精紡毛織物的連續液氨整理

商顯芹，王 強，姜 哲，馬海濤，胡素娟，張登陸

(1.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學),江蘇 無錫 214122；2.山東如意科技集團有限公司,山東 濟寧 272073)

羊毛纖維表面特殊的鱗片結構，使得毛織物在加工及穿著洗滌過程中易產生尺寸收縮和變形，并產生氈縮、起毛起球等不良現象，影響其服用性能。液氨由于分子量小、表面張力低，且具有極佳的滲透力，很容易滲透到纖維中。經液氨整理后的棉織物光澤柔和、手感滑爽、尺寸穩定，顯著提升了織物的服用性能[1-3]。液氨在毛織物上的研究主要集中在20世紀80、90年代，均采用小型間隙式液氨處理罐對羊毛進行處理，并對液氨處理后羊毛纖維的鱗片結構、熱學性能以及染色性能進行了初步理論研究[4-6]。迄今為止，尚未見采用連續性液氨整理設備對精紡毛織物進行商業化應用的報道。本文利用日本京都機械廠生產的連續性液氨整理機對精紡毛織物進行批量化生產，并探究了液氨對羊毛表面形貌、化學結構和各項性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料

精梳純毛機織物：面密度232 g/m2，2/3斜紋組織，經紗、緯紗均采用線密度為3.33 dtex的單紗，經、緯向密度分別為388.242根/(10 cm)。

1.2 整理工藝

1.2.1 后整理工藝流程

精紡毛織物后整理工藝流程為：生修→燒毛→平洗連煮→洗呢→開幅→平洗連煮→烘干→中檢→熟修→液氨處理→刷毛→剪毛→蒸呢→烘干→揩油→蒸呢→成品。

1.2.2 液氨處理

在進入液氨整理前先對坯布進行預烘，去除織物表面的水分。之后在-33.4 ℃條件下浸漬液氨，浸漬時間為15 s，然后汽蒸除去多余的氨，最后水洗烘干。液氨處理主要工藝流程為：平幅進布→堆布→預烘→風冷→浸軋液氨→呢毯烘干→汽蒸→水洗→酸洗→水洗→烘干→落布，處理過程如圖1所示。

圖1 連續式液氨整理機工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of continuous liquid ammonia finishing machine

1.3 織物性能測試

1.3.1 羊毛纖維表面形貌

采用SU1510掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對表面鍍金的羊毛纖維進行表面形態觀察，電壓為5.00 kV，放大倍數為3 000倍。

1.3.2 羊毛纖維橫截面

采用Y172型纖維切片器對纖維切片后放置于載玻片上，然后用DMM-300C光學顯微鏡(上海蔡康光學儀器有限公司)進行觀察，光學顯微鏡放大倍數為1 000倍。

1.3.3 羊毛纖維表面元素

采用PHI-5000C ESCA X射線光電子能譜分析儀(美國PHI公司)分析液氨處理后羊毛表面的C、N、O、S元素含量變化。激發源為Al靶，電壓14 kV，功率250 W，以C 1s(284.8 eV)為內標進行能量校正。

1.3.4 羊毛化學性能

采用Nicolet is10 傅里葉變換紅外光譜儀(美國賽默飛公司)對羊毛纖維進行全反射紅外光譜測試，掃描范圍4 000～650 cm-1，掃描16次，分辨率4 cm-1。

1.3.5 纖維失重率

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》，在105 ℃烘箱中烘干2 h，使樣品烘至恒質量，稱取處理前后樣品的質量。纖維質量損失率WL計算見式(1)。

WL=(W0-W)/W0×100%

(1)

式中：W0為處理前羊毛纖維干態質量，g；W為處理后羊毛纖維干態質量，g。

1.3.6 羊毛堿溶解度

參照GB/T 7571—2008《羊毛 在堿中溶解度的測定》測試方法，測定羊毛的堿溶解度AS，其計算公式見式(2)。

AS=(Wa-Wb)/Wa×100%

(2)

式中：Wa為堿處理前羊毛纖維干態質量，g；Wb為處理后羊毛纖維干態質量，g。

1.3.7 羊毛抗皺性能

采用YG(B)541E 智能式織物折皺彈性儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)，參照GB/T 3819—2008《紡織品 織物折痕回復性的測定 回復角法》中的垂直法測定處理前后織物的折痕回復角。測試時，試樣回復翼尺寸為20mm×15mm，固定翼尺寸為20mm×40mm，經、緯向各取5塊，測試完成后取經、緯向平均值，求出總折痕回復角。

