海藻纖維紡紗油劑選配及成紗性能研究

黃春悅 邢明杰 張玉清

（青島大學(xué)，山東青島，266071）

隨著能源的消耗，污染的加劇，不可再生資源變得日趨緊張[1]。海藻纖維是利用海洋中豐富的藻類經(jīng)過提煉及深加工技術(shù)制得的再生生物質(zhì)纖維[2]。海藻纖維吸濕性好，具有良好的生物相容性、抗菌、防紫外線、防靜電等性能，被廣泛用于醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。由于海藻纖維生產(chǎn)成本高、纖維的強(qiáng)力不高、濕態(tài)伸長較大、纖維表面光滑，動靜摩擦因數(shù)小，使得纖維間抱合力小，在紡紗加工過程中成網(wǎng)成條的均勻度較差，不利于后續(xù)加工生產(chǎn)。因此，海藻纖維常通過非織造加工技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，且國內(nèi)關(guān)于海藻纖維純紡紗技術(shù)的研究及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)尚處于探索階段[3]。目前，市面上海藻纖維專用紡紗油劑較少，通過查閱相關(guān)資料及試驗發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)膰姙⒂蛣┛梢蕴岣吆Ｔ謇w維的抱合力，減少紡紗過程中纖維與機(jī)器摩擦產(chǎn)生的靜電，利于成網(wǎng)及后序的加工生產(chǎn)。本研究探討了海藻纖維純紡工藝中的關(guān)鍵技術(shù)、油劑對海藻纖維防靜電性能及紡紗生產(chǎn)的影響，并測試分析了海藻纖維紗的成紗性能，為后續(xù)海藻纖維產(chǎn)品開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 原料選用

本研究采用青島海賽爾新材料科技有限公司提供的海藻纖維，對海藻纖維特性進(jìn)行測試。具體測試結(jié)果：纖維長度38 mm，細(xì)度1.5 dtex，斷裂強(qiáng)度2.1 cN/dtex，斷裂伸長率15.1%，回潮率21%，質(zhì)量比電阻3.28×108Ω·g/cm2，動摩擦因數(shù)0.165，靜摩擦因數(shù)0.147。從以上測試數(shù)據(jù)可知，相較于普通粘膠纖維來說，海藻纖維斷裂強(qiáng)度適中，斷裂伸長率較小，纖維回潮率大，質(zhì)量比電阻大，纖維動靜摩擦因數(shù)較小。海藻纖維的截面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1可以看出，海藻纖維表面光滑，縱向有明顯的溝槽，橫向截面呈現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒狀，皮芯結(jié)構(gòu)[4]。

圖1 海藻纖維截面結(jié)構(gòu)圖

1.2 海藻纖維紡紗用油劑的復(fù)配

化纖油劑是指應(yīng)用于化纖生產(chǎn)與加工過程中的助劑。它主要調(diào)節(jié)纖維的摩擦特性，防止或消除靜電積累，賦予纖維平滑、柔軟等特性，使化纖順利通過紡絲、拉伸、加彈、紡紗、織造等工序[5]。海藻纖維由于表面光滑，纖維間摩擦抱合力小，使得成網(wǎng)的均勻性及張力較差，不利于后續(xù)生產(chǎn)。通過復(fù)配油劑來增加纖維間的摩擦抱合力，使海藻纖維成網(wǎng)成條更加均勻，有利于提高成紗質(zhì)量。目前主要油劑組分分為平滑劑、抗靜電劑、乳化劑等，還可根據(jù)纖維特性添加抱合劑、消泡劑等。

結(jié)合海藻纖維表面光滑、抱合力差、纖維質(zhì)量比電阻大、摩擦力小的特點選擇油劑的組分，選用油劑各組分要參照其親水親油平衡值（H L B），各組分H L B相近有利于所配乳液的穩(wěn)定性。

本試驗選用液體石蠟作為平滑劑，十二烷基磺酸鈉（SDBS）作為抗靜電劑，蓖麻油聚氧乙烯醚（HEL?20）、T?80、S?80作為乳化劑，具體復(fù)配方案及比例如表1所示。

