氯化絲光與防縮處理對羊毛纖維結(jié)構(gòu)及其性能的影響

占镠祥，李 婉，王高軍，趙先麗，王 妮，李毓陵

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620； 2.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620； 3.江蘇陽光股份有限公司，江蘇 江陰 214426)

作為一種重要的天然蛋白質(zhì)纖維原料，羊毛纖維及其織物具有保暖、吸濕透氣、彈性好等優(yōu)良特性，但受羊毛縮絨性的影響，羊毛面料的尺寸穩(wěn)定性和保形不良[1]。在濕、熱以及外力的作用下，羊毛織物會發(fā)生氈縮現(xiàn)象，尤其經(jīng)水洗后，會變形發(fā)硬、面積縮小、表面結(jié)構(gòu)模糊、彈性降低，嚴(yán)重影響了織物的外觀和服用性，這在一定程度上限制了羊毛紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域及市場拓展[2]，為此，對羊毛纖維進行防縮整理，以改善羊毛織物的氈縮性成為多年來眾多國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點，如從廢羊毛纖維蛋白酶中提取水性聚氨酯，與角蛋白多肽聯(lián)合對羊毛纖維進行防縮處理；將“三官能蛋白酶”運用于防氈化處理等[3-4]。羊毛纖維表面特殊的鱗片結(jié)構(gòu)是其產(chǎn)生氈縮性的主要原因，纖維在移動時，順鱗片方向和逆鱗片方向的摩擦因數(shù)不同，羊毛制品洗滌時，外力的反復(fù)作用使得纖維之間相互滑移，由于定向摩擦效應(yīng)引起纖維單向運動導(dǎo)致纖維緊密糾纏，產(chǎn)生氈縮現(xiàn)象[5]。羊毛的防縮方法根據(jù)處理機理的不同大致可分為3類：①化學(xué)法：通過化學(xué)方法將羊毛表面的鱗片軟化或氧化去除從而減少羊毛表面的方向性摩擦效應(yīng)；②物理法：通過物理手段，使羊毛表面的鱗片軟化或變光變鈍，或通過涂覆樹脂成膜及其交聯(lián)作用，使纖維的方向性摩擦效應(yīng)減弱；③疊加法：將物理方法與化學(xué)方法結(jié)合，取長補短實現(xiàn)防縮[6-7]。本文主要討論氯化絲光、氯化樹脂防縮處理對羊毛纖維防氈縮效果及光澤影響的同時，還分析對比了處理前后羊毛纖維結(jié)構(gòu)及性能的變化，為其后續(xù)的加工和應(yīng)用提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 材 料

3.6 dtex漂白羊毛纖維、絲光羊毛纖維、氯化樹脂防縮羊毛纖維，均由江蘇陽光股份有限公司提供。

1.2 測試方法

1.2.1 拉伸性能

參照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》，采用LLY-06 A電子單纖維強力儀(萊州市電子儀器有限公司)測試?yán)w維的拉伸性能。測試條件:試樣夾距為20 mm，預(yù)加張力為0.2 cN，拉伸速度為20 mm/min;測試次數(shù)100次，取平均值。

1.2.2 纖維摩擦性能測試

采用XCF-1 A型纖維摩擦因數(shù)測試儀(上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所)測試?yán)w維的順、逆向摩擦因數(shù)，計算定向摩擦效應(yīng)(DFE)。定向摩擦效應(yīng)計算公式：

(1)

式中:μ逆為逆向摩擦因數(shù)；μ順為順向摩擦因數(shù)。

1.2.3 纖維表面形態(tài)測試

將纖維樣品表面真空鍍金后，采用DXS-10ACKT掃描電子顯微鏡(日立高新技術(shù)那珂研究所)觀察纖維表面形態(tài)。

1.2.4 纖維紅外光譜測試

采用Spectrum Two型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)(美國Perkin Elmer 有限公司)及ATR附件對纖維樣品進行紅外光譜測試。測試波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，儀器分辨率4 cm-1，掃描采樣32次。

1.2.5 纖維氈縮性能測試

參照FZ/T 20024—2012《羊毛條氈縮性測試 洗滌法》，采用耐洗色牢度試驗機對纖維進行氈縮性測試。每個樣品質(zhì)量為1 g，器皿中注入50 mL溶液(1 L溶液中含有6.81 g磷酸二氫鉀和1.14 g氫氧化鈉)，洗滌裝置預(yù)熱溫度為40 ℃，洗滌時間為30 min。洗后烘干，普通羊毛洗后成蠶繭狀氈縮球，測量氈縮球體積以表征普通羊毛試樣的氈縮性；對于絲光羊毛和防縮羊毛，洗后成松散狀或一定程度氈縮狀，對洗后試樣氈縮外觀進行目測對比。

1.2.6 纖維結(jié)晶度測試

采用D/max-2550VB+/PC型18KW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(日本理學(xué)株式會社)測試?yán)w維結(jié)晶度。轉(zhuǎn)靶為銅靶，使用管電壓為40 kV，管電流200 mA的X射線管，掃描布拉格角2θ為5°～60°，步長為0.02°。

