三種特種動物纖維的結構與物理性能對比

邢麗娟，劉新金,2，蘇旭中

(1.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122； 2.湖北省紡織新材料與先進加工技術省部共建國家重點實驗室培育基地，湖北 武漢 430000)

特種動物纖維產自天然生物，由于其特殊的生長環境及產量稀少，成為彌足珍貴的紡織原料[1]，其制成的織物柔軟豐滿、保暖性好、美觀高雅，是一種理想的高檔綠色紡織品。但特種動物纖維長度短，短絨率高，長度及細度離散率大，抱合力差，極易產生靜電，純紡高支紗困難，目前對特種動物纖維高支紗的開發仍是國內外學者關注的研究方向。侯秀良等[2]主要研究了山羊絨纖維的拉伸性能，楊鎖廷等[3]主要對牦牛絨纖維拉伸細化及產品性能進行了研究，陳維國等[4]研究了駱駝絨的多色彩高檔化產品的開發。本文以牦牛絨、羊絨、駱駝絨為研究對象，對比分析3種特種動物纖維的結構及基本物理機械性能，為特種動物纖維的開發提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：牦牛絨、羊絨、駱駝絨，均由江蘇中孚達紡織科技有限公司提供。

儀器：SU1510型掃描電鏡(日立高新技術公司)，Nicolet is10 傅里葉紅外光譜儀(賽默飛世爾科技有限公司)，BEION F10全自動纖維細度儀(上海北昂科學儀器有限公司)，YG004型電子單纖維強力機(常州溢紡紡織儀器有限公司)，XCP-1A型纖維卷曲彈性儀(上海新纖儀器有限公司)，Y802N 型烘箱及天平(常州第二紡織機械有限公司)，YG321型纖維比電阻儀(上海瑞紡儀器有限公司)。

1.2 測試方法

1.2.1纖維紅外光譜測試

采用 Nicolet is10傅里葉紅外光譜儀對纖維進行紅外光譜測試，測試時利用衰減全反射法得到纖維的紅外光譜圖，掃描次數為10次，波數范圍為4 000～500 cm-1。

1.2.2纖維表面形態觀察

采用 SU1510 型掃描電子顯微鏡，在放大倍數為2 000倍的情況下觀察纖維的表面形態結構，不同纖維的鱗片高度在相應的電鏡照片中已作標記，分別對100根纖維的鱗片高度進行拍攝，平均每根纖維拍攝1次，本文選取其中1根作為代表。

1.2.3纖維長度測試

采用纖維長度排圖法測定散纖維的平均長度，從所取樣品中抽取0.2～0.3 g纖維，剔除較粗、較長、易纏結纖維，右手捏緊纖維束平齊的一端，左手將纖維束最外端露出的纖維貼在黑絨板的左側，從左到右輕輕拉出纖維，并將纖維平行于黑絨板的上側貼服在黑絨板上，纖維束在黑色絨板上經過多次排列，使得纖維成為一端平齊，另一端從長到短的有序排列[5]。纖維在排列過程中要求厚薄均勻，圖形底邊長25 cm左右，每種樣品測量5份，取平均值。

1.2.4纖維細度測試

參照GB/T 10685—2007《羊毛纖維直徑試驗方法 投影顯微鏡法》，使用BEION F10全自動纖維細度儀測試纖維的平均直徑，計算公式為：

(1)

式中：d為纖維直徑，μm；Ndt為線密度，dtex；δ為纖維密度，g/cm3(牦牛絨取δ=1.32 g/cm3，羊絨、駱駝絨取δ=1.31 g/cm3))[6-7]。

1.2.5纖維強力測試

參照GB/T 4711—1984《羊毛單纖維斷裂強力和伸長試驗方法》，采用YG004型電子單纖維強力機進行單纖維強力等性能測試。試樣夾持長度10 mm，拉伸速度10 mm/min，測試30次取平均值。

1.2.6纖維卷曲性能測試

參照GB/T 14338—2008《化學纖維 短纖維卷曲測試方法》，使用XCP-1 A型全自動纖維卷曲彈性儀測試纖維卷曲數、卷曲率和卷曲彈性率等性能指標。試樣夾持長度20 mm，加輕負荷0.002 cN/dtex，重負荷0.05 cN/dtex，測試20次取平均值。