表1 海藻纖維紡紗油劑復(fù)配方案 單位：%

乳液制備方法一般分為水包油法和油包水法兩種。化纖油劑制備一般為前者，即先將各組分按照比例均勻混合，再加入蒸餾水。嚴(yán)格按照比例復(fù)配各方案油劑，將復(fù)配好的5種方案油劑和蒸餾水取海藻纖維干重質(zhì)量的0.5%，分別均勻噴灑在海藻纖維表面，測試這幾種復(fù)配方案油劑及蒸餾水對海藻纖維動靜摩擦因數(shù)、質(zhì)量比電阻的影響，并對比經(jīng)5種復(fù)配方案油劑和蒸餾水處理后海藻纖維在紡紗各工序中的表現(xiàn)，優(yōu)選出最適合做海藻纖維紡紗的油劑復(fù)配方案。

1.3 紡紗工藝流程

取海藻纖維干重質(zhì)量的0.5%，將復(fù)配好的最優(yōu)方案的油劑均勻噴灑在纖維表面，密封24 h后進(jìn)行紡紗。

步驟一：DSBL?01型梳理機(jī)。將手動開松過的海藻纖維放入DSBL?01型清梳聯(lián)合機(jī)中進(jìn)行梳理?？紤]海藻纖維較脆、強(qiáng)力較低的特點，在梳理過程中采取了“充分混和，適中隔距，慢速度，減少打擊，早落防碎，少傷纖維”的工藝原則[6]。為了減小纖維的損傷，要適當(dāng)降低錫林速度，同時控制刺輥速度不能太小，要提高纖維的轉(zhuǎn)移率，防止纖維過多的搓揉與糾纏。

步驟二：DSDr?01型數(shù)字式小樣并條機(jī)。采用兩道并條，頭并8根并合，總牽伸7.8倍。末并6根并合，總牽伸6.24倍。兩道并條按照“倒?fàn)可?，輕定量，中隔距”工藝原則，并且末并的后區(qū)牽伸小于頭并，利于提高成紗條干水平、降低單紗強(qiáng)力不勻率。

步驟三：FA498?12型粗紗機(jī)。粗紗工序偏大設(shè)計了粗紗捻系數(shù)，從而增加了纖維轉(zhuǎn)移到紗條內(nèi)部的幾率，對減少毛羽的產(chǎn)生起到較好的作用。采用較小后區(qū)牽伸倍數(shù)，使紗條以較為緊密的結(jié)構(gòu)進(jìn)入主牽伸區(qū)，利于保證條干均勻度。主要工藝設(shè)計：粗紗定量4.75 g/10 m，羅拉隔距10 mm×29 mm×40 mm，后區(qū)牽伸1.19倍，前羅拉速度178 r/min，捻系數(shù)90。

步驟四：FA518?60型細(xì)紗機(jī)。主要工藝參數(shù)：羅拉隔距18 mm×30 mm，設(shè)計線密度18 tex，捻系數(shù)360，后區(qū)牽伸1.15倍。

1.4 纖維摩擦因數(shù)及質(zhì)量比電阻測試

采用XCF?1A型纖維摩擦因數(shù)測試儀測試幾種復(fù)配方案油劑對海藻纖維動靜摩擦因數(shù)的影響。初始張力0.1 c N，橡膠輥轉(zhuǎn)速30 r/min，每組測試10次，結(jié)果取平均值。

采用YG321型纖維比電阻測試儀測試幾種復(fù)配方案油劑對海藻纖維質(zhì)量比電阻的影響。每組先將50 g試樣在公定回潮率下平衡4 h以上，再將試樣平均分為3份，每份15 g。測試電壓50 V，測試次數(shù)3次，結(jié)果取平均值。

1.5 紗線性能測試

以下各項指標(biāo)均在恒溫恒濕環(huán)境下進(jìn)行測試，樣品在測試之前放置在溫度20℃，相對濕度65%條件下進(jìn)行調(diào)濕24 h以上。

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》，采用YG021DL型電子單紗強(qiáng)力機(jī)測試單紗強(qiáng)伸性能。測試條件：上下夾頭夾距500 mm，預(yù)加張力0.5 cN/tex，測試速度500 mm/min。

根據(jù)FZ/T 01086—2020《紡織品紗線毛羽測定方法投影計數(shù)法》，采用YG171LB型紗線毛羽測試儀測試單紗毛羽。測試速度30 m/min，測試片段長度10 m，測試次數(shù)2次。

