適用于中溫上漿的漿料篩選及其漿紗性能

吳菊明，高 波，朱 博，高衛(wèi)東

(江南大學紡織研究所，江蘇無錫 214122)

當前，絕大多數(shù)紡織企業(yè)在對經(jīng)紗進行上漿時采用高溫上漿工藝[1]。高溫上漿是指在95 ℃及以上的溫度上漿[2]，這種上漿方法需持續(xù)不斷地向漿槽中通熱蒸汽加溫和保溫，能源消耗較大，不符合當前節(jié)能降耗的要求。另外，高溫上漿影響車間環(huán)境，不利于工人身體健康[3- 4]。而中溫上漿時漿液溫度降低，水分蒸發(fā)速度變緩[5]，極大地改善結(jié)漿皮的現(xiàn)象。因此，為提高上漿質(zhì)量，降低能源消耗，中低溫上漿技術(shù)得到了重視。

目前，很多學者做了相關(guān)研究，岳鵬飛等[6]研究了棉纖維表面非纖維素物質(zhì)對漿液黏附力的影響，這是中溫上漿時需考慮的因素；Shen等[7]研究了羥丙基化可降低玉米淀粉上漿的糊化溫度，為中低溫漿紗用高性能淀粉漿料的制備提供了新途徑；李媛等[8]測試了幾種變性淀粉糊化的溫度，黏度及黏度穩(wěn)定性，探討變性淀粉中低溫上漿可行性；宋秦杰等[9]利用乙醇-堿法制備了GCWS淀粉，試驗發(fā)現(xiàn)GCWS玉米淀粉能夠在水中迅速溶解，且黏度穩(wěn)定性好，能夠用于棉紗中低溫上漿?？傮w來看，中溫上漿工藝還處在研究階段，探討高溫調(diào)漿、中溫上漿的淀粉漿料上漿性能及漿紗特性具有應用價值。

本文選用了紡織企業(yè)常用的三類變性淀粉，磷酸酯、醋酸酯和氧化淀粉。通過對比漿液黏度穩(wěn)定性、黏附力性能及漿膜各性能，篩選出上漿效果最佳的淀粉漿料。并且進行不同上漿溫度的試驗，比較各溫度下的漿紗性能，為后續(xù)中低溫上漿技術(shù)提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料和儀器

實驗材料：磷酸酯淀粉、醋酸酯淀粉、氧化淀粉，購自宜興市軍達新材料科技有限公司；14.6 tex純棉紗，購自江蘇悅達紡織集團有限公司。

實驗儀器：GA392型單紗漿紗機(江陰市通源紡機有限公司)；NDJ-79型旋轉(zhuǎn)黏度計(上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司)；HD026NS電子織物強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)；Y731C漿膜耐屈曲儀(博山微電機廠)；YG020B型電子單紗強力機(常州第二紡織機械有限公司)；Shimadzu AGS-X島津多功能強力機(上海百賀儀器科技有限公司)；LFY-109B紗線耐磨儀(山東省紡織科學研究院)；YG173A紗線毛羽測試儀(蘇州長風紡織機電科技有限公司)；YG086縷紗測長機(常州德普紡織科技有限公司)。

1.2 漿料的選用

1.2.1 磷酸酯淀粉

采用玉米淀粉為原料，與多種助劑反應生成。屬高濃低黏型，漿液黏附力強，低溫時不會凝凍。成膜性好，漿膜強韌，有一定抗老性。

1.2.2 醋酸酯淀粉

木薯淀粉經(jīng)醋酸乙烯酯法處理制得，黏度低，流動性好，與親水性纖維有較高的黏附力，成膜性能好，且具有較低的糊化溫度和低溫不凝凍性。

1.2.3 氧化淀粉

采用玉米淀粉與氧化劑作用生成的氧化淀粉，漿液流動性能好，黏附性提高，但其漿膜性能與原淀粉相比沒有大的改變，脆性較大。

1.3 測試方法

1.3.1 漿液性能測試

漿液制備：在三頸瓶中分別配置3種淀粉質(zhì)量分數(shù)為6%的漿液，接著在水浴鍋中升溫至95 ℃后保溫1 h。采用IKA磁力攪拌器對漿液進行攪拌，攪拌速度為120 r/min。

