CN106414840A - 改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的方法 - Google Patents

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Abstract

为了改进诸如木棉纤维等中空结构天然纤维的化学和/或物理性质，对所述纤维采取以下方法：使用能改善纤维的化学和/或物理性质的物质至少部分地内部涂覆和/或填充所述纤维。

Description

改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的方法
本发明涉及一种用于改进中空结构天然纤维、优选木棉纤维的化学和/或物理性质的方法，所述纤维单独使用或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝混合使用，以获得垫料、纱线、织布或无纺布。
在本发明中，表述“编织”通常用于区分经线和纬线，并用于区分针织服装的织物。
在本说明书中，例如：
-动物纤维意在涵盖绒或毛纤维(如羊毛、羊驼毛、骆马毛和羊绒等)；
-动物源的连续长丝意在涵盖通过由全茧制丝而获得的长丝(如丝)；
-动物源的非连续长丝意在涵盖通过由次茧拆解获得的长丝(如废丝)；
-植物纤维意在涵盖从植物、灌木、花、根和叶获得的所有纤维(如棉、亚麻、麻、黄麻、椰壳纤维、苎麻和竹纤维等)；
-表述“聚合物合成纤维”用来指代例如聚酰胺、聚酯、丙烯酸类和聚丙烯纤维等；
-人造天然纤维意在涵盖例如人造丝粘胶、莫代尔、乙酸纤维、铜氨丝、天丝等；和
-表述“长纤维”用来指代长度为至少0.01m(即1cm)的纤维，此种纤维适合用于各种后续处理，如纺纱。
为了获得垫料、纱线和无纺布，已知使用各种类型的纤维(单独使用或相互混合使用)来获得具有所需化学/物理性质的产品。
因此，例如，在垫料的情况下(无论是沙发用还是护套用)，用来获得垫料的纤维的特性是轻质且有抗力的，从而在受载荷压缩后可返回其初始状态，并且非常希望的是可具有抗菌性、消毒性。
类似的考虑也适用于利用天然纤维制得的纱线或织布上，另外，在此种情况下，纤维的特性除了轻质外还是柔软的。
鉴于以上内容，清楚的是当前对能够改进诸如木棉纤维或普通动物毛发纤维(毛)等天然纤维的化学/物理性质存在强烈的需求，所述天然纤维单独使用或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝混合使用，以获得垫料、纱线、织布或无纺布。
本发明的技术问题是设计并提供一种用于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的方法，所述纤维单独使用或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝混合使用，以获得垫料、纱线、织布或无纺布，由此所述方法能够满足上述需求。
该技术问题通过权利要求1所述的用于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的方法而解决。
根据另一方面，本发明还提供了权利要求19所述的中空结构天然纤维的应用，以及权利要求20所述的木棉纤维的应用。
根据本发明，中空结构天然纤维至少部分地内部涂覆有和/或至少部分地填充有适于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的物质，从而改进所述中空结构天然纤维的化学和/或物理性质。
通过下文以非限制性实例的方式并参照附图提供的关于部分优选实施方式的描述，本发明的方法的其他特征和优势变得显而易见，附图中：
图1和2各自显示了在用本发明的方法处理前使用扫描电子显微镜(SEM)分析的木棉纤维图像；
图3和4各自显示了在用本发明的方法处理后使用扫描电子显微镜(SEM)分析的木棉纤维图像；和
图5显示了在使用本发明的方法的处理步骤中用100倍放大的光学显微镜分析的木棉纤维图像。
用于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的方法包括以下步骤：
-制备动物或植物源的中空结构天然纤维，所述纤维单独使用或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝混合使用，其中，所述中空结构天然纤维的内部空腔与外部液体连通；和
-制备适于改进上述中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的物质。
有利的是，本发明的方法的特征在于，其包括用一种或多种上述物质至少部分地内部涂覆和/或至少部分地填充上述中空结构天然纤维的步骤，以获得中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的改进。
根据优选的实施方式，在用本发明的方法处理后，上述中空结构天然纤维包含木棉纤维、或由木棉纤维构成，所述木棉纤维单独地或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝混合施用以获得垫料、纱线、织布或无纺布。
