巴素蘭處理前后牦牛絨纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能評(píng)價(jià)

儲(chǔ)子晴,劉 葉,張雪冰,羅 浩,王洪昌,沈 華,徐廣標(biāo)

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620; 2.雅瑩集團(tuán)股份有限公司,浙江 嘉興 314000)

牦牛是生活在我國青藏高原及其毗鄰高寒地帶的一種重要畜牧品種。因生活環(huán)境嚴(yán)寒惡劣,牦牛全身長(zhǎng)滿粗長(zhǎng)厚實(shí)的被毛,被毛下層為細(xì)密保暖的絨毛,即牦牛絨纖維。牦牛絨纖維是一種細(xì)軟滑糯、透氣性、保暖性極佳的特種纖維,常用于制作精紡圍巾、毛衫、大衣等,在高檔面料市場(chǎng)備受歡迎[1]。

牦牛絨纖維表面的鱗片結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致牦牛絨織物氈縮的主要原因,同時(shí)影響織物的日常穿著體驗(yàn)及護(hù)理。目前對(duì)牦牛絨纖維的研究主要包括以下3個(gè)方面:一是對(duì)牦牛絨纖維結(jié)構(gòu)與性能的研究,包括對(duì)牦牛絨形態(tài)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的評(píng)價(jià),常通過將牦牛絨纖維與其他特種纖維如羊絨、兔絨、駱駝絨等進(jìn)行對(duì)照分析[2-3];二是對(duì)牦牛絨纖維脫色工藝的研究,由于牦牛絨顏色多為紫色、褐色等深色,為了提升牦牛絨的顏色多樣性,一般對(duì)其進(jìn)行脫色處理,常用的方法有氧化-還原脫色法,可以有效改善纖維的白度[4-5];三是牦牛絨纖維可紡性能的提升,牦牛絨纖維長(zhǎng)度、細(xì)度離散性較大,純紡較困難,常采用混紡方法提升其可紡性,通常與羊毛、錦綸、桑蠶絲等進(jìn)行混紡[6-7],也可與新型纖維素纖維(如優(yōu)可絲纖維)混紡,從而提升纖維的可紡性,混紡紗線的力學(xué)性能優(yōu)異[8]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材 料

試驗(yàn)原料為棕色牦牛絨纖維、巴素蘭牦牛絨纖維,樣品均由雅瑩集團(tuán)股份有限公司提供,宏觀形態(tài)如圖1所示。

圖1 纖維原料

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 纖維表面形態(tài)測(cè)試

將纖維樣品制好后對(duì)其表面進(jìn)行真空噴金處理,使用TM3000掃描電子顯微鏡(日立高新技術(shù)公司)觀察纖維表面形態(tài)。

1.2.2 纖維卷曲度測(cè)試

參照GB/T 14338—2022《化學(xué)纖維 短纖維卷曲性能試驗(yàn)方法》,將纖維于恒溫恒濕室(溫度(20±2) ℃,相對(duì)濕度(65±5)%)中調(diào)濕24 h,使用XCP-1A纖維卷曲彈性儀(上海新纖儀器有限公司)測(cè)試?yán)w維的卷曲數(shù)并計(jì)算出卷曲率,參數(shù)設(shè)置為輕負(fù)荷0.002 cN/dtex,重負(fù)荷0.050 cN/dtex。每種纖維測(cè)試20 根,結(jié)果取平均值。卷曲率計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中:J為纖維的卷曲率,%;L0為纖維在輕負(fù)荷下測(cè)得的長(zhǎng)度,mm;L1為纖維在重負(fù)荷下測(cè)得的長(zhǎng)度,mm。

1.2.3 纖維細(xì)度測(cè)試

參照GB/T 10685—2007《羊毛纖維直徑試驗(yàn)方法 投影顯微鏡法》,將纖維于恒溫恒濕室(溫度(20±2) ℃,相對(duì)濕度(65±5)%)中調(diào)濕24 h,使用尼康E200-F生物顯微鏡(尼康精機(jī)(上海)有限公司)拍攝纖維照片,使用imagej軟件隨機(jī)測(cè)量200根纖維直徑,結(jié)果取平均值。

1.2.4 纖維摩擦性能

在溫度(20±2) ℃、相對(duì)濕度(65±5)%的恒溫恒濕室中先對(duì)纖維進(jìn)行24 h調(diào)濕,再通過將纖維與金屬摩擦輥摩擦,采用XCF-1A纖維摩擦系數(shù)測(cè)試儀(上海新纖儀器有限公司)分別測(cè)試?yán)w維的順向、逆向摩擦因數(shù),計(jì)算出纖維的定向摩擦效應(yīng)(DFE)。定向摩擦效應(yīng)計(jì)算見式(2)。

(2)