1.2.7纖維回潮率測試

參照 GB/T 6500—2008《毛絨纖維回潮率實驗方法 烘箱法》，將試樣放在測試條件下平衡 48 h后， 放在烘箱籃內,于烘箱中在105 ℃ 下干燥。用烘箱自帶天平分別稱量試樣干燥前后的質量，并通過式(2)計算回潮率，用以評價纖維的吸濕性能。測試條件：溫度 20 ℃，濕度65%±2%。

(2)

式中：W為纖維回潮率，%；G為纖維濕質量，g；G0為纖維干質量，g。

1.2.8纖維質量比電阻測試

參照GB/T 14342—2015《化學纖維 短纖維比電阻試驗方法》，使用YG321型纖維比電阻儀測試纖維電阻值，然后根據電阻值計算體積比電阻和質量比電阻。體積比電阻和質量比電阻的計算公式見式(3)、(4)：

(3)

(4)

式中：ρv為纖維體積比電阻，Ω·cm；ρm為纖維質量比電阻，(Ω·g)/cm2；R為纖維的平均電阻值，Ω；m為纖維質量取15 g；l為兩極板之間的距離，取2 cm；δ為纖維密度，g/cm3。

2 實驗結果與分析

2.1 紅外光譜分析

圖1 牦牛絨、羊絨和駱駝絨纖維的紅外光譜圖

通常采用溴化鉀壓片法和衰減全反射法(ATR)測試纖維樣品的紅外光譜，由于壓片法對纖維的研磨粒度要求高(小于2.5 μm)，且不同的粒度大小會對吸光度產生影響，進而影響測試結果，故采用衰減全反射法對3種動物纖維進行紅外光譜測試。牦牛絨、羊絨和駱駝絨的纖維的紅外光譜圖見圖1，牦牛絨纖維在3 281.75、2 917.66、1 631.95、1 516.60、1 236.23、1 039.32 cm-1處有特征吸收峰，羊絨纖維在3 272.12、2 924.03、1 631.96、1 516.73、1 236.62、1 045.22 cm-1處有特征吸收峰，駱駝絨纖維在3 272.12、2 921.14、1 631.96、1 525.89、1 236.14、1 074.15 cm-1處有特征吸收峰。其中3 272 cm-1處是N—H伸縮振動與O—H伸縮振動(酰胺A帶)，2 920 cm-1處為亞甲基(CH2)和甲基(CH3)的C—H伸縮振動，1 631 cm-1處是肽鏈中肽鍵(C—CO—NH—)中的C=O伸縮振動。由圖1可以看出，牦牛絨、羊絨和駱駝絨的特征峰、光譜曲線大致相同，故說明3種動物纖維化學結構基本一致，但是微觀結構有一定的差異。

2.2 表面形態結構分析

牦牛絨、羊絨和駱駝絨纖維縱向形態見圖2。由圖2可看出，3種動物纖維均具有豐富的鱗片結構，可有效保護纖維內部結構，但鱗片形態結構稍有不同。牦牛絨、羊絨纖維鱗片呈環狀，上緣緊貼于毛干，鱗片層厚度較薄，翹角小，棱基較薄，邊緣光滑，鱗片密度大，纖維表面光澤柔和，駱駝絨纖維表面鱗片呈斜條狀，高度高、翹角較小，邊緣光滑圓鈍，鱗片密度小，所以駱駝絨纖維順、逆鱗片方向摩擦因數小，不利于纖維間抱合，縮絨性能較差。黑牦牛絨表面相鄰鱗片間距在10～12 μm之間，青牦牛絨在14～17 μm之間，脫色牦牛絨由于脫色過程中鱗片層受到破壞，鱗片高度減小，相鄰鱗片間距在6～9 μm之間，白羊絨和青羊絨在10～13 μm之間，紫羊絨在19 μm左右，黃駱駝絨在12～13 μm之間，白駱駝絨在16～17 μm之間，總體而言，牦牛絨表面鱗片分布密度最大、羊絨次之，駱駝絨最小。

2.3 纖維長度分析

纖維的自然長度是指纖維叢在不受任何外力的自然卷曲狀態下，兩端的直線距離。纖維的長度決定著紡織加工工藝及參數的選擇，也影響紗線以及織物的品質，長度越長越可紡制紗支較細、強力較大、品質較高的紗線[8]。表1示出牦牛絨、羊絨、駱駝絨纖維的長度及短絨率。駱駝絨纖維的長度最長，長度范圍在36.3～41.5 mm之間，15 mm以下短絨率約為8.5%，羊絨次之，長度范圍在30.9～35.5 mm之間，15 mm以下短絨率約為15%，牦牛絨纖維的長度最短，平均長度約為26 mm，15 mm以下短絨率約為19%。牦牛絨纖維的長度較羊絨和駱駝絨短，其中脫色牦牛絨纖維的長度最短，且短絨率最高，因為牦牛絨纖維脫色過程中，纖維表面鱗片和角質層受到一定的損傷或脫落，從而導致纖維長度變短。

圖2 牦牛絨、羊絨和駱駝絨纖維縱向形態(×2 000)

2.4 纖維細度分析

纖維的細度是確定毛織物品質的重要物理指標之一，它決定著成紗的細度、強度以及織物的品質、厚度，即相同長度情況下，纖維越細且細度不勻率低，則所紡制的紗線較細且成紗條干好，相應織物的各種特性也較好。牦牛絨、羊絨和駱駝絨纖維細度如表2所示。羊絨纖維整體細度最細，細度在16 μm左右，羊絨纖維細而均勻，牦牛絨纖維最粗，細度約為18 μm，駱駝絨纖維細度約為17 μm，但纖維細度不勻率較另2種纖維高，因為駱駝絨纖維沿生長方向粗細不勻，且駱駝絨纖維含有不同程度髓質層，致使細度不勻率增加，因此羊絨纖維較另2種纖維易紡高支紗，紡制的紗線品質更高，制成的織物檔次更高，手感柔軟滑膩。

表1 牦牛絨、羊絨和駱駝絨纖維長度及短絨率

表2 牦牛絨、羊絨和駱駝絨纖維細度

2.5 拉伸性能分析

強度是評定毛絨纖維的首要指標，特種動物纖維強力決定其用途，可根據強度配置紡紗工藝，纖維強力低，不宜做精紡用纖維，且制成的織物品質較低。牦牛絨、羊絨和駱駝絨纖維的拉伸性能見表3，黑牦牛絨和青牦牛絨的強力較高，且單纖維強力是羊絨和駱駝絨的1.5倍左右，脫色牦牛絨纖維由于脫色處理過程中纖維受到一定程度的損傷使得強力大大降低；就纖維伸長率而言，牦牛絨纖維的伸長率稍小，故制成織物拉伸時，織物變形較羊絨和駱駝絨小；對于纖維初始模量，牦牛絨纖維的初始模量最大，故制成的織物挺括，更有身骨，駱駝絨的初始模量最小，制成的織物比較柔軟。

表3 牦牛絨、羊絨和駱駝絨纖維的拉伸性能

2.6 卷曲性能分析

纖維的卷曲主要影響纖維間的相互糾纏，使纖維間的抱合力大大增加，提高纖維的可紡性能。卷曲性能好的纖維，彈性也好，卷曲性可有效改善織物的抗皺性、保暖性以及表面光澤度且制成的織物手感豐滿柔軟，但是纖維卷曲過多，會使得纖維加工過程中發生糾纏與氈化，不易牽伸。采用XCP-1 A型全自動纖維卷曲彈性儀測試纖卷曲數[9](纖維在受輕負荷時，25 mm長度內的卷曲個數)、卷曲率(纖維單位伸直長度內，卷曲伸直長度所占的百分比)、卷曲回復率(纖維經加載卸載后，卷曲的殘留長度對纖維伸直長度的百分比)，卷曲彈性回復率(纖維經加載卸載后，卷曲的殘留長度對卷曲伸直長度的百分比)，牦牛絨、羊絨和駱駝絨的卷曲性如表4所示。

表4 牦牛絨、羊絨和駱駝絨的卷曲性

由表4可知，駱駝絨纖維卷曲數最多，單位長度內有7個卷曲，羊絨和牦牛絨卷曲數接近，單位長度內有5個卷曲；適當的卷曲率可提高纖維的抱合力和可紡性，牦牛絨纖維的卷曲率最大，駱駝絨次之，羊絨最小；牦牛絨纖維的卷曲回復率和卷曲彈性回復率均較大，駱駝絨次之，羊絨最小，故牦牛絨纖維卷曲牢度最好。總體而言，牦牛絨纖維卷曲數少，但卷曲率和卷曲彈性回復率均較大，所以紡紗加工過程中牦牛絨纖維抱合力好，可紡性能高，制成的織物豐滿柔軟，羊絨纖維生產過程中抱合力最差，純紡困難。

2.7 吸濕性能分析

纖維的吸濕性能影響纖維的結構、 形態及所有的物理性能， 纖維的吸濕性強弱通常采用回潮率來表征。經過測試得到牦牛絨纖維的回潮率為14.98%、羊絨纖維的回潮率為13.25%、駱駝絨纖維的回潮率為14.59%。牦牛絨和駱駝絨由于含有髓質層，吸濕性能好，故回潮率高于羊絨，纖維回潮率越大，吸濕放熱性能越好，故牦牛絨和駱駝絨纖維制品防潮保暖性能好于羊絨制品。

2.8 抗靜電性能分析

牦牛絨、羊絨和駱駝絨的電阻測試結果見表5。3種動物纖維的比電阻值均較高，極易產生靜電，影響紡紗加工的順利進行。羊絨纖維的電阻值最大，駱駝絨次之，牦牛絨最小。分析認為是因為牦牛絨纖維的回潮率最大，纖維吸濕性能好，導電性能提高，比電阻值下降，羊絨纖維鱗片密度大于駱駝絨纖維，表面凹凸不平明顯，增加了靜電的集聚，電荷難以從凹處擴散，導電性能降低，故羊絨纖維比電阻值最大。纖維的質量比電阻下降到108數量級以下紡紗才能順利進行[10]，干燥的纖維導電性能極差，比電阻很大，吸濕會使纖維的抗靜電性能增強，比電阻下降，故動物纖維紡紗過程中上機回潮率應控制在25%左右，特種動物纖維在和毛過程中需加入和毛油和抗靜電劑，降低纖維的比電阻，防止加工中靜電的產生。

表5 牦牛絨、羊絨和駱駝絨的電阻測試結果

3 結 論

本文對牦牛絨、羊絨、駱駝絨纖維的化學組成、表面形態結構、長度、細度、強伸性、卷曲性、吸濕性、靜電性進行測試研究，結果如下。

①3種動物纖維特征峰、光譜曲線大致相同，說明3種動物纖維的化學結構基本一致。

②3種動物纖維的均具有鱗片結構，但駱駝絨纖維鱗片密度小，鱗片高度最高，駱駝絨纖維縮絨性能最差；駱駝絨纖維整體長度最長，羊絨次之，牦牛絨最短。

③羊絨纖維細度最細，且細度不勻率最低，牦牛絨和駱駝絨粗細相當，但駱駝絨細度不勻率在3種動物纖維中最大，羊絨纖維較另2種纖維易于紡高支紗，駱駝絨纖維紡制的紗線條干不勻率較高。

④牦牛絨的強力較高，且單纖維強力是羊絨和駱駝絨的1.5倍左右，牦牛絨纖維的初始模量最大，制成的織物挺括，更有身骨，駱駝絨的初始模量最小，制成的織物比較柔軟。

⑤單位長度內，駱駝絨纖維卷曲數最多，羊絨和牦牛絨卷曲數接近，牦牛絨纖維的卷曲率最大，駱駝絨次之，羊絨最小，牦牛絨纖維紡紗加工過程中纖維抱合力好，可紡性能提高，羊絨纖維生產過程中抱合力最差，純紡困難。

⑥牦牛絨纖維和駱駝絨纖維回潮率接近，大于羊絨纖維，牦牛絨和駱駝絨纖維制品防潮保暖性能好于羊絨制品。

⑦羊絨纖維的質量比電阻最大，駱駝絨次之，牦牛絨最小，紡紗過程中羊絨纖維更易產生靜電，故羊絨纖維和毛過程中加入的和毛油和抗靜電劑最多，且動物纖維紡加工過程中上機回潮率應控制在25%左右，以降低質量比電阻，減少靜電產生。