根據(jù)GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗條條干不勻試驗方法 電容法》，采用USTER條干儀測試紗線條干均勻度。測試速度100 m/min，測試時間2 min，測試長度200 m，測試次數(shù)2次。

2 結(jié)果與討論

2.1 油劑對海藻纖維動靜摩擦因數(shù)的影響

為比較不同油劑對海藻纖維表面性能的影響，通過測試經(jīng)不同方案油劑處理后海藻纖維動靜摩擦因數(shù)來反映纖維間抱合力的大小。一般用纖維的動靜摩擦因數(shù)差值來表示纖維間的抱合力大小，差值越大說明纖維間抱合力越大。表2為經(jīng)不同復(fù)配方案油劑及水處理后海藻纖維的動靜摩擦因數(shù)及差值。其中μ靜表示纖維靜摩擦因數(shù)，μ動表示纖維動摩擦因數(shù)，Δ表示纖維動靜摩擦因數(shù)的差值。

表2 不同油劑處理后海藻纖維動靜摩擦因數(shù)測試結(jié)果

由表2可知，經(jīng)過方案A油劑處理過的海藻纖維動靜摩擦因數(shù)差值最大，說明纖維間的抱合力較好，利于成網(wǎng)成條等后續(xù)加工。

2.2 油劑對海藻纖維質(zhì)量比電阻的影響

為比較經(jīng)過不同油劑對海藻纖維防靜電性能的影響，常通過測試海藻纖維的質(zhì)量比電阻來體現(xiàn)，一般纖維的質(zhì)量比電阻越小越容易將產(chǎn)生的靜電導(dǎo)出，則說明纖維的防靜電性越好。不同油劑處理后纖維質(zhì)量比電阻的測試結(jié)果：方案A為3.25×105Ω·g/cm2，方案B為8.00×105Ω·g/cm2，方案C為3.50×105Ω·g/cm2，方 案D為3.75×105Ω·g/cm2，方案E為9.00×105Ω·g/cm2，加蒸餾水時為4.25×105Ω·g/cm2。由測試結(jié)果可知，經(jīng)過方案A油劑處理后海藻纖維的防靜電性能最好，方案E的防靜電性能最差。

2.3 油劑對海藻纖維可紡性的驗證

表3記錄噴灑5種方案油劑及蒸餾水后海藻纖維在紡紗各工序中的表現(xiàn)，具體包括梳理成網(wǎng)、并條過程中繞膠輥情況以及粗紗、細(xì)紗過程中斷頭的次數(shù)。其中，對梳理成網(wǎng)順利程度進(jìn)行打分，滿分為10分，分?jǐn)?shù)越高說明成網(wǎng)過程越順利[7]。

表3 經(jīng)不同油劑處理后纖維樣品在紡紗各工序中的表現(xiàn)

由表3可知，方案A油劑在紡紗過程中表現(xiàn)最佳，成網(wǎng)過程較順利，并條繞膠輥次數(shù)以及粗紗細(xì)紗過程中斷頭次數(shù)較少。方案E油劑在紡紗各工序中表現(xiàn)最差。噴灑油劑后的海藻纖維與未噴灑油劑的進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)前者纖維間摩擦抱合力增加，纖維成網(wǎng)成條較均勻利于后續(xù)生產(chǎn)加工過程。因此，本試驗在后續(xù)的研究中使用方案A油劑來探索其對海藻纖維紗線性能的影響。

2.4 紗線強(qiáng)伸度指標(biāo)及分析

海藻纖維單紗斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率等機(jī)械性能對后續(xù)織造加工有很大影響。經(jīng)測試，海藻纖維紗線主要強(qiáng)伸性能指標(biāo)：單紗強(qiáng)力529.6 cN，斷裂強(qiáng)度29.46 c N/tex，斷裂伸長率5.38%。

作為針織用紗，紗線在準(zhǔn)備和編織的過程中，雖然彎曲和拉伸要經(jīng)受一定的張力和反復(fù)的載荷作用，但針織物在編織過程中不需要經(jīng)過高張力加工過程，所以對針織用紗的強(qiáng)力要求不是很高。由測試數(shù)據(jù)可知，海藻纖維單紗斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長率能夠滿足針織用紗的要求。由于海藻纖維整齊度高，纖維細(xì)度細(xì)，單紗強(qiáng)力相對適中；同時采用環(huán)錠紡能夠使得紗線結(jié)構(gòu)更加緊密，有利于提高紗線質(zhì)量及后續(xù)生產(chǎn)加工。