1.3.8 羊毛織物防氈縮性能

參照TWC TM 31《測定羊毛紡織品的洗滌性能試驗法》，將尺寸為500mm×500mm的試樣包縫，然后放入Y(B)089E全自動縮水率試驗機(溫州大榮紡織儀器有限公司)進行洗滌，選擇洗滌程序1×7A+3×5A完成所需要的洗滌次數。洗滌完成后進行洗后外觀評級及面積氈縮率的測定。面積氈縮率、總尺寸變化率的計算公式如式(3)(4)所示。

面積氈縮率=WS+LS+(WS×LS)×100%

(3)

式中：WS為平均寬度尺寸變化率，%；LS為平均長度尺寸變化率，%。

總尺寸變化率=(FM-OM)/OM×100%

(4)

式中：FM為氈化后尺寸，mm；OM為原始尺寸，mm。

1.3.9 織物斷裂強力測試

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》對處理前后的羊毛織物進行斷裂強力及斷裂伸長的測試。測試試樣的有效寬度為(50±0.5) mm,長度為200mm，經、緯向各取5塊試樣，求平均值。

2 結果與討論

為便于說明，本文中未處理羊毛用M表示，液氨處理后羊毛用LAT表示。

2.1 液氨處理對羊毛表面形態的影響

采用掃描電子顯微鏡對液氨處理前后的羊毛纖維進行表面形態觀察，結果如圖2所示?？梢娢刺幚硌蛎w維鱗片多呈不規則的瓦片狀，鱗片壁較厚，邊緣翹角較大，紋路清晰。而經液氨處理后，羊毛表面鱗片受到損傷，鱗片表層出現裂片，鱗片變薄，翹角變小，角質層表面也出現裂紋，甚至在某些部位出現了鱗片損傷較嚴重的現象。

圖2 液氨處理前后羊毛SEM照片(×3 000)Fig.2 SEM images of wool fibers (×3 000)

2.2 液氨處理對羊毛橫截面的影響

液氨處理前后羊毛纖維的橫截面圖如圖3所示?？梢娢刺幚硌蛎w維鱗片呈不規則的橢圓形，而經液氨處理后，羊毛鱗片變得平滑，纖維取向度增大，橫截面逐漸變為較規則的圓形。這是由于液氨具有較低的表面張力，很容易滲透到纖維中，同時由于液氨處理對鱗片表層的破壞作用，液氨能快速地滲透進羊毛纖維內部，增加纖維的溶脹性能，羊毛纖維橫截面排列逐漸變得規則，取向度增大。

圖3 液氨處理前后羊毛橫截面圖(×1 000)Fig.3 Cross sections of wool fibers (×1 000)

2.3 液氨處理對羊毛表面化學結構的影響

采用X射線光電子能譜(XPS)分析液氨處理前后羊毛表面元素含量以及價鍵結合狀態，揭示羊毛表面化學結構的變化情況,結果如圖4所示。

圖4 液氨處理前后羊毛纖維的X射線光電子能譜圖Fig.4 XPS images of wool

由圖4可見，在0～600 eV能譜范圍內觀察到4個特征峰[7-8]：S 2p、C 1s、N 1s和O 1s，未處理羊毛4個特征峰對應的結合能分別為161、282、397、529 eV，而經液氨處理后，由于液氨能與羊毛纖維上的極性基團羥基(—OH)、氨基(—NH2)、酰胺基(—CONH—)、羧基(—COOH)等形成分子間結合力以及共價鍵結合，電子云密度發生變化，導致其內層結合能及表面元素含量發生改變。液氨處理后羊毛表面元素含量如表1所示。

表1 液氨處理前后羊毛纖維表面元素含量Tab.1 Surface element contents of wool fiber before and after liquid ammonia treatment

表1顯示，由于羊毛鱗片表面類脂層的存在，未處理羊毛表面C元素含量為76.47%，遠高于羊毛纖維總體的C含量(49%～52%)[9]。經液氨處理后，N元素含量增加7.8%，S元素含量減少8.5%，C元素含量略微降低，O元素含量基本不變。這是由于液氨分子量小，密度低，具有極強的滲透性，很容易滲透鱗片表層進入鱗片外層，破壞胱氨酸二硫鍵，形成胱氨酸氧化物，從而降低硫元素含量；而液氨不僅易與纖維大分子間的親水性基團形成分子間結合增加N元素含量，而且還能與羊毛角蛋白中的酸性氨基酸殘基反應，增加酰胺鍵的含量。而C元素含量略微降低，則表明液氨對鱗片表層的類脂結構有一定的破壞作用，能促使液氨更快的滲透到鱗片外層。因此，液氨對羊毛纖維鱗片層的作用主要集中在羊毛纖維的鱗片外層。

