漿料混溶性對共混漿膜力學性能的影響

武海良， 姚一軍， 沈艷琴， 毛寧濤,3

(1. 西安工程大學 紡織與材料學院， 陜西 西安 710048； 2. 陜西科技大學 輕工科學與工程學院，陜西 西安 710021； 3. 英國利茲大學 設(shè)計學院， 利茲 LS29JT)

漿料混溶性對共混漿膜力學性能的影響

武海良1， 姚一軍2， 沈艷琴1， 毛寧濤1,3

(1. 西安工程大學 紡織與材料學院， 陜西 西安 710048； 2. 陜西科技大學 輕工科學與工程學院，陜西 西安 710021； 3. 英國利茲大學 設(shè)計學院， 利茲 LS29JT)

針對漿料混溶性對共混漿膜力學性能的影響，以變性淀粉/聚乙烯醇(PVA)共混物為研究對象，探討了變性淀粉/PVA間的共混比、PVA醇解度對共混物漿膜性能和漿液黏附力的影響，并通過掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對共混漿膜的織態(tài)結(jié)構(gòu)進行了微觀表征，分析了漿料組分數(shù)與漿膜性能的關(guān)系。結(jié)果表明，當PVA1799與變性淀粉的共混比為40∶60時，共混漿膜的斷裂強力、斷裂伸長達到最大值，純棉粗紗的漿液黏附力較理想；低醇解度的PVA會使共混漿膜的相疇增大，結(jié)晶性變差，削弱了共混膜的各項力學性能。為提高漿料的混溶性，增強共混膜的力學性能，漿料配方組分宜盡可能少。

漿料混溶性； 漿膜性能； 黏附性能； 漿料組分； 變性淀粉； 聚乙烯醇

漿料是紡織企業(yè)織造生產(chǎn)中不可缺少的一類高分子材料[1]。在經(jīng)紗上漿過程中，為消除單組分漿料在性能上的缺陷，相互取長補短，通常是將多種漿料混配使用，達到優(yōu)化共混漿膜力學性能的目的[2]。但漿料組分間共混比不當或漿料組分多，勢必會影響共混漿料間的混溶性，混溶性不良必然影響共混膜的織態(tài)結(jié)構(gòu)，進而降低了共混材料的力學性能[3]。在紡織漿料領(lǐng)域，普遍認為共混漿膜的性能是共混材料性能的具體體現(xiàn)[4-6]，同時共混漿液的黏附性決定了經(jīng)紗內(nèi)部單纖維之間的黏合強度及漿膜與紗體的黏合牢度，因而會影響到漿紗的耐磨、增強及毛羽等物理性能指標[7]?？梢?，研究漿料混溶性與共混漿膜力學性能的關(guān)系對改善漿紗質(zhì)量、發(fā)揮紡織漿料的性能都有著重要的參考價值。近年來也有很多研究者對此開展了大量研究，如祝志峰等[8-9]分別對季銨陽離子淀粉、辛烯基琥珀酸淀粉酯與聚乙烯醇(PVA)間的共混膜及共混漿液的性能進行了詳細報道。

雖然關(guān)于漿料相容性的研究已取得很大的成果[10-11]，但是對各組分間相容性差異給漿紗實際生產(chǎn)工藝所帶來的問題及在共混物中帶來的負面影響未被重視。鑒于此，本文以漿紗生產(chǎn)中廣泛采用的PVA/變性淀粉共混物為研究對象，探討了PVA/變性淀粉間的共混比、PVA醇解度及漿料組分對共混膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)與共混物力學性能的影響，實驗結(jié)果將為合理使用紡織漿料、控制經(jīng)紗上漿率及提高共混漿膜的力學性能提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

實驗材料：聚乙烯醇(PVA1799、PVA1788)；變性淀粉(SPR醚化淀粉，荷蘭AVEBE公司生產(chǎn))；油脂(自制，由動植物油乳化而成)；純棉粗紗，定量為7.5 g/10 m。

