電霧化處理對(duì)羊毛織物抗起毛起球性能的影響

周慧玲，朱俐莎，吳雄英，丁雪梅

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051；3.上海海關(guān)，上海 200135)

羊毛纖維表面具有特殊的鱗片結(jié)構(gòu)，在外力的作用下易發(fā)生定向摩擦效應(yīng)，因此羊毛織物易因摩擦作用發(fā)生起毛起球現(xiàn)象，影響了織物的外觀和服用性[1]。目前在羊毛織物抗起毛起球及表面整理方面的研究，其出發(fā)點(diǎn)均是如何減小羊毛纖維鱗片引起的定向摩擦作用，處理方式主要有：一是將羊毛纖維表面鱗片和類(lèi)脂物質(zhì)去除的減法整理[2-4]；二是在羊毛纖維和織物表面覆蓋一層隔離層或交聯(lián)層的加法整理[5-6]；三是取長(zhǎng)補(bǔ)短的加減法結(jié)合整理[7-9]，但這些方法依然有利有弊。面對(duì)環(huán)保、高效和經(jīng)濟(jì)等各方面的社會(huì)需求，依然需要研發(fā)更加安全高效的羊毛織物整理工藝。

電霧化技術(shù)可產(chǎn)生高質(zhì)量、單分散、直徑在微/納米尺度的液滴[10]。基于以上優(yōu)點(diǎn)，電霧化技術(shù)一直以來(lái)都受到科研人員的關(guān)注，現(xiàn)已在空氣凈化[11-12]、抑菌除菌[13-15]、燃料霧化[16]、農(nóng)業(yè)噴霧[17]、醫(yī)藥制備[18]、納米材料[19]和薄膜制備[20-21]等方面廣泛使用。在各領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電霧化技術(shù)不僅能顯著提升工作效率，還可以減少材料的用量，對(duì)環(huán)境和資源起到了良好的保護(hù)作用。近年來(lái)，電霧化技術(shù)在紡織領(lǐng)域也開(kāi)展了一些基礎(chǔ)研究，并利用電霧化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)或賦予織物功能性的效果，如織物的超疏水性[22]、拒油性[23]以及抗菌性[24]等，同時(shí)能顯著地減少整理劑的使用量和自然排放量。本文利用電霧化技術(shù)對(duì)羊毛織物進(jìn)行整理，選用羊毛織物表面整理中常見(jiàn)的環(huán)保型整理劑，旨在探究整理劑類(lèi)型、溶液濃度和電霧化處理時(shí)間對(duì)羊毛織物抗起毛起球性能的影響，同時(shí)為新型織物的功能型整理工藝提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

100%精紡羊毛針織物，浙江新澳紡織股份有限公司，羊毛紗線(xiàn)線(xiàn)密度為33 tex，針號(hào)為12針，緯平針，本白色，未經(jīng)過(guò)染整處理。

過(guò)氧化氫，5%，廣州格林沃爾生物醫(yī)藥技術(shù)有限公司；殼聚糖，生化試劑BR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；稀醋酸，5%，廣州臻萃質(zhì)檢技術(shù)服務(wù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

電霧化實(shí)驗(yàn)裝置由課題組自行搭建，裝置示意圖如圖1所示。具體包括：高壓電源裝置，電壓量程為0～10 kV；推進(jìn)供液系統(tǒng)，由注射器和推進(jìn)泵組成；靜電發(fā)生系統(tǒng)，由金屬毛細(xì)針尖和金屬圓板組成。高壓電源的正負(fù)極分別與金屬圓板和金屬毛細(xì)針尖相連接，金屬圓板中間十字鏤空，推進(jìn)泵推動(dòng)注射器，整理劑從與注射器相連的金屬毛細(xì)針尖處流出，通電后毛細(xì)針尖和金屬圓板之間形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)力、重力、表面張力以及空氣阻力等多種力的作用下，毛細(xì)針尖處的液體會(huì)破碎成微小的液滴，并通過(guò)金屬圓板中心鏤空處沉積在織物表面。

圖1 電霧化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electro-spraying experimental device