黏度和黏度穩(wěn)定性測試：采用NDJ-79旋轉(zhuǎn)黏度計測試漿液黏度，測試前5 min打開循環(huán)泵開關(guān)預熱，用吸管取一定量漿液于測定器中，選用0.2號轉(zhuǎn)子。分別測試95、85、75、65 ℃和55 ℃下漿液對應的黏度值，測3次黏度取平均。然后，測試3種淀粉漿液在3 h內(nèi)的黏度變化情況，即分析漿液的黏度穩(wěn)定性，漿液黏度的波動率β[10]采用式(1)進行計算：

(1)

式中：β表示黏度波動率，%；|η-η′|表示漿液黏度值的極差，η1表示漿液初始黏度值。

滲透性測試：采用紗線沉降法檢測漿液的滲透性。將配制好的漿液倒入燒杯中，并置于水浴鍋中保溫，分別設置溫度為95 ℃和75 ℃。然后將2 m長的14.6 tex純棉紗線卷繞成絞紗狀，拿起紗線一端，另一端與燒杯口齊平，紗線離開手后按下秒表，當紗線完全浸沒在漿液中停止計時。以浸沒時間來表示漿液滲透性，時間越短，說明滲透性越好[10]。

黏附性能測試：采用粗紗浸漿法測試漿液的黏附性。配制質(zhì)量分數(shù)為1%的均勻漿液，將煮好的漿液倒入鋁方盒中，分別放入75 ℃和95 ℃水浴中保溫，待用。稱取定量(1.5 g左右)純棉粗紗，纏繞在鋁合金框架上，每次試驗選取粗紗條30根。將準備好的粗紗浸入質(zhì)量分數(shù)為1%的漿液中，浸沒5 min后將框架取出，自然晾干后取下進行稱重。然后測試計算粗紗樣品的斷裂強力和上漿率。采用比黏附力進行表征，如式(2)所示。

(2)

式中：α表示比黏附力，N/%；n表示粗紗強力，N；m表示粗紗上漿率，%。

1.3.2 漿膜性能測試

通過刮涂-恒溫恒濕干燥法[10]制備漿膜。分別制備6%質(zhì)量分數(shù)的磷酸酯、醋酸酯及氧化淀粉的漿液，待漿液冷卻至室溫后，取50 mL均勻地倒在面積為150 mm × 150 mm漿膜盤上，最后移至恒溫恒濕箱(20 ℃，相對濕度為65%)內(nèi)干燥成膜。

性能測試：將漿膜裁成120 mm × 5 mm的條狀試樣，在Y731C漿膜耐屈曲儀上測試漿膜耐屈曲次數(shù)，每種漿膜測試20次。將漿膜裁成140 mm × 5 mm的條狀試樣，在YG020B型電子單紗強力機上拉伸漿膜。將漿膜裁成100 mm × 10 mm的條狀試樣，中間畫一條橫線做記號，下端掛5 g砝碼。一端浸在60 ℃水浴中，水面與記號線重合，同時按下秒表計時，當浸沒水中的漿膜脫落時，立即按停秒表，秒表顯示的時間為漿膜水溶速率，每種漿膜測試15次。

1.3.3 漿紗性能測試

采用GA392型單紗漿紗機對14.6 tex純棉紗進行不同漿液溫度的上漿試驗，漿液質(zhì)量分數(shù)為10%，在95 ℃煮漿并保溫1 h后上漿。漿槽溫度分別為95、85、75、65 ℃和55 ℃。然后測試并分析漿紗上漿率、斷裂強力與伸長率、毛羽數(shù)量以及耐磨次數(shù)等物理機械性能。

測試標準：紗線強力參照國家標準GB/T3916—1997《紡織品 卷裝紗 根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》；紗線毛羽參照標準FZ/T01086—2020《紡織品 紗線毛羽測定方法 投影計數(shù)法》；紗線耐磨參照標準FZ/T01058—1999《紗線耐磨試驗方法往復式磨輥法》測定。

表征方法：為了消除上漿率不同對漿紗性能的影響，本文提出一個新指標fi表征漿紗性能，fi可以表征單位上漿率的漿紗性能變化率，計算如式(3)所示[11]。

(3)

式中：fi表示漿紗性能比變化率，wi表示漿紗物理機械性能，%；m表示漿紗上漿率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿液性能

