植物染莫代爾纖維性能分析與紡紗工藝研究

張 偉 張建明 劉 麗

（1.德州學(xué)院，山東德州，253000；2.寧夏恒豐紡織科技股份有限公司，寧夏吳忠，751100；3.天紡標(biāo)檢測認(rèn)證股份有限公司，天津，300193）

傳統(tǒng)染色中植物染料的應(yīng)用較為普遍，理論上凡是含有色素的植物，包括根、莖、葉、花朵、果實(shí)等，均可用來染色，但是不同植物的色素含量差異很大。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，植物染料的色系、品種變得越來越豐富。19世紀(jì)英國托馬斯·沃德兒在《印度染料染色織物標(biāo)本》中記錄了從64種植物種子中提取的3 000種染料。合成染料問世以來，以豐富的色譜、優(yōu)異的染色性能、低廉的價(jià)格迅速占領(lǐng)了市場，而植物染料的研究卻停滯不前。近年來，合成染料毒性以及印染過程中對環(huán)境的污染等問題日益凸顯，環(huán)保的植物染料再一次回歸到大眾的視野中，開發(fā)植物染產(chǎn)品適合當(dāng)前人們的穿著需求［1-2］。

植物染集自然之精美、聚植物沉靜柔和而安定之氣質(zhì)，色澤與色感不因時(shí)日而改變。其色素源于自然種植的植物，植物染紡織產(chǎn)品的制作首先是纖維染色，紡紗環(huán)節(jié)通過配色進(jìn)一步豐富了植物染色色彩，同時(shí)用色紡工藝組合不同的纖維，很好地解決了面料的手感問題，也保證了顏色的重現(xiàn)性，為實(shí)現(xiàn)植物染產(chǎn)品的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化打下了良好基礎(chǔ)，也為植物染色工業(yè)化找到了一條很好的路徑。

植物染產(chǎn)品做到了“四個(gè)有機(jī)”。其一，種植有機(jī)。植物染取之自然，還原自然，取之不盡，用之不竭。其原材料取之于中草藥、樹木、花卉、水果等，不使用農(nóng)藥和化肥。其二，制造有機(jī)。染料顏色的提取使用純天然助劑，染色過程的水可以循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)零污染。染色的黏土及沉淀物還可以制成彩色的水泥磚。其三，穿用有機(jī)。植物染色制作的衣物不含任何化學(xué)物質(zhì)，對人體無致敏性、致癌性，抑菌抗病毒，安全性高。其四，降解有機(jī)。廢舊衣物處理可降解，回歸自然，不會(huì)污染環(huán)境，與自然和諧共生，返璞歸真。紡紗原料采用天然纖維（棉、麻等）和再生纖維素纖維為主，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于高檔貼身服裝和嬰幼兒服裝、高檔家紡、毛巾、襪子等領(lǐng)域，因此對植物染產(chǎn)品的開發(fā)及工業(yè)化推進(jìn)迫在眉睫。

在紡織領(lǐng)域中植物染料可用于工業(yè)化生產(chǎn)的品種較少，主要存在量少、價(jià)格高、上染率低、重現(xiàn)性差、染色牢度不高、可紡性差等問題；而植物染料環(huán)保與功能性的突出特點(diǎn)是合成染料無法替代的，因此對其存在問題的研究一直在不斷探索中。近年來，對植物染料的各項(xiàng)研究逐步興起，包括植物染提純技術(shù)、植物染顆?；蚍刍夹g(shù)、植物染固色技術(shù)和植物染纖維的紡紗技術(shù)等［3-4］。

由于天然植物染料中雜質(zhì)含量高、純度不穩(wěn)定、染色均勻度差、色系不全等問題，嚴(yán)重制約了植物染產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)的進(jìn)程。鑒于植物染色纖維的特性，本研究設(shè)計(jì)了植物染專用梳理系統(tǒng)，并建立了植物染梳理工藝，以植物染莫代爾纖維為例，介紹纖維性能的差異及紡紗工藝。