采用自動分峰程序對液氨處理前后的羊毛纖維進行分峰擬合，結果如圖5、6所示。

圖5 液氨處理前后羊毛纖維C 1s擬合曲線Fig.5 C 1s fitting curve of wool fiber

圖6 液氨處理前后羊毛纖維S 2p擬合曲線Fig.6 S 2p fitting curve of wool fiber

圖6顯示，羊毛纖維中的S元素主要以二硫鍵以及硫的氧化物2種價鍵形式存在。未處理羊毛的二硫鍵主要存在于164.4 eV波峰處，占比為87.74%，硫的氧化物存在168.2 eV波峰處[11]，占比為12.26%。液氨處理后羊毛纖維二硫鍵含量減少，占比下降為81.19%，硫的氧化物含量增加，占比增加為18.81%。這是由于液氨是具有還原性的極性基團，容易切斷羊毛纖維上的二硫鍵，胱氨酸含量降低，生成含有巰基(—SH)的半胱氨酸，而巰基極不穩定容易被氧化成含有磺酸基以及胱氨酸氧化物的分子[12-14]，導致液氨處理后S元素含量降低。

2.4 液氨處理對羊毛表面官能團的影響

液氨處理前后羊毛纖維的紅外光譜圖如圖7所示。

圖7 液氨處理前后羊毛纖維的紅外光譜Fig.7 FTIR spectrum of wool fiber before and after liquid ammonia treatment

2.5 液氨處理處理對羊毛織物理化性能的影響

通過測試液氨處理后羊毛纖維的質量損失率、堿溶解度、斷裂強力以及斷裂伸長等指標分析研究了液氨對羊毛理化性能的影響，具體指標如表2所示。

表2 液氨對羊毛織物理化性能的影響Tab.2 Effect of liquid ammonia on physical and chemical properties of wool fabrics

由表2可見，液氨處理后羊毛纖維的失重率增加，這是由于液氨對羊毛表面鱗片以及二硫鍵的破壞，提高了羊毛纖維的親水性能，羊毛的回潮率增加；而堿溶解度的增加，則表明液氨處理能促進堿對羊毛肽鍵的催化水解能力。液氨處理后羊毛纖維的斷裂強力下降，斷裂伸長率提高，液氨處理后羊毛纖維具有較大的延伸性和良好的回復性能。斷裂強力下降是由于液氨處理后羊毛表面鱗片發生損傷甚至脫落，成為羊毛纖維的薄弱環節，在受到外力作用時，拉伸應力首先作用于纖維的弱點處[15-16],弱點部分被破壞，形成許多裂紋和空穴，且裂口隨著應力增加而逐漸擴大。隨后應力作用在大分子鏈段上，使二硫鍵和鹽式鍵發生斷裂，分子鏈段發生滑移直至被拉斷。而斷裂伸長率的增加是由于液氨處理破壞了羊毛纖維的二硫鍵，增加了羊毛纖維大分子肽鏈間的α-螺旋結構，且液氨是極性分子能與羊毛纖維大分子間形成穩定的化學交聯阻礙分子鏈間的相對滑移。

2.6 液氨處理對羊毛纖維氈縮性能的影響

液氨處理前后羊毛纖維的抗皺以及防氈縮性能指標如表3所示。

表3 液氨處理對羊毛纖維氈縮性能的影響Tab.3 Effect of liquid ammonia on felting properties of wool fabrics

由表3可看出，液氨處理后，羊毛織物的折皺回復角增大，折皺回復性提升。水洗后的面積氈縮率降低了18%，洗后外觀等級提升。這表明液氨處理能夠一定程度改善羊毛纖維的氈縮性能，提高織物的尺寸穩定性。這是由于液氨處理對羊毛表面鱗片的破壞，降低了鱗片的定向摩擦效應，導致織物防氈縮性能有所提升。

3 結 論

本文通過利用連續性液氨整理機對精紡毛織物進行液氨整理，并通過現代表征手段對液氨處理后的毛織物進行分析研究，得到以下結論。

①液氨處理破壞了羊毛表面鱗片，使其鱗片變薄，翹角變小，鱗片表層出現裂片，甚至某些表面出現鱗片損傷較嚴重的現象；液氨處理后羊毛的橫截面逐漸由不規則的橢圓形變為較規則的圓形，取向度增大。

③液氨處理破壞了羊毛的二級結構，β-折疊含量降低，α-螺旋和無規卷曲含量增加，液氨處理后羊毛的二硫鍵斷裂形成胱氨酸氧化物。

④液氨處理后羊毛纖維的質量損失率及堿溶解度增加，斷裂強力下降，斷裂伸長率提高；同時，織物折皺回復角增大，面積氈縮率降低，水洗后織物的尺寸穩定性提高，表明液氨處理提高了羊毛織物的抗皺性能和防氈縮性能。