1.2.7 纖維光學(xué)性能測試

參考GB/T 32134—2015 《羊毛顏色測定方法》，采用Datacolor 850型測色配色儀(德塔顏色(上海)商貿(mào)有限公司)測定經(jīng)不同處理后纖維樣品的白度、黃度及光澤度。儀器預(yù)熱時間為30 min，儀器預(yù)熱后進行校準(zhǔn)，在國際照明委員會規(guī)定的D65/10°色度空間下進行測試，不同位置測試3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維拉伸性能

氯化絲光、防縮處理后羊毛纖維的拉伸性能見表1?？梢钥吹?，相對于原毛纖維，經(jīng)防縮處理后的羊毛纖維斷裂強力幾乎沒有損失，而斷裂伸長卻有提高，表現(xiàn)出比原毛纖維更好的拉伸性能；而經(jīng)氯化絲光處理后的羊毛纖維，其斷裂伸長率的提升并不顯著，斷裂強力則出現(xiàn)一定下降。導(dǎo)致二者差異的原因是處理方法的不同，氯化絲光處理在破壞羊毛鱗片層的同時，也對纖維有一定程度的損傷，從而引起了纖維強力的顯著下降；而防縮處理在纖維表面涂覆的樹脂成膜，起到了增強作用，彌補了部分剝鱗過程對纖維主體造成的損傷。

2.2 纖維摩擦性能

羊毛纖維表面為特有的鱗片結(jié)構(gòu)，鱗片的根部附著于毛干，尖端伸出毛干的表面而指向毛尖。由于鱗片指向的這一特點，羊毛纖維沿長度方向的摩擦，因滑動方向不同，摩擦因數(shù)不同?；瑒臃较驈拿矫鉃轫橑[片摩擦，滑動方向從毛尖到毛根為逆鱗片摩擦。順鱗片摩擦因數(shù)小于逆鱗片摩擦因數(shù)，這造成了羊毛纖維特有的差微摩擦效應(yīng)，這也是羊毛纖維具有氈縮性的必要條件[8]。

羊毛纖維氯化絲光、防縮整理前后的摩擦效應(yīng)見表2，由纖維的順、逆摩擦因數(shù)計算出定向摩擦效應(yīng)，可反映纖維的差微摩擦效應(yīng)，進而反映羊毛的氈縮性。由表可知，經(jīng)氯化絲光處理及防縮處理后的羊毛纖維，定向摩擦效應(yīng)相比羊毛原毛下降顯著，動、靜定向摩擦效應(yīng)都下降到原毛的1/4左右。這是由于氯化絲光處理將纖維表面鱗片充分破壞剝離，減少甚至消除了差微摩擦效應(yīng)，配合防縮處理中的樹脂涂覆，大大改善甚至消除了羊毛的氈縮性，達到了羊毛織物的定形保形效果。

表2 氯化絲光、防縮處理羊毛纖維的摩擦性能

2.3 纖維電鏡照片

氯化絲光、防縮整理羊毛纖維前后的電鏡照片見圖1，放大倍數(shù)為1 500倍。未經(jīng)處理的羊毛原樣具有完整規(guī)則的鱗片層，鱗片翹角高且棱角分明，見圖1(a)。經(jīng)氯化絲光處理后的羊毛纖維鱗片可見明顯破壞剝除，鱗片高度降低且邊緣棱角鈍化，無突出尖端，見圖1(b)。經(jīng)防縮整理后的羊毛纖維，不僅鱗片發(fā)生破壞剝除，棱角鈍化，而且由于樹脂涂覆，可見明顯的成膜效果，見圖1(c)。

圖1 氯化絲光、防縮整理羊毛纖維前后的電鏡照片(×1 500)

2.4 纖維紅外光譜測試

羊毛鱗片層的主成分為75%的蛋白質(zhì)和25%的類脂物，具有較強的化學(xué)惰性。蛋白質(zhì)部分含量最多的氨基酸是胱氨酸，約占12%，其他含量相對較高的氨基酸為甘氨酸、谷氨酸、絲氨酸和谷氨酰胺[9]。氧化處理使羊毛鱗片的外角質(zhì)層二硫鍵氧化成磺酸基等吸水性基團，是減小羊毛氈縮的最重要反應(yīng)，氧化過程使角質(zhì)層膨脹和軟化，或者由于減量將鱗片部分剝落，最終可使順逆方向鱗片摩擦因數(shù)差減小[10]。氯化絲光與氯化樹脂防縮處理對羊毛鱗片的氧化過程及效果可以用紅外光譜測試來分析說明。

圖2 羊毛纖維紅外光譜圖

紅外吸收譜圖中1 200～1 000 cm-1歸屬于S—O振動區(qū)，能夠提供羊毛纖維表面胱氨酸的氧化產(chǎn)物和氧化中間產(chǎn)物的信息。為清晰看到圖2中氯化絲光及防縮整理對羊毛鱗片胱氨酸二硫鍵的作用效果，將1 200～1 000 cm-1范圍內(nèi)胱氨酸氧化產(chǎn)物的特征吸收紅外光譜圖放大為圖3。

