織物緊度和抗皺整理工藝對純棉機織物折皺回復性的影響

侯文雙， 閔 潔， 紀 峰， 張建祥， 蘇 夢， 何瑞嫻

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 化學化工與生物工程學院， 上海 201620； 3. 魯泰紡織股份有限公司， 山東 淄博 255100)

純棉織物因其良好的吸濕性，觸膚柔軟度和生物相容性等優點，一直以來是服用紡織品的常用材料；然而純棉織物較其他織物更容易起皺，生活中穿著、洗滌、折疊、久置等都會使其產生折皺，直接影響織物的服用性和美觀度。純棉織物的抗皺性能被消費者、面料生產企業和科研人員所關注[1],提高純棉織物的折皺回復性成為了提高其產品品質和附加值的重要內容。

通常從織物組織結構和后整理工藝2個方面來改善純棉織物折皺回復性。從結構方面改善折皺回復性大都集中于調整紗線線密度、紗線捻度、織物組織結構、組織密度等方法[2-4]，也有文獻采用新型結構的紗線來提高面料折皺回復性[5]；在織物后整理方面，文獻集中于研究整理劑種類、整理劑質量濃度、烘焙時間等工藝條件對折皺回復性的影響[6-8]。

常用的純棉抗皺整理劑有樹脂類、多元羧酸類、乙二醛系列等[9-11]，從抗皺效果和成本等方面更多為科研人員和企業所接受的是2D樹脂整理劑[12]。樹脂整理劑中應用最早的二羥甲基二羥基乙烯脲樹脂(2D樹脂)雖有較好的抗皺效果，但因其會釋放甲醛而逐步減少使用[13]；目前無甲醛抗皺整理劑的抗皺效果低于2D樹脂[14]。而經低醛2D樹脂整理后織物既可獲得良好的折皺回復性，又能滿足環保要求，是當前行業內關注的重點。上述從結構和整理工藝2個方面的研究各自取得明顯成效，然而對于結構和整理工藝的協同作用對織物折皺回復性的影響效果尚未獲得關注。理論上來說，后整理方法一方面直接作用于纖維原料，通過提高纖維的彎曲回彈性能來達到抗皺效果；另一方面作用于織物結構，通過對結構的調整和優化達到目標效果。因此，研究組織結構和后整理工藝的協同效果對棉織物折皺回復性的作用有助于探索織物抗皺的內在機制，同時可對棉織物抗皺整理提供更為切實的理論指導和實踐經驗參考。

本文研究了織物緊度和后整理工藝對純棉織物折皺回復性的影響機制。采用急彈回復角、延遲回復角分別代表折皺回復角的快速彈性回復部分和延遲彈性回復部分。首先分別研究純棉織物緊度、后整理工藝對其折皺回復性的作用關系;在此基礎上，研究了織物結構與整理工藝的協同作用對其折皺回復性的影響。

1 試驗部分

1.1 試樣準備

本文選用2組不同規格的純棉機織物試樣，分別為斜紋組織和平紋組織，各試樣的基本組織結構參數如表1所示。

表1 織物規格參數表

1.2 整理工藝

抗皺整理工藝流程為：二浸二軋(軋余率為60%)→烘干(70 ℃)→焙烘(110 ℃，3 min)。對表1所述8種不同規格的織物分別在40, 60, 80, 100, 120 g/L的低醛二維樹脂(改性二羥甲基二羥基亞乙基脲)質量濃度條件下進行抗皺整理。選用催化劑NKC質量濃度為7 g/L。織物整理設備：Rapid臥式電動軋車、Y802 N八籃恒溫烘箱。

1.3 表征與測試

1.3.1 織物折皺回復角

采用折皺回復角表征織物的折皺回復性，凸形試樣在10 N外壓下折疊保持5 min，卸除負荷后經一定時間回復，測量2個對折面形成的角度即為折皺回復角。

參照GB/T 3291.3—1997《紡織 紡織材料性能和試驗術語 第3部分:通用》中對急彈性變形、緩彈性變形以及彈性變形的定義，本文將折皺回復角視為可回復的彈性變形，分成2個部分：瞬時回彈的部分用急彈回復角表示，延遲回復的部分用延遲回復角表示。急彈回復角和延遲回復角之和為總回復角，用以定量描述織物在實際應用中呈現的折痕快速回復和延時回復行為特征，并有助于研究織物折皺回復性的內在機制。