1 植物染莫代爾纖維性能表征與分析

1.1 植物染莫代爾纖維的SEM特征

圖1為3種植物染莫代爾纖維表面的掃描電鏡圖。從圖1可以看出，3種纖維表面附著不同程度的顆粒物，其中藍(lán)色莫代爾纖維表面附著物顆粒較大，呈結(jié)塊狀，顆粒物在3 μm～10 μm；紅色和黃色莫代爾纖維表面附著物顆粒較小，分布比較均勻，其中紅色莫代爾纖維顆粒物為圓形顆粒狀，黃色莫代爾纖維顆粒物為片狀，兩種顆粒物大小在0.5 μm～4.0 μm；3種纖維表面的顆粒物導(dǎo)致纖維表面非常粗糙。由此可判斷，纖維表面顆粒物是工業(yè)化紡紗過程中出現(xiàn)粉塵以及有色顆粒物附著在針布、膠輥、羅拉等表面的主要原因，是影響可紡性的重要原因。

圖1 3種顏色植物染莫代爾纖維表面的掃描電鏡圖

1.2 植物染莫代爾纖維摩擦性能

將3種植物染莫代爾纖維按照隨機(jī)取樣的方式分別取樣30組，用XCF-1A型纖維摩擦因數(shù)測試儀測試?yán)w維的摩擦性能，張力夾負(fù)荷0.2 cN，摩擦輥速度30 r/min（測定動(dòng)摩擦因數(shù)），摩擦輥下降速度10 mm/min（測定靜摩擦因數(shù)），下降時(shí)間6 s，總時(shí)間范圍15 s，金屬輥直徑8 mm，測試溫度25 ℃，相對濕度65%。測試結(jié)果與本白莫代爾摩擦因數(shù)對比如表1所示。

表1 莫代爾纖維摩擦因數(shù)測試對比

從表1可以明顯看出，3種植物染莫代爾纖維動(dòng)、靜摩擦系因數(shù)均遠(yuǎn)大于本白莫代爾纖維。結(jié)合纖維表面的電鏡圖，植物染莫代爾纖維表面的附著物顆粒使其表面粗糙，對纖維的梳理力需求增大，對針布要求較高；纖維之間的摩擦相對增加，嚴(yán)重影響紡紗過程中成卷、梳理、牽伸、卷繞等工藝，造成植物染莫代爾纖維可紡性較差。

1.3 植物染莫代爾纖維靜電性能

測試結(jié)果表明，紅色植物染莫代爾纖維質(zhì)量比電阻6.01×109Ω·g/cm2，黃色植物染莫代爾纖維質(zhì)量比電阻7.87×109Ω·g/cm2，藍(lán)色植物染莫代爾纖維質(zhì)量比電阻5.32×109Ω·g/cm2，本白莫代爾纖維質(zhì)量比電阻4.91×109Ω·g/cm2。可以看出，3種植物染纖維的質(zhì)量比電阻均遠(yuǎn)大于本白纖維。質(zhì)量比電阻高，纖維摩擦易產(chǎn)生靜電，且靜電不易散逸，導(dǎo)致纖維相互排斥，纖維蓬松不易成卷、成網(wǎng)、成條，纖維易吸附在通道或機(jī)件上，形成纏繞、堵塞斷頭，影響可紡性。

