全 文 :第38卷 第3期
2012年6月
东华大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF DONGHUA UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)
Vol.38,No.3
Jun.2012
文章编号:1671-0444(2012)03-0261-05
收稿日期:2011-06-13
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(11D10104)
作者简介:陈 博(1987—),女,江苏无锡人,硕士,研究方向为纺织材料与纺织品设计.E-mail:chenbomail@mail.dhu.edu.cn
徐广标(联系人),男,副教授,E-mail:guangbiao_xu@dhu.edu.cn
超声波处理对木棉/棉混纺纱线性能的影响
陈 博a,徐广标a,b
(东华大学a.纺织学院;b.纺织面料技术教育部重点实验室,上海201620)
摘要:采用6种不同条件,利用超声波纯水工艺处理木棉/棉混纺纱线,观察并测试处理前后木棉/
棉混纺纱线外观形态、化学组成、纱线质量损失、拉伸性能、压缩性能以及浸润性能指标,评价超声
波纯水处理工艺对木棉/棉混纺纱线性能的影响.结果表明:经超声波纯水工艺处理后,纱线中纤
维的表面形态结构与化学成分基本没有变化,木棉/棉混纺纱线质量损失率约为6%,主要为木棉
脆断后产生的短绒,木棉纤维中空度有一定的回复,纱线变得蓬松,强力损失严重,处理前后木棉/
棉混纺纱线均显示拒水性.
关键词:木棉/棉混纺纱线;超声波处理;形态结构;性能
中图分类号:TS 195 文献标志码:A
Efect of Ultrasonic Treatment on the Properties of
Kapok/Coton Blended Yarns
CHEN Boa,XU Guang-biaoa,b
(a.Colege of Textiles;b.Key Laboratory of Textile Science &Technology,
Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)
Abstract:The kapok/cotton blended yarns were treated with ultrasonic by water under 6different
conditions.The morphological structure,chemical component,weight loss,tensile property,compression
property,capilary effect and contact angle of the blended yarns were tested to compare the change before
and after treatment.The influence of the ultrasonic treatment with water on these properties of the yarns
was estimated.The results showed that the morphological structure and chemical component of the fibers
had little change after treatment.The weight loss of the yarns were about 6%,and most of them were the
kapok flocks.The percentage of holowness had reverted to some extent,and the yarns became fluffy.
The breaking strength of the yarns became very low.The yarns showed the hydrophobic before and after
the treatment.
Key words:kapok/cotton blended yarn;ultrasonic treatment;morphological structure;property
木棉是一种天然高中空纤维素纤维,其化学成分
主要为α纤维素(35%~50%)、半纤维素(22%~
45%)、木质素(15%~22%)、水分(10%~11%)、蜡
质(3%~5%)、蛋白质(2.1%)、矿物质(1.3%~
2.5%)[1-2].木棉纤维的半纤维素主要包含特殊的木
荃糖CH2OH·(CHOH)3·CHO(大约占23%).木
棉中木质素(由植物学中可知木棉是双子叶植物)主
要成分为愈创木基木质素和紫丁香基木质素(G—S
东华大学学报(自然科学版) 第38卷
木质素)[1,3],其含有大量甲醛基团,降低了纤维和水
分子的结合能力,同时增强了其对非极性液体的吸附
能力[1-2],这是木棉纤维有别于其他天然纤维最重要
的一点[1-6].没有经过处理的木棉纤维不吸水,浮于水
面[4].近年来,木棉纺纱技术的开发[7],使其在纺织上
的应用得到发展,国内外均有相关专利[8-10].
由于木棉纤维表面有脂肪蜡质等异物质,亲水
性差,试剂可及度差,在使用过程中有时需要进行
预处理,提高浸润性能,以方便染整加工,但迄今为
止,仍无成熟的木棉预处理工艺.目前,超声波在纺
织前处理中的研究[11-14]已越来越多,被运用于各种
麻类的脱胶、棉织物的退浆、煮练、漂白等工艺,不
仅可以降低反应温度和反应时间,而且能节约试
剂.超声波设备的普及,更使其大量运用于工业生
产成为可能.本文的研究目的在于将超声波技术运
用于木棉预处理,以期达到改善木棉浸润性能,并
探讨超声波对木棉各种性能的影响.