由图1和2看出，木棉纤维具有中空管状结构，其相对的两端是开放的。因此，如下文所述，木棉纤维适于至少部分地内部涂覆和/或填充。
作为空腔与外部液体连通的中空结构天然纤维，还可以使用其他纤维(可能与木棉混合或与其他纤维混合)作为木棉的替代物。例如，可以使用常见的动物毛发，即具有较大直径纤维的动物毛发，其至少部分是中空的，并具有与外部液体连通的空腔。
根据优选的实施方式，本发明的方法包括制备包含上述物质的溶液或浴的步骤，从而通过将中空结构天然纤维浸入所制得溶液中来进行上述的至少部分地内部涂覆和/或至少部分地内部填充上述中空结构天然纤维的步骤。
关于上述溶液或浴，应当注意，优选pH值为4～7，更优选pH值为4.5～7。
另外，应当注意，上述用于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的物质在溶液中以0.5％～15％(w/v)的浓度、优选以1％～7％(w/v)的浓度存在。
上述用于至少部分地内部涂覆和/或至少部分地内部填充上述中空结构天然纤维的物质可以选自包含以下物质的组：壳聚糖和/或其衍生物、抗菌剂、有效的抗蜱螨剂、消毒剂、增香剂、用于增大纤维回弹性的物质和/或用于增大纤维抗断裂性的物质。
壳聚糖是来源于几丁质(甲壳动物的外骨骼包含的蛋白)的天然聚合物，并由天然可再生的材料制成，条件是其能够从食品工业副产物中获得。
在各种实验测试后，观察到壳聚糖、壳聚糖寡聚物或其他壳聚糖衍生物(均具有中等或优选较低的分子量)可有利地作为用于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的物质。
根据优选的实施方式，上述于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的物质包含分子量小于200,000Da、更优选分子量小于100,000Da且还更优选分子量为1,000～50,000Da的壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物；或由分子量小于200,000Da、更优选分子量小于100,000Da且还更优选分子量为1,000～50,000Da的壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物构成。
例如，在上述物质为壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或其他壳聚糖衍生物的情况下，在使用分子量均为2,000Da以下的量级的壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或任何其他壳聚糖衍生物处理的纤维在所处理的纤维的回弹性和耐性增大方面以及在高抗菌特性、消毒特性和对抗蜱螨的有效性方面获得了最佳的结果。
所用的液体溶液中壳聚糖的浓度为1％(w/v)的量级以上，条件是壳聚糖的浓度为至多15％(w/v)或至多20％(w/v)时可得到良好的结果。
在使用壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或低粘度壳聚糖衍生物(例如分子量均为1,000～5,000Da、优选分子量为1,000～2,000Da量级的壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物)时，所得结果非常良好。
除此以外，应当注意，当纤维为长纤维、即长度至少为0.01m(即1cm)量级的纤维时，填充和随后涂覆天然纤维的中空结构是特别成问题的。
这依赖于以下事实：将中空结构天然纤维的内部空腔视为实际上的毛细管，其横截面尺寸无限小于轴向长度。此种构造阻碍了用包含上述物质的溶液或浴在纤维的整个轴向长度上填充天然纤维的内部空腔。因此，在长纤维的情况下，仅有中空结构天然纤维的较短末端区域得到填充，并在该方法结束时进行涂覆。
关于这一点，应当注意，通常用于获得垫料或纱线的纤维应当为以上限定的意义上的长纤维，因为过短的纤维不适于纺纱，并且其甚至不适于获得垫料等。
例如，切割为碎片(其轴向长度小于0.005m、即5mm)的天然纤维不适于所述目的。
为了克服上述缺陷，根据本发明的方法的另一方面，提供了一种步骤，在该步骤中，将中空结构天然纤维进入前述液体溶液或浴中的同时，对中空结构天然纤维使用超声波处理。基本上，采用超声波获得对其中浸没有中空结构纤维的溶液的搅拌，还获得在各种成分在溶液或浴中更好的分散。
前述通过超声波的处理步骤可以例如通过将超声波发射探针浸入前述溶液或浴中进行。
应当注意，超声波因其频率(如20KHz的量级)在液体溶液中诱发一定的振动，其产生了伴有在液体溶液中形成气泡的部分内爆的微气穴效应，由此使得液体溶液或其中包含的一种或多种物质更有效地渗透至所处理的天然纤维的空腔内部，而不对由此处理的天然纤维的中空结构造成任何破坏。
通过实验注意到，前述在溶液或浴中的超声处理甚至对长纤维也得到了最佳的填充，该长纤维例如为轴向长度甚至大于1cm、例如为3～5cm的量级的中空结构天然纤维(特别是木棉)，此种处理能够有利地在其整个延展上涂覆中空结构内部。
其中浸没有化学和/或物理性质要改进的中空结构纤维的溶液或浴可以是基于水的类型、或基于其他溶剂(极性和非极性型)。