圖3 經(jīng)放大的部分紅外光譜圖

由圖3可看出，未處理以及經(jīng)過處理的羊毛纖維在1 076 cm-1處附近均具有一定的特征吸收峰，說明都存在胱氨酸一氧化物，而經(jīng)防縮以及絲光處理的羊毛纖維除在1 076 cm-1處左右出現(xiàn)特征吸收峰，在1 040和1 023 cm-1處左右都出現(xiàn)特征吸收峰，1 040 cm-1處特征吸收峰(主要是胱氨酸氧化產(chǎn)物磺基丙氨酸的S—O對稱伸縮振動吸收峰)，表示纖維表面的胱氨酸氧化為磺基丙氨酸；1 023 cm-1處特征吸收峰表明半胱胺磺酸鹽含量增加，即胱氨酸氧化為半胱氨磺酸鹽。

纖維的紅外光譜測試顯示了處理過程對氯化處理對羊毛鱗片角質(zhì)層蛋白質(zhì)分子的氧化降解，羊毛纖維表面的鱗片胱氨酸二硫鍵被氧化為磺基丙氨酸與半胱氨磺酸鹽的過程，即是羊毛纖維鱗片遭到破壞的過程。

2.5 纖維氈縮性測試

氯化絲光、防縮處理后羊毛纖維的的氈縮性測試結(jié)果見圖4，從左到右依次為原毛、防縮處理及氯化絲光處理后的羊毛纖維。

可以看到，經(jīng)相同條件水洗后，羊毛原毛氈縮成小球，而氯化絲光、防縮處理后的羊毛纖維仍呈纖維團狀，幾乎不發(fā)生氈縮現(xiàn)象，說明纖維已具有很好的保形性能。

2.6 纖維結(jié)晶度測試

經(jīng)氯化絲光、防縮羊毛纖維進行結(jié)晶度測試，結(jié)果為：原毛33.15%，防縮羊毛40.50%，絲光羊毛38.32%，氯化絲光、防縮羊毛纖維的結(jié)晶度衍射圖見圖5。結(jié)晶度表示聚合物中結(jié)晶區(qū)域所占的比例，經(jīng)過樹脂防縮整理后的羊毛纖維結(jié)晶度較絲光處理的羊毛纖維結(jié)晶度大，說明經(jīng)防縮處理的纖維的結(jié)晶區(qū)較多，結(jié)晶區(qū)的分子排列密集規(guī)整，表現(xiàn)出較高的強力，這也是防縮處理的纖維斷裂強度大于絲光處理的纖維斷裂強度的一個原因。

2.7 纖維光學(xué)性能測試

氯化絲光、防縮處理前后羊毛纖維的黃度及光澤度見表3?？梢钥闯?，經(jīng)過處理的羊毛纖維黃度下降，且氯化絲光羊毛較樹脂防縮羊毛黃度下降更為顯著。光澤度是對纖維表面的反射光能力進行評價的物理指標(biāo)，一般而言，纖維表面越光滑，光澤度越好。表3中，樹脂防縮羊毛光澤度值達到75.2，絲光羊毛光澤度值達到73.9，都高于未處理原毛72.4的光澤度值。

氯化絲光、防縮處理前后的羊毛纖維光譜反射率圖見圖6，可以看到，氯化絲光羊毛與防縮羊毛的光譜反射率均高于未處理原毛，也印證了處理后羊毛纖維表面更加光滑，體現(xiàn)了纖維表面鱗片層的剝除，但是氯化絲光處理后羊毛的黃度、光澤度和表面反射率與防縮處理后的差異不大。

圖6 氯化絲光、防縮處理前后羊毛纖維光譜反射率圖

3 結(jié) 論

本文對氯化絲光、防縮羊毛纖維的結(jié)構(gòu)及其性能進行了測試，主要得出以下結(jié)論：

①氯化絲光與氯化樹脂防縮處理對羊毛纖維表面的鱗片有很好的剝除或覆蓋效果，處理后的羊毛定向摩擦效應(yīng)不超過5%，水洗后不再出現(xiàn)氈縮現(xiàn)象，均具有很好的防氈縮效果。

②氯化絲光處理對纖維主體產(chǎn)生一定損傷，處理后纖維強力下降12.09%，而防縮處理對纖維的強力影響不大，2種處理纖維的斷裂伸長率均有一定的提高。

③氯化處理將羊毛鱗片角質(zhì)層的蛋白質(zhì)分子氧化降解，胱氨酸二硫鍵被氧化為磺基丙氨酸與半胱氨磺酸鹽，羊毛鱗片遭到破壞。在電鏡下可明顯觀察到纖維鱗片的破壞與剝除。

④氯化絲光、防縮羊毛的黃度均有所下降，光澤度和可見光譜范圍的反射率較之原毛有所提高，但是二者差異不大。