超聲波處理對(duì)木棉/棉混紡紗線性能的影響

陳 博，徐廣標(biāo)，b

（東華大學(xué)a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

超聲波處理對(duì)木棉/棉混紡紗線性能的影響

陳 博a，徐廣標(biāo)a，b

（東華大學(xué)a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

采用6種不同條件，利用超聲波純水工藝處理木棉/棉混紡紗線，觀察并測(cè)試處理前后木棉/棉混紡紗線外觀形態(tài)、化學(xué)組成、紗線質(zhì)量損失、拉伸性能、壓縮性能以及浸潤(rùn)性能指標(biāo)，評(píng)價(jià)超聲波純水處理工藝對(duì)木棉/棉混紡紗線性能的影響.結(jié)果表明：經(jīng)超聲波純水工藝處理后，紗線中纖維的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分基本沒有變化，木棉/棉混紡紗線質(zhì)量損失率約為6%，主要為木棉脆斷后產(chǎn)生的短絨，木棉纖維中空度有一定的回復(fù)，紗線變得蓬松，強(qiáng)力損失嚴(yán)重，處理前后木棉/棉混紡紗線均顯示拒水性.

木棉/棉混紡紗線；超聲波處理；形態(tài)結(jié)構(gòu)；性能

木棉是一種天然高中空纖維素纖維，其化學(xué)成分主要為α纖維素（35%～50%）、半纖維素（22%～45%）、木質(zhì)素（15%～22%）、水分（10%～11%）、蠟質(zhì)（3%～5%）、蛋白質(zhì)（2.1%）、礦物質(zhì)（1.3%～2.5%）［1－2］.木棉纖維的半纖維素主要包含特殊的木荃糖CH2OH·（CHOH）3·CHO（大約占23%）.木棉中木質(zhì)素（由植物學(xué)中可知木棉是雙子葉植物）主要成分為愈創(chuàng)木基木質(zhì)素和紫丁香基木質(zhì)素（G—S木質(zhì)素）［1，3］，其含有大量甲醛基團(tuán)，降低了纖維和水分子的結(jié)合能力，同時(shí)增強(qiáng)了其對(duì)非極性液體的吸附能力［1－2］，這是木棉纖維有別于其他天然纖維最重要的一點(diǎn)［1－6］.沒有經(jīng)過處理的木棉纖維不吸水，浮于水面［4］.近年來，木棉紡紗技術(shù)的開發(fā)［7］，使其在紡織上的應(yīng)用得到發(fā)展，國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)專利［8－10］.

由于木棉纖維表面有脂肪蠟質(zhì)等異物質(zhì)，親水性差，試劑可及度差，在使用過程中有時(shí)需要進(jìn)行預(yù)處理，提高浸潤(rùn)性能，以方便染整加工，但迄今為止，仍無成熟的木棉預(yù)處理工藝.目前，超聲波在紡織前處理中的研究［11－14］已越來越多，被運(yùn)用于各種麻類的脫膠、棉織物的退漿、煮練、漂白等工藝，不僅可以降低反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，而且能節(jié)約試劑.超聲波設(shè)備的普及，更使其大量運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)成為可能.本文的研究目的在于將超聲波技術(shù)運(yùn)用于木棉預(yù)處理，以期達(dá)到改善木棉浸潤(rùn)性能，并探討超聲波對(duì)木棉各種性能的影響.

本文探討超聲波純水處理木棉/棉混紡紗線，測(cè)試木棉/棉混紡紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、質(zhì)量損失率、拉伸性能、壓縮性能及浸潤(rùn)性能等指標(biāo)在處理前后的變化，評(píng)價(jià)超聲波純水處理工藝對(duì)木棉性能的影響，以期為木棉/棉混紡紗線的預(yù)處理提供借鑒.

1 試 驗(yàn)

1.1 材料

木棉/棉混紡紗線：混紡比為67/33，線密度為36.9tex；試劑為去離子水.