化学和/或物理性质要改进的中空结构纤维的超声处理时间可以为10～70分钟的量级。
用于处理化学和/或物理性质要改进的中空结构纤维的超声波的功率可以为100～750瓦的量级。
根据优选且有利的实施方式，在前述的将化学和/或物理性质要改进的中空结构天然纤维浸入包含前述物质的溶液的步骤之前，进行对中空结构天然纤维进行抽真空处理的步骤。基本上，在将其进入前述液体溶液之前，使中空结构天然纤维暴露于低于大气压力的外部压力，例如压力为20％～90％的大气压力，优选压力为30％～80％的大气压力。
在实验中，将所要处理的中空结构天然纤维进行极高的减压(相对于大气压力)时获得了最佳的结果。
应当注意，在这种情况中，前述的将中空结构纤维浸入液体溶液的步骤在从使要浸没的纤维处于低于大气压力的外部压力的初始条件开始获得。作为实例，这可以通过准备密闭容器获得，该密闭容器设置有：
-经第一闭合/截断阀装置与真空泵或其他等效装置相连的入口，和
-经第二闭合/截断阀装置与容纳溶液的罐相连的入口，该溶液用于浸没要处理的中空结构纤维。
将要处理的中空结构纤维置于前述密闭容器中。随后，打开第一阀装置，并启动真空泵以在容器内部获得低于大气压力的所需压力值。然后，闭合第一阀装置并打开第二阀装置，使包含前述用于改善中空结构天然纤维的化学和/或物质性质的物质的液体溶液进入容器中。由此，容器中容纳的中空结构天然纤维将浸入液体溶液中，同时其处于压力低于大气压力的环境中。这使得液体溶液更多地渗透入天然纤维的空腔中，特别是当使容器中的压力接触大气压力值时尤其如此。
优选地，本发明的方法包括在从液体溶液中移出中空结构天然纤维后，例如在烘箱中对中空结构天然纤维进行干燥的步骤。
可通过流通热空气或通过不同的干燥方法进行的前述干燥过程可以延长，以完全干燥中空结构天然纤维，确保干燥后溶液中包含的物质附着至中空结构天然纤维的壁上。因此，甚至是天然纤维的空腔内壁也被溶液中添加的上述物质至少部分地涂覆/覆盖、优选完全涂覆/覆盖，如图3和4中可观察到的那样。
纤维的干燥可以在60℃～105℃的温度下方便进行。
图5显示了在包含所述物质的溶液中浸没的一些中空结构天然纤维，描绘了先前获得的使用液体溶液对管状空腔的部分填充。
在溶液中添加的用于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的前述物质是壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物的情况下，可以提供下述步骤：对施加于中空结构天然纤维的壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物进行化学交联和/或经紫外线交联。
这样能够获得壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物与经处理的中空结构天然纤维的永久附着，而即使在随后的数个洗涤循环或进一步的固定步骤(如干燥)后，也确保由于壳聚糖的存在而具有的有益效果随时间的耐久性。
另外，壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物的交联能够赋予经处理的中空结构天然纤维更大的机械物理耐性和长久的有效对抗蜱螨的消毒效应。
有利的是，壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物的前述交联可以例如通过例如暴露于紫外线而物理获得，或者通过向浸没有要处理的中空结构天然纤维的溶液中添加柠檬酸和/或丙烯酸单体(例如HEMA)而化学获得。
应当注意，虽然壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物通过暴露于紫外线的交联仅对经处理的天然纤维外部存在的壳聚糖有效，而通过向浸没有中空结构天然纤维的溶液中添加合适的物质进行的化学交联甚至对附着于天然纤维空腔中的壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物也有效。
清楚的是，天然纤维的内部空腔壁的至少部分涂覆实质上能够使经处理的中空结构天然纤维的吸附表面加倍。这对于获得过滤元件包含经处理的中空结构天然纤维的过滤器是特别有用的。
根据另一方面，要渗透进入天然纤维空腔的物质可以由环糊精、纳米胶囊和/或微胶囊担载/负载。
鉴于以上内容，清楚的是本发明的上述方法能够满足本说明书开始部分中描述的需求主题，因而能够用能改善中空结构天然纤维的化学和/或物质性质的一种或多种物质至少部分地内部涂覆和/或至少部分地填充处理的前述中空结构天然纤维。
以上描述的技术内容易于进行多种修改和变型，其均落入所附权利要求中限定的本发明的构思范围内。
另外，使用木棉作为中空结构天然纤维是极为有利的，这不仅在于木棉纤维具有适于内部涂覆或填充的末端开放的中空管状构造，还在于木棉纤维是极为轻质且柔软的。
如上所述，中空结构天然纤维、特别是木棉适合用于单独地或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝混合获得垫料、纱线、织布或无纺布。
