生物質纖維/菠蘿葉纖維多組分混紡紗線的品質與性能

閔小豹， 潘志娟

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215021； 2. 現代絲綢國家工程實驗室(蘇州)， 江蘇 蘇州 215123)

新型植物纖維的開發既可豐富紡織纖維的種類，也能更好應對能源危機和環境惡化問題，與綠色纖維發展理念相契合，為新時代下紡織行業碳達峰、碳中和目標的實現貢獻力量[1]。我國是菠蘿種植大國，菠蘿葉資源豐富，然而葉片多被焚燒或肥田，造成大量資源浪費及環境污染[2]。菠蘿葉中含有豐富的葉脈纖維，也稱菠蘿麻，不同于普通麻纖維的風格和性能，其還具有天然殺菌特性，是一種較為理想的紡織纖維原料[3]。菠蘿葉纖維的提取是其投入使用的重要步驟，目前提取方法主要有機械剝離和物理生物聯合脫膠提取法[4-5]，如歐忠慶[6]團隊研制的菠蘿葉和纖維提取聯合收割機能夠完成菠蘿葉收割、纖維葉渣分離等工作，汪樂等[7]采用物理生物聯合脫膠的方法提取可紡性菠蘿葉纖維。在紗線和織物開發方面，徐穎等[8]采用菠蘿葉纖維、納米銀抗菌滌綸混合成條，經預并條后條混的方法，制備菠蘿葉纖維混紡紗線，劉德駒等[9]采用菠蘿葉纖維、Tefra-Channel聚酯纖維和大豆蛋白復合纖維進行混紡并開發戶外運動服裝面料。此外，顧東雅等[10]使用雅格素NF系列活性染料對菠蘿葉纖維/棉混紡針織物進行無鹽、無堿清潔化染色。

本文研究以菠蘿葉纖維為主要原料，采用絹紡工藝將菠蘿葉纖維與絹絲、羊毛、Lyocell纖維、聚乳酸纖維和殼聚糖纖維等多種生物質纖維混紡，制備兩組分及三組分單紗，再經熱定形、單紗合股加捻、燒毛和電清工藝等制得混紡質量比為85∶15的16.7 tex×2兩組分股線以及混紡質量比為50∶30∶20的14.3 tex×2的三組分股線，測定與分析了紗線的毛羽、條干均勻度等紗線品質指標以及力學性能、吸濕性能等，以期為菠蘿葉纖維混紡紗及其面料的開發提供一定的技術支撐。

1 實驗部分

1.1 原料來源與規格

菠蘿葉纖維購自義烏禾維科技有限公司，羊毛、絹絲和Lyocell纖維購自嘉興市華益絲絹股份有限公司，聚乳酸(PLA)纖維購自嘉興艾普纖維科技有限公司，殼聚糖纖維購自青島即發集團股份有限公司。表1示出各纖維物理性能指標。

表1 纖維物理性能指標Tab.1 Fiber physical performance index

1.2 實驗儀器

GL2241-1SCN 型電子精密天平(賽多利斯科學儀器北京有限公司),Y171型纖維切斷器(溫州方圓儀器有限公司),TM 3030PLUS 型臺式電鏡(日本日立公司)，YG086C型縷紗測長機(南通宏大實驗儀器有限公司)，YG155A型紗線捻度儀(常州天榮儀器設備有限公司)，Y802N型八籃恒溫烘箱(寧波紡織儀器制造廠)，5976型INSTRON萬能材料試驗機(美國Instron公司)，ME-100型USTER條干測量儀(瑞士烏斯特技術公司)。

1.3 菠蘿葉纖維性能

圖1所示為菠蘿葉纖維的形態結構。截面近似橢圓且有中腔，有孔洞和縫隙，表面粗糙，有枝節，縱向較為平直，單獨成紗質量較差，因而將其與羊毛、絹絲、Lyocell、PLA、殼聚糖等多種生物質纖維混紡，在改善菠蘿葉纖維可紡性的同時，開發兼具多種生物質纖維性能優勢的產品。羊毛纖維有一定的卷曲度、柔軟而具有彈性，吸濕性和保暖性好，可紡性好；絹絲手感柔軟、光澤柔和、表面光滑、吸濕性好；Lyocell纖維力學性能好，吸濕性好，光澤優良，親膚性好[11]；PLA纖維柔軟舒適，具有較好的力學特性、良好的抗紫外線性能和生物降解性能[12]；殼聚糖纖維吸附能力強、染色性能好、具有抗菌防臭能力和生物可降解性[13]。

