精洗工藝條件對羽絨材料洗后性能的影響

韋玉輝，周世杰，許仲童，丁雪梅，吳開明

(1.東華大學服裝與藝術設計學院，上海 200051； 2.安徽工程大學紡織服裝學院，安徽蕪湖 241000； 3.應急管理部上海消防研究所，上海 200032； 4.安徽古麒絨材股份有限公司，安徽蕪湖 241300)

羽絨材料因其優良的保暖性、服用舒適性及來源、加工過程、使用和循環利用等方面的“綠色性”，成為了防寒寢具和服裝用品的首選絮填材料[1-3]。而羽絨材料屬于一種動物源性材料，主要通過宰殺浸燙后機械或手工脫毛等方式獲取，其收集來的羽絨原毛中既含有可作為填充料的毛片、絨子，也混有大量的硬毛片、長毛片、未成熟毛(血管毛)、雜質(泥土、灰沙、油脂、皮屑、血漬、糞便、小血管及羽毛羽絨外的其他雜物)以及大量的細菌病毒等微生物[4-6]。為確保填充料使用的舒適與安全性，必需剔除或抑制其中“無用成份” 的含量, 并經滅菌、消毒處理[1,4,7]。如果“無用成份”不及時清洗，不僅會降低羽絨材料的品質(變色、異味、卷曲、抽縮、手感變硬、蓬松度低、保暖性差等)影響后期使用，而且也會霉變滋生有害細菌病毒引起呼吸道、腸道疾病以及皮膚過敏、瘙癢等人體不適癥狀，甚至危及生命安全[8-10]。然而，目前關于羽絨材料的研究主要集中在羽絨材料表面改性、抗菌整理、羽絨材料性能優化與評測及其制品設計等方面，關于羽絨材料表面污漬清洗機制與綠色清洗工藝的研究相對較少[6,11-12]。同時，水洗既是羽絨材料去除粘附在羽絨材料表面的水溶性、油性、固體、難溶性有機物等污漬，并使含氧量降到最低，達到去灰、脫脂、去臭味、消毒殺菌目的的重要環節，也是使其恢復原有的彈性、回復性、質地、柔軟性、保暖性等，具有良好的干燥性、光澤的重要操作[2,3,13]。此外，目前國內70%的羽絨材料企業均面臨著“高污染、高耗能、洗后性能下降”的問題，與當下國家提倡的綠色、可持續生產的策略相悖[14-16]。因此，本研究提出通過水洗工藝實驗，系統探究精洗工藝條件(洗滌時間、洗滌轉速、漂洗次數、洗滌劑用量、浴比、水溫、水量、洗滌劑用量等)對羽絨材料洗后清潔度、殘脂率、耗氧量、蓬松度等性能的影響，以期能為羽絨材料廠家開發先進的羽絨材料綠色清洗工藝或技術提供理論參考與技術指導。

1 實 驗

1.1 實驗材料與實驗設計

a)實驗材料

本次實驗所用含絨量80%的白鴨絨原料毛材料，羽絨專用洗滌劑、除臭劑，均由安徽古麒絨材股份有限公司提供。同時，實驗過程用到的無水乙醚、高錳酸鉀，從上海麥克林生化科技有限公司購買；3 mol/L 硫酸，從國藥集團化學試劑有限公司購買。

b)實驗設計

為探究精洗工藝條件與羽絨材料洗后性能的關系，本實驗選擇水溫、浴比、洗滌時間、洗滌轉速、漂洗次數、洗滌劑用量作為實驗變量，每個變量設4水平，具體實驗設計如表1所示。另外，其實驗設計方法采用由SAS(Statisticalanalysis system)公司專門開發可根據實驗目的進行多參數、多水平定制設計的JMP軟件完成。此外，在實驗過程中，為降低洗滌負載-羽絨質量對洗后性能的影響，本研究每次實驗采用絕對干燥后羽絨進行實驗，其質量取(15±0.001)g。另外，對獲取的實驗數據主要進行了回歸、標準誤差和t值檢驗分析，并用|t|值大小表示回歸方程的系數顯著性，|t|≤0.000 1表示顯著，|t|>0.000 1表示不顯著。