2.5 紗線毛羽指標(biāo)及分析

經(jīng)測試，海藻纖維紗線的毛羽指標(biāo)：1 mm毛羽156.0根/m；2 mm毛羽34.7根/m；3 mm毛羽12.2根/m；4 mm毛羽1.8根/m。

由以上數(shù)據(jù)可知，海藻纖維單紗毛羽數(shù)量符合毛羽越長其數(shù)量占比越小的趨勢。其中3 mm以下毛羽數(shù)量相對較多，原因是海藻纖維強(qiáng)力適中，纖維表面平直光滑，纖維彼此間抱合力小，在紡紗過程中受到摩擦力的作用容易斷裂形成短纖伸出紗線表面。另外，3 mm及以上毛羽數(shù)量整體來說較少，考慮是海藻纖維長度長，整齊度高，采用環(huán)錠紡能使紗線結(jié)構(gòu)更加緊密，且海藻纖維吸濕回潮率較大，能使紗線表面毛羽更易貼合，因此針織過程順利生產(chǎn)。

2.6 紗線條干均勻度指標(biāo)及分析

經(jīng)測試，海藻纖維紗線的條干均勻度指標(biāo)：條干C V30.16%，細(xì)節(jié)360個/km，粗節(jié)720個/km，棉結(jié)525個/km。

結(jié)合文獻(xiàn)資料關(guān)于海藻纖維混紡紗條干的C V值來判斷，整體看來海藻纖維純紡紗的條干均勻度一般。其中，細(xì)節(jié)、粗節(jié)數(shù)量較多，考慮是在牽伸過程中，粗紗強(qiáng)力較低易產(chǎn)生斷頭而頻繁接頭造成的。另外，棉結(jié)數(shù)量較多的原因可能是在梳理過程中開松梳理方式較緩和造成的。條干均勻的紗線有利于針織加工和保證織物質(zhì)量，使線圈結(jié)構(gòu)均勻、布面清晰?？刹捎煤Ｔ謇w維與棉纖維等混紡來提高紗線條干均勻度。

3 結(jié)論

（1）通過測試得出，海藻纖維表面平直光滑，有溝槽，皮芯結(jié)構(gòu)。單纖斷裂強(qiáng)度適中，斷裂伸長率較高，吸濕性好，回潮率高。纖維的動靜摩擦因數(shù)較小，具有良好的抗靜電作用。

（2）在海藻纖維表面噴灑5種不同方案的油劑和蒸餾水后，通過觀察海藻纖維在紡紗各工序的表現(xiàn)，得到經(jīng)方案A油劑處理后的海藻纖維在紡紗過程中表現(xiàn)最佳，成網(wǎng)過程較順利，并條繞膠輥次數(shù)以及粗紗細(xì)紗過程中斷頭次數(shù)少，故方案A油劑為最優(yōu)油劑。

（3）由于海藻纖維斷裂強(qiáng)力不高，以及實驗室相對濕度不夠，使得在紡紗過程中容易出現(xiàn)成網(wǎng)不均勻、粗紗細(xì)紗過程中斷頭等現(xiàn)象，使得本研究數(shù)據(jù)相對較差，但綜合來說，海藻纖維純紡紗能夠滿足針織用紗的要求。后期可以通過設(shè)計適合海藻纖維的梳理機(jī)件、繼續(xù)探索更多海藻纖維紡紗用油劑、設(shè)計較大捻系數(shù)、提高車間溫濕度等來提高海藻纖維可紡性和成紗質(zhì)量，對海藻纖維紡紗生產(chǎn)可連續(xù)化、工業(yè)化具有重要研究意義。

（4）由于海藻纖維生產(chǎn)成本較高，紡紗過程中存在一些不利于連續(xù)生產(chǎn)的因素，因此目前來說海藻纖維純紡紗不適于生產(chǎn)日常服裝等領(lǐng)域。純紡紗可結(jié)合海藻纖維良好的吸濕性、抗菌及生物相容性，適用于織造手術(shù)縫合線、醫(yī)用敷料及高檔針織親膚面料等。