2.1.1 漿液黏度及穩(wěn)定性

漿液黏度是淀粉上漿性能中較重要的指標，對紗線上漿有很大的影響，必須合理控制漿料的黏度。分別測定磷酸酯，醋酸酯及氧化淀粉漿液在不同溫度下的黏度值，如表1所示。

從表1可以看出，3種淀粉漿液在中溫時的黏度均高于高溫時的黏度，這是由于高溫時漿液中分子運動速度比中溫時運動速度大，漿液的流動性更強。隨著漿液溫度的降低，黏度增大，則流動性差，在相同條件下漿液對紗線浸透少而被覆多。

根據(jù)漿料共性質(zhì)量指標，淀粉與變性淀粉黏度小于12 mPa·s為低黏[10]，因此3種淀粉漿液黏度在中溫時均處在低黏范圍。其中氧化淀粉漿液黏度值最小，且黏度隨溫度變化不明顯，而磷酸酯淀粉漿液黏度受溫度影響較大。3種淀粉中醋酸酯淀粉漿液黏度適中，在75～85 ℃范圍內(nèi)，醋酸酯淀粉漿液黏度變化幅度小于10%，黏度比較穩(wěn)定。

3種淀粉漿液在75 ℃和95 ℃下黏度隨保溫時長的穩(wěn)定性如表2所示。

表2 漿液黏度穩(wěn)定性測試Tab.2 Slurry viscosity stability test

從表2可以看出，隨著保溫時間的延長，漿液黏度稍下降。這是由于淀粉葡萄糖單元是通過縮聚而成，結(jié)構(gòu)單元由甙鍵相連，甙鍵容易水解、斷裂。煮漿過程中淀粉在水溶液里長時間高溫攪拌，甙鍵更容易斷裂，從而引起漿液黏度下降。同時可以看出在75 ℃和95 ℃保溫下，醋酸酯淀粉漿液的黏度波動率最小，說明其漿液黏度受調(diào)漿時間的影響較小，漿液黏度穩(wěn)定性較好。

2.1.2 漿液滲透性

測試3種淀粉漿液含固率為6%時分別在 75 ℃和95 ℃保溫下的滲透性，測試結(jié)果如表3所示。

表3 漿液滲透性測試Tab.3 Slurry permeability test

漿液黏度和溫度都會影響漿液的滲透性，75 ℃ 時由于黏度增加，漿液流動性減弱，影響了漿液對紗線的浸透。從3種淀粉漿液對紗線的滲透性來看，醋酸酯淀粉和氧化淀粉的漿液滲透性相對較好。

2.1.3 漿液黏附性

測試3種淀粉漿液分別在75 ℃和95 ℃保溫下的黏附性能，粗紗強力測試結(jié)果及計算后的比黏附力值如表4所示。

表4 漿液黏附力測試Tab.4 Slurry adhesion test

從表4可以看出，淀粉漿液溫度由95 ℃降至75 ℃時黏附力有所降低，這是因為溫度降低，大分子的布朗運動減弱，進而影響了黏著力。同時可以得出，3種淀粉中醋酸酯淀粉漿液在中溫時的比黏附力值最大，說明其漿液的黏附性能相對最好，中溫下比黏附力值接近于高溫條件下的值，具有中溫上漿的可行性。

2.2 漿膜性能

3種淀粉的漿膜成膜性如圖1所示。

圖1 漿膜成膜性Fig.1 Sizing film-forming

從圖1可以看出，磷酸酯和醋酸酯淀粉的成膜性較好，其中醋酸酯淀粉漿膜通透，韌性最優(yōu)。3種淀粉的漿膜各性能測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 漿膜性能測試Tab.5 Sizing film performance test

如表5所示，醋酸酯淀粉的漿膜強度、耐屈曲等性能均大于磷酸酯淀粉和氧化淀粉，這是因為漿膜的強度和耐屈曲好壞取決于漿膜的成膜性，韌性好的漿膜耐屈曲性好，有利于后續(xù)加工，漿紗上漿膜不易刮落，便于織造。

綜合考慮醋酸酯淀粉漿液在中溫時的黏度穩(wěn)定性最好，比黏附力值大于磷酸酯和氧化淀粉，因此優(yōu)選醋酸酯淀粉作為經(jīng)紗中溫上漿的主漿料。

2.3 醋酸酯淀粉的漿紗性能

測試分析醋酸酯淀粉在不同漿液溫度下的漿紗性能，其結(jié)果如表6所示。

表6 醋酸酯淀粉漿紗性能測試Tab.6 Acetate starch sizing performance test

如表6所示，隨著漿液溫度降低，漿紗的上漿率有所下降，但其他漿紗性能差異不大。例如，在 65 ℃ 上漿溫度下，上漿率與95 ℃相比降低幅度達14.06%，但強力僅下降2.32%，耐磨下降8.82%，毛羽基本無變化。因此，為了更直觀得出上漿溫度對漿紗物理機械性能的影響，可按折合成單位上漿率的漿紗增強率、毛羽降低率和增磨率等漿紗性能進行比較，即采用漿紗性能比變化率進行表征。根據(jù)式(3)計算不同溫度下的漿紗性能比變化率，計算結(jié)果如表7所示。

