改性駝毛/羅布麻/棉混紡紗的開(kāi)發(fā)及其性能分析

劉建華，張舒亮，王 玲，夏 鑫

(新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

中國(guó)雙峰駱駝是一種能產(chǎn)毛、產(chǎn)肉、產(chǎn)乳，兼有多種用途的畜種資源，主要分布在中國(guó)西北的新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、青海等荒漠或半荒漠草原上[1]。雙峰駱駝的被毛分為絨和粗毛，纖維直徑為20～24 μm，稱為駝絨；纖維直徑>50 μm，稱為駝毛。駝毛占其全身被毛的40%～60%，但由于直徑較粗、剛性較大、摩擦因數(shù)低、顏色黑，可紡性較差，一般用作生產(chǎn)廉價(jià)的填充材料及工業(yè)用傳送帶，但通過(guò)改性處理可以改善駝毛性能，提高其可紡性。已有學(xué)者對(duì)提高動(dòng)物粗毛的使用價(jià)值進(jìn)行了改性研究，王國(guó)強(qiáng)等[2]對(duì)64支羊毛進(jìn)行拉伸細(xì)化，Roy等[3]對(duì)粗牦牛毛進(jìn)行化學(xué)改性，但目前針對(duì)粗駝毛的改性研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)仍較少。

本文通過(guò)對(duì)駝毛進(jìn)行化學(xué)改性，降低纖維直徑與剛性，增加其纖維卷曲與表面摩擦因數(shù)，提高纖維白度，從而提高了紡紗性能。同時(shí)，為提高改性駝毛紗線的附加值，加入羅布麻纖維，羅布麻為新疆特色植物資源, 是一種天然功能纖維, 具有優(yōu)良服用性能[4]，但因其纖維長(zhǎng)度整齊度較差，單纖維表面光滑無(wú)卷曲，抱合力小，在紡紗加工中容易散落，制成率低[5]，因此在紡紗過(guò)程中添加一定量的棉纖維有助于成紗。通過(guò)確定最佳駝毛改性工藝，并對(duì)改性駝毛/羅布麻/棉混紡紗進(jìn)行測(cè)試與分析，探討原料成分對(duì)紗線性能的影響，為駱駝毛在紡織產(chǎn)品上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

材料：駝毛(平均直徑65 μm，細(xì)度CV值30%)、羅布麻、棉；吐溫80、滲透劑JFC、無(wú)水碳酸鈉(Na2CO3)、過(guò)氧化氫(H202)，均為分析純?cè)噭?；非離子型和毛油，肥皂。

儀器：J200 型電子天平，Y802 K-Ⅱ型烘箱，CU-6型電子纖維細(xì)度儀，YG001B型單纖維強(qiáng)力測(cè)試儀，YG362B型卷曲彈性儀，Y151SM型纖維摩擦因數(shù)儀，HunterLab UltraScanPro型測(cè)色儀，VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀，VHX-950F型3D顯微鏡，F(xiàn)A601 A型轉(zhuǎn)杯紡紗試驗(yàn)機(jī)，YG (B) 063型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力機(jī)，YG172 A型紗線毛羽測(cè)試儀，CT200條干均勻度測(cè)試分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 駝毛改性處理

在60 ℃條件下，采用2%無(wú)水碳酸鈉和肥皂制成的溶液，對(duì)駝毛進(jìn)行預(yù)處理。氧化處理采用20%(owf)過(guò)氧化氫，1.5 g/L氫氧化鈉，浴比1∶40，將預(yù)處理好的駝毛于65 ℃水浴鍋中進(jìn)行反應(yīng)。

