牛皮絨纖維的制備及其性能

普丹丹，孟博洋，朱進忠

(河南工程學院 紡織工程學院，河南 鄭州 450007)

牛皮是一種寶貴的資源，然而利用率卻十分有限。每年只有約40%的牛皮用于正面革的生產，大部分被填埋或當作廢物處理，這些主要成分為蛋白質的有機垃圾，在長時間堆置后會腐爛變質，對生態環境造成嚴重污染，同時也是對資源的極大浪費[1-3]。因此，開發利用皮革廢棄物，將污染物轉化為有用資源，避免對環境造成污染及危害，已是亟待解決的重要課題。

近年來，如何開發利用皮革廢棄物受到科研工作者的廣泛關注。皮革廢棄物的主要成分為膠原蛋白纖維，其主要應用于造紙工業中的增強劑和膠黏劑、染色工藝中的吸附材料、再生皮革以及制備膠原纖維紗線、織物等方面[4-6]，制備膠原纖維也是當今研究的熱點。王由等[7]在常溫下采用高滲酸浸泡動物皮，經過清洗除酸、酶解、研磨等過程，制備了膠原纖維；張立文[8]采用物理手段回收膠原粉末、短纖維，通過毛紡、棉紡開松解纖、分級，將下腳料經過處理變成纖維絨等；尹金良[9]通過將皮革的邊角料置于水中浸泡使其充分溶脹后，經離心機脫水，真皮造絨機錘擊成絮狀的真皮纖維團，再通過開松裝置進一步開松，制備了棉絮狀膠原纖維。本文在前人研究的基礎上，以制革廢棄物為原料，采用棉紡設備制備牛皮絨纖維，并對牛皮絨纖維的外觀形態，吸濕性能、力學性能、電學性能、化學性能等方面進行分析，以期為牛皮絨纖維的開發應用提供參考，同時也為制革工業資源的綜合利用提供一條新的途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗材料、試劑與儀器

實驗材料：美國牛皮二層皮邊角料。

試劑：滲透劑(工業級)、潤滑劑(工業級)、石灰(市售)，鹽酸(37%)、硫酸(75%)、氫氧化鈉(化學純，杭州高晶精細化工有限公司)，間甲酚、甲酸、乙酸、二甲基甲酰胺、二甲苯(化學純，麥克林生化科技有限公司)。

儀器：Phenom G2型臺式掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)，XD-1型振動式細度儀(上海新纖儀器有限公司)，YG362型纖維卷曲彈性儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，XQ-1型電子單纖維強力測試儀(上海新纖儀器有限公司)，Y802N型烘箱(常州第一紡織儀器有限公司)，YG321型纖維比電阻儀(上海瑞紡儀器有限公司)，YG981型纖維油脂快速抽出器(溫州百恩儀器有限公司)。

1.2 牛皮絨纖維的制備

牛皮絨纖維的制備流程為：

①溶液配制。在室溫下配制滲透劑1 g/L, 潤滑劑1 g/L, 石灰水1.5 g/L溶液。

②浸泡。將皮革的邊角料置于步驟①中配制的溶液中浸泡24 h，浴比1∶20，溫度50 ℃。

③清洗、脫水。將浸泡后的皮革邊角料用自來水清洗后置于離心機中脫水，直至樣品的含水率為50%～60%。

④開松。將經過步驟③的樣品錘擊成蓬松的纖維團，然后再用棉紡設備的開松裝置將蓬松的纖維團開解、拉松成牛皮絨纖維。

⑤烘干。將制得的牛皮絨纖維置于空氣中12 h后，放入60 ℃的烘箱中干燥4 h，密封備用。

1.3 測試方法與評價指標

外觀形態：采用Phenom G2臺式掃描電子顯微鏡，對牛皮絨纖維的外觀形態進行觀察。

纖維長度：按照GB/T 19722—2005《洗凈綿羊毛》手排圖法，對牛皮絨纖維的長度進行測試。由于牛皮絨纖維較短，且相互纏結在一起，測試時將纖維經過整理后，由長到短、一端平齊、均勻地排列在黑絨板上，測量5次，取平均值。

纖維線密度：按照GB/T 16256—2008《紡織纖維線密度試驗方法 振動儀法》，采用XD-1型振動式細度儀對牛皮絨纖維的線密度進行測試，試樣測定50根。

纖維卷曲性能：按照GB/T 14338—2008《化學纖維 短纖維卷曲性能試驗方法》，采用YG362型纖維卷曲彈性儀對牛皮絨纖維的卷取個數、卷曲彈性率、卷曲率、彈性回復率等指標進行測試，樣本容量20。

單纖維拉伸性能：按照GB/T 4711—1984《羊毛單纖維斷裂強力和伸長試驗方法》，采用XQ-1型電子單纖維強力測試儀測試牛皮絨纖維的拉伸性能，每組試樣測量50根。

