超聲波處理對木棉/棉混紡紗線性能的影響

陳 博，徐廣標，b

（東華大學a.紡織學院；b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620）

超聲波處理對木棉/棉混紡紗線性能的影響

陳 博a，徐廣標a，b

（東華大學a.紡織學院；b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620）

采用6種不同條件，利用超聲波純水工藝處理木棉/棉混紡紗線，觀察并測試處理前后木棉/棉混紡紗線外觀形態、化學組成、紗線質量損失、拉伸性能、壓縮性能以及浸潤性能指標，評價超聲波純水處理工藝對木棉/棉混紡紗線性能的影響.結果表明：經超聲波純水工藝處理后，紗線中纖維的表面形態結構與化學成分基本沒有變化，木棉/棉混紡紗線質量損失率約為6%，主要為木棉脆斷后產生的短絨，木棉纖維中空度有一定的回復，紗線變得蓬松，強力損失嚴重，處理前后木棉/棉混紡紗線均顯示拒水性.

木棉/棉混紡紗線；超聲波處理；形態結構；性能

木棉是一種天然高中空纖維素纖維，其化學成分主要為α纖維素（35%～50%）、半纖維素（22%～45%）、木質素（15%～22%）、水分（10%～11%）、蠟質（3%～5%）、蛋白質（2.1%）、礦物質（1.3%～2.5%）［1－2］.木棉纖維的半纖維素主要包含特殊的木荃糖CH2OH·（CHOH）3·CHO（大約占23%）.木棉中木質素（由植物學中可知木棉是雙子葉植物）主要成分為愈創木基木質素和紫丁香基木質素（G—S木質素）［1，3］，其含有大量甲醛基團，降低了纖維和水分子的結合能力，同時增強了其對非極性液體的吸附能力［1－2］，這是木棉纖維有別于其他天然纖維最重要的一點［1－6］.沒有經過處理的木棉纖維不吸水，浮于水面［4］.近年來，木棉紡紗技術的開發［7］，使其在紡織上的應用得到發展，國內外均有相關專利［8－10］.

由于木棉纖維表面有脂肪蠟質等異物質，親水性差，試劑可及度差，在使用過程中有時需要進行預處理，提高浸潤性能，以方便染整加工，但迄今為止，仍無成熟的木棉預處理工藝.目前，超聲波在紡織前處理中的研究［11－14］已越來越多，被運用于各種麻類的脫膠、棉織物的退漿、煮練、漂白等工藝，不僅可以降低反應溫度和反應時間，而且能節約試劑.超聲波設備的普及，更使其大量運用于工業生產成為可能.本文的研究目的在于將超聲波技術運用于木棉預處理，以期達到改善木棉浸潤性能，并探討超聲波對木棉各種性能的影響.

本文探討超聲波純水處理木棉/棉混紡紗線，測試木棉/棉混紡紗線形態結構、化學組成、質量損失率、拉伸性能、壓縮性能及浸潤性能等指標在處理前后的變化，評價超聲波純水處理工藝對木棉性能的影響，以期為木棉/棉混紡紗線的預處理提供借鑒.

1 試 驗

1.1 材料

木棉/棉混紡紗線：混紡比為67/33，線密度為36.9tex；試劑為去離子水.

1.2 試驗方法

超聲波純水處理工藝：根據文獻［13］所述，超聲波在溫度50℃左右時空化作用最強，并且超聲波純水作用時間t控制在30min之內就能達到效果，因此，溫度θ分別設為40，50，60℃，時間t分別設為5，15，25min，根據儀器 KQ－500VDE型雙頻數控超聲波清洗器，超聲波頻率f設為45和80kHz，設計試驗方案如表1所示，浴比為1∶90.

表1 超聲波純水處理木棉/棉混紡紗試驗設計Table 1 The experiment design for the kapok/cotton yarns using ultrasonic treated with water

由于木棉/棉混紡紗線質輕且拒水，放入水中將浮于水面，如圖1所示.因此，用鐵絲自制成鏤空的長方體裝置，如圖2所示，將紗線繞在裝置上，使其能夠穩定于水中的同時保持一定張力，然后將裝置與紗線放入超聲波清洗器.

2 處理前后木棉/棉混紡紗線性能測試與分析

2.1 形態結構

采用JSM－5600LV型掃描電鏡（SEM），對未經處理的紗線與A4條件下處理的紗線進行拍攝，處理前后的紗線表面形態如圖3～6所示.