圖1 菠蘿葉纖維的形態結構Fig.1 Morphological structure of pineapple fiber.(a)Cross-sectional shape(×1 500);(b)Surface morphology(×500)

1.4 紗線規格及工藝

1.4.1 菠蘿葉纖維混紡紗規格

為保留并突出菠蘿葉纖維的特性，使菠蘿葉纖維在混紡紗中起主要作用，同時充分體現其他纖維的優勢，將菠蘿葉纖維的質量占比控制在50%以上，兩組分紗線混紡質量比為85∶15(菠蘿葉纖維/組分2)、線密度為16.7 tex×2，三組分紗線混紡質量比為50∶30∶20(菠蘿葉纖維/組分2/組分3)、線密度為14.3 tex×2。紗線的原料組成及規格如表2所示。

表2 菠蘿葉纖維混紡紗規格設計Tab.2 Specification design of pineapple leaffiber blended yarn

1.4.2 紡紗工藝流程

為保證菠蘿葉纖維與其他纖維混合均勻，更好地控制混紡比例，采用條混方式，先將不同纖維加工成條。使用棉紡系統的開松機和梳棉機制得殼聚糖纖維生條和Lyocell纖維生條；使用絹紡系統制得不同定量菠蘿葉纖維生條、絹絲生條、羊毛生條和PLA纖維生條。為了進一步精確混紡比，在絹紡系統中將不同纖維生條預并，進而在絹紡系統頭并工序中將不同纖維預并條稱量混合，制得混合熟條。具體紡紗工藝流程如下：

1)絹紡系統：預并條→頭道并條→二道并條→末道并條→末道并條拉細、分散短纖維(DJ431延絞機)→粗紗(DJ441粗紗機)→細紗(FK501細紗機)；

2)后道處理：熱定型→單紗絡筒(單紗絡筒)→2根單紗并合(RF231C并紗機)→并合單紗加捻(TDN-128B倍捻機)→去除紗線表面毛羽(FK822燒毛機)→進一步去除毛羽(USTER RQUANTUM3電子清紗機)。

1.5 紗線品質與性能測試方法

1.5.1 線密度測試

使用縷紗測長機，參照GB/T 4743—2009《紡織品 卷裝紗 絞紗法線密度的測定》測試紗線線密度。將紗線置于溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%的恒溫恒濕間預調濕24 h，測試長度100 m，測試5次，取平均值。

1.5.2 捻度測試

使用紗線捻度儀，參照GB/T 2543.1—2001 《紡織品 紗線捻度的測定 第1部分:直接計數法》測試股線捻度。測試環境：溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%，設定隔距長度為500 mm，預加張力為0.5 cN/dtex，測試5次，取平均值。

1.5.3 條干均勻度及毛羽測試

使用條干測試儀，參照GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗條條干不勻試驗方法 第1部分：電容法》測試紗線條干均勻度及毛羽。測試條件為：速度200 m/min，測試時間1 min，溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%，測試次數5次，取平均值。

1.5.4 力學性能測試

使用萬能材料試驗機，參考GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》測試紗線力學性能。將紗線在溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%的恒溫恒濕間預調濕24 h，設置夾持距離500 mm，預加張力0.5 cN/tex，拉伸速度500 mm/min，測試20次，取平均值。

1.5.5 吸濕性測試

使用八籃恒溫烘箱，參照GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》測定并計算混紡紗的實際回潮率，同時計算混紡紗線的公定回潮率。

式中:W1為實際回潮率,%；G為紗線濕態質量，g；G0為紗線干態質量,g；Wk為混紡后紗線理論回潮率,%；bi為混紡比；Wi為纖維公定回潮率，%。

2 結果與分析

2.1 紗線線密度與捻度分析

菠蘿葉纖維混紡紗實際線密度、百米質量偏差及捻度的測試結果如表3所示。

表3 菠蘿葉纖維混紡紗線密度及捻度Tab.3 Density and twist of pineapple leaf fiber blended yarn

菠蘿葉纖維混紡紗的實際線密度略低于設計值，主要由于細紗等環節會產生纖維掉落現象，燒毛和電子清紗工藝也會導致紗線質量略微降低，所紡紗線百米質量偏差均在±3%以內，在FZ/T 32005—2006《苧麻棉混紡本色紗線》要求范圍內。加捻可使單紗偏細部位抱合，進而降低單紗條干不勻，減少弱節，增加紗線強力以及耐磨性，設計股線的捻度為540捻/m，所紡紗線實際捻度比設計捻度低，這可能是由于倍捻機的引紗速度快，以及測試時股線退捻不充分，導致股線實際測試捻度偏低。