表1 實驗設計

1.2 實驗設備與測試指標

a)實驗儀器

為模擬工廠精洗工藝條件，本研究使用帶有溫度、浴比、轉速、時間連續可調的數顯式水浴恒溫振蕩器進行水洗實驗。精洗后的羽絨材料采用電熱鼓風干燥機(溫度85 ℃、風速5 m/s)進行烘干處理 2 h，并裝入密封袋，以便后續測試使用。實驗過程還用到了電子天平、燒杯、標準篩網、前處理箱等實驗儀器或設備，詳細的實驗儀器信息如表2所示。

表2 實驗儀器

b)測試指標

為探究精洗工藝條件對羽絨材料洗后性能的影響，按照GB/T 10288—2016《羽絨羽毛檢驗方法》中的5.3、5.4、5.5、5.6、5.7項條款分別對洗后羽絨材料的蓬松度、耗氧量、清潔度、殘脂率、氣味進行測試。

微觀形貌：對精洗工藝處理后，并經烘箱烘干至質量恒定的羽絨材料，進行噴金處理后，采用日本尼康公司D7500型數碼相機和日本日立公司S- 4800型掃描電子顯微鏡對其宏觀形貌和微觀形貌進行測定。

2 結果與討論

2.1 精洗工藝條件對羽絨材料清潔度的影響

精洗工藝條件與羽絨材料洗后清潔度存在密切關系，因此系統探究了不同精洗工藝參數對羽絨材料洗后清潔度的影響，結果如表3所示。由表3可知，影響羽絨材料洗后清潔度的主要因素依次為主洗水溫、洗滌劑用量、主洗時間、主洗轉速、主洗浴比，而漂洗浴比、漂洗次數的影響相對較小。這是因為本實驗所用羽絨材料是經過初洗后的羽絨材料，其表面沉積的污漬種類主要是難去除的難溶性有機污漬(血漬、油漬、生物組織等)和少量的易去除的固體顆粒類污漬(泥土、沙粒、粉塵等)。其中，固體顆粒類污漬大多帶有正電荷或者負電荷，其可以借助表面活性劑的增溶、懸浮、分散、機械攪拌、水流沖刷清除。同時，固體顆粒類污漬與羽絨材料之間的吸附方式屬于吸附力較小的物理吸附，去除其主要依靠物理方式(機械攪拌、水流沖擊等)，故提高浴比(增大水流沖擊力)、增加洗滌轉速(機械沖擊、摩擦)、延長洗滌時間(增加機械沖擊、摩擦、水流沖擊的重復次數)等精洗工藝條件即可將其清除。而且，主洗轉速越大，主洗時間越長，羽絨材料清潔度越高，但超過一定范圍后，主洗轉速、主洗時間、漂洗轉速過大，清洗后殘液清潔度也會變差。因為主洗轉速、主洗時間、漂洗轉速過大，羽毛之間相互摩擦碰撞的次數增加，導致絨纖維斷裂，進而誘導清洗殘液的水質下降，即濁度增大，故在精洗階段，應在保證清潔度的前提下，盡量減少或降低主洗轉速、主洗時間、漂洗轉速。相反，難溶于水的有機污漬一般是通過分子鏈與基質表面基團化學鍵相結合，屬于化學吸附，去除難度較大，需借助洗滌劑的化學溶脹、乳化分解、分子遷移或者能級躍遷才能將其清除。而提升水溫可提高難溶性有機污漬的水解性能及分子運動能，增加洗滌劑用量可使水溶液中表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度，為污漬分子逃逸提供有利條件，故水溫、洗滌劑用量是清除此類污漬的關鍵因素。這也進一步說明了在精洗階段，影響羽絨材料洗后清潔度的主要水洗工藝因素依次是水溫、洗滌劑用量、主洗轉速、主洗時間，而非主洗浴比、漂洗浴比和漂洗次數的原因。