2 基于植物染纖維的開松除雜設(shè)備與工藝研究

2.1 植物染纖維的開松除雜設(shè)備工藝

基于以上對植物染纖維的分析，改進(jìn)的植物染纖維開松除雜設(shè)備機(jī)組如圖2所示。

圖2 植物染纖維開松除雜設(shè)備機(jī)組

植物染纖維開松除雜設(shè)備機(jī)組的工作原理。通過負(fù)壓風(fēng)機(jī)將植物染色纖維抽吸至初級開松箱內(nèi)部，通過初級開松箱內(nèi)部設(shè)置的頂部打手組合和底部打手組合對植物染纖維進(jìn)行初級開松打散；隨后，經(jīng)過初級開松箱頂部的輸送管進(jìn)行負(fù)壓抽吸，將初級開松后的纖維抽吸至次級開松箱的頂部，經(jīng)過次級開松箱內(nèi)部的次級上打手組合進(jìn)行再次開松，在次級上打手組合和次級下打手組之間設(shè)有一個(gè)隔離箱，植物染纖維在下落階段其中的灰塵經(jīng)側(cè)壁上的除塵管進(jìn)行充分吸收，落下的植物染纖維經(jīng)次級下打手組再次開松后直接進(jìn)入右側(cè)的梳棉機(jī)。整個(gè)過程中利用打手的自由開松和負(fù)壓風(fēng)的作用進(jìn)行邊開松邊除塵。其中，開松打手由U形打手到鼻形打手，再到角釘打手和梳針打手，針形由大到小，針密由小到大，打手速度由200 r/min，按50 r/min～80 r/min間隔遞增，最高速度不超過450 r/min，逐步增加開松強(qiáng)度和除塵力度。

2.2 植物染纖維梳理分析

梳棉是整個(gè)紡紗工序的核心，采用普通梳理設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，由于植物染纖維摩擦因數(shù)大，針布抓取纖維后無法快速將纖維釋放，容易出現(xiàn)纖維堵塞、錫林纏繞，導(dǎo)致纖維損傷大，輸出纖維網(wǎng)疵點(diǎn)較多，棉網(wǎng)易出現(xiàn)破洞，同時(shí)成網(wǎng)后易黏纏導(dǎo)條膠圈，生條條干不勻增加，進(jìn)而影響紡紗的后序加工。為了解決植物染纖維在梳理過程中遇到的問題，首先應(yīng)了解纖維性能與梳理效果的關(guān)系。

錫林針齒前角δ影響齒尖抓取和握持纖維的能力，即影響纖維沿針齒前面的運(yùn)動(dòng)方向。δ小，齒尖抓取握持能力強(qiáng)，排除雜質(zhì)和轉(zhuǎn)移纖維難；δ大，則相反［5］。另外，由梳理度計(jì)算公式可知：

式中：C1、C2分別為刺輥、錫林梳理度，即一根纖維的作用齒數(shù)（齒/根）；n、nc分別為刺輥、錫林速度（r/min）；Z、Zc分別為刺輥表面總齒數(shù)（齒）和錫林針布齒密［齒/（25.4 mm）2］；P為產(chǎn)量（kg/h），NB為纖維公制支數(shù)；L為纖維平均長度（mm）；γ為轉(zhuǎn)移率；t1、t2為系數(shù)。

由于在同樣的紡紗條件下，摩擦力大的纖維轉(zhuǎn)移度低，即纖維摩擦因數(shù)與轉(zhuǎn)移率呈反比關(guān)系，植物染纖維的轉(zhuǎn)移率γ1與非植物染纖維的轉(zhuǎn)移率γ可以簡單表示為γ1=t1γ/μ。如果用同一工藝進(jìn)行植物染纖維的梳理，其錫林梳理度C2′可按式（3）計(jì)算。