1.2 試驗(yàn)方法

超聲波純水處理工藝：根據(jù)文獻(xiàn)［13］所述，超聲波在溫度50℃左右時(shí)空化作用最強(qiáng)，并且超聲波純水作用時(shí)間t控制在30min之內(nèi)就能達(dá)到效果，因此，溫度θ分別設(shè)為40，50，60℃，時(shí)間t分別設(shè)為5，15，25min，根據(jù)儀器 KQ－500VDE型雙頻數(shù)控超聲波清洗器，超聲波頻率f設(shè)為45和80kHz，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如表1所示，浴比為1∶90.

表1 超聲波純水處理木棉/棉混紡紗試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The experiment design for the kapok/cotton yarns using ultrasonic treated with water

由于木棉/棉混紡紗線質(zhì)輕且拒水，放入水中將浮于水面，如圖1所示.因此，用鐵絲自制成鏤空的長(zhǎng)方體裝置，如圖2所示，將紗線繞在裝置上，使其能夠穩(wěn)定于水中的同時(shí)保持一定張力，然后將裝置與紗線放入超聲波清洗器.

2 處理前后木棉/棉混紡紗線性能測(cè)試與分析

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用JSM－5600LV型掃描電鏡（SEM），對(duì)未經(jīng)處理的紗線與A4條件下處理的紗線進(jìn)行拍攝，處理前后的紗線表面形態(tài)如圖3～6所示.

從圖3可以看出，在未經(jīng)處理的紗線中，木棉纖維在成紗過程中受到各方壓力，有許多木棉纖維被壓扁成條帶狀；而經(jīng)過超聲波純水處理烘干過后紗線變得蓬松，木棉纖維的斷頭增多，能夠清晰地看到斷頭截面，如圖4所示，說明超聲波對(duì)木棉/棉混紡紗線有強(qiáng)烈的機(jī)械力作用，使木棉纖維脆損，因而處理之后，木棉纖維脆斷，并脫離紗線主體，成為質(zhì)量損失的主要部分.

圖5和6為木棉/棉混紡紗線中的木棉纖維與棉纖維處理前后放大10 000倍的表面.由圖5和6可以看到，處理前的紗線中，不論是木棉纖維還是棉纖維表面都有塊狀雜質(zhì)不規(guī)則分布；處理之后紗線中的木棉纖維表面雜質(zhì)稍微減少，并沒有明顯變化，而棉纖維表面雜質(zhì)減少較多.因此，超聲波純水處理對(duì)木棉/棉紗線起到一定的洗滌作用，并且使紗線變得蓬松，表面毛羽增多.

2.2 化學(xué)成份

制取木棉/棉混紡紗線粉末試樣，KBr壓片，波數(shù)為4 000～500cm－1.采用NICOLET 5700型紅外光譜儀測(cè)試了未經(jīng)處理的紗線與A4條件下處理的紗線的紅外光譜，結(jié)果如圖7所示.

圖7 超聲波純水處理前后木棉/棉混紡紗線的紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectra of kapok/cotton blended yarn before and after ultrasonic treated with water

由圖7可以看出，2 400和1 060cm－1附近的峰值有變化，其余峰型峰值基本不變.在1 350～650 cm－1區(qū)域，有C—O，C—X的伸縮振動(dòng)和C—C的骨架振動(dòng)，還有力常數(shù)較小的彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，因此，光譜十分復(fù)雜.該區(qū)域中各峰的吸收位置受整體分子結(jié)構(gòu)影響較大，分子結(jié)構(gòu)稍有不同，吸收峰就有細(xì)微差異，所以稱這個(gè)區(qū)域?yàn)橹讣y區(qū)［15］.1 060cm－1附近為纖維素特征族峰，兩條曲線的出峰處非常接近，僅峰值有細(xì)微差距，因此，超聲波純水處理對(duì)木棉/棉混紡紗線的化學(xué)成分沒有影響.而2 400cm－1附近的峰值可能為三鍵、累積雙鍵等的伸縮振動(dòng)吸收峰［15］，超聲波純水處理后其峰型改變，峰值降低，說明處理過程中可能發(fā)生能量的變化，造成如C ≡C，C ==C ==C，C ==C ==O等化學(xué)鍵的變化.超聲波純水處理前后，木棉/棉混紡紗線的化學(xué)成分基本沒有變化，可能存在大分子中部分化學(xué)鍵的變化.