表3 精洗工藝條件對羽絨材料清潔度的影響規律

2.2 精洗工藝條件對羽絨材料蓬松度的影響

由于羽絨材料的精洗過程屬于機械力、水流、洗滌劑等復合作用的過程，其過程羽絨材料會遭遇連續的摔打、摩擦、攪拌等機械外力的作用和洗滌劑的化學作用，一定程度地影響羽絨材料蓬松度，故系統探究了精洗工藝條件對羽絨材料洗后蓬松度的影響，結果如表4所示。由表4可知，經過不同精洗工藝條件處理后的羽絨材料蓬松度差異不大，這是因為決定羽絨材料蓬松度高低的主要因素是羽絨種類、絨子含量。而精洗工藝只是借助機械外力、水流、洗滌劑等物理化學作用將羽絨材料表面污漬清除的過程，其對羽絨種類、絨子含量的影響較小，故精洗工藝條件對羽絨材料蓬松度影響不顯著。另外，發現如果精洗時間過長、精洗次數過多和精洗轉速過大，其清洗后的羽絨材料蓬松度輕微下降。這是因為精洗時間過長、精洗次數過多和精洗轉速過大會增加羽絨材料受機械攪拌和摩擦等外力作用的機會，增加了羽軸、絨朵、絨枝、絨小枝、菱節等被折斷、纏結、揉搓、無序排列的可能，而羽絨材料的蓬松度又與羽絨絨枝、絨小枝排列、絨朵大小等密切相關。

表4 精洗工藝條件對羽絨材料蓬松度的影響規律

2.3 精洗工藝條件對羽絨材料殘脂率的影響

羽絨材料殘脂率過高，易造成制品異味甚至滋生細菌危害健康，過低又將影響其外表結構，使其易破碎造成保暖性下降，故殘值率是評價羽絨材料質量的重要指標之一，故系統探究精洗工藝條件與殘值率的關系是十分必要的，實驗結果如表5所示。由表5可知，不同精洗工藝條件處理前后的羽絨材料殘脂率差異顯著，這說明精洗工藝條件顯著影響羽絨材料殘脂率。其中，顯著影響羽絨材料殘脂率的因素依次為水溫、洗滌劑用量，而主洗浴比、主洗時間、主洗轉速、漂洗轉速、漂洗浴比、漂洗次數的影響相對較小。這是因為本實驗所用的實驗材料屬于初洗后的羽絨材料，其表面沉積污漬主要是油脂類污漬，其他粉塵、沙粒、泥土等易溶于水的污漬在初洗階段已被大量去除。而油脂類污漬具有單疏水鏈、六元環狀結構，其借助自身脂肪酸分子中羥基上的氫原子與羽絨材料內部的蛋白質分子中羥基的氧原子結合形成氫鍵的化學吸附，吸附強力較大，去除阻力較大。同時，羽絨材料表面的油漬是由固體脂肪和油酸(C18∶1)、棕櫚烯酸(C16∶1)、亞油酸(C18∶2)、亞油酸(C18∶3)等不飽和脂肪酸組成[12-14]，其均屬于難溶于水有機污漬，故將其清除僅依靠機械攪拌或水流沖刷很難去除，需通過升高水溫、添加適量的洗滌劑，才能將其去除。因為升高水溫可加速污漬分子長鏈的分解和洗滌劑乳化分解，也可增加分子運動勢能；添加適量洗滌劑使洗滌劑中表面活性劑的濃度大于臨界膠束濃度，以便羽絨材料表面的脂肪酸和脂肪醇借助洗滌溶液中的大量膠束，沖破“柵欄”中，進而實現羽絨表面油漬的增溶清除。綜上所述，在羽絨材料清洗過程中，可通過選擇合適的水溫(45 ℃)和洗滌劑用量(1%)實現降低其表面殘脂率的目標，若通過加大浴比、主洗轉速、主洗時間、漂洗次數不僅殘脂率降低效果不明顯，也會造成能源浪費(水資源、電能)，與當下國家提倡的綠色生產相悖。