式中:μ逆為逆向摩擦因數(shù);μ順為順向摩擦因數(shù)。

1.2.5 纖維拉伸性能測(cè)試

參照GB/T 14337—2022《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》,使用XQ-1纖維強(qiáng)伸度測(cè)試儀(上海新纖儀器有限公司)測(cè)試經(jīng)過在恒溫恒濕室中調(diào)濕24 h 的纖維拉伸性能。參數(shù)設(shè)置為拉伸速度20 mm/min,夾持距離10 mm,預(yù)張力值0.2 cN,試驗(yàn)環(huán)境溫度20 ℃,相對(duì)濕度65%。2種纖維各測(cè)試100根,結(jié)果取平均值。

1.2.6 纖維彎曲性能測(cè)試

對(duì)經(jīng)過在恒溫恒濕室中調(diào)濕24 h的纖維樣品進(jìn)行制樣,在1張紙上開10 cm×1 cm的長(zhǎng)方形孔,孔的長(zhǎng)邊黏貼雙面膠,將纖維從左到右平行均勻排列黏貼,梳理散落的纖維,使其相互平行,如圖2所示。在溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為65%的環(huán)境中使用KES-FB-2彎曲試驗(yàn)儀(日本加多技術(shù)有限公司)測(cè)量纖維彎曲剛度,計(jì)算公式見式(3)～(5):

(3)

圖2 纖維彎曲測(cè)試片材樣品示意圖

(4)

(5)

式中:N片材為纖維片材的線密度,tex;W片材為纖維片材質(zhì)量,g;L為片材樣品的寬度,cm;n為片材中纖維根數(shù);N單纖為單根纖維的線密度,tex;B單纖為單根纖維的彎曲剛度,gf·cm2/cm;B片材為纖維片材彎曲剛度,gf·cm2/cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維表面形態(tài)

牦牛絨與巴素蘭牦牛絨電鏡照片如圖3所示。從圖3(a)可以看出,牦牛絨表面環(huán)繞有完整的、排列緊密的鱗片結(jié)構(gòu),鱗片邊緣類似鋸齒狀,有凸出尖端。從圖3(b)可以看出,巴素蘭牦牛絨的鱗片被剝除,表面僅可見被鈍化的鱗片邊緣,無鱗片的凸出尖端,表面整體光滑。造成這種現(xiàn)象的原因可能是本文巴素蘭牦牛絨是由次氯酸鈉溶液處理,次氯酸鈉溶液在一定的pH值下,釋放出次氯酸,次氯酸將牦牛絨纖維角質(zhì)層蛋白質(zhì)分子氧化分解,進(jìn)而導(dǎo)致鱗片結(jié)構(gòu)被破壞。

圖3 牦牛絨與巴素蘭牦牛絨纖維電鏡照片

2.2 纖維卷曲

牦牛絨及巴素蘭牦牛絨纖維的卷曲數(shù)及卷曲率測(cè)試結(jié)果如表1所示。巴素蘭牦牛絨卷曲個(gè)數(shù)相對(duì)于牦牛絨增加,卷曲率略有下降且離散性顯著增大。卷曲數(shù)量的增加可以增加纖維集合體的蓬松性,有利于提升織物的蓬松度,但纖維的卷曲率減小,可能會(huì)影響纖維的彈性。

表1 纖維卷曲性能

2.3 纖維細(xì)度

牦牛絨和巴素蘭牦牛絨的細(xì)度分布如圖4所示。牦牛絨纖維平均直徑為18.71 μm,變異系數(shù)CV值為21.56%;巴素蘭牦牛絨纖維平均直徑為17.42 μm,CV值為26.15%。2種纖維直徑分布都近似于正態(tài)分布,對(duì)2種纖維之間細(xì)度的差異性進(jìn)行t檢驗(yàn),Sig(雙尾)=0.003<0.05(見表2),說明在95%的置信區(qū)間內(nèi),巴素蘭牦牛絨與牦牛絨纖維直徑差異顯著。巴素蘭牦牛絨纖維更細(xì),這是由于鱗片被剝除后,平均直徑減小,處理過程中纖維鱗片剝除程度不同,纖維細(xì)度的離散性也隨之增大。

表2 纖維直徑差異性檢驗(yàn)

圖4 纖維直徑分布直方圖

2.4 纖維摩擦性能

毛纖維經(jīng)歷2種類型的收縮,即松弛收縮和氈縮,松弛收縮可逆,氈縮不可逆[11]。毛織物發(fā)生氈縮現(xiàn)象將極大地影響其原有織物風(fēng)格和尺寸穩(wěn)定性。氈縮是由于毛纖維表面鱗片結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方向由根端指向根尖,纖維間相互運(yùn)動(dòng)時(shí),相鄰毛鱗片互鎖,逆鱗片摩擦因數(shù)大于順鱗片摩擦因數(shù),稱之為定向摩擦效應(yīng)。防止毛織物氈縮的基本原理就是減小定向摩擦效應(yīng)[12]。