在試驗中，取外壓卸除后15 s時測量得到的回復角為急彈回復角；5 min時測量得到總回復角；總回復角減去急彈回復角得到延遲回復角。本文中所指折皺回復角為總回復角。

按照GB/T 3819—1997《紡織品 織物折痕回復性的測定 回復角法》要求，測試未經整理和經不同質量濃度樹脂整理劑整理后試樣的急彈回復角、延遲回復角和總回復角。計算每次試驗的平均值和標準差。

1.3.2 織物表面形貌測試

采用DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡觀察未經整理和經不同質量濃度樹脂整理劑整理后織物試樣表面的形貌。試驗前織物表面經噴金處理，選用15 mA濺射電流，噴金150 s。

1.3.3 織物化學結構測試

采用Spectrum Two型傅里葉紅外光譜儀測試織物試樣整理前后的化學結構。掃描范圍為4 000～400 cm-1，溫度為21 ℃，相對濕度為65%。

2 結果與討論

2.1 織物緊度與折皺回復性的關系

對棉織物來說，在纖維原料和織物組織結構確定的情況下，織物緊度能夠有效代表織物的組織結構特征[15]。本文選用織物總緊度作為棉織物結構特征的代表參量，文中織物總緊度稱為織物緊度。

表2示出2組純棉試樣原樣(未經抗皺整理)的總緊度和折皺回復角測量數據。斜紋織物試樣A1～A4的總緊度接近和超過90%；平紋試樣B1～B4的總緊度相對較小。由表1、2可看到：隨著總緊度的增加，4種斜紋試樣之間的折皺回復角差異小，變異系數僅為0.74%；而總緊度相對較小的平紋試樣，隨試樣總緊度的增加，回復角增大的趨勢較為明顯。

對于緊度較低的織物，緊度的增大使折皺發生時紗線間的相對靜摩擦力和擠壓彈性勢能增加，外力去除后表現出明顯增大的回復性。當織物總緊度達到和超過90%時，外力壓折使纖維張力增加，織物內部的纖維和紗線在較大擠壓和牽伸作用下克服靜摩擦力發生相對滑移，消耗機械勢能，外力撤去后織物整體的變形回復能力被削弱。

表2 織物總緊度與折皺回復角測量數據

斜紋和平紋2組試樣的織物總緊度與急彈回復角、延遲回復角的關系如圖1所示。

圖1 織物總緊度與急彈回復角、延遲回復角的關系

由圖1可看出，對于所選用的純棉機織斜紋試樣(總緊度在80%～100%范圍)和純棉機織平紋試樣(總緊度在70%～95%范圍)，試樣的急彈回復角都明顯高于延遲回復角，急彈回復角占總回復角的主體部分，說明試樣經外力壓折后都表現為以瞬時回復形變為主的變形特征。

外力壓折作用使纖維、紗線發生彎折變形和局部伸縮變形，紗線間、織物交織點內產生相對擠壓和靜摩擦，大部分以彈性勢能的形式存儲于織物結構體內部；外力卸除后彈性勢能迅速釋放使折皺變形回復，對應急彈回復角部分。

外力作用同時會在織物結構內產生纖維、紗線間的相對摩擦和滑移，原纖維間的相對糾纏減弱或發生新位置下的勾接，甚至局部產生塑性變形。上述形變狀態以黏彈機械能的形式存儲于織物結構體，或以熱能形式消耗掉。外力卸除后，黏彈機械能通過結構內的自調整逐步釋放，對應延遲回復角，不能完全回復的彎折變形為塑性變形。

為更清晰反映急彈回復角和延遲回復角隨總緊度的變化趨勢，選用二次多項式分別對各組數據進行擬合，得到擬合曲線和擬合公式，如圖1所示。總緊度-急彈回復角、總緊度-延遲回復角擬合曲線的判定系數分別為0.68, 0.90，說明對于該部分試樣，用二次多項式能夠較好反映急彈回復角、延遲回復角與總緊度之間的經驗關系。

圖1中，斜紋和平紋試樣的總緊度與急彈、延遲回復角擬合曲線分別經各自拐點后，隨總緊度的繼續增加，急彈回復角多呈增長趨勢，而延遲回復角數據都呈現下降趨勢，可認為在相應的緊度范圍內，織物緊度的增加為產生擠壓、彎彈、伸縮等急彈性變形提供了條件，同時降低了紗線間相對摩擦、滑移等黏彈性變形發生的機會。