1.2.2 紡紗工藝

與傳統(tǒng)的環(huán)錠紡相比,轉(zhuǎn)杯紡紗工序短,產(chǎn)量高,經(jīng)濟(jì)效益高,紗線具有條干好、結(jié)雜少、接頭少、 耐磨性好的特性[6]，而且適合紡制由長(zhǎng)度和細(xì)度差異較大的不同纖維組成的紗線，因此本文紡紗實(shí)驗(yàn)選用轉(zhuǎn)杯紡。將駝毛纖維剪短至40 mm,再在駝毛上均勻噴灑由1%(owf)和毛油、4%(owf)抗靜電劑和水制成的溶液，在羅布麻和棉纖維上均勻噴灑由2%(owf)抗靜電劑和水制成的溶液，3種纖維各回潮24 h;按設(shè)定的混紡比例稱取相應(yīng)的纖維后,經(jīng)開(kāi)棉機(jī)多次混合均勻后，鋪網(wǎng)、梳棉和并條，最后在小樣轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)上紡紗。紗線線密度為47.7 tex，紡紗工藝參數(shù)為：紡杯轉(zhuǎn)速20 000 r/min，分梳輥轉(zhuǎn)速8 000 r/min，導(dǎo)絲桿轉(zhuǎn)速160 r/min，引紗桿轉(zhuǎn)速157 r/min。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 駝毛纖維力學(xué)性能

由于駝毛與兔毛具有類似的結(jié)構(gòu)形態(tài)，本文參照GB/T 13835.5—2009《兔毛纖維試驗(yàn)方法 第5部分：?jiǎn)卫w維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率》測(cè)試駝毛纖維力學(xué)性能。

1.3.2 駝毛纖維細(xì)度

采用CU-6纖維細(xì)度儀測(cè)試駝毛纖維細(xì)度。實(shí)驗(yàn)條件：溫度20 ℃，相對(duì)濕度60%。

1.3.3 駝毛纖維摩擦性能

采用Y151SM型纖維摩擦因數(shù)儀測(cè)試駝毛纖維的靜摩擦因數(shù)，設(shè)置摩擦輥轉(zhuǎn)速30 r/min。

1.3.4 駝毛纖維卷曲性

采用YG362B型卷曲彈性儀測(cè)試駝毛纖維卷曲性，測(cè)試?yán)w維長(zhǎng)度在25 mm內(nèi)的卷曲個(gè)數(shù)。

1.3.5 駝毛纖維色度參數(shù)

采用HunterLab UltraScanPro型測(cè)色儀測(cè)試駝毛纖維的色度，每次測(cè)試?yán)w維質(zhì)量為1 g，測(cè)試3次，取平均值。

1.3.6 駝毛纖維表面形態(tài)

采用VHX-950F型3D顯微鏡觀察駝毛纖維表面形態(tài)。

1.3.7 駝毛纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)

采用VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試改性前后駝毛纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)，掃描范圍4 000～500 cm-1，掃描次數(shù)為120，分辨率為4 cm-1。

1.3.8 紗線拉伸性能

依照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》測(cè)試紗線拉伸性能。

1.3.9 紗線毛羽

依照FZ/T 01086—2000《紡織品 毛羽測(cè)試方法 投影計(jì)數(shù)法》測(cè)試紗線毛羽。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改性駝毛纖維物理性能

處理前后駝毛纖維物理性能如表1所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)預(yù)處理，駝毛的摩擦因數(shù)有明顯提高，較駝毛原樣靜摩擦因數(shù)提高了21.8%，其原因是弱堿與肥皂的作用將纖維表面的油脂去除，從而降低了駝毛表面的光滑程度。而隨后的氧化處理，駝毛纖維的摩擦性能沒(méi)有顯著提高，但纖維的細(xì)度、卷曲數(shù)都得到提高，纖維越細(xì)其成紗越均勻，纖維越卷曲，會(huì)使纖維間的相互纏結(jié)增加，有利于纖維加工中的成網(wǎng)、成條性[7]。氧化處理1 h駝毛纖維細(xì)度降低1.82 μm，卷曲數(shù)提高0.5個(gè)/(25 mm)；處理1.5 h細(xì)度降低2.22 μm，卷曲數(shù)提高0.7個(gè)/(25 mm)；處理2 h細(xì)度降低2.61 μm，卷曲數(shù)提高0.8個(gè)/(25 mm)，同時(shí)纖維強(qiáng)力有不同程度的降低，分別降低20.1%、25.7%和35.9%。主要是因?yàn)槊q類纖維在堿性條件下,纖維鹽式鍵斷開(kāi)，多縮氨酸鏈分解切斷，胱氨酸二硫鍵水解切斷[8]，而H2O2也能導(dǎo)致胱氨酸的分解，使纖維逐漸溶解，從而使得纖維變細(xì)，力學(xué)性能下降。