主要儀器：HWS-250型恒溫恒濕箱、HD021 N型電子單紗強力儀、HD026PC電子織物強力儀、Quanta-450-FEG+X-MAX50型掃描電子顯微鏡、Dmax-Rapid Ⅱ型X-射線衍射儀(XRD)。

1.2 實驗方法

1.2.1漿膜的制備與性能測試

[4]的方法制備漿膜，試樣在相對濕度為65%，溫度25 ℃條件下平衡24 h，在HD021 N型電子單紗強力儀進行漿膜性能測試。漿膜拉伸性能測試條件：夾持長度100 mm，拉伸速度 100 mm/min，有效樣本容量為20。

1.2.2漿膜耐屈曲次數(shù)測試

將漿膜裁成100 mm×5mm的條狀試樣，置于溫度為25 ℃、相對濕度為65%標準環(huán)境狀態(tài)下平衡24 h，然后將漿膜的一端夾在夾子上，另一端用鑷子夾住，左右反復擺動漿膜，當漿膜在折口處斷裂時記錄次數(shù)。

1.2.3漿液黏附力測試

按文獻[12]的方法進行粗紗黏附力測試，將晾干后的純棉粗紗條放在恒溫恒濕箱(相對濕度65%，溫度25 ℃)進行24 h調(diào)濕處理，在HD026PC電子織物強力儀上測試其斷裂強力和斷裂伸長率，所測斷裂強力即為粗紗黏附力。測試條件為：試樣夾持長度100 mm，拉伸速度100 mm/min，有效樣本容量為20。

1.2.4共混漿膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)表征

利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對共混漿膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)進行微觀觀察。研究PVA醇解度及變性淀粉/PVA共混比對共混漿膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。采用掃描電子顯微鏡(SEM)分別測試共混漿膜的表面形態(tài)及斷面結(jié)構(gòu)。采用XRD儀對共混漿膜進行X-射線衍射分析，利用NaI晶體閃爍儀器/固體探測器測量樣品的衍射強度，掃描范圍為5°～60°，步長為0.02°，掃描速度為4(°)/min。 其中，計算結(jié)晶度采用MDI Jade軟件擬合分析得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿膜性能

2.1.1共混比對漿膜性能的影響

表1示出完全醇解PVA1799和變性淀粉在不同混比下的漿膜力學性能。

表1 共混比對共混膜力學性能的影響情況Tab.1 Effect of blending ratio on mechanical properties of blend films

從表1可看出，變性淀粉的用量對共混膜的力學性能有著顯著的影響。隨著變性淀粉含量在共混膜中質(zhì)量分數(shù)的減少，共混膜的斷裂強力和耐屈曲性呈先增加再降低的趨勢，當PVA和變性淀粉的共混比達到40∶60時，共混漿膜的斷裂強度和斷裂伸長率達到最大。

圖1示出共混膜的斷面SEM照片。由圖可見，變性淀粉用量對共混漿膜織態(tài)結(jié)構(gòu)的影響?？梢姡S著變性淀粉質(zhì)量分數(shù)的改變，共混膜中PVA與變性淀粉相分離程度發(fā)生明顯變化，當變性淀粉的質(zhì)量分數(shù)為60%時，相分離程度最小，組分相間的界面模糊，說明PVA與變性淀粉的共混比為40∶60時，兩相相疇尺寸最小，界面結(jié)合力最強，表現(xiàn)為共混膜的斷裂強度最高。

圖1 共混漿膜的斷面SEM照片(×2 000)Fig.1 SEM images of freeze-fractured surface of blend films(×2 000).(a)Modified starch is 70%； (b)Modified starch is 60%； (c)Modified starch is 50%

圖2示出共混漿膜的X衍射圖。由圖可知，變性淀粉用量對共混膜結(jié)晶程度的影響。經(jīng)計算得出，當變性淀粉含量分別為50%、60%、70%時，共混漿膜結(jié)晶度分別為23.50%、36.24%、27.82%。由圖還可看出，隨變性淀粉含量的變化，共混膜的結(jié)晶性發(fā)生改變，當變性淀粉的質(zhì)量分數(shù)為60%時，共混膜的結(jié)晶性最高，漿膜各項力學性能最好。