經(jīng)分析可知，纖維的梳理度與纖維的摩擦性能有一定的關(guān)系。植物染纖維摩擦因數(shù)大，在進(jìn)行高速梳理時(shí)纖維在梳理過程中梳理度低，同時(shí)纖維從錫林向蓋板、道夫上的轉(zhuǎn)移率也低，使得大量纖維滯留在錫林針齒上，錫林與蓋板或道夫上的纖維之間發(fā)生反復(fù)揉搓，從而形成大量的棉結(jié)。因此，需要設(shè)計(jì)植物染專用梳理機(jī)構(gòu)和蓋板，以解決植物染纖維紡紗所面臨的瓶頸問題。纖維在梳針上的受力情況如圖3所示。其中，R為切向力，包括梳理力、空氣阻力，近似作用于針布切向；U為法向力，包括纖維離心力，針布內(nèi)層纖維對該纖維的彈性力，針面間纖維束、塊的擠壓力，作用于針布法向；N0為針齒對纖維的反作用力，垂直于齒的前面；F為纖維與針齒的摩擦力，F(xiàn)=μN(yùn)0。纖維向針面外滑移時(shí)，其方向由針尖指向針根；纖維向針根移動(dòng)時(shí)，其方向由針根指向針尖，即與纖維的運(yùn)動(dòng)方向相反；R和U的合力為K，K力與切線方向呈θ角，θ=arctanU/R。

圖3 梳針上纖維的受力圖

經(jīng)過以上分析，與針布廠家合作開發(fā)了植物染纖維專用梳理針布，錫林工作角增大到67°～70°，強(qiáng)化針布刺入，減少纖維充塞；同時(shí)開發(fā)大角度78°、低針高彈性活動(dòng)蓋板針布，便于纖維釋放。

3 植物染纖維梳理后生條和成紗質(zhì)量

植物染莫代爾纖維與本白莫代爾纖維混紡時(shí)，混和均勻是重點(diǎn)。如果混和不均勻，坯布就會(huì)產(chǎn)生色差、橫檔，直接影響產(chǎn)品評級。

3.1 工藝流程

植物染莫代爾纖維預(yù)處理工藝：采用植物染莫代爾纖維開松除雜設(shè)備機(jī)組，將植物染莫代爾纖維處理成網(wǎng)并打包。

（植物染莫代爾纖維包+本白莫代爾纖維包）→FA002型抓棉機(jī)→FA035型精開棉機(jī)→打包機(jī)→FA002型抓棉機(jī)→FA025型多倉混棉機(jī)→FA1102型開棉機(jī)→振動(dòng)棉箱給棉機(jī)（附A045B型凝棉器）→FA076型成卷機(jī)

3.2 清棉

由于植物染莫代爾纖維經(jīng)過多次打擊和開松，為減少棉卷短絨率，各機(jī)打手速度設(shè)計(jì)如下：抓棉機(jī)打手速度870 r/min，精混開棉機(jī)打手速度350 r/min，開棉機(jī)打手速度500 r/min。經(jīng)過以上流程成卷后，棉卷不勻率控制在1.0%以下，棉卷短絨率比原來降低30%～33%。

3.3 梳棉

因植物染莫代爾纖維的特殊性，使用開發(fā)的專用針布，梳棉生條質(zhì)量得到很大改善，產(chǎn)量也明顯提高，植物染莫代爾纖維梳棉針布試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如下。

針布 常規(guī) 專用

錫林速度/（r·min-1）320320

蓋板速度/（mm·min-1）120120

出條速度/（m·min-1）5570

色結(jié)/［個(gè)·（100 g）-1］2215

采用以上改進(jìn)工藝后，并條和粗紗質(zhì)量也得到明顯改善，黏纏現(xiàn)象減少，成紗質(zhì)量較好，基本達(dá)到用戶滿意，成紗條干可改善20%～25%。

4 結(jié)語

通過對植物染莫代爾纖維的表面物質(zhì)分析和物理指標(biāo)測試，發(fā)現(xiàn)植物染莫代爾纖維質(zhì)量比電阻較大，生產(chǎn)中易產(chǎn)生靜電，表面顆粒多，嚴(yán)重破壞了纖維的表面結(jié)構(gòu)，可紡性大大降低。針對植物染莫代爾纖維的特點(diǎn)，開發(fā)了專用開松設(shè)備和專用針布，使生產(chǎn)效率大大提升，質(zhì)量得到改善，為進(jìn)一步推進(jìn)植物染高品質(zhì)紡紗奠定了基礎(chǔ)。