從圖3可以看出，在未經處理的紗線中，木棉纖維在成紗過程中受到各方壓力，有許多木棉纖維被壓扁成條帶狀；而經過超聲波純水處理烘干過后紗線變得蓬松，木棉纖維的斷頭增多，能夠清晰地看到斷頭截面，如圖4所示，說明超聲波對木棉/棉混紡紗線有強烈的機械力作用，使木棉纖維脆損，因而處理之后，木棉纖維脆斷，并脫離紗線主體，成為質量損失的主要部分.

圖5和6為木棉/棉混紡紗線中的木棉纖維與棉纖維處理前后放大10 000倍的表面.由圖5和6可以看到，處理前的紗線中，不論是木棉纖維還是棉纖維表面都有塊狀雜質不規則分布；處理之后紗線中的木棉纖維表面雜質稍微減少，并沒有明顯變化，而棉纖維表面雜質減少較多.因此，超聲波純水處理對木棉/棉紗線起到一定的洗滌作用，并且使紗線變得蓬松，表面毛羽增多.

2.2 化學成份

制取木棉/棉混紡紗線粉末試樣，KBr壓片，波數為4 000～500cm－1.采用NICOLET 5700型紅外光譜儀測試了未經處理的紗線與A4條件下處理的紗線的紅外光譜，結果如圖7所示.

圖7 超聲波純水處理前后木棉/棉混紡紗線的紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectra of kapok/cotton blended yarn before and after ultrasonic treated with water

由圖7可以看出，2 400和1 060cm－1附近的峰值有變化，其余峰型峰值基本不變.在1 350～650 cm－1區域，有C—O，C—X的伸縮振動和C—C的骨架振動，還有力常數較小的彎曲振動產生的吸收峰，因此，光譜十分復雜.該區域中各峰的吸收位置受整體分子結構影響較大，分子結構稍有不同，吸收峰就有細微差異，所以稱這個區域為指紋區［15］.1 060cm－1附近為纖維素特征族峰，兩條曲線的出峰處非常接近，僅峰值有細微差距，因此，超聲波純水處理對木棉/棉混紡紗線的化學成分沒有影響.而2 400cm－1附近的峰值可能為三鍵、累積雙鍵等的伸縮振動吸收峰［15］，超聲波純水處理后其峰型改變，峰值降低，說明處理過程中可能發生能量的變化，造成如C ≡C，C ==C ==C，C ==C ==O等化學鍵的變化.超聲波純水處理前后，木棉/棉混紡紗線的化學成分基本沒有變化，可能存在大分子中部分化學鍵的變化.

2.3 質量損失率

采用FA2004A型電子分析天平，將處理前后的紗線放在硅膠干燥器中，平衡24h后稱質量，得到處理前后質量分別為m0和m1，紗線的質量損失率按式（1）計算.

木棉/棉混紡紗線經超聲波純水處理后質量損失測試計算結果如表2所示.

表2 超聲波純水處理后木棉/棉混紡紗線質量損失率Table 2 The rate of mass loss of kapok/cotton blended yarns after ultrasonic treated with water %

從表2可以看出，在6種處理條件下，超聲波純水處理木棉/棉混紡紗線質量損失率無明顯差異，均在5%～7%之間，對處理后燒杯中殘留物觀察可得，損失的基本為木棉纖維脆斷后產生的短絨.

2.4 拉伸性能

木棉/棉混紡紗在恒溫恒濕室內平衡24h，溫度為（20±2）℃，相對濕度為（65±3）%，采用 YG 061型電子單紗強力儀測試斷裂強力與斷裂伸長率，測量50次.試樣長度為500mm，拉伸速度為500mm/min.

木棉/棉混紡紗超聲波純水處理前后紗線拉伸性能的測試計算結果如表3所示.由表3可以看出，紗線強力損失因處理條件不一樣而有所差異，但強力損失率均超過28%，最大接近38%，而紗線的斷裂伸長率相對未處理略有減小.因為本文選用的木棉/棉混紡紗線中的木棉含量已超過60%，其斷裂強度為10.55cN/tex，斷裂強度CV值超過15%，與普通棉紗的斷裂強度（大于15cN/tex）相差較大.木棉纖維實際扭轉剛度較大，紗線中大量木棉脆斷，使紗線中各纖維產生力的不平衡，紗線力學性能損失嚴重.

表3 超聲波純水處理后木棉/棉混紡紗線強力損失率與斷裂伸長率Table 3 The strength reduction and breaking elongation percentage of kapok/cotton blended yarns after ultrasonic treated with water %

2.5 壓縮性能

在硬紙板中間剪去2cm×2cm的正方形，一組對邊上貼雙面膠，將紗線剪成長度約2.5cm紗段，沿與另一組對邊平行的方向將紗段兩端固定在雙面膠上，緊密排列成片狀制成所需試樣.采用KES－FB－3型壓縮測試儀，面積為2cm2的圓形測頭以恒定速度0.005cm/s垂直壓向試樣，測得壓力p與厚度T間的關系曲線，得到壓縮比功與壓縮功回復率.壓縮比功W（cN·cm/cm2）按式（2）計算.