注：a—變性淀粉質(zhì)量分數(shù)60%； b—變性淀粉質(zhì)量分數(shù)70%； c—變性淀粉質(zhì)量分數(shù)50%。圖2 共混漿膜的X衍射圖Fig.2 X-ray diffraction patterns of blend films

2.1.2PVA醇解度對漿膜性能的影響

PVA醇解度對共混漿膜力學性能的影響如表2所示?？煽闯觯SPVA1799含量的降低，共混漿膜的斷裂強力、斷裂伸長和耐屈曲性顯著降低，說明高醇解度的PVA1799有利于提高共混漿膜的斷裂強度，除了PVA1799漿膜本身性能優(yōu)良外，PVA1799與淀粉之間氫鍵作用大、二者相容性好也是有關(guān)系的。

圖3(a)是完全醇解PVA1799與淀粉形成的共混漿膜表面的SEM照片，圖3(b)是完全醇解PVA1799、部分醇解 PVA1788 及淀粉形成的共混漿膜表面的SEM照片?？煽闯觯痛冀舛鹊腜VA1788的加入，使得共混漿膜的相疇增大。

表2 PVA醇解度對共混膜的力學性能影響情況Tab.2 Effect of alcoholysis degree of PVA on mechanical properties of blend films

注：以上漿料組分為完全醇解PVA、部分醇解PVA1788和變性淀粉按質(zhì)量百分比組成，各組分的含量之和為100%。

圖3 共混漿膜的SEM照片(×2 000)Fig.3 SEM images of blend films(×2 000).(a) without PVA1788； (b) 30% PVA1788

圖4示出完全醇解PVA1799、部分醇解PVA1788及淀粉共混漿膜的XRD圖。經(jīng)計算得出，PVA1799/淀粉共混膜結(jié)晶度為36.24%，含PVA1788的共混漿膜結(jié)晶度為27.42%。從結(jié)晶度數(shù)據(jù)可以看出，部分醇解PVA1788的加入，降低了漿膜的結(jié)晶性。

注：a—不含PVA1788； b—PVA1788質(zhì)量分數(shù)為 30%。圖4 共混漿膜的X衍射圖Fig.4 X-ray diffraction patterns of blend films

2.2 漿液黏附力

黏附性能反映了經(jīng)紗內(nèi)部纖維間的抱合程度，同時體現(xiàn)了漿膜與紗體的結(jié)合牢度。本文分別探討了PVA與變性淀粉間的共混比、PVA醇解度、漿料組分對純棉粗紗漿液黏附力的影響。

2.2.1共混比對黏附性能的影響

表示出為完全醇解PVA和變性淀粉在不同混比下對純棉粗紗黏附性能的影響。由表可見，變性淀粉的用量對粗紗黏附力有著顯著的影響。隨著變性淀粉質(zhì)量分數(shù)的減少，粗紗黏附力呈先增加再降低的趨勢，當PVA和變性淀粉的共混比達到40∶60時，黏附性能最好，有助于改善漿紗質(zhì)量。這一結(jié)果可通過PVA和變性淀粉共混膜的SEM照片解釋，因為混合漿液與紗線接觸后，在纖維表面進行鋪展并形成一層牢固的漿膜與紗體緊緊結(jié)合[13]，紗體表面漿膜的性能一定程度上體現(xiàn)了粗紗黏附力的大小。

表3 共混比對黏附力的影響情況

2.2.2PVA醇解度對黏附性能的影響

PVA醇解度對純棉粗紗黏附性能的影響結(jié)果如表4所示?？煽闯?，隨PVA1799含量的降低，粗紗黏附力隨之降低，說明高醇解度的PVA1799有利于提高共混漿液對純棉粗紗的黏著性，這是由于PVA1799醇解度大，大分子骨架上—OH數(shù)目多，更易于與淀粉分子鏈上—OH形成氫鍵，這一特殊相互作用力驅(qū)動了二者的相容及締合，形成的共混漿液在纖維表面進行鋪展后，增強了纖維之間的膠結(jié)層自身強度，所以表現(xiàn)出高的粗紗黏附力。