本文探讨超声波纯水处理木棉/棉混纺纱线,测
试木棉/棉混纺纱线形态结构、化学组成、质量损失率、
拉伸性能、压缩性能及浸润性能等指标在处理前后的
变化,评价超声波纯水处理工艺对木棉性能的影
响,以期为木棉/棉混纺纱线的预处理提供借鉴.
1 试 验
1.1 材料
木棉/棉混纺纱线:混纺比为67/33,线密度为
36.9tex;试剂为去离子水.
1.2 试验方法
超声波纯水处理工艺:根据文献[13]所述,超
声波在温度50℃左右时空化作用最强,并且超声波
纯水作用时间t控制在30min之内就能达到效果,
因此,温度θ分别设为40,50,60℃,时间t分别设
为5,15,25min,根据仪器KQ-500VDE型双频数
控超声波清洗器,超声波频率f设为45和80kHz,
设计试验方案如表1所示,浴比为1∶90.
表1 超声波纯水处理木棉/棉混纺纱试验设计
Table 1 The experiment design for the kapok/cotton
yarns using ultrasonic treated with water
试验号 A1 A2 A3 A4 A5 A6
t/min 5 5 15 15 25 25
θ/℃ 40 60 40 50 60 50
f/kHz 45 45 80 45 80 80
由于木棉/棉混纺纱线质轻且拒水,放入水中
将浮于水面,如图1所示.因此,用铁丝自制成镂空
的长方体装置,如图2所示,将纱线绕在装置上,使
其能够稳定于水中的同时保持一定张力,然后将装
置与纱线放入超声波清洗器.
2 处理前后木棉/棉混纺纱线性能测
试与分析
2.1 形态结构
采用JSM-5600LV型扫描电镜(SEM),对未经
处理的纱线与 A4条件下处理的纱线进行拍摄,处
理前后的纱线表面形态如图3~6所示.
262
第3期 陈 博,等:超声波处理对木棉/棉混纺纱线性能的影响
从图3可以看出,在未经处理的纱线中,木棉纤
维在成纱过程中受到各方压力,有许多木棉纤维被
压扁成条带状;而经过超声波纯水处理烘干过后纱
线变得蓬松,木棉纤维的断头增多,能够清晰地看
到断头截面,如图4所示,说明超声波对木棉/棉混
纺纱线有强烈的机械力作用,使木棉纤维脆损,因
而处理之后,木棉纤维脆断,并脱离纱线主体,成为
质量损失的主要部分.
图5和6为木棉/棉混纺纱线中的木棉纤维与
棉纤维处理前后放大10 000倍的表面.由图5和6
可以看到,处理前的纱线中,不论是木棉纤维还是
棉纤维表面都有块状杂质不规则分布;处理之后纱
线中的木棉纤维表面杂质稍微减少,并没有明显变
化,而棉纤维表面杂质减少较多.因此,超声波纯水
处理对木棉/棉纱线起到一定的洗涤作用,并且使
纱线变得蓬松,表面毛羽增多.
2.2 化学成份
制取木棉/棉混纺纱线粉末试样,KBr压片,波
数为4 000~500cm-1.采用NICOLET 5700型红
外光谱仪测试了未经处理的纱线与A4条件下处理
的纱线的红外光谱,结果如图7所示.
362
东华大学学报(自然科学版) 第38卷
图7 超声波纯水处理前后木棉/棉混纺纱线的红外光谱图
Fig.7 FTIR spectra of kapok/cotton blended yarn before and
after ultrasonic treated with water
由图7可以看出,2 400和1 060cm-1附近的峰
值有变化,其余峰型峰值基本不变.在1 350~650
cm-1区域,有C—O,C—X的伸缩振动和C—C的
骨架振动,还有力常数较小的弯曲振动产生的吸收
峰,因此,光谱十分复杂.该区域中各峰的吸收位置
受整体分子结构影响较大,分子结构稍有不同,吸
收峰就有细微差异,所以称这个区域为指纹区[15].
1 060cm-1附近为纤维素特征族峰,两条曲线的出
峰处非常接近,仅峰值有细微差距,因此,超声波纯
水处理对木棉/棉混纺纱线的化学成分没有影响.
而2 400cm-1附近的峰值可能为三键、累积双键等
的伸缩振动吸收峰[15],超声波纯水处理后其峰型改
变,峰值降低,说明处理过程中可能发生能量的变
化,造成如 帒C C, C C C, C C O等化学键的变
化.超声波纯水处理前后,木棉/棉混纺纱线的化学
成分基本没有变化,可能存在大分子中部分化学键
的变化.
