巴素蘭處理前后牦牛絨纖維形態結構與力學性能評價

2024-04-01 10:14:58儲子晴張雪冰王洪昌徐廣標

毛紡科技 2024年3期

儲子晴,劉葉,張雪冰,羅浩,王洪昌,沈華,徐廣標

(1.東華大學紡織學院,上海 201620; 2.雅瑩集團股份有限公司,浙江嘉興 314000)

牦牛是生活在我國青藏高原及其毗鄰高寒地帶的一種重要畜牧品種。因生活環境嚴寒惡劣,牦牛全身長滿粗長厚實的被毛,被毛下層為細密保暖的絨毛,即牦牛絨纖維。牦牛絨纖維是一種細軟滑糯、透氣性、保暖性極佳的特種纖維,常用于制作精紡圍巾、毛衫、大衣等,在高檔面料市場備受歡迎[1]。

牦牛絨纖維表面的鱗片結構是導致牦牛絨織物氈縮的主要原因,同時影響織物的日常穿著體驗及護理。目前對牦牛絨纖維的研究主要包括以下3個方面:一是對牦牛絨纖維結構與性能的研究,包括對牦牛絨形態結構及力學性能的評價,常通過將牦牛絨纖維與其他特種纖維如羊絨、兔絨、駱駝絨等進行對照分析[2-3];二是對牦牛絨纖維脫色工藝的研究,由于牦牛絨顏色多為紫色、褐色等深色,為了提升牦牛絨的顏色多樣性,一般對其進行脫色處理,常用的方法有氧化-還原脫色法,可以有效改善纖維的白度[4-5];三是牦牛絨纖維可紡性能的提升,牦牛絨纖維長度、細度離散性較大,純紡較困難,常采用混紡方法提升其可紡性,通常與羊毛、錦綸、桑蠶絲等進行混紡[6-7],也可與新型纖維素纖維(如優可絲纖維)混紡,從而提升纖維的可紡性,混紡紗線的力學性能優異[8]。

1 試驗部分

1.1 材料

試驗原料為棕色牦牛絨纖維、巴素蘭牦牛絨纖維,樣品均由雅瑩集團股份有限公司提供,宏觀形態如圖1所示。

圖1 纖維原料

1.2 測試方法

1.2.1 纖維表面形態測試

將纖維樣品制好后對其表面進行真空噴金處理,使用TM3000掃描電子顯微鏡(日立高新技術公司)觀察纖維表面形態。

1.2.2 纖維卷曲度測試

參照GB/T 14338—2022《化學纖維短纖維卷曲性能試驗方法》,將纖維于恒溫恒濕室(溫度(20±2) ℃,相對濕度(65±5)%)中調濕24 h,使用XCP-1A纖維卷曲彈性儀(上海新纖儀器有限公司)測試纖維的卷曲數并計算出卷曲率,參數設置為輕負荷0.002 cN/dtex,重負荷0.050 cN/dtex。每種纖維測試20 根,結果取平均值。卷曲率計算公式見式(1)。

(1)

式中:J為纖維的卷曲率,%;L0為纖維在輕負荷下測得的長度,mm;L1為纖維在重負荷下測得的長度,mm。

1.2.3 纖維細度測試

參照GB/T 10685—2007《羊毛纖維直徑試驗方法投影顯微鏡法》,將纖維于恒溫恒濕室(溫度(20±2) ℃,相對濕度(65±5)%)中調濕24 h,使用尼康E200-F生物顯微鏡(尼康精機(上海)有限公司)拍攝纖維照片,使用imagej軟件隨機測量200根纖維直徑,結果取平均值。

1.2.4 纖維摩擦性能

在溫度(20±2) ℃、相對濕度(65±5)%的恒溫恒濕室中先對纖維進行24 h調濕,再通過將纖維與金屬摩擦輥摩擦,采用XCF-1A纖維摩擦系數測試儀(上海新纖儀器有限公司)分別測試纖維的順向、逆向摩擦因數,計算出纖維的定向摩擦效應(DFE)。定向摩擦效應計算見式(2)。

(2)

式中:μ逆為逆向摩擦因數;μ順為順向摩擦因數。

1.2.5 纖維拉伸性能測試

參照GB/T 14337—2022《化學纖維短纖維拉伸性能試驗方法》,使用XQ-1纖維強伸度測試儀(上海新纖儀器有限公司)測試經過在恒溫恒濕室中調濕24 h 的纖維拉伸性能。參數設置為拉伸速度20 mm/min,夾持距離10 mm,預張力值0.2 cN,試驗環境溫度20 ℃,相對濕度65%。2種纖維各測試100根,結果取平均值。

1.2.6 纖維彎曲性能測試

對經過在恒溫恒濕室中調濕24 h的纖維樣品進行制樣,在1張紙上開10 cm×1 cm的長方形孔,孔的長邊黏貼雙面膠,將纖維從左到右平行均勻排列黏貼,梳理散落的纖維,使其相互平行,如圖2所示。在溫度為20 ℃、相對濕度為65%的環境中使用KES-FB-2彎曲試驗儀(日本加多技術有限公司)測量纖維彎曲剛度,計算公式見式(3)～(5):

(3)

圖2 纖維彎曲測試片材樣品示意圖

(4)

(5)

式中:N片材為纖維片材的線密度,tex;W片材為纖維片材質量,g;L為片材樣品的寬度,cm;n為片材中纖維根數;N單纖為單根纖維的線密度,tex;B單纖為單根纖維的彎曲剛度,gf·cm2/cm;B片材為纖維片材彎曲剛度,gf·cm2/cm。