式中：p為單位面積試樣所受的壓力（cN/cm2）；T為受壓試樣的厚度（mm）；T0是壓力為0.5cN/cm2時試樣的厚度（mm）；Tm是最大壓力pm下的試樣厚度（mm）.

壓縮功回復率為回復功占壓縮比功的百分數.

木棉/棉混紡紗超聲波純水處理前后紗線壓縮性能測試計算結果如表4所示.由表4可以看出，處理后紗線的壓縮比功都有不同程度的增加，但差別不大，表明紗線處理后，其蓬松度有所增加，而壓縮功回復率呈現比較明顯的降低，表明處理后木棉/棉混紡紗線耐壓縮性變差，從紗線的電鏡照片觀察和壓縮比功的增加，可以推測木棉纖維的中空度有一定回復.

表4 超聲波純水處理前后木棉/棉混紡紗線壓縮比功與壓縮功回復率Table 4 The compression work and compressed response rate of kapok/cotton blended yarns before and after ultrasonic treated with water

2.6 浸潤性能

采用YG（B）871型毛細管效應測定儀，用含重鉻酸鉀質量分數為0.5%的溶液顯色，測試30min后紗線的毛細高度（mm），簡稱毛效.

采用OCA15EC型光學接觸角測量儀，將紗線整齊緊密地制成鋪片，采用鋪片法測量紗線鋪片的靜態接觸角（°）.

分別測試木棉/棉混紡紗超聲波純水處理前后紗線接觸角和毛細高度［16－17］，測試結果如表5所示.從表5可以看出，處理前后木棉/棉混紡紗線接觸角測試結果均超過130.0°，毛效均接近0，表明各種條件處理后的木棉/棉混紡紗線均具有拒水性，其浸潤性能改善不明顯.

表5 超聲波純水處理前后木棉/棉混紡紗線接觸角與毛細高度Table 5 The contact angle and the height of capillary of kapok/cotton blended yarns before and after ultrasonic treated with water

超聲波純水處理對木棉纖維浸潤性能的改善結果不理想，原因可能為一方面木棉表面的蠟質層保護了木棉纖維，使木棉纖維對超聲波純水處理具有一定耐受性，目前使用的試驗條件過于溫和，另一方面超聲波對其表面有一定作用，但由于木棉纖維表面物質在超聲波作用下洗脫后不能穩定地分散在純水中，因而又回到纖維表面［11］.

3 結 語

（1）木棉/棉混紡紗線經過超聲波純水處理后，紗線變得蓬松，化學成份基本保持不變，木棉纖維中空度有部分回復；

（2）經超聲波處理后，紗線質量損失率約6%，強力損失率較大，表面浸潤性能沒有明顯變化，紗線處理前后均具有拒水性；

（3）試驗采用的6種不同處理條件對木棉/棉混紡紗線的外觀形態、化學組成、紗線質量損失、拉伸性能、壓縮性能以及浸潤性能影響差異較小，沒有明顯地改善木棉/棉混紡紗線表面浸潤性能，有待采用比水更具有反應性的液體（如堿液等）進行超聲波處理，探討其對木棉/棉混紡紗線性能的影響.

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Effect of Ultrasonic Treatment on the Properties of Kapok/Cotton Blended Yarns

CHEN Boa，XU Guang－biaoa，b
（a.College of Textiles；b.Key Laboratory of Textile Science ＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The kapok/cotton blended yarns were treated with ultrasonic by water under 6different conditions.The morphological structure，chemical component，weight loss，tensile property，compression property，capillary effect and contact angle of the blended yarns were tested to compare the change before and after treatment.The influence of the ultrasonic treatment with water on these properties of the yarns was estimated.The results showed that the morphological structure and chemical component of the fibers had little change after treatment.The weight loss of the yarns were about 6%，and most of them were the kapok flocks.The percentage of hollowness had reverted to some extent，and the yarns became fluffy.The breaking strength of the yarns became very low.The yarns showed the hydrophobic before and after the treatment.

kapok/cotton blended yarn；ultrasonic treatment；morphological structure；property

TS 195

A

2011－06－13

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目（11D10104）

陳 博（1987—），女，江蘇無錫人，碩士，研究方向為紡織材料與紡織品設計.E－mail：chenbomail＠mail.dhu.edu.cn

徐廣標（聯系人），男，副教授，E－mail：guangbiao＿xu＠dhu.edu.cn

1671－0444（2012）03－0261－05