2.3 質(zhì)量損失率

采用FA2004A型電子分析天平，將處理前后的紗線放在硅膠干燥器中，平衡24h后稱質(zhì)量，得到處理前后質(zhì)量分別為m0和m1，紗線的質(zhì)量損失率按式（1）計(jì)算.

木棉/棉混紡紗線經(jīng)超聲波純水處理后質(zhì)量損失測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 超聲波純水處理后木棉/棉混紡紗線質(zhì)量損失率Table 2 The rate of mass loss of kapok/cotton blended yarns after ultrasonic treated with water %

從表2可以看出，在6種處理?xiàng)l件下，超聲波純水處理木棉/棉混紡紗線質(zhì)量損失率無明顯差異，均在5%～7%之間，對(duì)處理后燒杯中殘留物觀察可得，損失的基本為木棉纖維脆斷后產(chǎn)生的短絨.

2.4 拉伸性能

木棉/棉混紡紗在恒溫恒濕室內(nèi)平衡24h，溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（65±3）%，采用 YG 061型電子單紗強(qiáng)力儀測(cè)試斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率，測(cè)量50次.試樣長(zhǎng)度為500mm，拉伸速度為500mm/min.

木棉/棉混紡紗超聲波純水處理前后紗線拉伸性能的測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表3所示.由表3可以看出，紗線強(qiáng)力損失因處理?xiàng)l件不一樣而有所差異，但強(qiáng)力損失率均超過28%，最大接近38%，而紗線的斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)未處理略有減小.因?yàn)楸疚倪x用的木棉/棉混紡紗線中的木棉含量已超過60%，其斷裂強(qiáng)度為10.55cN/tex，斷裂強(qiáng)度CV值超過15%，與普通棉紗的斷裂強(qiáng)度（大于15cN/tex）相差較大.木棉纖維實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度較大，紗線中大量木棉脆斷，使紗線中各纖維產(chǎn)生力的不平衡，紗線力學(xué)性能損失嚴(yán)重.

表3 超聲波純水處理后木棉/棉混紡紗線強(qiáng)力損失率與斷裂伸長(zhǎng)率Table 3 The strength reduction and breaking elongation percentage of kapok/cotton blended yarns after ultrasonic treated with water %

2.5 壓縮性能

在硬紙板中間剪去2cm×2cm的正方形，一組對(duì)邊上貼雙面膠，將紗線剪成長(zhǎng)度約2.5cm紗段，沿與另一組對(duì)邊平行的方向?qū)⒓喍蝺啥斯潭ㄔ陔p面膠上，緊密排列成片狀制成所需試樣.采用KES－FB－3型壓縮測(cè)試儀，面積為2cm2的圓形測(cè)頭以恒定速度0.005cm/s垂直壓向試樣，測(cè)得壓力p與厚度T間的關(guān)系曲線，得到壓縮比功與壓縮功回復(fù)率.壓縮比功W（cN·cm/cm2）按式（2）計(jì)算.

式中：p為單位面積試樣所受的壓力（cN/cm2）；T為受壓試樣的厚度（mm）；T0是壓力為0.5cN/cm2時(shí)試樣的厚度（mm）；Tm是最大壓力pm下的試樣厚度（mm）.

壓縮功回復(fù)率為回復(fù)功占?jí)嚎s比功的百分?jǐn)?shù).

木棉/棉混紡紗超聲波純水處理前后紗線壓縮性能測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表4所示.由表4可以看出，處理后紗線的壓縮比功都有不同程度的增加，但差別不大，表明紗線處理后，其蓬松度有所增加，而壓縮功回復(fù)率呈現(xiàn)比較明顯的降低，表明處理后木棉/棉混紡紗線耐壓縮性變差，從紗線的電鏡照片觀察和壓縮比功的增加，可以推測(cè)木棉纖維的中空度有一定回復(fù).