前述中空结构天然纤维与其他类型的纤维混合使用能够获得具有最优特性的纤维混合物。

Claims (21)

1.一种用于改进中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的方法，其包括以下步骤：
-提供动物或植物源的中空结构天然纤维，所述中空结构天然纤维单独使用或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝共混使用，所述中空结构天然纤维的内部空腔与外部液体连通；和
-提供适于改进所述中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的物质，
所述方法特征在于包括以下步骤：用所述物质至少部分地内部涂覆和/或至少部分地填充所述中空结构天然纤维，以获得所述中空结构天然纤维的化学和/或物理性质的改进。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述中空结构天然纤维的长度为至少0.01m。
3.如权利要求1或2所述的方法，所述方法包括以下步骤：制备包含所述物质的溶液，其中，所述的至少部分地内部涂覆和/或至少部分地填充所述中空结构天然纤维的步骤通过将所述中空结构天然纤维浸入所述溶液中进行。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，所述方法包括以下步骤：在所述溶液中进行所述浸入的过程中，对所述中空结构天然纤维进行超声处理。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中，在将所述中空结构天然纤维浸入包含所述物质的所述溶液中的步骤之前，对所述中空结构天然纤维进行抽真空步骤，以使所述中空结构天然纤维处于低于大气压力的外部压力中，将纤维浸入所述溶液的步骤在将所述纤维保持在低于大气压力的外部压力的同时进行。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述低于大气压力的压力为以下压力：20％～90％的大气压力，优选为30％～80％的大气压力。
7.如权利要求3～6中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：在从所述溶液中移出所述中空结构天然纤维后进行所述中空结构天然纤维的干燥/烘干，从而实现所述物质与所述中空结构天然纤维的附着。
8.如权利要求3～7中任一项所述的方法，其中，所述溶液的pH值为4～7，更优选pH值为4.5～7。
9.如权利要求3～8中任一项所述的方法，其中，所述物质以0.5％w/v～15％w/v的浓度、更优选以1％w/v～7％(w/v的浓度存在于所述溶液中。
10.如权利要求1～9中任一项所述的方法，其中，所述物质为壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述物质为分子量小于200,000Da、优选分子量小于100,000Da、更优选分子量为1,000～50,000Da的壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述物质为分子量为1,000～5,000Da、优选分子量为1,000～2,000Da的量级的壳聚糖、壳聚糖寡聚物和/或壳聚糖衍生物。
13.如权利要求10～12中任一项所述的方法，所述方法包括对所述中空结构天然纤维施加的所述壳聚糖、所述壳聚糖寡聚物和/或所述壳聚糖衍生物的化学和/或紫外线交联步骤。
14.如权利要求3和13所述的方法，其中，通过在所述溶液中添加柠檬酸和/或丙烯酸单体来确保所述壳聚糖、所述壳聚糖寡聚物和/或所述壳聚糖衍生物的化学交联。
15.如权利要求1～14中任一项所述的方法，其中，所述物质选自包含以下物质的组：抗菌剂、抗蜱螨剂、消毒剂、增香剂、用于增大纤维回弹性的物质和/或用于增大纤维抗断裂性的物质。
16.如权利要求1～15中任一项所述的方法，其中，所述物质由环糊精、纳米胶囊和/或微胶囊担载。
17.如权利要求1～16中任一项所述的方法，其中，所述中空结构天然纤维包含木棉纤维。
18.如权利要求1～17中任一项所述的方法，其中，所述中空结构天然纤维包含动物毛发的粗毛。
19.中空结构天然纤维单独地或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝共混地在制造垫料、纱线、织布或无纺布中的应用，其中所述天然纤维的内部空腔与外部液体连通，其特征在于，所述中空结构天然纤维通过权利要求1～18中任一项所述的方法进行至少部分地内部涂覆和/或至少部分地填充。
20.木棉纤维单独地或与动物天然纤维、植物纤维、聚合物合成纤维、人造天然聚合物纤维、动物源的连续长丝和/或动物源的非连续长丝共混地在制造垫料、纱线、织布或无纺布中的应用，其特征在于，所述木棉纤维通过权利要求1～18中任一项所述的方法进行至少部分地内部涂覆和/或至少部分地填充。
21.如权利要求19或20所述的应用，其中，所述中空结构天然纤维的长度为至少0.01m。
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