表1 處理前后駝毛纖維物理性能

2.2 改性駝毛纖維表面形態(tài)

駝毛預(yù)處理及氧化處理后其表面形態(tài)如圖1所示。

圖1 處理前后駝毛纖維表面形態(tài)

由圖1可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的駝毛較原樣鱗片結(jié)構(gòu)更加清晰，鱗片末梢部分的鱗角更分明，可能原因是預(yù)處理過(guò)程將駝毛纖維表面的灰層、油脂去除。經(jīng)過(guò)1.5 h氧化處理的駝毛纖維鱗片輪廓較之前相比，清晰度有一定程度的下降，但仍能看清有鱗片存在。而經(jīng)過(guò)2 h氧化處理，鱗片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的溶解，證明了經(jīng)氧化處理的駝毛纖維摩擦因數(shù)逐漸下降的原因。結(jié)合表1纖維的摩擦因數(shù)可知，處理時(shí)間在1.5 h以內(nèi)，不會(huì)對(duì)駝毛表面性能產(chǎn)生較大的不利影響。

2.3 改性駝毛纖維色度

纖維白度提高，能賦予紗線、織物后續(xù)染色加工更多的選擇。處理前后駝毛纖維色度如表2所示。

表2 處理前后駝毛纖維色度

由表2可以看出，未處理的駝毛纖維顏色最深，其K/S值最高，L*值最低。與未處理駝毛纖維相比，預(yù)處理的駝毛纖維，K/S值降低17.7%，L*值提高4.3%，即駝毛顏色深度下降，其原因是碳酸鈉與肥皂溶液將纖維表面的灰土、油脂等雜質(zhì)除去。氧化處理對(duì)駝毛顏色深度的影響較大，隨著處理時(shí)間增加到1、1.5、2 h，駝毛纖維顏色深度逐漸降低，K/S值分別降低31.0%、35.4%和37.8%，L*值分別提升19.2%、29.4%和41.58%。過(guò)氧化氫的存在能除去駝毛纖維上一定的黑色素，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，黑色素得到了進(jìn)一步的去除，使得駝毛纖維的顏色深度降低。

2.4 改性駝毛纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)

綜合改性駝毛的物理性能，表面形態(tài)及色度參數(shù)，得出經(jīng)1.5 h改性處理的駝毛綜合性能最佳。因此選用1.5 h的處理樣與原樣、預(yù)處理樣進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析。處理前后駝毛纖維紅外光譜圖見(jiàn)圖2。

圖2 處理前后駝毛纖維紅外光譜圖

由圖2可以看出，譜線a、b、c在3 296、2 961、2 928、1 649、1 537、1 451、1 239 cm-1處都有相似的吸收峰。其中，在3 430～3 090 cm-1之間的寬吸收峰可能與羧基(COOH)、醇(OH)和NH基團(tuán)的拉伸和吸收有關(guān)[9]；在2 961和2 928 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是由飽和及不飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸、醇和酯的CH3和CH2拉伸引起的[10]；在1 649、1 537和1 239 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰分別由酰胺Ⅰ(CO)伸縮振動(dòng)、酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ的(CN)的伸縮振動(dòng)和NH的彎曲振動(dòng)引起的[11]；此外，與譜線b、c相比，譜線a在1 399 cm-1處沒(méi)有出現(xiàn)相應(yīng)的吸收峰，而在1 040 cm-1處的出現(xiàn)了新的吸收峰。1 399 cm-1處的吸收峰是多肽與蛋白質(zhì)羥酸根COO-對(duì)稱伸縮引起的，而譜線a沒(méi)有該峰，可能是氧化處理破壞了半胱氨酸；1 040 cm-1處的吸收峰被認(rèn)為是對(duì)稱的S—O拉伸模式ν(S—O)的磺酸基半胱氨酸形成的半胱氨酸氧化[12]。