表7 漿紗性能比變化率Tab.7 Sizing performance ratio change rate

2.4 中溫上漿溫度確定的方法

漿紗的比增強率、比毛羽伏貼率和比增磨率對漿紗性能影響的比重不相一致，需要對每個指標進行歸一處理，賦予不同的權(quán)重因子，構(gòu)建目標函數(shù)Fi(x)評價漿紗性能，計算如式(4)所示。

(4)

式中：x為漿液的溫度，fi(xj)為無量綱化處理后漿紗各性能比變化率，j為正整數(shù)，mi為無量綱化處理后漿紗各性能比變化率的權(quán)重因子。

為方便比較和計算各性能數(shù)據(jù)，在權(quán)重分析前先按照式(5)對各指標進行無量綱化處理[12]，處理結(jié)果如表8所示。

(5)

式中：xi為各性能的實際值，yi為無量綱化處理后各性能評估值。

表8 無量綱化處理后漿紗性能比變化率Tab.8 Change rate of sizing performance ratio after dimensionless treatment

然后，采用變異因子法來確定各項指標的權(quán)重因子。權(quán)重因子計算方法為：先計算無量綱化處理后漿紗各性能比變化率的均值υi和標準差σi，再用均值比標準差，得出其變異因子Vi，然后按照式(6)計算其權(quán)重因子。

(6)

式中：Vi為fi(xj)的變異因子，mi為漿紗各性能比變化率的權(quán)重因子。

根據(jù)在單紗上漿機獲得的漿紗數(shù)據(jù)，計算后的漿紗性能比變化率的權(quán)重因子如表9所示。

表9 漿紗性能比變化率的權(quán)重因子Tab.9 Weighting factor for rate of change of sizing performance ratio

因此，可得出目標函數(shù)方程為：Fi(x)=0.13f1(x)+0.16f2(x)+0.71f3(x)，式中f1(x)、f2(x)、f3(x)分別為無量綱化處理后的比增強率、比毛羽伏貼率、比增磨率。其計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 目標函數(shù)計算結(jié)果Fig.2 Objective function calculation result

由圖2可以看出，目標函數(shù)計算結(jié)果在75 ℃時出現(xiàn)最大值。說明除去上漿率的影響，漿紗性能比變化率在75 ℃時最佳。因此，結(jié)合醋酸酯淀粉漿液黏度在75～85 ℃范圍內(nèi)，淀粉漿液黏度變化較穩(wěn)定，以及不同漿液溫度的上漿實踐，綜合考慮選擇75 ℃用于中溫上漿實驗。

3 結(jié) 論

本文首先對磷酸酯、醋酸酯和氧化淀粉的漿液、漿膜性能進行了分析研究，在此基礎上篩選出適于高溫調(diào)漿、中溫上漿方式下漿紗性能最優(yōu)的淀粉漿料，并在單紗漿紗機上進行了實驗驗證，得到的主要結(jié)論如下：

a)與磷酸酯淀粉和氧化淀粉相比，醋酸酯淀粉漿液黏度合適，黏度值隨溫度和保溫時長的變化較穩(wěn)定，在高溫和中溫條件下漿液黏附性能最好，并且漿膜強力、耐屈曲、水溶速率等性能均最優(yōu)，故可選擇醋酸酯淀粉作為中溫上漿主漿料。

b)采用單紗漿紗機對14.6 tex純棉紗進行 55～95 ℃的上漿試驗，將漿紗性能折合成單位上漿率的漿紗比增強率、比毛羽降低率和比增磨率等進行比較。同時對漿紗各性能比變化率進行無量綱化處理和權(quán)重分析，最后用目標函數(shù)方程計算得出中溫上漿合適的溫度為75 ℃。在實際生產(chǎn)中，可通過漿料配方和上漿工藝優(yōu)化進一步提高中溫上漿漿紗的性能。