纳米级浆料添加剂在经纱上浆中的作用机制.pdf

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1、第2 8 卷第3 期 2 0 0 7 年3 月 纺织学报 J 0 u m a lo f7 r e x m eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 3 M a r 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 “2 0 0 7 ) 0 3 0 0 5 3 0 4 纳米级浆料添加剂在经纱上浆中的作用机制 纪惠军1 ，范雪荣2 ，王强2 ，余娟2 ( 1 陕西纺织服装职业技术学院，陕西咸阳7 1 2 0 0 0 ；2 江南大学，江苏无锡2 1 4 1 2 2 ) 摘要为了改善淀粉的上浆性能，减少P v A 浆料的用量，可在淀粉浆液中加入纳米级无机浆料添加剂。采用扫 描电子

2、显微镜、原子力显微镜和傅里叶变换衰减全反射红外光谱对纳米级无机浆料添加剂的作用机制进行了研 究。结果表明：纳米级无机浆料添加剂能显著改善淀粉浆膜表面和断裂截面以及浆纱表面的平滑性和均匀性；纳 米级无机浆料添加剂和淀粉之间存在较强的氢键作用，这一作用可能与纳米氧化物表面丰富的羟基有关。 关键词纳米级无机浆料；添加剂；淀粉；上浆；作用机制 中图分类号：喁1 0 3 8 4 7文献标识码：A T 垤e c h a I l i s mo fn a n o s i z e ds i z e - a d d i t i V eu s e di nw a r ps i z i n g J IH u i j

3、u n l ，F A Nx u e r o n 9 2 ，w A N GQ i a n 9 2 ，Y uJ u a n 2 ( 1 J s 托船i7 轨如蒯氏r 7 聊耐胁疵眦e ，9 伽g ，_ s 地脯i7 1 2 0 0 0 ，醌流口； 2 S o 眦k m 拖n g 拓e 踟妇m 蚵，i ，胁n 舻u2 1 4 1 2 2 ，现i M ) A b s t r a c tI no r d e rt oi m p r o V et h es i z i n gp e d o 瑚a n c eo fs t a r c hs i z e sa n dd e c r e a s et h ed

4、o s a g eo fP V A ， n a n o s i z e di n o r g a n i cs i z ea d d i t i v e sc a nb eu s e di nt h ef b 珊u l a t i o no fs t a I hs o l u t i o n I nt h ep I e s e n tw o r k ，t h e r n e c h a n i s mo fn a n o s i z e di n o E g a n i cs i z ea d d i t i v eu s e di nw a r ps i z i n gw a si n V

5、e s t i g a t e db yu s i n gS E M ，A F Ma n d F T I RA T R 7 r h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h en a l l o p 眦i c u l a t e sc a ni m p r o v et h es m o o t h n e s sa J l du n i f o m i t yo fs t a r c h s i z ef i l ma n db r o k e nc r o s s s e c t i o na sw e Ua st h es u d a c eo fs i z

6、 e dw a r py a m s S u b s t a n t i v eh y d r o g e nb o n d s b e t w e e nt h en a n o p a r t i c u l a t e sa n ds t a r c hm o l e c u l e se x i s t ，w h i c hm a yb ea t t r i b u t e dt ot h ee n r i c h e dh y d m x i d e # ：I _ o u p so n h es u 出c eo fn a n o s i z e do x i d e s K e yw

7、 o r t l s n a n o s i z e di n o E g a n i cs i z e ；a d d i t i v e ；s t a I h ；s i z i n g ；m e c h a n i s m 纳米级无机浆料添加剂是由纳米级T i 0 ，组成 的分散液，能在某些纯棉织物的经纱上浆中全部取 代P v A 浆料，在涤棉织物的经纱上浆中部分取代 P v A 浆料。这类浆料添加剂已引起了浆料、浆纱企 业的广泛关注。1 。纳米级无机浆料添加剂不会与 淀粉发生化学反应，对淀粉浆液的黏度和黏度热稳 定性基本无影响，能在一定程度上提高变性淀粉浆 液对纯棉和涤棉粗纱的粘附力，对淀