2 結果與討論

2.1 纖維表面形態

牦牛絨與巴素蘭牦牛絨電鏡照片如圖3所示。從圖3(a)可以看出,牦牛絨表面環繞有完整的、排列緊密的鱗片結構,鱗片邊緣類似鋸齒狀,有凸出尖端。從圖3(b)可以看出,巴素蘭牦牛絨的鱗片被剝除,表面僅可見被鈍化的鱗片邊緣,無鱗片的凸出尖端,表面整體光滑。造成這種現象的原因可能是本文巴素蘭牦牛絨是由次氯酸鈉溶液處理,次氯酸鈉溶液在一定的pH值下,釋放出次氯酸,次氯酸將牦牛絨纖維角質層蛋白質分子氧化分解,進而導致鱗片結構被破壞。

圖3 牦牛絨與巴素蘭牦牛絨纖維電鏡照片

2.2 纖維卷曲

牦牛絨及巴素蘭牦牛絨纖維的卷曲數及卷曲率測試結果如表1所示。巴素蘭牦牛絨卷曲個數相對于牦牛絨增加,卷曲率略有下降且離散性顯著增大。卷曲數量的增加可以增加纖維集合體的蓬松性,有利于提升織物的蓬松度,但纖維的卷曲率減小,可能會影響纖維的彈性。

表1 纖維卷曲性能

2.3 纖維細度

牦牛絨和巴素蘭牦牛絨的細度分布如圖4所示。牦牛絨纖維平均直徑為18.71 μm,變異系數CV值為21.56%;巴素蘭牦牛絨纖維平均直徑為17.42 μm,CV值為26.15%。2種纖維直徑分布都近似于正態分布,對2種纖維之間細度的差異性進行t檢驗,Sig(雙尾)=0.003<0.05(見表2),說明在95%的置信區間內,巴素蘭牦牛絨與牦牛絨纖維直徑差異顯著。巴素蘭牦牛絨纖維更細,這是由于鱗片被剝除后,平均直徑減小,處理過程中纖維鱗片剝除程度不同,纖維細度的離散性也隨之增大。

表2 纖維直徑差異性檢驗

圖4 纖維直徑分布直方圖

2.4 纖維摩擦性能

毛纖維經歷2種類型的收縮,即松弛收縮和氈縮,松弛收縮可逆,氈縮不可逆[11]。毛織物發生氈縮現象將極大地影響其原有織物風格和尺寸穩定性。氈縮是由于毛纖維表面鱗片結構生長方向由根端指向根尖,纖維間相互運動時,相鄰毛鱗片互鎖,逆鱗片摩擦因數大于順鱗片摩擦因數,稱之為定向摩擦效應。防止毛織物氈縮的基本原理就是減小定向摩擦效應[12]。

巴素蘭處理前后牦牛絨的摩擦性能測試結果如表3所示。巴素蘭牦牛絨靜態定向摩擦效應降低7.62%,動態定向摩擦效應降低6.78%,約為牦牛絨定向摩擦效應的一半。導致這一結果的原因是巴素蘭牦牛絨纖維表面更加光滑平整,纖維間運動時可以有效地減少相互穿插、糾纏,降低牦牛絨的定向摩擦效應,減弱氈縮。

表3 纖維摩擦性能

2.5 纖維拉伸性能

纖維的拉伸性能是影響纖維制品力學性能的重要因素之一,采用單根曲線代表法來表征纖維的拉伸過程如圖5所示。從曲線可以看出2種纖維拉伸過程相似。

圖5 纖維拉伸代表曲線

圖6為纖維斷裂強力的分布,都近似于正態分布。為了進一步確定巴素蘭處理前后纖維斷裂強力是否存在明顯差異,對其進行獨立樣本t檢驗,得出Sig(雙尾)=0.439>0.05(見表4),因此在95%的置信區間內,巴素蘭牦牛絨與牦牛絨的斷裂強力差異不顯著。

表4 纖維斷裂強力差異性檢驗

圖6 纖維斷裂強力分布曲線

根據弱點斷裂機制[13],纖維受力會在薄弱環節最先斷裂直至纖維斷裂,且牦牛絨纖維皮質層由緊密排列的皮質細胞堆砌而成,皮質層決定了牦牛絨纖維的力學性能[14]。巴素蘭牦牛絨纖維強力并未因剝鱗反應而受到影響,可能的原因是反應僅在角質層進行,未深入到纖維的皮質層造成強力的損失。

圖7所示為纖維伸長率的正態分布曲線,并對伸長率進行獨立樣本t檢驗,得出Sig(雙尾)=0.011<0.05(見表5),故在95%的置信區間內,巴素蘭牦牛絨與牦牛絨的斷裂伸長率存在顯著差異。巴素蘭牦牛絨平均伸長率降低,伸長率的離散性增大,纖維彈性變差,造成這一結果的原因可能是巴素蘭牦牛絨纖維卷曲率降低且離散性增大,導致纖維的彈性變形能力變差。

表5 纖維伸長率差異性檢驗

圖7 纖維斷裂伸長率分布曲線

2.6 纖維彎曲性能

纖維的彎曲性能決定了纖維的柔軟度,從而影響了紗線、織物的柔軟度,決定服裝手感、造型風格[15]。測得的纖維片材典型彎曲曲線如圖8所示,曲線除有輕微波動外,整體形狀與織物彎曲曲線接近。根據式(3)～(5)計算得到的單纖維的平均彎曲剛度B單纖如表6所示。巴素蘭牦牛絨單纖維平均彎曲剛度小于牦牛絨,彎曲剛度越小說明纖維的柔軟度越好,故巴素蘭牦牛絨柔軟度更佳。巴素蘭處理使得纖維表面更加均勻光滑,同時纖維變細,柔軟度隨之提升。