2.5 混紡紗線性能比較

由上述實(shí)驗(yàn)研究可知，經(jīng)預(yù)處理，在堿性條件下，過(guò)氧化氫處理的駝毛白度、細(xì)度、卷曲和摩擦性能得到了改善。為驗(yàn)證這些物理性能的改善能否提升駝毛的可紡性。將經(jīng)1.5 h改性處理的駝毛與羅布麻、棉混紡，按50/25/25、25/50/25、25/25/50、33/33/34的混紡比紡紗，通過(guò)測(cè)定紗線的拉伸力學(xué)性能、均勻度和毛羽指數(shù)，得出最佳的混紡比。

2.5.1 混紡紗線拉伸性能

紗線強(qiáng)力影響上機(jī)織造率，這就要求紗線具有一定力學(xué)性能以滿足后序織造要求。細(xì)度不勻是紗線的重要質(zhì)量指標(biāo)[13]，混紡紗的拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 混紡紗的拉伸力學(xué)性能

從表3可以看出，隨著羅布麻比例的增加，紗線強(qiáng)力下降明顯。其原因是羅布麻纖維長(zhǎng)度短且無(wú)卷曲，成紗的抱合力差，造成成紗質(zhì)量差；隨著駝毛纖維比例的增加，紗線的不勻率逐漸上升，這是因?yàn)轳劽鄬?duì)羅布麻與棉更粗，駝毛越多，纖維細(xì)度變異系數(shù)越大，隨著纖維細(xì)度變異系數(shù)的增大, 紗條細(xì)度不勻增大。隨著棉纖維比例的增加，纖維細(xì)度變異系數(shù)減小，同時(shí)纖維間的纏結(jié)增加，使得紗線的強(qiáng)力與均勻度提高，成紗質(zhì)量得到提高。

2.5.2 混紡紗線毛羽指數(shù)

紗線毛羽是突出紗體表面的細(xì)小纖維,過(guò)多的毛羽會(huì)影響到紗線和織物的外觀,同時(shí)會(huì)降低后道工序的效率和紗線質(zhì)量[14]?；旒徏喢饻y(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3?？芍S著羅布麻和駝毛含量的增加，紗線的毛羽數(shù)減少，這是由于駝毛與羅布麻的回潮率比棉好，在紡紗過(guò)程中纖維與機(jī)械部件摩擦以及受空氣阻力影響，這2種纖維含量多的紗線回潮率增大，使得纖維的體積比電阻降低，紡紗時(shí)靜電現(xiàn)象不明顯，使得紗線毛羽減少[15]。

圖3 混紡紗毛羽指數(shù)

3 結(jié) 語(yǔ)

①在堿性條件下，經(jīng)H2O2氧化處理1.5 h的駝毛改性效果最佳。其明度提高29.4%，纖維靜摩擦因數(shù)從0.211提高到0.246，卷曲數(shù)增加0.7個(gè)/ (25 mm)，纖維細(xì)度下降2.22 μm，斷裂強(qiáng)力下降25.7%。

②提高駝毛纖維的摩擦因數(shù)、卷曲數(shù)和細(xì)度，能有效提高駝毛纖維的可紡性能。

③對(duì)于改性駝毛/羅布麻/棉混紡紗，隨著棉纖維含量的增加，紗線強(qiáng)力及均勻度逐漸變好，但毛羽有所增加。綜合紗線力學(xué)性能、均勻度和毛羽指數(shù)，當(dāng)改性駝毛/羅布麻/棉混紡比為25/25/50時(shí)，紗線最適合用于開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良服用性能的織物。