巴素蘭處理前后牦牛絨的摩擦性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。巴素蘭牦牛絨靜態(tài)定向摩擦效應(yīng)降低7.62%,動(dòng)態(tài)定向摩擦效應(yīng)降低6.78%,約為牦牛絨定向摩擦效應(yīng)的一半。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是巴素蘭牦牛絨纖維表面更加光滑平整,纖維間運(yùn)動(dòng)時(shí)可以有效地減少相互穿插、糾纏,降低牦牛絨的定向摩擦效應(yīng),減弱氈縮。

表3 纖維摩擦性能

2.5 纖維拉伸性能

纖維的拉伸性能是影響纖維制品力學(xué)性能的重要因素之一,采用單根曲線代表法來表征纖維的拉伸過程如圖5所示。從曲線可以看出2種纖維拉伸過程相似。

圖5 纖維拉伸代表曲線

圖6為纖維斷裂強(qiáng)力的分布,都近似于正態(tài)分布。為了進(jìn)一步確定巴素蘭處理前后纖維斷裂強(qiáng)力是否存在明顯差異,對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),得出Sig(雙尾)=0.439>0.05(見表4),因此在95%的置信區(qū)間內(nèi),巴素蘭牦牛絨與牦牛絨的斷裂強(qiáng)力差異不顯著。

表4 纖維斷裂強(qiáng)力差異性檢驗(yàn)

圖6 纖維斷裂強(qiáng)力分布曲線

根據(jù)弱點(diǎn)斷裂機(jī)制[13],纖維受力會(huì)在薄弱環(huán)節(jié)最先斷裂直至纖維斷裂,且牦牛絨纖維皮質(zhì)層由緊密排列的皮質(zhì)細(xì)胞堆砌而成,皮質(zhì)層決定了牦牛絨纖維的力學(xué)性能[14]。巴素蘭牦牛絨纖維強(qiáng)力并未因剝鱗反應(yīng)而受到影響,可能的原因是反應(yīng)僅在角質(zhì)層進(jìn)行,未深入到纖維的皮質(zhì)層造成強(qiáng)力的損失。

圖7所示為纖維伸長(zhǎng)率的正態(tài)分布曲線,并對(duì)伸長(zhǎng)率進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),得出Sig(雙尾)=0.011<0.05(見表5),故在95%的置信區(qū)間內(nèi),巴素蘭牦牛絨與牦牛絨的斷裂伸長(zhǎng)率存在顯著差異。巴素蘭牦牛絨平均伸長(zhǎng)率降低,伸長(zhǎng)率的離散性增大,纖維彈性變差,造成這一結(jié)果的原因可能是巴素蘭牦牛絨纖維卷曲率降低且離散性增大,導(dǎo)致纖維的彈性變形能力變差。

表5 纖維伸長(zhǎng)率差異性檢驗(yàn)

圖7 纖維斷裂伸長(zhǎng)率分布曲線

2.6 纖維彎曲性能

纖維的彎曲性能決定了纖維的柔軟度,從而影響了紗線、織物的柔軟度,決定服裝手感、造型風(fēng)格[15]。測(cè)得的纖維片材典型彎曲曲線如圖8所示,曲線除有輕微波動(dòng)外,整體形狀與織物彎曲曲線接近。根據(jù)式(3)～(5)計(jì)算得到的單纖維的平均彎曲剛度B單纖如表6所示。巴素蘭牦牛絨單纖維平均彎曲剛度小于牦牛絨,彎曲剛度越小說明纖維的柔軟度越好,故巴素蘭牦牛絨柔軟度更佳。巴素蘭處理使得纖維表面更加均勻光滑,同時(shí)纖維變細(xì),柔軟度隨之提升。

表6 纖維彎曲剛度

圖8 纖維片材彎曲曲線

3 結(jié) 論

通過比較巴素蘭牦牛絨纖維和牦牛絨纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能,得出以下結(jié)論:

①牦牛絨纖維經(jīng)氧化劑氧化處理后,所得巴素蘭牦牛絨纖維鱗片得到有效剝除,纖維順逆摩擦差異減小,定向摩擦效應(yīng)降低,纖維的防氈縮性能變好。

②巴素蘭牦牛絨纖維與牦牛絨細(xì)度差異顯著,但2種纖維斷裂強(qiáng)力的差異不顯著,說明巴素蘭纖維表觀細(xì)度降低,但強(qiáng)力并未損失。巴素蘭處理后的牦牛絨纖維卷曲率降低,對(duì)纖維的伸長(zhǎng)率有顯著的影響,纖維伸長(zhǎng)率下降,彈性變差。

③巴素蘭牦牛絨纖維的彎曲剛度降低,纖維的柔軟度獲得提升,有利于開發(fā)手感更加柔軟、保暖親膚的精紡高檔牦牛絨產(chǎn)品。