表4 PVA醇解度對黏附力的影響情況Tab.4 Effect of alcoholysis degree of PVA on adhesion

注：以上漿料組分為完全醇解PVA、部分醇解PVA1788和變性淀粉按質(zhì)量百分比組成，各組分的含量之和為100%。

2.2.3漿料組分對黏附性能的影響

表5示出不同漿料組分對純棉粗紗黏附性能的影響結(jié)果。由表可見，含有完全醇解型和部分醇解型PVA與變性淀粉、漿紗油脂形成的多組分共混漿液，對純棉粗紗的黏附性能不及少組分的PVA1799和變性淀粉漿液的黏附性，油脂的加入猶如在漿液中加入了雜質(zhì)，使?jié){膜的致密度下降[14]，漿液對粗紗的黏著力下降。

表5 漿料組分對黏附性能的影響情況Tab.5 Effect of size components on adhesion

注：以上淀粉為變性淀粉SPR。

漿料的黏著性能會影響到漿紗的物理力學性能，決定著對上漿率的需求數(shù)值[15]。目前漿料配方組分多，各組分之間混溶性差，削弱了漿液性能，為了使?jié){紗性能滿足織造要求，只能提高上漿率[14]。

少組分漿料和多組分混合漿料的對比實驗表明，直接采用變性淀粉和PVA的漿料配方能保證共混物良好的力學性能，漿料配方簡單，減輕了漿紗工人的勞動負擔，方便漿料管理，避免了多種漿料因為熱力學相不同而影響共混物性能，符合漿料配方“少組分”的發(fā)展趨勢。

3 結(jié) 論

1)PVA和變性淀粉的共混比對共混膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)和共混物的各項力學性能有顯著影響。當二者共混比為40∶60時，共混膜的斷裂強力、斷裂伸長率最大，對純棉粗紗黏附力最高。

2)PVA醇解度對共混物的混溶性和力學性能有影響。PVA醇解度大，且含量多時，共混漿膜的斷裂強度和耐屈曲性大，對粗紗黏附力值高。

3)漿料配方中各組分之間混溶性差，對漿膜性能會產(chǎn)生影響。

4)漿料種類復雜，導致各組分間混溶性差，須通過更多的漿料彌補漿料組分間混溶性差的缺陷；為了降低漿紗時經(jīng)紗的上漿率，漿料配方組分宜少。

5)采用漿紗性能好的PVA與變性淀粉構(gòu)成少組分的漿料配方，有利于提高漿液中漿料間的混溶性，可以改善漿膜的力學性能和對粗紗的黏附性能。

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Influenceofsizescompatibilityonmechanicalpropertiesofblendedsizefilms

WU Hailiang1， YAO Yijun2， SHEN Yanqin1， MAO Ningtao1,3

(1.TextileandMaterialsCollege,Xi'anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China; 2.CollegeofBioresourcesChemicalandMaterialsEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi′an,Shaanxi710021,China; 3.SchoolofDesign,UniversityofLeeds,LeedsLS29JT,UK)

The influence of sizes compatibility on the mechanical properties of blended size films and corresponding pulp adhesion were studied. The morphological structure of the blended size films were characterized by using scanning electron microscope and X-ray diffraction, and the relationship between different size components and film properties was investigated. It is found that, when the mixing ratio of polyvingl alcohol(PVA1799)/modified starch is 40 to 60, the blended size pulp has the greatest adhesion force and the blended size film has the greatest tensile strength and elongation, and PVA polymers having low degree of alcoholysis (PVA1788) can cause the phase separation and smaller crystallinity in the blended films, which lead to the poorer mechanical properties of the blended films. In order to rise size compatibility and strengthen mechanical properties of blended films, size components should be as few as possible.

size compatibility; size film property; adhesion; size component; modified starch; polyvinyl alcohol

TS 103.846

A

10.13475/j.fzxb.20160905805

2016-09-28

2017-06-23

陜西省重點研發(fā)計劃項目(2017GY-132)

武海良(1962—)，男，教授。主要從事新型紡織漿料及漿紗工藝研究。E-mail：whl@xpu.edu.cn。