8、粉的浆膜性能 也有一定程度的改善旧。本文采用扫描电子显微镜 ( s E M ) 、原子力显微镜( A F M ) 和傅里叶变换衰减全 反射红外光谱( 兀1 - I RA T R ) 进一步研究了纳米级无 机浆料添加剂改善淀粉浆液上浆性能的作用机制。 1实验部分 1 1 材料 纳米级无机浆料添加剂为纳米级T i O ，分散成 的乳白色液体，含固量1 5 ( 质量分数) ，p H 值8 5 ， 平均粒径7 1n m ；酸变性淀粉，黏度1 1 0m P a s ；纯变 性淀粉浆膜；添加2 T i 0 ：纳米级浆料添加剂的变 性淀粉浆膜；1 4 5t e x 纯棉原纱；纯变性淀粉上浆的 1 4 5t

9、e x 纯棉纱( 上浆率9 5 ) ；2 纳米级浆料添加 剂9 8 变性淀粉上浆的1 4 5t e x 纯棉纱( 上浆率 9 8 ) 。 收稿日期：2 0 0 6 0 6 2 5修回日期：2 0 0 6 一1 0 0 7 作者简介：纪惠军( 1 9 6 5 一) ，女，副教授，硕士生。主要研究领域为环保型纺织浆料等。E m a i l ：j h j l 0 0 1 1 2 6 c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 4 纺织学报第2 8

10、 卷 1 2 仪器 z 访c k 万能材料试验机，德国兹韦克公司；N e x u s 傅里叶变换红外光谱仪，美国n e n n oN i c o l e t 公司； Q u 粕协- 2 0 0 扫描电子显微镜，荷兰F E I 公司；C S P M 3 3 0 0 原子力显微镜，广州本源纳米仪器有限公司。 1 3 方法 1 3 1 扫描电子显微镜观察 将纯变性淀粉浆膜和含2 纳米级浆料添加剂 的变性淀粉浆膜在z 稍c k 万能材料试验机上拉伸至 断裂，然后在扫描电子显微镜下观察其拉伸断裂 截面。 在扫描电子显微镜下观察1 4 5t e x 纯棉纱、纯变 性淀粉上浆的纯棉纱以及含2 纳米级浆料添加

11、剂 的淀粉浆上浆的纯棉纱的表面形态。 1 3 2 原子力显微镜观察 在原子力显微镜下观察纯变性淀粉浆膜和含 2 纳米级浆料添加剂的变性淀粉浆膜的表面形貌。 1 3 3 衰减全反射红外光谱分析 测试纯变性淀粉浆膜、含1 5 和2 纳米级浆 料添加剂的变性淀粉浆膜的衰减全反射红外光谱。 2 结果与讨论 2 1 浆料添加剂对浆膜断裂截面形态的影响 图l 为在1 2 万倍扫描电子显微镜下观察到的 纯变性淀粉浆膜和2 纳米级浆料添加剂9 8 变性 淀粉混合浆膜的拉伸断裂截面。 ( a ) 纯变性淀粉( b ) 含2 纳米浆料添加刑的捉粉 图l浆膜的断裂截面电镜照片 F i g 1 S E Mi m a

12、g e so fb r e a kc r o s s s e c t i o no fs i z e6 l m ( a ) P u r em o d i f i e ds t a r c h ；( b ) S t a r c hc o n t a i n i n g2 n a J l o s i z e di n o I 琴a n i cs i z ea d d i t i v e 从浆膜断裂截面的电镜照片可以看到，纯变性 淀粉浆膜的断裂截面粗糙、凹凸不平。添加2 纳 米级浆料添加剂后的变性淀粉浆膜断裂截面整齐、 光滑。这可能是纯变性淀粉浆液成膜时不够均匀， 浆膜存在缺陷或薄弱之处，受到外力作

13、用时，浆膜会 在这些地方断裂。添加纳米级浆料添加剂后，由于 纳米粒子的比表面积大，纳米粒子与淀粉基体之间 的接触面积很大，使得淀粉高分子链之间的相互作 用得到加强，使成膜光滑、均匀，减少了浆膜的薄弱 点，当浆膜受到外力作用时，能缓解这些地方的应力 集中现象，使浆膜的韧性得到提高，浆膜的断裂强度 比纯变性淀粉浆膜高。 2 2 浆料添加剂对浆膜表面形态的影响 图2 ( a ) 和( b ) 分别是在原子力显微镜下观察到 的纯变性淀粉浆膜和2 纳米级浆料添加剂9 8 变 性淀粉混合浆膜的表面形貌。 ( a ) 纯变性淀粉( b ) 含2 纳米级浆料添加剂的淀粉 图2 浆膜的表面形貌 F i g 2