2.2 紗線條干均勻度分析

圖2示出菠蘿葉纖維混紡紗條干變異系數(CV值)測試結果。可看出三組分紗線條干均勻度整體優于兩組分紗線。由于兩組分紗線中菠蘿葉纖維含量高于三組分紗線，且菠蘿葉纖維手感粗糙、粗且長，表面有枝節不光滑，這種結構會造成一定的粗節和細節產生，進而引起紗體條干不勻，其含量越高紗線條干均勻度越差。兩組分紗線在生產工藝和原料配比基本相同的情況下，CV值大小依次為：P/W、P/P、P/C、P/L、P/S，由于絹絲相對較細，在相同線密度的紗線截面內纖維根數多，且P/S的百米質量偏差最小，故其條干均勻度最好。三組分紗線CV值大小依次為：P/W/P、P/W/L、P/S/P、P/S/L，P/S/L的百米質量偏差最小，且在后道工序中，P/S/L混紡熟條在三組分中成條性最好，條子粗細最均勻，使得P/S/L條干均勻度較好。

圖2 菠蘿葉纖維混紡紗條干變異系數Fig.2 Unevenness of pineapple leaf fiber blended yarn

表4示出紗線常發性紗疵的各項指標。兩組分紗線中P/S細節和粗節較少，P/W細節和粗節較多；三組分紗線中P/S/L細節和粗節最少，P/W/P的最多。由于絹絲經多道梳理并合后長度整齊度較好，游離纖維少，能很好地被包覆于紗體內，故P/S細節和粗節較少。羊毛纖維短絨率高，在紡紗過程中這部分纖維不能很好地抱合，分配到紗線不同部位也會導致紗線粗細不勻，是導致P/W和P/W/P細節和粗節的主要原因，粗紗或細紗某一部位的意外牽伸也會引起粗節或細節產生。兩組分紗線+200%棉結在220～740個/km之間，三組分紗線+200%棉結在120～466.7個/km之間，棉結大多是由于纖維原料本身含有雜質或者梳理不充分導致，菠蘿葉纖維表面含有枝節，會造成少量棉結產生，絹絲本身含有疵點，因而兩組分紗線中P/S棉結最多，三組分紗線中P/W/P棉結最多，主要由于羊毛纖維卷曲度高，與粗、硬、直的菠蘿葉纖維混合梳理時伸直平行度較低并容易與另外2種纖維纏結形成棉結。

表4 菠蘿葉纖維混紡紗常發性紗疵Tab.4 Density and twist of pineapple leaf fiber blended yarn

2.3 紗線表面毛羽分析

采用 USTER系統推出的毛羽測試方法，得到毛羽值和毛羽標準差，分別表示1 cm長度股線表面上的毛羽累計長度平均值和毛羽離散程度，這2個指標越大，紗線毛羽越多，紗線質量相對越差。圖3所示為菠蘿葉纖維混紡紗的毛羽指標。

圖3 菠蘿葉纖維混紡紗毛羽指標Fig.3 Hairiness index of pineapple leaf fiber blended yarn.(a) Hairiness; (b) Hairiness standard deviation

菠蘿葉纖維含量對混紡紗線的毛羽值和毛羽均勻性有著重要影響，纖維表面的少量枝節在成紗時不能卷入紗體內，其含量越高，紗線表面毛羽越多，因此兩組分紗線的表面毛羽普遍高于三組分紗線。兩組分紗線中，P/L毛羽值最低，P/W最高，主要由于Lyocell纖維整齊度好，且相對較粗，紗線線密度相近時，單位截面內纖維越少，纖維暴露在紗體外的概率會較小，故P/L表面毛羽最少；羊毛具有周期性卷曲，難以伸直平行，在加捻時，纖維暴露在紗體表面容易形成毛羽，故P/W毛羽值最高。三組分紗線中，P/S/L毛羽值最小，P/W/L毛羽值高，由于絹絲平均長度大于羊毛，一定紗線長度內絹絲根數最少，絹絲暴露在紗線表面的概率低，且P/S/L實際捻度大于P/W/L會使纖維排列更加緊密，不易滑脫，因此P/S/L表面毛羽最少，P/W/L則最多。