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

溶液配制：稀釋5%過(guò)氧化氫溶液配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和3%的溶液，利用量筒量取1%、3%、5%過(guò)氧化氫溶液各50 mL分別放入棕色塑料瓶中待用；利用電子天平分別稱(chēng)取0.1、0.4、0.7、1.0 g殼聚糖放入圓底燒瓶中，再分別加入99.9、99.6、99.3、99.0 g的1.0%稀醋酸，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.4%、0.7%、1.0%的殼聚糖溶液，攪拌溶解至澄清溶液待用。

電霧化處理：每次實(shí)驗(yàn)使用注射器吸取4 mL整理劑，放置于推進(jìn)泵中固定，設(shè)定殼聚糖溶液的施加電壓為7.5 kV，液體流速為4 μL/min，過(guò)氧化氫溶液的施加電壓為6.5 kV，液體流速為4 μL/min，金屬毛細(xì)針尖至圓片距離為0.5 cm，接收距離為5 cm，處理時(shí)間分別為10、60和240 min。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)觀察，電霧化產(chǎn)生的微粒作用面積約為直徑12 cm的圓形區(qū)域，且逐漸遠(yuǎn)離中心處接收的液滴量越少，因此裁剪樣品大小為4 cm×4 cm，每次處理3塊試樣，為保證樣品整理的均勻性，每過(guò)1/3處理時(shí)間將試樣調(diào)換一次中心位置(即毛細(xì)針尖正下方)，電霧化殼聚糖溶液整理后試樣放置在110 ℃恒溫烘箱中烘干5 min，以便殼聚糖溶劑更好地在織物上固定，電霧化過(guò)氧化氫溶液整理后，試樣放置室溫下至少16 h，自然干燥并充分發(fā)揮其氧化性。

1.4 性能測(cè)試與表征

1.4.1 抗起毛起球性能

參考GB/T 4802.2—2008《紡織品 織物起毛起球性能的測(cè)定 第2部分：改型馬丁代爾法》，采用YG502型圓軌跡起球儀測(cè)試羊毛織物的抗起毛起球性能。評(píng)級(jí)所用燈箱為標(biāo)準(zhǔn)光源箱，對(duì)比起毛起球等級(jí)樣卡，由3人進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，取平均值，結(jié)果數(shù)值越高，表明織物抗起毛起球性能越好。

1.4.2 表面形貌觀察

采用Phenom掃描電子顯微鏡觀察電霧化技術(shù)處理后的羊毛織物和纖維表面形貌，從而確定經(jīng)過(guò)電霧化過(guò)氧化氫和殼聚糖溶液整理后對(duì)羊毛纖維表面鱗片的影響作用，并觀察殼聚糖在羊毛表面的附著情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 電霧化處理殼聚糖溶液整理織物

圖2示出殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間對(duì)羊毛織物抗起毛起球性能的影響?？梢钥闯觯簹ぞ厶侨芤航?jīng)電霧化處理在羊毛織物上后，隨著殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，抗起毛起球性能提升效果越好；同時(shí)，隨著整理時(shí)間增長(zhǎng)，抗起毛起球性能大體也逐漸提升，抗起毛起球等級(jí)較整理前最高可提升1級(jí)以上。

圖2 殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間對(duì)羊毛織物抗起毛起球性能的影響Fig.2 Effect of chitosan mass fraction and treated time on anti-pilling performance of wool fabric

圖3示出未處理樣和電霧化殼聚糖溶液處理樣的羊毛織物起毛起球情況對(duì)比。但對(duì)于較高濃度殼聚糖溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%)，電霧化處理時(shí)間為60 min 和240 min對(duì)羊毛織物的抗起毛起球性能改善效果區(qū)別不大。

圖3 未處理和殼聚糖整理樣品的起毛起球照片F(xiàn)ig.3 Pilling of untreated sample and chitosan finished samples.(a)Untreated;(b)1.0% chitosan treated 10 min;(c)1.0% chitosan treated 60 min;(d)1.0% chitosan treated 240 min

圖4示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)殼聚糖溶液整理后的纖維表面形貌。低質(zhì)量分?jǐn)?shù)殼聚糖溶液經(jīng)電霧化處理后產(chǎn)生的微粒中溶質(zhì)含量少，因此在織物上不能很好地包裹羊毛纖維(見(jiàn)圖4(b))，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的殼聚糖溶液溶質(zhì)含量高，具有較高的黏度，因此在相同的施加電壓和液體流速下，電霧化產(chǎn)生的微粒粒徑大，能包裹更多的羊毛纖維(見(jiàn)圖4(c))。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)殼聚糖溶液整理后的纖維表面形貌(×1 000)Fig.4 Surface morphology of fibers after different chitosan concentration treatment(×1 000).(a)Untreated;(b)0.1% chitosan treated 240 min;(c)1.0% chitosan treated 240 min