回潮率：按照GB/T 6500—2008《毛絨纖維回潮率試驗方法 烘箱法》對牛皮絨纖維進行測試并計算，樣本容量10。

含油率：按照GB/T 6977—2008《洗凈羊毛乙醇萃取物、灰分、植物性雜質、總堿不溶物含量試驗方法》，采用YG981型纖維油脂快速抽出器對牛皮絨纖維的含油率進行測試，樣本容量10。

抗靜電性能：按照GB/T 14342—2015《化學纖維 短纖維比電阻試驗方法》對牛皮絨纖維的電阻值進行測試，然后計算出質量比電阻，樣本容量10。

溶解性能：按照FZ/T 0105714—2007《紡織纖維鑒別實驗方法 溶解性實驗方法》，對牛皮絨纖維進行部分化學試劑進行溶解性實驗。

2 結果與分析

2.1 外觀形態

纖維的外觀形態不僅影響其各項物理性能和表面性能，還直接影響其可紡性能[10]。因此，采用Phenom G2臺式掃描電子顯微鏡對牛皮絨纖維的外觀形態進行分析。牛皮絨纖維SEM照片見圖1。

圖1 牛皮絨纖維的SEM照片(×2 000)

由圖1可知：在放大2 000倍SEM圖像下，大部分牛皮絨纖維被開松，還有小部分纖維沒有被完全開松。牛皮絨纖維的直徑約為19.4 μm，纖維縱向形態不完全一致，呈扁平狀，部分有橫節。牛皮絨纖維的外觀形態表明其符合紡織纖維的一般特征，具有一定的可紡性。

為了進一步表征牛皮絨纖維的外觀形態，參照相關國家標準對其長度和線密度進行測試與分析，結果如表1所示。

表1 牛皮絨纖維規格

由表1可知：牛皮絨纖維的線密度范圍為0.65～2.45 dtex，線密度離散度較大。根據纖維線密度與直徑的換算關系可知，牛皮絨纖維的直徑結果在線密度范圍內，二者基本吻合。牛皮絨纖維的長度范圍為5.6～17.8 mm，平均長度為14.4 mm，大于15 mm的纖維約占60%左右，相較于常規的紡織纖維，該纖維的長度偏短，不宜紡低線密度紗，可紡高線密度紗或與其他纖維進行混紡。

2.2 卷曲性能

卷曲是紡織纖維特殊的特征之一，其不僅可以增加紡紗時纖維間的抱合力，從而提高成紗強力，還可以提高纖維及其紡織品的彈性、抗皺性、保暖性等[11]。采用YG362型纖維卷曲彈性儀對牛皮絨纖維性能指標進行測試，得到：卷曲數5.5個/(25 mm),卷曲率8.9%，卷曲彈性率76.7%，卷曲彈性回復率5.2%。牛皮絨纖維卷曲數較少，僅為5.5個/(25 mm)。纖維卷曲數影響纖維間的摩擦力和抱合力，由于牛皮絨纖維卷曲數少，纖維之間抱合力差，不利于紡織加工和成紗質量。纖維卷曲率的大小于卷曲數與卷曲波的形態有關，牛皮絨纖維的卷曲數較少，卷曲波不明顯，所以卷曲率也較小，為8.9%。牛皮絨纖維的卷曲彈性率和卷曲彈性回復率都比較小，分別為76.7%和5.2%。纖維的卷曲彈性率和卷曲回復率與纖維自身的剛度有關，牛皮絨纖維的初始模量較小，其剛度相應較小，因而卷曲彈性率和卷曲回復率也較低。卷曲彈性率和卷曲彈性回復率小說明纖維受力之后，卷曲明顯降低，紡紗過程中纖維間的抱合力減小，影響成紗的強力。

卷曲與纖維的可紡性、成紗質量關系密切。由于牛皮絨纖維直接從皮革開松得到，纖維表面光滑，卷曲數少，纖維間的抱合力差，不利于纖維成紗強力的提高。

2.3 拉伸性能

拉伸性能是紡織纖維重要的物理性能，其決定纖維的用途。采用XQ-1型電子單纖維強力測試儀對牛皮絨纖維的拉伸性能進行測試，結果如表2所示。

表2 牛皮絨纖維拉伸性能

由表2可知：牛皮絨纖維干態斷裂強度與濕態斷裂強度的平均值分別為14.8、10.2 cN/dtex，相比于文獻[12]同類纖維高得多，說明牛皮絨纖維抵抗外力破壞能力比較強，具有很好的使用價值。牛皮絨纖維的濕態斷裂強度比干態斷裂強度小，而且濕態斷裂伸長率的平均值亦小于干態斷裂伸長率的平均值，說明牛皮絨纖維在干態下的拉伸性能優于在濕態下的。這是由于在潮濕狀態下纖維分子間的結合力減弱，纖維的斷裂強度降低，斷裂伸長率降低。牛皮絨纖維的斷裂強度與斷裂伸長率的變化范圍較大，說明纖維的拉伸性能不均勻，這對其加工及使用都會產生不利影響。所以，在紡紗過程中應適當地控制其含濕量，以保證紡紗過程的順利進行。