2.4 紗線力學性能分析

紗線的力學性能與成紗品質密切相關，影響混紡紗力學性能的主要因素有纖維的力學性能、紗線捻度和條干均勻度等。由表5紗線力學性能的測試結果可知，兩組分紗線的斷裂強度大小依次為：P/L、P/S、P/C、P/P、P/W，由于Lyocell纖維斷裂強度相對較高，P/L條干均勻度僅次于P/S，且P/L實際捻度最大，故P/L斷裂強度最大；P/W條干均勻度最差，實際捻度相對較小，羊毛纖維的強度較小，故其斷裂強度最小。三組分紗線的斷裂強度由大到小依次為：P/S/L、P/S/P、P/W/L、P/W/P，P/S/L條干均勻度最好，且捻度最大，Lyocell纖維斷裂強度高，其斷裂強度最大；P/W/P條干均勻度最差，且捻度較小，斷裂強度最小。由于菠蘿葉纖維剛性較大，斷裂伸長率僅為4.4%，在所紡紗線中占比較高，導致紗線斷裂伸長率都偏低，小于5%。兩組分紗線中，P/W斷裂伸長率最高，三組分紗線中P/S/L最高，整體來看所紡紗線力學性能能滿足后續織造需求。

表5 菠蘿葉纖維混紡紗力學性能Tab.5 Mechanical properties of pineapple leaf fiber blended yarn

初始模量表示紗線在較小負荷下變形的難易程度，圖4示出菠蘿葉纖維混紡紗應力-應變曲線。兩組分紗線中P/C初始模量最大，P/W最小，P/S、P/P、P/L初始模量在650～800 cN/tex之間。殼聚糖纖維線密度最小，且長度短，當紗線線密度相近時，單位截面積內殼聚糖纖維的根數最多，排列更加緊密，與菠蘿葉纖維抱合力更大，因此P/C初始模量最大；三組分紗線中初始模量大小依次為：P/S/P、P/S/P、P/W/L、P/W/P，紗線條干對初始模量的作用比纖維原料更為明顯，P/S/P、P/S/L的條干均勻度好，且細節遠遠少于P/W/L和P/W/P，紗線疵點較少，更加連續均勻，在外力作用下紗線整體受力均勻，不容易發生局部斷裂，在一定程度上使初始模量提高。

圖4 菠蘿葉纖維混紡紗應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of pineapple leaf fiber blended yarn.(a)Two component; (b)Three components

2.5 紗線吸濕性能分析

紗線的吸濕性能一般用其實際回潮率來衡量，實際回潮率越大，吸濕性能越好，結果如圖5所示。

圖5 菠蘿葉纖維混紡紗回潮率Fig.5 Pineapple leaf fiber blended yarn moisture regain

兩組分紗線中，菠蘿葉纖維占比在85%左右，回潮率受其他纖維影響較小，接近菠蘿葉纖維回潮率，其中，P/S、P/W、P/C、P/L實際回潮率略大于理論回潮率，P/P則相反；在三組分混紡紗中菠蘿葉纖維含量在50%左右，紗線回潮率受另外2種纖維回潮率影響也較大，P/W/L、P/S/L實際回潮率略大于理論回潮率，P/S/P、P/W/P相反。由于在紡紗過程中，菠蘿葉纖維長度長，枝節多，在細紗和燒毛工序中比其他纖維質量損失更多，導致菠蘿葉纖維在紗線中實際占比偏低，且在所用原料中，菠蘿葉纖維回潮率遠高于PLA纖維，但低于其他纖維。因此兩組分混紡紗中P/P實際回潮率低于理論回潮率，而三組分混紡紗中P/S/P、P/W/P實際回潮率低于理論回潮率。

3 結 論

以菠蘿葉纖維為主要原料，通過絹紡系統將其與絹絲、羊毛、殼聚糖、Lyocell和聚乳酸等多種生物質纖維復合制備了16.7 tex×2兩組分混紡紗和14.3 tex×2三組分混紡紗，研究得到如下結論：1)兩組分紗線的條干CV值在18.05%～19.21%之間，毛羽值在3.52～4.07 mm/cm之間，斷裂強度在20 cN/tex左右；菠蘿葉纖維/絹絲條干均勻度最好，菠蘿葉纖維/Lyocell纖維表面毛羽最少且斷裂強度最高。2)三組分紗線的條干CV值在14.03%～17.53%之間，毛羽值在2.81～3.26 mm/cm之間，斷裂強度在19.9 cN/tex左右；菠蘿葉纖維/絹絲/Lyocell纖維條干均勻度最好且表面毛羽最少、斷裂強度最大。綜合來看，利用絹紡系統可將菠蘿葉纖維與多種纖維混合紡紗，紗線具有條干均勻度好、毛羽少、斷裂強度高、吸濕性好的特點，適宜開發中高檔機織和針織面料。