由此可知，織物緊度的變化對折痕的瞬時回復、延時回復和不可回復(塑性變形)都有明顯影響。

2.2 整理工藝對織物的作用效果

本文選用低甲醛2D樹脂作為主要抗皺整理劑，采用5個不同的樹脂質量濃度按照1.2節所述工藝對織物進行整理，并測定整理后織物的折皺回復效果。

2.2.1 整理前后純棉織物的表面形貌分析

未經整理織物試樣A4和經不同質量濃度低醛樹脂整理后的試樣A4的掃描電鏡照片如圖2所示。與原織物對比，經樹脂整理后的棉纖維表面有糊狀黏著物。隨著低醛2D樹脂質量濃度的增大，黏著物的面積和厚度增加，在質量濃度最高時(見圖2(d))，黏著物呈現梯田狀的層次感。同時看到，覆于纖維表面的黏著物一定程度上也填充了纖維表面的溝壑，使纖維表面趨于光滑，從而提高了纖維結構的規整性。

圖2 織物試樣A4抗皺整理前后掃描電鏡照片

2.2.2 整理前后純棉織物的紅外光譜分析

圖3 整理前后試樣A4的紅外光譜圖

2.2.3 低醛2D樹脂質量濃度與織物回復角關系

根據1.3.1節的試驗方法測量未經整理和經不同質量濃度樹脂整理劑整理后試樣的回復角，數據如表3所示。

表3 經不同質量濃度低醛2D樹脂整理前后各試樣回復角

由表3可看出：試樣經低醛(2D)樹脂處理，回復角都有不同程度的增加；隨樹脂質量濃度在40～120 g/L范圍內增加，回復角相應增大。

經低醛2D樹脂整理，樹脂整理劑與棉纖維發生交聯反應，將纖維大分子鏈連接起來，阻礙了纖維大分子鏈間的相互滑移，有利于其折皺回復。除了與纖維發生共價交聯作用，進入纖維表層和內部的樹脂在引發劑和高溫作用下發生縮聚，在纖維中構筑網狀結構，沉積在纖維無定形區。上述共價交聯反應和成網效應，都使纖維自身的剛性增大，抵抗彎折能力增強。

此外，存在于纖維之間或紗線間的樹脂在纖維間產生黏接作用，令相對運動的可能性降低，結構的整體性提高;因此，整體上織物的折皺回復性提升。

樹脂質量濃度增加，使單位面積織物中進入纖維表層或內部的樹脂大分子的數量增加，參與交聯反應、沉積反應的樹脂大分子數量也相應增加，同時，黏著、堆積在織物結構孔隙中的樹脂的量也增加;因此，整理后織物的折皺回復性提升。

2.3 雙因素方差分析

2.3.1 斜紋織物

為研究織物緊度和整理劑質量濃度對織物折皺回復性的共同作用效果，首先采用方差分析方法檢驗織物緊度(因素A)、樹脂質量濃度(因素B)及2因素的協同效應對回復角作用的顯著性。織物緊度取4個水平，樹脂濃度取6個水平，每個交叉試驗重復4次，斜紋試樣回復角的均值數據如表4所示。

表4 斜紋織物試樣(A1～A4)回復角的均值

利用SPSS軟件計算檢驗織物緊度、樹脂質量濃度及二者協同效應對試樣回復角作用顯著性程度的統計量F值。表5示出斜紋試樣的雙因素方差分析結果。

表5中，檢驗因素A(織物緊度)的F統計量為FA=10.04 >F0.01(3,72)，檢驗因素B(樹脂質量濃度)的F統計量為FB=115.35>F0.01(5,72)，說明織物緊度和樹脂濃度對回復角的影響效果均為非常顯著。

此時檢驗協同效應的F統計量FAB=2.48。假設協同效應無影響作用時，FAB服從自由度為(15，72)的F分布，因FAB=2.48 >F0.01(15, 72)，故拒絕原假設，即協同效應對純棉織物折皺回復性的影響顯著。