表5 精洗工藝條件對羽絨材料殘脂率的影響規律

2.4 精洗工藝條件對羽絨材料耗氧量的影響

由于羽絨材料獲取過程中會沾染禽類血液、組織液、糞便，攜帶大量細菌、病毒，如清洗不徹底很容易造成衛生安全問題。而耗氧量是評價羽絨安全衛生性能的重要指標之一，故探究精洗工藝條件與羽絨材料耗氧量的關系是十分必要的，實驗結果如 表6 所示。由表6可知，在精洗工藝處理中，精洗工藝條件對羽絨材料耗氧量的影響規律和其對羽絨材料洗后殘脂率的影響規律相同，即影響羽絨材料洗后耗氧量的主要因素依次也是水溫、洗滌劑用量，而主洗浴比、漂洗浴比、主洗轉速、漂洗轉速、主洗時間、漂洗次數的影響相對較小。這是因為耗氧量是反應水質受有機物污染程度的指標(即被測水質中含有有機物污染物的數量越多，耗氧量越高)。而殘脂率是反應洗后羽絨材料表面殘留的有機污染物的數量(即被測材料含有有機物污染物的數量越多，殘脂率越高)。顯然，二者均與有機物含量呈正相關關系。同時，精洗階段所用的羽毛材料為初洗后的羽絨材料，其表面污漬主要為難溶性有機污漬，清洗越干凈，其殘脂率越低、耗氧量也越低，故精洗工藝條件對殘脂率和耗氧量存在相同的影響趨勢。

表6 精洗工藝條件對羽絨材料耗氧量的影響規律

2.5 精洗工藝條件對羽絨材料氣味的影響

羽絨材料作為秋冬御寒類紡織品主要的絮填材料，有無異味直接影響消費者對其制品的接受程度。而水洗又是消除羽絨材料自身氣味的最有效的手段之一，因此探究精洗工藝條件于羽絨材料氣味的關系是十分必要的，實驗結果見表7。由表7可知，影響羽絨材料氣味的主要因素依次為洗滌劑用量、漂洗次數、浴比(主洗浴比和漂洗)、水溫，而洗滌轉速、洗滌時間、漂洗轉速的影響相對較小。這是因為洗滌劑用量越大、漂洗次數越多，洗后羽絨材料表面的油脂、污物含量越少，清潔度越高，供微生物繁殖的營養物質越少，微生物繁殖的速度越低，散發的氣味也就越低。同時，羽絨材料含有大量的酯類(有戊烯酸乙酯、羥乙酸酯、4-乙基苯甲酸環戊酯、1，2-苯二甲酸二乙酯等)、胺類(乙酸銨)和含硫化合物(甲基硫磺、二硫甲基、硫代苯甲酸)等揮發性物質，而高溫高濕環境極易誘發酯類物質自動氧化，使其產生嚴重的臭雞蛋或者刺鼻的酸敗味，故在水洗階段應盡量避免過長時間的高溫高濕環境存儲。此外，實驗還發現，不論精洗工藝條件如何設置，精洗后的羽絨氣味(臭雞蛋、刺鼻酸敗味)均明顯減輕，這說明水洗可以有效提升羽絨品質。