表4 超聲波純水處理前后木棉/棉混紡紗線壓縮比功與壓縮功回復(fù)率Table 4 The compression work and compressed response rate of kapok/cotton blended yarns before and after ultrasonic treated with water

2.6 浸潤(rùn)性能

采用YG（B）871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀，用含重鉻酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的溶液顯色，測(cè)試30min后紗線的毛細(xì)高度（mm），簡(jiǎn)稱毛效.

采用OCA15EC型光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，將紗線整齊緊密地制成鋪片，采用鋪片法測(cè)量紗線鋪片的靜態(tài)接觸角（°）.

分別測(cè)試木棉/棉混紡紗超聲波純水處理前后紗線接觸角和毛細(xì)高度［16－17］，測(cè)試結(jié)果如表5所示.從表5可以看出，處理前后木棉/棉混紡紗線接觸角測(cè)試結(jié)果均超過130.0°，毛效均接近0，表明各種條件處理后的木棉/棉混紡紗線均具有拒水性，其浸潤(rùn)性能改善不明顯.

表5 超聲波純水處理前后木棉/棉混紡紗線接觸角與毛細(xì)高度Table 5 The contact angle and the height of capillary of kapok/cotton blended yarns before and after ultrasonic treated with water

超聲波純水處理對(duì)木棉纖維浸潤(rùn)性能的改善結(jié)果不理想，原因可能為一方面木棉表面的蠟質(zhì)層保護(hù)了木棉纖維，使木棉纖維對(duì)超聲波純水處理具有一定耐受性，目前使用的試驗(yàn)條件過于溫和，另一方面超聲波對(duì)其表面有一定作用，但由于木棉纖維表面物質(zhì)在超聲波作用下洗脫后不能穩(wěn)定地分散在純水中，因而又回到纖維表面［11］.

3 結(jié) 語

（1）木棉/棉混紡紗線經(jīng)過超聲波純水處理后，紗線變得蓬松，化學(xué)成份基本保持不變，木棉纖維中空度有部分回復(fù)；

（2）經(jīng)超聲波處理后，紗線質(zhì)量損失率約6%，強(qiáng)力損失率較大，表面浸潤(rùn)性能沒有明顯變化，紗線處理前后均具有拒水性；

（3）試驗(yàn)采用的6種不同處理?xiàng)l件對(duì)木棉/棉混紡紗線的外觀形態(tài)、化學(xué)組成、紗線質(zhì)量損失、拉伸性能、壓縮性能以及浸潤(rùn)性能影響差異較小，沒有明顯地改善木棉/棉混紡紗線表面浸潤(rùn)性能，有待采用比水更具有反應(yīng)性的液體（如堿液等）進(jìn)行超聲波處理，探討其對(duì)木棉/棉混紡紗線性能的影響.

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Effect of Ultrasonic Treatment on the Properties of Kapok/Cotton Blended Yarns

CHEN Boa，XU Guang－biaoa，b
（a.College of Textiles；b.Key Laboratory of Textile Science ＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The kapok/cotton blended yarns were treated with ultrasonic by water under 6different conditions.The morphological structure，chemical component，weight loss，tensile property，compression property，capillary effect and contact angle of the blended yarns were tested to compare the change before and after treatment.The influence of the ultrasonic treatment with water on these properties of the yarns was estimated.The results showed that the morphological structure and chemical component of the fibers had little change after treatment.The weight loss of the yarns were about 6%，and most of them were the kapok flocks.The percentage of hollowness had reverted to some extent，and the yarns became fluffy.The breaking strength of the yarns became very low.The yarns showed the hydrophobic before and after the treatment.

kapok/cotton blended yarn；ultrasonic treatment；morphological structure；property

TS 195

A

2011－06－13

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（11D10104）

陳 博（1987—），女，江蘇無錫人，碩士，研究方向?yàn)榧徔棽牧吓c紡織品設(shè)計(jì).E－mail：chenbomail＠m(xù)ail.dhu.edu.cn

徐廣標(biāo)（聯(lián)系人），男，副教授，E－mail：guangbiao＿xu＠dhu.edu.cn

1671－0444（2012）03－0261－05