初始模量的大小反映了纖維受較小拉伸力時抵抗變形的能力。牛皮絨纖維初始模量的平均值為19.2 cN/dtex，相對較小，說明牛皮絨纖維在小負荷作用下比較容易變形，纖維較柔軟，適宜開發手感柔軟、懸垂性好的紡織品。

2.4 吸濕性能

纖維的吸濕性能不僅能引起自身質量的變化，還能引起一系列其他性能的變化。紡織材料常用的衡量吸濕性能的指標為回潮率。參照GB/T 6500—2008《毛絨纖維回潮率試驗方法 烘箱法》，測試得到牛皮絨纖維的回潮率約為16.8%，明顯高于蠶絲(約11.0%)[13]、羊毛(約13.5%)[13]、大豆蛋白復合纖維(約8.6%)[14]等其他幾種蛋白質纖維，說明牛皮絨纖維的吸濕性能較好。另外，纖維的回潮率越大，也表明其吸濕放熱性能越好。因此，牛皮絨纖維可用于保暖防潮紡織品的開發。

2.5 含油率

含油率是指纖維含油質量占纖維干質量的百分率。含油率的高低與纖維的可紡性能關系密切。含油率高的纖維彈性好、光澤好、強度高；含油率低的纖維枯燥、彈性差、易折斷。采用YG981型纖維油脂快速抽出器測得牛皮絨纖維的含油率為0.8%，含油率相對較高，在加工過程中不容易產生靜電現象，有利于紡織加工的正常運行。

2.6 抗靜電性能

纖維的質量比電阻是衡量纖維可紡性能的重要指標之一。為了使纖維能順利紡紗，纖維的質量比電阻一般控制在1×108(Ω·g)/cm2以內。經測試得知，牛皮絨纖維的質量比電阻為2.5×109(Ω·g)/cm2。參照表面比電阻與織物抗靜電性能的關系[13]，牛皮絨纖維的抗靜電性能較好，在后續加工中不易產生靜電。這一方面是由于牛皮絨纖維的回潮率高，吸濕性能好，導電性能提高；另一方面是由于纖維含油率高，表面光滑，卷曲數少，纖維之間的摩擦相對較小。

2.7 溶解性能

纖維的化學性能與其內部結構密切相關，對紡織后加工尤其是染整加工有著較大的影響。將牛皮絨纖維在常見無機酸、有機酸、堿及有機溶劑中進行處理后，溶解狀態如表3所示。

表3 牛皮絨纖維的溶解性能

從表3可知：牛皮絨纖維常溫(24 ℃)不耐無機酸，特別是在鹽酸和硫酸等強酸中幾乎全部溶解，在有機酸甲酸中只有部分溶解，在有機酸乙酸中不溶解。常溫(24 ℃)牛皮絨纖維在5%的氫氧化鈉溶液中微溶，隨著溫度升高，溶解程度增大，煮沸(100 ℃)后牛皮絨纖維全部溶解。根據這一反應，可以測定牛皮絨纖維與其他耐堿纖維混紡紡織品中牛皮絨纖維的混紡比例。牛皮絨纖維在常溫下微溶于有機溶劑間甲酚，不溶于二甲基甲酰胺、二甲苯等有機溶劑。牛皮絨纖維的溶解性能分析可以為后續加工特別是染整加工中提供參考。

3 結 論

利用皮革工業廢棄物研制牛皮絨纖維，可以為市場開發一種新型的綠色纖維，有助于紡織產品結構的調整，也有利于制革工業資源綜合利用。本文對牛皮絨纖維的外觀形態、卷曲性能、拉伸性能、回潮率、含油率、抗靜電性能及溶解性能進行分析，結果如下：

①牛皮絨纖維呈扁平狀，部分有橫節，纖維縱向形態不完全一致。牛皮絨纖維線密度范圍為0.65～2.45 dtex，長度范圍為5.6～17.8 mm，不宜紡低線密度紗，可紡高線密度紗或與其他纖維進行混紡。

②牛皮絨纖維卷曲數較少，卷曲率較小，且卷曲彈性率和卷曲彈性回復率亦較小，紡紗過程中纖維間的抱合力差，不利于纖維成紗強力的提高。

③牛皮絨纖維的拉伸性能較好，且在干態下的拉伸性能優于濕態下的拉伸性能。在紡紗過程中應適當地控制其含濕量，以保證紡紗過程的順利進行。牛皮絨纖維初始模量較小，適宜開發手感柔軟、懸垂性好的紡織品。

④牛皮絨纖維的回潮率較高，約為16.8%，含油率較高，抗靜電性能較好。

⑤牛皮絨纖維常溫下能溶解于強酸，微溶于強堿溶液，不溶于大部分有機溶劑，100 ℃時在強堿溶液中能夠全部溶解。