表7 精洗工藝條件對羽絨材料氣味的影響規律

2.6 精洗工藝條件對羽絨材料的形貌的影響

由于羽絨材料屬于蛋白質纖維，自身強力較差，易損傷。而水洗過程是一個機械力、水流、羽絨、洗滌劑相互作用的復雜過程，不當洗滌很容易造成羽絨材料損傷。形貌測試是反映其損傷的常用方法之一，故探究精洗工藝條件與其形貌的關系是十分必要的，實驗結果如圖1-圖3所示。由圖1-圖3可知，經過不同精洗工藝條件處理后的羽絨材料的宏觀和微觀形貌存在一定差異。相比于未經洗滌的羽絨材料，累積機械效應大的精洗工藝對羽絨材料宏觀和微觀影響較大，而累積機械效應小的精洗工藝條件，其洗滌后的羽絨材料宏觀微觀形貌變化較小。具體來說，經過累積機械效應大的精洗工藝條件處理后的羽絨材料，絨朵宏觀的朵狀大小變化不大，但絨朵上的絨絲個數有所減少，小部分單根絨絲長度也有一定程度的變短。羽絨材料的水洗工藝處理屬于一個高溫高濕、強機械力(摩擦、攪拌、摔打)及化學(溶解、乳化)等一系列物理化學作用的過程，而羽絨材料又屬于蛋白質類單根纖維絲極細的強力較低的材料，較長時間處于在水洗復雜惡劣環境下很容易損傷。相反，累積機械效應作用較小的水洗工藝處理后的羽絨材料形貌變化不大。同時，對照不同累積機械效應的精洗工藝條件處理的羽絨的微觀形貌，可發現：經過精洗工藝處理后，原來因表面污漬粘附導致羽絨絨絲緊密粘貼在羽軸的現象減輕，說明精洗處理可讓羽絨表面污漬清除；羽絨表面污漬經過累積機械效應大的精洗工藝條件處理后的羽絨材料，羽毛纖維表面的塊狀污漬明顯減少，表面變得更加光滑，但部分受損部位有斷裂、扭曲、拉絲現象；低累積機械效應的羽絨材料表面塊狀污漬也明顯減少，但存在個別羽絲上顆粒狀污漬粘附現象，羽絨材料微觀形貌相對光滑，斷裂、扭曲、拉絲現象明顯減少。說明合理地設置精洗工藝條件，既可清除掉羽絨材料表面的污漬，也不會對其損傷。這也進一步證明了從清洗后羽絨材料性能角度開展水洗工藝研發的必要性。

圖1 羽絨材料原樣形貌

圖2 精洗工藝條件下強累積機械效應對羽絨材料形貌的影響

圖3 精洗工藝條件下弱累積機械效應對羽絨材料形貌的影響

3 結 論

以初洗后羽絨材料作為實驗對象，系統研究精洗階段，主洗水溫、浴比(主洗和漂洗)、主洗時間、轉速(主洗和漂洗)、漂洗次數、洗滌劑用量與羽絨材料洗后的蓬松度、耗氧量、清潔度、殘脂率、氣味的關系，發現：羽絨材料洗后各項指標的主要影響因素不同，具體內容如下：

a)精洗工藝條件對羽絨材料清潔度的影響比較顯著，主要影響因素依次為主洗水溫、洗滌劑用量、洗滌轉速、洗滌時間，而主洗浴比、漂洗浴比、漂洗次數對其影響相對較小，故在羽絨材料精洗過程中，應注意水溫、洗滌劑用量、洗滌轉速、主洗時間的合理選取。

b)精洗工藝條件對羽絨材料蓬松度的影響不大，但過長洗滌時間和過大的洗滌轉速會使清洗后的羽絨材料蓬松度下降，故精洗過程中，應盡量降低洗滌轉速和縮短洗滌時間。

c)精洗工藝對羽絨材料洗后殘脂率和耗氧量的影響趨勢相同，即影響羽絨材料洗后殘脂率和耗氧量的主要因素依次均為水溫、洗滌劑用量、主洗時間、主洗轉速，而漂洗次數、主洗浴比、漂洗浴比、主洗轉速的影響相對較小，故在羽絨材料精洗階段應合理選擇水溫、洗滌劑用量、主洗時間、主洗轉速。

d)精洗工藝對羽絨材料洗后氣味影響較明顯，主要影響因素依次為洗滌劑用量、漂洗次數、浴比(主洗浴比和漂洗浴比)、水溫。而且，還發現不論精洗工藝條件如何設置，水洗后的羽絨氣味(臭雞蛋、刺鼻酸敗味)均明顯減輕，這說明水洗可以有效提升羽絨品質。

e)精洗工藝中累積機械效應的大小會顯著影響羽絨材料宏觀和微觀形貌，故應合理設計羽絨精洗階段的水洗工藝參數組合，以便實現高質綠色清洗羽絨材料的目標。