圖5示出殼聚糖溶液整理前后的羊毛織物表面形貌。較短時(shí)間內(nèi)電霧化處理產(chǎn)生的殼聚糖微粒較少，織物上微粒附著量少(見(jiàn)圖5(b))；隨著電霧化處理時(shí)間增長(zhǎng)，織物上接收到的殼聚糖微粒越來(lái)越多，對(duì)羊毛纖維的包裹也增多(見(jiàn)圖5(c))，但電霧化產(chǎn)生的微粒主要附著在織物的表面，當(dāng)殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大，附著量過(guò)多后，可能會(huì)增加織物表面的摩擦因數(shù)，使得較長(zhǎng)處理時(shí)間的抗起毛起球性能提升效果與短時(shí)間處理效果相比區(qū)別并不顯著。另外，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，處理時(shí)間長(zhǎng)易降低織物柔軟感。

圖5 殼聚糖溶液整理前后的羊毛織物表面形貌(×200)Fig.5 Surface morphology of wool fabric before and after chitosan solution treated(×200).(a)Untreated;(b)1.0% chitosan treated 10 min;(c)1.0% chitosan treated 240 min

2.2 電霧化處理過(guò)氧化氫溶液整理織物

過(guò)氧化氫溶液具有強(qiáng)氧化性，可對(duì)羊毛纖維表面鱗片進(jìn)行腐蝕破壞，但過(guò)氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，整理過(guò)度會(huì)破壞織物本身的優(yōu)異性能，而電霧化技術(shù)處理可以極大地減少整理劑使用量。圖6示出過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間對(duì)羊毛織物抗起毛起球性能的影響。圖7 示出未處理樣和過(guò)氧化氫處理樣的起毛起球情況。

圖6 過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間對(duì)羊毛織物抗起毛起球性能的影響Fig.6 Effect of hydrogen peroxide concentration and treated time on anti-pilling performance of wool fabric

圖7 未處理樣和過(guò)氧化氫處理樣的起毛起球照片F(xiàn)ig.7 Pilling of untreated sample and hydrogen peroxide finished samples.(a)Untreated;(b)3% H2O2 treated 60 min;(c)5% H2O2 treated 240 min

從圖6、7可以看出，電霧化較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%，3%)的過(guò)氧化氫溶液對(duì)羊毛織物進(jìn)行整理后，羊毛織物的抗起毛起球性能都有一定的提升，其中電霧化3%過(guò)氧化氫溶液整理織物60 min效果最顯著，抗起毛起球等級(jí)提升了0.5級(jí)以上，但較長(zhǎng)時(shí)間(240 min)的電霧化處理后，羊毛織物的抗起毛起球性能反而下降。另外電霧化5%過(guò)氧化氫溶液整理織物60 min后，織物抗起毛起球性能提升效果低于10 min處理樣品；電霧化處理240 min后，羊毛織物的抗起毛起球性能比原樣差，且織物變薄變?nèi)彳?，羊毛織物有較明顯的發(fā)黃現(xiàn)象。原因可能是過(guò)氧化氫溶液對(duì)羊毛纖維表面鱗片的氧化作用隨整理時(shí)間和溶液濃度的增加而增強(qiáng)，在適當(dāng)氧化條件下，羊毛纖維表面鱗片變鈍、變薄(見(jiàn)圖8(b))，纖維的定向摩擦作用逐漸減弱，而長(zhǎng)時(shí)間的電霧化處理(240 min)對(duì)羊毛纖維氧化破壞嚴(yán)重(見(jiàn)圖8(c))，造成纖維表面粗糙度增加，摩擦因數(shù)變大。

圖8 過(guò)氧化氫溶液整理前后的羊毛纖維表面形貌Fig.8 Surface morphology of wool fibers before and after hydrogen peroxide solution treated (×3 000).(a)Untreated;(b)5% H2O2 treated 10 min;(c)5% H2O2 treated 240 min

