鞣革胶原纤维长度及其分布测试方法研究

(东华大学非织造研究发展中心，上海，201620)

利用皮革工业中皮革废弃物可以制得鞣革胶原纤维。2010年我国规模以上企业轻革(猪牛羊革)的产量为7.5亿m2，占世界皮革生产总量的20%以上，位居世界第一，我国是公认的制革大国［1］。据统计，1 t盐湿皮仅能制造200 kg左右的成品革(约占原料皮的20%)，却要产出600 kg以上的固体废弃物(超过原皮的60%)［2］。每年我国约产生皮革废弃物140万t，丢弃数量如此巨大的废弃物，一方面会产生环境污染问题，另一方面也造成资源的极大浪费。这些固体废弃物中除了有少量的毛发、肉渣等非胶原蛋白以外，大部分废弃物的主要成分是胶原蛋白。胶原蛋白具有良好的生物相容性、低抗原性、生物降解性及良好的成纤、成膜特性，是一种丰富的蛋白质资源，因此回收与利用皮革废弃物具有重要的经济和社会意义［3］。

针对鞣革胶原纤维的纺织加工方面的应用目前正处在探索阶段［4-5］。对于废皮革经开纤得到的纤维状物质，可以利用非织造技术加工成为幅状或片状材料，应用于皮革基布、过滤材料［6］和吸声材料等，这将有益于资源再生利用，环境治理和保护。本文以皮革废弃物开纤产生的鞣革胶原纤维为研究对象，针对其表观特性，确定在原有单根纤维测量长度基础上圈定在一定质量范围内测量所有纤维长度，为该种纤维加工利用、制定合适的成网加固工艺奠定基础。

1 鞣革胶原纤维产生过程

目前除了一些特殊用途的皮革外，90%以上的制革厂都采用铬鞣主鞣法生产皮革。因此，如图1所示的皮革加工过程中的鞣后湿加工阶段，即铬鞣后的剖层、削匀、磨革、修边等加工过程，会产生大量的含铬废弃物。本实验使用的即为这些含铬废弃物。

本实验所采用的鞣革胶原纤维是废弃皮革蓝湿皮，利用皮革开纤机经机械梳理开纤后得到的纤维状物质。

皮革开纤机主要由边角料开松机构、纤维梳理机构和纤维泻出机构组成，见图2。筒腔1内壁上分布着竖向刺条，该刺条与刺筒2一起构成纤维开松机构;纤维梳理机构位于筒腔内，由梳齿筒3与前方直径远小于梳齿筒的梳齿辊4组成;边角料经开松梳理后到达水槽5，经泻出机构输出。

2 鞣革胶原纤维的特性及对非织造工艺的影响

2.1 鞣革胶原纤维的特性

图1 皮革加工过程

图2 一种皮革开纤机发明专利［7］

由图1可知，废皮革属于经过鞣制加工的皮革，纤维的蛋白质分子间产生了一定的交联，皮革开纤机的机械梳理其实是在物理作用下破坏皮革的网状结构。在严格意义上，开纤得到的并不是单根纤维而是胶原纤维束，类似于苎麻束纤维。图3(a)是表观上的单根纤维(纤维束)放大300倍的照片，可以看到其内有许多根纤维;图3(b)是胶原纤维放大10 000倍时的照片，仍然可以看到纤维束状的纤维。但是，为了方便和沿用纺织专业的习惯称呼，仍将其称为鞣革胶原纤维。

图3 鞣革胶原纤维电镜照片

鞣革胶原纤维的长度、线密度与开纤工艺关系密切。在获得线密度更小、纤维结更少的纤维时，纤维束长度也会变短，因此需要控制开纤工艺，确保纤维的长度、线密度和分离度，以适合非织造设备加工。总体上，废皮革开纤所得到的鞣革胶原纤维呈现出离散大，纤维结较多，纤维长度短的特点。

废皮革的开纤工艺条件决定了纤维的长度和线密度。废皮革开纤得到的纤维，其长度越长，线密度越小，则越有利于纤维的纺织加工。因此，需要进行纤维长度测量，以作为评价开纤效果的重要指标。

2.2 鞣革胶原纤维长度对非织造工艺的影响

鞣革胶原纤维长度对非织造加工工艺的确定具有重要的作用。非织造技术的工艺过程可以描述为:纤维选择—纤维成网—纤网加固—材料后整理。纤维长度对成网方式及成网质量有重要影响，因此需要根据纤维长度来确定成网和加固方式。在一般情况下，气流成网适宜加工的纤维长度范围为10～60 mm，梳理成网适宜加工的纤维长度范围为30～150 mm［8］。针刺工艺适合于厚型纤网，纤维应达到和超过一定长度才能缠结加固;水刺工艺适合于中等及薄型纤网，对纤维长度的要求可以低一些。

3 纤维长度的常规测试方法

纺织纤维长度的测定分为单纤维测定和束纤维测定。其中，束纤维测定包括梳片式测量仪测定，罗拉式长度测量仪测定和光电式长度测量仪器测定。前两者测定结果得到纤维分布图或纤维长度重量分布，后者得到照影机曲线。在进行束纤维测定取样时，需要对纤维丛进行梳理，从而整理出伸直平行、一端平齐的纤维束。

