烘干处理工序中。主要研究内容和结论如下:研究了纤维素纤维的介电特性,对纤维素纤维中水分的状态:游离水和束缚水的介电特性进行了分析和阐述,并对纤维素纤维的微波损耗进行了分析,建立了纤维素纤维的细度(Ntex)与纤维单位长度的微波损耗（Pl）之间的关系式。研究了微波处理后五种纤维素纤维的失水规律。醋酸纤维素纤维的干燥曲线和其它四种纤维差别较大。开始醋酸纤维素纤维干燥速率最大,随着水分的损失,粘胶和天丝的干燥速率逐渐成为最大,其次是棉纤维和苎麻;对于不同初始回潮率的同种纤维来说,干燥曲线的形状基本相同,即干燥规律相似,而且随着纤维初始回潮率的增加,微波干燥时间逐渐增加;随着润胀程度的增大,对于水分的去除也就越困难;随着功率以及纤维含杂率的增大,棉纤维的干燥速率大大增强。研究了微波干燥动力学模型,纤维素纤维的干燥模型可以用Page方程MR=exp（-ktn）来表示。经回归拟合得出的方程可以用于描述棉纤维微波干燥过程中水分的变化情况。研究了不同回潮率的纤维进行微波处理后强伸性能的变化。除了醋酸纤维素纤维,其余四种纤维在初始回潮率为0的时候,经过微波处理,纤维强度都是显著性下降的:随着初始回潮率的增大,棉纤维、粘胶、天丝的断裂伸长率有了显著性的提高,其中升高的幅度为粘胶＞天丝＞棉纤维,苎麻没有显著性提高;在回潮率较小的范围内,微波处理之后纤维的初始模量是增大的,随着回潮率的增大,初始模量变化不显著。研究了微波功率与时间对纤维强伸性能的影响。对于棉,粘胶和天丝来说,在微波处理时间一定的情况下,随着微波功率的增大,纤维强度和断裂伸长率先增大,后减小。在微波处理功率一定的条件下,随着微波处理时间的延长,棉纤维、粘胶和天丝的纤维强度先上升,后下降,而苎麻只出现强度下降的数据点;随着微波时间的延长,棉和粘胶的断裂伸长率先上升,后下降,苎麻只有显著下降的数据点,而天丝只有显著上升的数据点;初始模量均先上升,后下降,但是下降后的数值也比原样的数值高。通过SEM图观察可知,微波处理后的纤维横截面和表面形貌变得粗糙但是变化微小,苎麻和天丝表面出现细小的裂缝和断纹,棉和粘胶的表面变化比较小,醋酸纤维素纤维表面几乎没有变化。通过X衍射分析可知,实验所提供的微波处理不会引起纤维素纤维内部晶体基本结构的变化,但是微波作用之后的棉,粘胶和天丝的结晶度以及晶粒尺寸均有下降,而且微波对于再生纤维素纤维的晶区作用比天然纤维素纤维作用强烈。通过红外光谱分析可知,经过微波处理后棉纤维的化学组成没有改变,在3100～3600cm-1。区间内两条谱线的峰形不同,说明微波处理后纤维的分子间氢键、分子内氢键发生了变化。微波处理之后的吸湿指数增大。通过核磁共振碳谱表征分析可知,微波处理之后的结晶度要小于原样,但是由于微波处理之后的棉纤维有相当高的侧向有序指数,其在C2,3,5共振区域有更好的清晰度。X衍射和核磁共振均表明棉纤维是以纤维素Iβ为主,微波处理改变了纤维素的晶型,晶型含量Iα和Iβ均降低,但是比例基本保持不变,微波处理之后向次晶转化。以干燥毛巾为例,研究了微波在纤维素纤维产业中的应用,并与传统的干燥方式进行了对比。将初始回潮率为300%的纯棉一等品毛巾分别采用微波和烘箱两种方式进行干燥,结果表明,采用微波干燥比传统烘箱干燥的耗时短,速度快,干燥后的毛巾强度和吸水性能改善。两种干燥方式对毛巾脱毛率和色牢度影响等同。纤维素纤维的结构与性能是纤维素学科的基础性研究课题。本研究在微波一纤维素纤维作用理论的指导下,将微波应用于纤维素纤维产业上,以期为微波在纤维素纤维产业上的应用提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纤维素纤维结构特点
• 1.1.1 化学结构
• 1.1.2 形态结构及超微结构
• 1.2 微波处理技术的基本原理、特点
• 1.2.1 微波与电磁波
• 1.2.2 微波处理技术的基本原理
• 1.2.3 微波处理的特点
• 1.3 微波处理技术在纺织上的研究进展
• 1.3.1 微波处理技术在纺织品前处理技术中的研究
• 1.3.2 微波处理技术在纺织染整加工技术中的研究
• 1.3.3 微波处理技术在纺织品等检测技术中的研究
• 1.4 微波处理对纺织纤维、织物机理影响的研究
• 1.4.1 微波处理后真丝结构及性能变化