14、s l l 面c ep h o t o 妒p h y0 fs i z el i l m ( a ) P u r e 1 0 d i f i e d 咖h ； ( b ) s t a r c hc o n t a i n i n g2 n a J l o s i z e di n o r g a n i cs i z ea d d i t i v e 从图2 所示的浆膜表面原子力显微镜照片可以 看出，纯变性淀粉浆膜的表面较粗糙，颗粒较大，表 面凹凸明显。而加入纳米级浆料添加剂后，浆膜表 面的颗粒明显变小，凹凸程度也明显减小。在摩擦 力的作用下，前者膜的表面受到的磨损较大，后者膜 的表面受到的磨损

15、相对较小，因此加入纳米级浆料 添加剂后，淀粉浆膜的耐磨性能将有所提高。 2 3 浆料添加剂对上浆纱表面形态的影响 图3 ( a ) 、( b ) 和( c ) 分别是在扫描电子显微镜下 观察到的原纱、纯变性淀粉上浆纱和2 纳米级浆料 添加剂9 8 变性淀粉混合浆液上浆纱的表面形态。 从图3 ( a ) 可看出原纱表面有很多毛羽。 图3 ( b ) 、( c ) 表明经过上浆后，纱线表面的毛羽几乎 没有了，但图3 ( b ) 所示的上浆纱表面不够光滑，有 部分纤维未被淀粉覆盖，且淀粉对纱线包覆的也不 均匀。这可能是纯变性淀粉浆液在纱线的表面被覆 不均匀造成的。从图3 ( c ) 可看出，上浆纱表

16、面很光 滑、均匀，这可能是因为在变性淀粉中添加了纳米颗 粒后，使得浆料更容易渗透到纱线内部，从而贴服毛 羽，使表面变得光滑。这表明添加了纳米级浆料添 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期纪惠军等：纳米级浆料添加剂在经纱上浆中的作用机制 5 5 ( a ) 原纱( b ) 纯变性淀粉上浆纱( c ) 纳米浆料添加剂，变性淀粉混合浆上浆纱 图3 经纱表面形态 F i g 3 S u 由c em o 呐o l o 科o f w a r py a m

17、s ( a ) R a wy 锄s ；( b ) S i z e dy 锄sw i d lp u r em o d i f i e ds t a r c h ； ( c ) S i z e dy a m sw i t hn a n o s i z e di n o r g a n i cs i z ea d d i t i v e ，m o d i f i e ds t a r c h 加剂后，提高了淀粉浆液对纱线的被覆效果。 2 4 浆膜的衰减全反射红外光谱分析 纳米氧化物表面含有丰富的羟基，而且活性很 高。一般纳米氧化物表面的羟基都在2 0 以上，最 高的可达4 0 4 | 。 赵 寒 督

18、 为了探讨纳米氧化物与变性淀粉之间的作用机 制，考察羟基是否在它们之间起了关键作用，本文对 纯变性淀粉浆膜和添加了纳米级浆料添加剂的变性 淀粉浆膜进行了衰减全反射红外光谱分析，结果如 图4 所示。 图4 淀粉浆膜的衰减全反射红外光谱图 F i g 4 F T I 乙I RA T Ro fs i z e6 l m s 从图4 可以看出，纯变性淀粉浆膜在 33 5 1 4 6c m 。处有一很强的O H 伸缩振动峰，纳 米T i O ，质量分数为1 5 时，该峰位向低波数方向 移动，移至33 4 4 7 1c m 一处，移动了7 个波数。而当 纳米T i O ，质量分数为2 时，该峰位又向高波数方

19、 向移动了3 个波数，移至33 4 7 4 5c m 一处，但与纯淀 粉浆膜的峰位相比，波数还是减少了4c m 。这说明 纳米粒子表面富含的羟基( 一O H ) 和淀粉之间确实 存在着强烈的氢键作用，使该峰向低波数方向移动， 但是在纳米级浆料添加剂含量较高时，此峰位又移 动的不够明显，这说明纳米颗粒增多了反而可能与 淀粉之问的氢键作用减弱。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 6 纺织学报 第2 8 卷 另外，纯淀粉浆膜在l0 1 9 3 3c m