将纤维逐根伸直，测量其单根长度的方法称为单根纤维长度测量法。在单根纤维长度测定中，要求在纤维束中一根一根地抽出纤维，必须遵照一定的方法进行，保证抽取无偏差试样。一种常用的方法称为方端法，该取样方法首先将纤维铺成纤维层，对纤维取样，继而整理成一端平齐的纤维层，在纤维层整个宽度上均匀取出一定根数的纤维进行测量［9］。

4 鞣革胶原纤维测试方法的研究

鞣革胶原纤维属于非常规纤维，纤维团里具有许多纤维缠结点，并且纤维较短、离散大，难以制得一端平齐的纤维束样，故而不适合采用束纤维法测定。常规单纤维长度测定法中仅以抽取一定数量的纤维进行测长，在操作夹子夹取纤维时，长度较长纤维被夹取的机会大，而对于离散大的纤维，则人为因素对测量结果有较大影响，会使测试值偏大。鉴于上述原因，本实验在常规的单根纤维测量方法基础上建立了定质量单根纤维测量法，并用其来测定纤维长度。

本实验所用试样如图4所示，器材为镊子、黑绒板和直尺。

图4 鞣革胶原纤维

本实验采用单根纤维测量长度，直接测得纤维长度的根数分布。对每个纤维团内纤维长度测量时，不对纤维进行取舍，保证纤维团内的纤维被逐根测量长度，并作好记录。该方法虽然费时较多，但对具有缠结点多、长度短、离散大特点的纤维而言，只有这种方法才能得到准确的测量结果，得出纤维长度根数分布，更好地表达纤维长度的不匀程度。

4.1 纤维长度测量

纤维长度测量的具体操作方法为:从鞣革胶原纤维团中用镊子夹取单根纤维一端，在黑绒板上滑行，使纤维伸直，用另一只镊子固定纤维尾端，待纤维伸直后用直尺测量其长度值。在本实验中，纤维长度是指纤维伸直但不产生伸长时的纤维两个头端间的长度，测量精度为0.1 mm。

4.2 纤维质量确定

在实际操作时，考虑到测量单根纤维的质量太耗费精力，需要确定一个具有说服力的测定量，即某一质量值下的纤维根数。为了确定该具有代表意义的质量统计量，结合根数统计，参照标准GB/T 16257—2008的规定，天然纤维的测试根数为500根［10］。实验时初次测量约0.009 g的纤维，逐次增加测量纤维的质量，共取6组纤维团，分别逐根测量组内纤维的长度，共得到6组纤维的质量、根数和长度值。

本实验共测量了527根纤维。将527根纤维长度的统计值作为标准值，并把各个根数段统计计算值与标准值进行F检验［11］。6组纤维团的测量结果和统计计算结果见表1。

表1 鞣革胶原纤维单纤维测量和计算结果

从表1可以看到，在显著性水平a=0.01下，测量约0.036 7 g(接近300根纤维)时，已无显著性差异。因此，确定本实验采用定质量法，测量0.036 7 g纤维即可满足测量根数具有代表性的要求。为方便以后测试，取质量为0.04 g的纤维进行长度测量，完全可以满足测量要求。

4.3 结果稳定性的检验

由于在逐根测量纤维长度时采用目测法，故测量结果存在人为因素的影响。为了检验测试结果是否具有代表性，利用数理统计方法，将两位不同测试者测得的结果进行了对比，见表2。

由表2可以看出，将不同测试者对鞣革胶原纤维的测量结果进行显著性检验，发现在显著性水平a=0.10下，所得测试结果无显著性差异。因此，可以认为人为因素不显著，采用定质量单根纤维测量法的测试结果具有代表性。

表2 鞣革纤维长度测量数据稳定性检验

4.4 实验结果分析

将所测得的鞣革胶原纤维长度数据进行分组，长度在4 mm以下为第一组，之后以每增加2 mm为一组，依次类推，但因为长度在24 mm以上的纤维根数很少，所以把长度在24 mm以上的归为一组，得到鞣革胶原纤维长度—根数分布直方图(图5)。

图5 鞣革胶原纤维长度—根数分布

由图5可知:鞣革胶原纤维根数分布呈偏态分布，纤维长度偏短，长度分布在5～9 mm之间，平均长度8 mm;10 mm以下的纤维占到了80%，长度为5 mm的纤维含量最多。

根据鞣革胶原纤维的长度分布，鞣革胶原纤维不适合传统的纺纱加工，宜采用非织造工艺进行加工。在进行非织造加工时，纯的鞣革胶原纤维不宜采用梳理成网的方法，可选用气流成网，也可以选择适当比例的长纤维与其混合进行机械梳理成网。

由于鞣革胶原纤维属于非常规纤维，在测量纤维线密度和强度时也适宜采取定质量法，以期排除人为因素，更加客观地反映纤维的相关指标。

5 结论

(1)鞣革胶原纤维属于非常规纤维，采用定质量单根纤维测量法测试其长度是可行的。实验确定，称取0.04 g鞣革胶原纤维进行长度测量，完全可以满足测量要求，且人为因素的影响不显著。

(2)根据鞣革胶原纤维的长度分布，鞣革胶原纤维不适合采用传统的纺纱加工方法，宜采用非织造工艺进行加工。纯的鞣革胶原纤维不宜采用梳理成网的方法，可选用气流成网，也可以选择适当比例的长纤维与其混合进行机械梳理成网。

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