• 1.4.2 微波处理的结晶过程分析
• 1.4.3 微波处理对纤维超分子结构的影响及染色
• 1.4.4 微波处理织物
• 1.5 微波处理技术的研究与应用中存在的问题
• 1.6 课题的研究目标、研究内容和创新点
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 研究内容
• 1.6.3 创新点
• 第二章 纤维素纤维的介电特性
• 2.1 引言
• 2.2 微波与材料的相互作用
• 2.2.1 微波处理系统
• 2.2.2 微波传输与材料的分类
• 2.2.3 微波对材料的极化效应
• 2.3 纤维素纤维的介电特性
• 2.3.1 纤维素纤维介电特性的描述
• 2.3.2 影响纤维素纤维介电常数的因素
• 2.4 纤维素纤维中水分的状态及介电特性
• 2.4.1 吸附现象
• 2.4.2 游离水及其介电特性
• 2.4.3 束缚水及其介电特性
• 2.5 纤维素纤维的微波损耗分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 纤维素纤维微波干燥动力学研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 干燥曲线的测定
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 微波处理时间对干燥效果的影响
• 3.3.2 微波功率对干燥效果的影响
• 3.3.3 纤维种类对干燥效果的影响
• 3.3.4 纤维回潮率对干燥效果的影响
• 3.3.5 水分润胀时间对干燥效果的影响
• 3.3.6 纤维含杂率对干燥效果的影响
• 3.4 微波干燥动力学的研究
• 3.4.1 模型的选择
• 3.4.2 模型的建立
• 3.4.3 模型的验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 微波对纤维素纤维内部结构的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 SEM观察
• 4.2.3 X衍射测试
• 4.2.4 红外光谱
• 13C—CP/MAS固体核磁共振'>4.2.5¹³C—CP/MAS固体核磁共振
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 形貌分析
• 4.3.2 X射线衍射分析
• 4.3.3 红外光谱分析
• 13C NMR分析'>4.3.4¹³C NMR分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 微波处理对纤维素纤维强伸性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 微波处理方法
• 5.2.3 强伸性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 强伸性能变化的显著性检验
• 5.3.2 不同回潮率的纤维微波处理后强伸性能分析
• 5.3.3 微波功率对纤维强伸性能的影响
• 5.3.4 微波时间对纤维强伸性能的影响
• 5.3.5 微波处理后纤维拉伸性能的理论分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 微波在纤维素纤维产业中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 微波—热风联合干燥毛巾技术
• 6.2.1 传统热风干燥方式
• 6.2.2 微波干燥方式
• 6.2.3 两种干燥设备的能量利用率对比
• 6.2.4 微波—热风联合干燥毛巾技术
• 6.3 实验部分
• 6.3.1 实验材料
• 6.3.2 性能测试
• 6.4 结果和讨论
• 6.4.1 微波与烘箱干燥速度对比
• 6.4.2 微波与烘箱干燥毛巾性能对比
• 6.4.3 两种干燥方式的成本对比
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读博士学位期间学术成果
• 致谢