2.3 2種溶液協(xié)同電霧化整理織物

利用電霧化3%過(guò)氧化氫溶液和0.4%殼聚糖溶液協(xié)同對(duì)織物進(jìn)行整理，處理時(shí)間分別為10、60和240 min，抗起毛起球性能對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖9、10。結(jié)果顯示，不同的電霧化處理時(shí)間下，過(guò)氧化氫溶液與殼聚糖溶液協(xié)同整理后的試樣抗起毛起球性能都優(yōu)于0.4%殼聚糖溶液?jiǎn)为?dú)電霧化整理樣品。

圖9 不同方式處理后羊毛織物抗起毛起球評(píng)級(jí)結(jié)果Fig.9 Anti-pilling rating results of wool fabricafter different waystreated

圖10 不同方式處理下羊毛織物的起毛起球情況Fig.10 Pilling of wool fabric with different treat ways.(a)3% H2O2 treated 60 min;(b)0.4% chitosan treated 240 min;(c)Synergistic finished 240 min

圖11示出 3%過(guò)氧化氫和0.4%殼聚糖溶液協(xié)同整理240 min后的羊毛纖維表面形貌。可以看出，協(xié)同處理后殼聚糖微粒能更好地包裹住羊毛纖維，并且通過(guò)圖11(b)可以看到，電霧化過(guò)程中產(chǎn)生的次級(jí)粒子[25]可以附著在羊毛纖維上，原因可能是協(xié)同處理過(guò)程中過(guò)氧化氫溶液氧化了羊毛纖維表面的類(lèi)脂物質(zhì)，使得殼聚糖的附著率提高[26]。而電霧化單獨(dú)處理殼聚糖溶液整理后，由于類(lèi)脂物質(zhì)的存在，殼聚糖微粒有從羊毛纖維上脫落的現(xiàn)象(見(jiàn)圖4(c))。但在10和60 min的較短時(shí)間處理下，電霧化協(xié)同整理后羊毛織物的抗起毛起球性能提升效果次于3%過(guò)氧化氫溶液?jiǎn)为?dú)電霧化整理試樣，在240 min的較長(zhǎng)時(shí)間處理?xiàng)l件下，電霧化協(xié)同整理的試樣抗起毛起球性能優(yōu)于3%過(guò)氧化氫溶液?jiǎn)为?dú)電霧化整理試樣，說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)電霧化過(guò)氧化氫溶液對(duì)羊毛纖維表面進(jìn)行氧化的減法整理效果對(duì)羊毛織物的抗起毛起球性能提升更高效，而長(zhǎng)時(shí)間處理后，電霧化過(guò)氧化氫溶液和殼聚糖溶液協(xié)同整理可獲得更好的抗起毛起球效果。

圖11 3%過(guò)氧化氫和0.4%殼聚糖溶液協(xié)同整理240 min后的羊毛纖維表面形貌Fig.11 Surface morphology of wool fibers after synergistic finished 240 min with 3% hydrogen peroxide and 0.4% chitosan solution.(a)Chitosan coated fibers(×3 100);(b)Adhesion of secondary particles(×2 100)

3 結(jié) 論

電霧化技術(shù)整理羊毛織物后，織物抗起毛起球性能的提升和整理劑類(lèi)型、溶液濃度和電霧化處理時(shí)間相關(guān)。殼聚糖溶液?jiǎn)为?dú)電霧化整理羊毛織物，織物的抗起毛起球性能隨著溶液濃度的增加而提升，等級(jí)可提升1級(jí)以上。過(guò)氧化氫溶液?jiǎn)为?dú)電霧化整理羊毛織物后，織物的抗起毛起球性能提升可達(dá)到0.5級(jí)以上，但需要控制過(guò)氧化氫溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電霧化處理時(shí)間，避免嚴(yán)重氧化羊毛纖維。

對(duì)于較短時(shí)間(60 min)的電霧化處理，過(guò)氧化氫溶液的氧化減法整理對(duì)羊毛織物抗起毛起球性能的提升效果優(yōu)于殼聚糖溶液?jiǎn)为?dú)電霧化整理和過(guò)氧化氫溶液與殼聚糖溶液協(xié)同電霧化整理效果，但較長(zhǎng)時(shí)間(240 min)的電霧化處理，過(guò)氧化氫和殼聚糖溶液協(xié)同電霧化整理后織物的抗起毛起球性能提升效果最好。