20、 叫处有一很强 的C O 伸缩振动峰，纳米T i O ，质量分数为1 5 时 该峰仍然在10 1 9 3 3c m 。1 处，没有任何移动，而纳米 T i O ，质量分数为2 时该峰移至10 1 7 0 7c 矗。1 处， 有2 个波数的移动。这也说明纳米粒子和淀粉之间 存在着相互作用使该峰向低波数方向移动。 从上述现象，可初步认为，在纳米氧化物粒子和 淀粉之间、纳米氧化物粒子和棉纤维之间都存在着 或强或弱的氢键作用。这些氢键作用可能来自纳米 氧化物粒子表面富含的活性羟基( 一O H ) 与棉纤维 和淀粉所含羟基之间的结合。纳米氧化物粒子的加 入，使上浆棉纤维体系的氢键作用有所加强。纳米 氧化

21、物粒子表面羟基与棉纤维羟基的结合，使得在 棉纤维之间产生类似“焊点”的作用，从而增加了棉 纤维之间的滑移阻力，提高了纱线的强力，此处还可 “修复”纤维的临界缺陷点。纳米氧化物粒子表面羟 基与淀粉羟基的结合，增加了淀粉分子间的作用力， 提高了淀粉浆膜的致密性，从而使淀粉浆膜的断裂 强度显著增强。纳米氧化物粒子对淀粉分子的作用 还可能与其对淀粉分子链中的树枝状支链起到“梳 理”作用，形成类似直链的“假直链”结构有关b “1 。 3结论 纳米级无机浆料添加剂能改善淀粉浆料的上浆 性能。减少P v A 浆料用量是由于该添加剂能加强 淀粉分子链之间的相互作用，使成膜均匀，浆膜薄弱 点减少；使淀粉浆膜表面

22、光滑，耐磨性提高；还能提 高淀粉浆液对纱线的被覆效果。此外还可能与纳米 氧化物表面富含活性羟基，和淀粉及棉纤维上的羟 基之间存在或强或弱的氢键作用有关。黼 参考文献： 1 王萌，吴敏，葛明桥纳米S i 0 2 对淀粉浆膜耐磨损性能 的影响 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 7 ) ：6 7 7 0 2 吴敏，程秀萍，葛明桥纳米添加剂对纺织浆料浆膜性 能的影响 J 纺织学报，2 0 0 5 ，2 6 ( 4 ) ：7 0 一7 2 3 余娟，范雪荣，王强无机浆料添加剂对淀粉性能影响 的测试 J 棉纺织技术，2 0 0 6 ，3 4 ( 4 ) ：3 0 一3 2 14J D e i s

23、 sJL ，A n i z a nP ，H a d i g u iSE l ，e ta 1 S t e r i cs t a b i l i t yo f 7 r i o ln a n o p a n i c l e si na q u e o 归sd i s p e I B i o n s J C o U o i d sa n d S u a c e s A ：P h y s i c o c h e m i c a l a J l d E n 百n e e r i n gA 叩e c t s ， 1 9 9 6 ，1 0 6 ( 1 ) ：5 9 6 2 5 T o m o I I l i

24、Y o k o z u m i ， Y o s h i h a m M i y a s h i t 8 ，K a n e y o s h i H a y a s h i ，e ta 1 F a b r i c a t i o na n dc h m c t e r i s t i c s0 fh o l e 妇n s p o n j n g m a t e 矗a l s t 砌s i t j o n m e t a 王n a n o p a 币c l e c o m p o s i t e s J 7 n l i ns o l i dF i l m s ，2 0 0 4 ，4 4 9 ( 1

25、，2 ) ：1 7 3 1 7 9 6 C h d s t o p hA l e x i o u ，W o l f g a n gA m o l d ，P e t e rH u l i n ，e t a 1 M a g n e t i cm i t o x a m r o n en a n o p a r t i c l ed e t e c t i o nb yh i s t o l o g y ， x r a ya n dM R I 世e rm a g n e t i ct u m o rt a r g e t i n g lJJ J 0 u m a lo f M a g n e s t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s ，2 0 0 l ，2 2 5 ( 1 2 ) ：1 8 7 一】9 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark