緯平針棉針織物平幅絲光條件與其線圈結構的關系

尉騰祥， 李 敏， 彭虹云， 付少海

(1. 江蘇省紡織品數字噴墨印花工程技術研究中心， 江蘇 無錫 214122； 2. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

絲光是棉織物前處理過程的重要步驟，在濃堿和受力條件下針織物線圈形態會發生變化，從而引起性能的改變。通過絲光可極大提升針織物的尺寸穩定性、彈性、柔軟性、舒適性，增強針織物對染料的吸附能力和吸濕性能，提高織物的強力、延伸度，改善棉針織物縮率大和易變形等缺點[1-2]。圓筒絲光是常用的絲光方式，具有成本低、織物無邊疵等優點，但存在擴布時布面歪斜、接觸機械阻力形成吃堿反應不勻的問題，平幅絲光可避免敏感薄形織物在圓筒絲光機絲光處理時線圈發生的微型變形等問題[3]。

在針織物平幅絲光方面，國內外研究主要集中在絲光工藝對織物強力、濕熱阻以及尺寸穩定性的影響等方面：湯根娣等[4]研究了絲光條件對亞麻/棉混紡針織面料形態和強力的影響；胡萍等[5]研究了纖維素酶對絲光麻織物抗刺癢性能的影響；Ayatollahi等[6]研究了冷絲光工藝對夏季棉面料舒適性及力學性能的影響；Moghassem等[7]研究了絲光時間、氫氧化鈉質量濃度、溫度和張力等對平紋棉針織物尺寸穩定性的影響；Park等[8]研究了織物緊度、松弛處理和紗線捻度對平紋織物尺寸穩定性的影響。然而，針織物由線圈組成，在不同條件下線圈形態會發生變化，從而引起性能的改變，因此，研究絲光條件對織物線圈形態變化的影響十分有必要。

緯平針棉針織物是針織物中結構最簡單的織物，橫向延伸性大，易變形和脫散，因此，本文采用緯平針棉針織物為研究對象，在雙向拉伸條件下，研究絲光過程中張力、氫氧化鈉質量濃度、溫度、時間對位移矢量、圈距、圈高、形態系數、剪切角等結構參數的影響規律，獲得較佳的平幅絲光工藝條件。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

織物：漂白單面精梳純棉針織物，紗線線密度為32 tex；織物面密度為140 g/cm2，圈距為 0.7 mm，圈高為0.5 mm，線圈長度為0.72 mm，紗線有效直徑為0.18 mm， 紹興海強針織廠。

試劑：氫氧化鈉、冰醋酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗方法

將20 cm×20 cm的漂白單面針織物固定在絲光架上，在其中心區域劃出14 cm×14 cm的區域，將針織物分為由不同節點組成的7 mm×7 mm方形單元，以方形單元作為研究對象，如圖1所示。

圖1 實驗絲光架Fig.1 Experimental mercerizing device

織物在雙向拉伸時所受張力的大小用擴幅表示，將針織物雙向分別拉伸擴幅5%、10%、15%后，通過織物節點受力前后的位置和方向變化繪制位移矢量場。

絲光工藝流程：配制堿液→繃布(不同橫縱向同時擴幅)→浸堿(不同氫氧化鈉質量濃度、溫度、時間)→熱水洗(浴比為1∶20、60 ℃、4 min)→體積分數約為2%的醋酸中和→溫水洗(2 min)→冷水洗(2 min)→剝離絲光架→烘干(60 ℃)。

1.3 測試方法

1.3.1 線圈參數測試

用游標卡尺測量織物節點處線圈的圈距和圈高，每個單元測量10次，取平均值。位移比計算公式為

式中：p為位移比，%；L0為織物處理前長度，m；L1為織物處理后長度，m。

1.3.2 形態系數測試

形態系數由圈高和圈距的比值表示，用游標卡尺測量圈高和圈距后，計算形態系數的值。

1.3.3 剪切角測試

剪切角是指織物單元受力后與拉伸方向形成的夾角，用剪切角變化來描述織物形變的程度。剪切角α示意圖如圖2所示。用萬能量角器測量角α的大小，每個角度測量10次，取平均值即為線圈的剪切角。

注：圖中(i, j)為單元格的坐標； Fw和Fc 為織物受到的不同方向的拉力。圖2 剪切角示意圖Fig.2 Diagram of coil shear angle. (a) Before stretch; (b) After stretch

2 結果與討論

2.1 拉伸張力的影響

圖3示出不同拉伸張力擴幅時整個針織物的節點向量場。向量的起點和終點分別表示節點初始和變化后的位置，箭頭的方向表示節點的位移方向。結果表明，織物整體變形沿軸向對稱，對稱中心附近的節點主要以單向位移為主，與對稱軸平行且伴隨微小位移；由于紗線之間存在摩擦以及不同位置處線圈受彎曲力矩大小不同，在織物邊緣處，線圈單元發生歪斜等大變形行為。在不同拉伸張力下，節點的位移向量表現出不同的大小和方向[9-10]，使得織物不同區域呈現不同的變形。由圖3還可發現，在節點向量場中出現位移比小于50%的橢圓區域(以下橢圓區域均指位移比小于50%)，隨著拉伸張力的增加，橢圓區域面積由占整個試樣的45.78%降低到24.39%。該結論表明，隨著拉伸張力的增加，拉伸織物的小位移節點變少。

圖3 不同拉伸擴幅條件下織物的向量場Fig.3 Vector field of fabric at different tensile extensions

由于織物節點數量過多，故選取具有代表意義的節點觀察圈高和圈距的變化趨勢。圖4示出中心線上不同拉伸張力擴幅條件下織物單元的圈距和圈高測量結果。研究發現：圈距和圈高的變化符合拋物線變化規律，擬合度均大于0.95；隨著拉伸張力的增大，圈距和圈高都增大，但增加的程度不同。這主要歸因于結構單元的初始取向不同，以及在橫縱方向上線圈的變化能力不同[11]。

圖4 不同拉伸擴幅條件下織物中心線上圈距和圈高Fig.4 Centralized coil spacing and height of fabric at different tensile extensions

通?？椢锸芰ψ冃螘r圈高和圈距會隨之發生變化，因此，采用圈高和圈距的比值，即形態系數可較好地描述針織物的變形特點[12]。圖5示出根據圈高和圈距的比值測出的不同拉伸張力條件下織物單元的形態系數。織物未拉伸時形態系數為1.400。由圖5可知：隨著拉伸張力的增大，形態系數呈梯度分布，最大的形態系數由1.048減小到1.028；當拉伸擴幅為5%時，中心區域的形態系數值在1.025～1.033之間，明顯比拉伸擴幅為10%和15%時大。

圖5 不同拉伸擴幅條件下織物的形態系數Fig.5 Shape coefficient of fabric at different tensile extensions

圖6示出不同拉伸張力擴幅時織物單元的剪切角。可知，織物剪切角存在明顯的遞變規律。隨著拉伸張力的增大，中心區域面積增加，邊緣區域的最大剪切角減小，由89.3°減小為88.3°。圈距和圈高直接關系到織物橫向和縱向的密度，是決定織物尺寸穩定性的重要因素[12-13]。實際實驗過程中，在拉伸擴幅為10%、15%時，織物結構已發生微小的脫散，線圈變形嚴重。以上實驗結果表明，張力對織物線圈結構參數影響較大，本文在選定的3個張力條件下，最佳的張力條件為雙向拉伸擴幅5%。

圖6 不同拉伸擴幅條件下織物的剪切角Fig.6 Shear angles of fabric at different tensile extensions

2.2 氫氧化鈉質量濃度的影響

圖7示出不同氫氧化鈉質量濃度時織物的節點向量場?？梢钥闯觯S著氫氧化鈉質量濃度的增加，橢圓區域面積先增加后變化不大，在氫氧化鈉質量濃度為200 g/L時面積達到最大。

這是因為隨著氫氧化鈉質量濃度的升高，纖維發生明顯的溶脹，纖維表面不均勻變形被消除，且可均勻地分擔外力，使線圈變形比較均勻。

圖7 不同氫氧化鈉質量濃度時織物的向量場Fig.7 Vector field of fabric at different NaOH mass concentrations

圖8示出不同氫氧化鈉質量濃度時織物單元的圈距和圈高測量結果。研究發現：圈距和圈高的變化符合拋物線變化規律，擬合度均大于0.94；隨著氫氧化鈉質量濃度的變化，圈距和圈高變化范圍不大；在氫氧化鈉質量濃度為200 g/L時，圈距和圈高均取得最大值。

圖8 不同氫氧化鈉質量濃度時織物的圈距和圈高Fig.8 Coil spacing and height of fabric at different NaOH mass concentrations

圖9示出不同氫氧化鈉質量濃度時織物單元的形態系數?？煽闯觯寒敋溲趸c質量濃度為 200 g/L時，中心區域的形態系數值在1.025～1.033 之間，明顯較其他質量濃度的大。

圖10示出不同氫氧化鈉質量濃度下織物單元的剪切角?？梢钥闯觯簭目椢镏行膮^域到邊緣區域，剪切角存在明顯的遞變規律；當氫氧化鈉質量濃度為 200 g/L 時剪切角最大，為89.3°。

以上分析表明，氫氧化鈉質量濃度對織物線圈結構參數的影響也較大，在其為200 g/L時，織物收縮與拉伸的程度大致相等，線圈均勻程度較高，因此，較佳的平幅絲光氫氧化鈉質量濃度為200 g/L。

圖9 不同氫氧化鈉質量濃度時織物的形態系數Fig.9 Shape coefficient of fabric at different NaOH mass concentrations

圖10 不同氫氧化鈉質量濃度時織物的剪切角Fig.10 Shear angles of fabric at different NaOH mass concentrations

2.3 絲光溫度的影響

圖11示出不同絲光溫度時織物的節點向量場?？芍?，隨著溫度的變化，橢圓區域面積在50 ℃時達到最大(45.78%)。

圖12示出不同絲光溫度時織物單元的圈距和圈高?？梢钥闯?，圈距和圈高的變化符合拋物線的變化規律，擬合度均大于0.94。在絲光溫度為 50 ℃ 時，圈距和圈高均是最大的。

圖11 不同絲光溫度條件下織物的向量場Fig.11 Vector field of fabric at different mercerization temperatures

圖12 不同絲光溫度條件下織物的圈距和圈高Fig.12 Coil spacing and height of fabric at different mercerization temperatures

圖13示出不同絲光溫度條件下織物單元的形態系數?？芍弘S著溫度的變化，最大形態系數值由1.048減小到1.010；當溫度為50 ℃時，中心區域的形態系數值在1.025～1.033之間，明顯比溫度為40和 60 ℃ 時的大。

圖13 不同絲光溫度條件下織物的形態系數Fig.13 Shape coefficient of fabric at different mercerization temperatures

圖14 不同絲光溫度條件下織物的剪切角Fig.14 Shear angles of fabric at different mercerization temperatures

圖14示出不同絲光溫度條件下織物單元的剪切角。結果表明，溫度對織物單元的剪切角影響較小，中心區域的最大剪切角約為89.3°。

以上分析表明，適當的溫度可提高絲光的效果，改善絲光線圈變化的均勻程度，溫度太高或太低，會使線圈均勻程度下降，較佳的平幅絲光溫度為 50 ℃。與絲光張力和氫氧化鈉質量濃度的影響相比，絲光溫度對織物線圈結構參數影響較小。

2.4 絲光時間的影響

圖15示出不同絲光時間時織物的節點向量場?？芍?，隨著時間的變化，橢圓區域面積發生變化，在時間為120 s時達到最大(45.78%)，此時，織物變形比較均勻。

圖16示出不同絲光時間時中心線上織物單元的圈距和圈高。研究發現：圈距和圈高的變化符合拋物線變化規律，擬合度均大于0.95；在溫度為 120 s 時，圈距和圈高都是最大的。

圖15 不同絲光時間條件下織物的向量場Fig.15 Vector field of fabric at different mercerization time

圖16 不同絲光時間條件下織物的圈距和圈高Fig.16 Coil spacing and height of fabric at different mercerization time

圖17示出絲光時間對織物單元的形態系數的影響?？芍弘S著絲光時間的增加，不同時間下最大形態系數值由1.048減小到1.010；當絲光時間為120 s時，中心區域的形態系數值在1.025～1.033之間，明顯比絲光時間為90和150 s時的大。

圖18示出織物單元的剪切角。可知，隨著絲光時間的變化，中心區域和邊緣區域剪切角的變化均不明顯。

圖17 不同絲光時間條件下織物的形態系數Fig.17 Shape coefficient of fabric at different merceization time

圖18 不同絲光時間條件下織物的剪切角Fig.18 Shear angles of fabric at different mercerization time

以上分析表明，絲光時間關系到絲光效果的好壞，時間太短絲光效果不徹底，時間太長會使線圈均勻程度降低，因此，較佳的平幅絲光時間為120 s。

3 結 論

本文研究了針織物在不同絲光條件(拉伸張力、氫氧化鈉質量濃度、溫度、時間)下線圈結構變化，得到如下結論。

1)絲光處理時張力和氫氧化鈉質量濃度對線圈結構的影響很大，而絲光溫度和時間對線圈結構的影響較小。

2)絲光處理后織物向量場中各節點的位移大小與方向會發生變化，使得織物不同區域呈現不同的變形，且出現織物形變較小(位移比小于50%)的橢圓形區。

3)織物圈距和圈高的變化符合拋物線變化規律，形態系數呈梯度對稱分布，剪切角存在明顯的遞變規律。在雙向拉伸擴幅為5%、氫氧化鈉質量濃度為200 g/L、溫度為50 ℃、時間為120 s時，形變較小的橢圓面積達到最大為45.78%，此時織物圈距和圈高也最大，剪切角變化更加平緩，同時形態系數更加均勻。