表5 斜紋織物試樣雙因素方差分析結果

2.3.2 平紋織物

采用同樣方法檢驗平紋織物試樣的織物緊度、樹脂質量濃度雙因素及其協同效應對回復角作用的顯著性。表6示出平紋試樣回復角的均值數據。

表6 平紋織物試樣(B1～B4)回復角的均值

表7示出平紋織物試樣的雙因素方差分析結果。由表可知，織物緊度和樹脂質量濃度分別對平紋織物的回復角有顯著影響作用，并且雙因素的協同效應也對回復角有顯著影響作用。

2.4 雙因素共同作用效果分析

總的來說，樹脂質量濃度的增加使各試樣的回復角隨之增大,但是不同緊度的斜紋試樣，分別經不同質量濃度整理劑處理后，其回復角呈現差異性的增長幅度。經較低質量濃度(60 g/L及以下)的樹脂處理后，各試樣間回復角的差異及回復角增幅的差異均不明顯；而經80 g/L及以上質量濃度整理劑處理后，低緊度試樣A1、A2的回復角不但增長幅度明顯提高，在量值上也明顯接近并超過緊度較高的A3、A4試樣。

與斜紋試樣的數據趨勢相似，平紋試樣的回復角隨樹脂質量濃度的增加呈明顯的增長趨勢，且增長幅度在試樣間有差異。最為顯著的是緊度最小的B1試樣，當樹脂質量濃度超過60 g/L時，其回復角增幅和量值都顯著高于其他試樣。初步分析原因為，試樣B1有低線密度的紗線和低緊度的組織結構，為樹脂整理劑充分發揮作用提供了更大空間。樹脂整理劑一方面進入纖維表層和內部，通過化學交聯和網狀化作用令纖維彎曲剛度提高;另一方面，通過填充纖維表面和織物結構內的孔隙在纖維間和紗線間構筑橋梁使結構整體性提高。

2組試樣的數據都表明，織物緊度影響到樹脂的整理功能實施的充分程度。對織物緊度相對小的試樣，樹脂整理劑能夠更為充分地接觸單纖維并進入纖維內部，從而對纖維起增強作用；較高質量濃度的樹脂整理劑，雖然單位體積內樹脂分子的數量多，但由于對緊密結構纖維集合體的浸潤性相對降低；因此能有效進入結構孔隙和進入纖維內部的樹脂分子比例較低，影響其整理功能的充分發揮。

圖4示出經80、120 g/L樹脂整理后各試樣的總緊度-急彈回復角與延遲回復角測量數據及相應擬合曲線。

圖4 經不同質量濃度樹脂整理后試樣總緊度與急彈、延遲回復角的關系

與圖1未經整理試樣的總緊度-急彈回復角/延遲回復角的關系一致。由圖4可看出，經樹脂整理后，急彈回復角依然顯著高于延遲回復角，棉織物試樣的折皺回復變形仍以急彈回復部分為主體。

由于樹脂大分子對纖維和織物結構的增強作用，在壓折外力下織物內部發生黏彈形變的機會降低，因此使延遲回彈的空間相應減少。尤其當織物緊度達到90%及以上時，紗線和織物中孔隙量明顯減少，樹脂大分子填充孔隙后，對纖維和織物結構的增強效果進一步強化，使織物經外力壓折后呈現剛性回彈效果。

3 結 論

1)分別以急彈回復角、延遲回復角代表棉織物折皺回復角的快速回復和延遲回復部分，測試了斜紋、平紋2組棉織物試樣的回復角。數據表明：急彈回復角都明顯高于延遲回復角，折皺回復性以15 s內的快速回彈為主；經樹脂整理劑處理后，2組試樣的急彈部分在回復角中所占的比例提升，樹脂整理對于提高棉織物折皺回復的急彈回復部分更為顯著。

2)以織物緊度作為織物結構的代表參量，以樹脂質量濃度作為整理工藝的代表參量，雙因素方差分析證實，織物緊度和樹脂質量濃度2個因素的協同效應對織物的折皺回復性有顯著影響。

3)抗皺整理能夠明顯提高棉織物的折皺回復性，但整理工藝作用的發揮程度受織物緊度的影響。緊度較小(斜紋織物90%及以下，平紋織物80%及以下)的棉織物試樣，經高質量濃度整理劑(斜紋織物80 g/L以上，平紋織物60 g/L以上)處理，其折皺回復角增長的幅度顯著高于高緊度的棉織物。