2.3 质量损失率
采用FA2004A型电子分析天平,将处理前后
的纱线放在硅胶干燥器中,平衡24h后称质量,得
到处理前后质量分别为 m0和m1,纱线的质量损失
率按式(1)计算.
U =m0-m1m0 ×
100% (1)
木棉/棉混纺纱线经超声波纯水处理后质量损
失测试计算结果如表2所示.
表2 超声波纯水处理后木棉/棉混纺纱线质量损失率
Table 2 The rate of mass loss of kapok/cotton blended yarns
after ultrasonic treated with water %
试验号 A1 A2 A3 A4 A5 A6
U 5.80 5.20 6.20 6.00 6.00 5.30
从表2可以看出,在6种处理条件下,超声波纯
水处理木棉/棉混纺纱线质量损失率无明显差异,
均在5%~7%之间,对处理后烧杯中残留物观察可
得,损失的基本为木棉纤维脆断后产生的短绒.
2.4 拉伸性能
木棉/棉混纺纱在恒温恒湿室内平衡24h,温
度为(20±2)℃,相对湿度为(65±3)%,采用 YG
061型电子单纱强力仪测试断裂强力与断裂伸长
率,测量50次.试样长度为500 mm,拉伸速度
为500mm/min.
木棉/棉混纺纱超声波纯水处理前后纱线拉伸
性能的测试计算结果如表3所示.由表3可以看出,
纱线强力损失因处理条件不一样而有所差异,但强
力损失率均超过28%,最大接近38%,而纱线的断
裂伸长率相对未处理略有减小.因为本文选用的木
棉/棉混纺纱线中的木棉含量已超过60%,其断裂
强度为10.55cN/tex,断裂强度CV值超过15%,
与普通棉纱的断裂强度(大于15cN/tex)相差较大.
木棉纤维实际扭转刚度较大,纱线中大量木棉脆
断,使纱线中各纤维产生力的不平衡,纱线力学性
能损失严重.
表3 超声波纯水处理后木棉/棉混纺纱线强力损失率与
断裂伸长率
Table 3 The strength reduction and breaking elongation
percentage of kapok/cotton blended yarns after
ultrasonic treated with water %
试验号 A1 A2 A3 A4 A5 A6
强力损失率 37.99 36.70 28.88 32.13 34.37 32.68
断裂伸长率 -0.97 -0.63 0.20 -0.86 -0.92-1.02
2.5 压缩性能
在硬纸板中间剪去2cm×2cm的正方形,一组
对边上贴双面胶,将纱线剪成长度约2.5cm纱段,
沿与另一组对边平行的方向将纱段两端固定在双
面胶上,紧密排列成片状制成所需试样.采用
KES-FB-3型压缩测试仪,面积为2cm2的圆形测头
以恒定速度0.005cm/s垂直压向试样,测得压力p
与厚度T 间的关系曲线,得到压缩比功与压缩功回
复率.压缩比功W(cN·cm/cm2)按式(2)计算.
W =∫
Tm
T0
pdT (2)
式中:p为单位面积试样所受的压力(cN/cm2);T
为受压试样的厚度(mm);T0是压力为0.5cN/cm2
时试样的厚度(mm);Tm是最大压力pm下的试样厚
度(mm).
压缩功回复率为回复功占压缩比功的百分数.
木棉/棉混纺纱超声波纯水处理前后纱线压缩
462
第3期 陈 博,等:超声波处理对木棉/棉混纺纱线性能的影响
性能测试计算结果如表4所示.由表4可以看出,处
理后纱线的压缩比功都有不同程度的增加,但差别
不大,表明纱线处理后,其蓬松度有所增加,而压缩
功回复率呈现比较明显的降低,表明处理后木棉/
棉混纺纱线耐压缩性变差,从纱线的电镜照片观察
和压缩比功的增加,可以推测木棉纤维的中空度有
一定回复.
表4 超声波纯水处理前后木棉/棉混纺纱线压缩比功与压缩功回复率
Table 4 The compression work and compressed response rate of kapok/cotton blended yarns before and
after ultrasonic treated with water
试验号 未经处理 A1 A2 A3 A4 A5 A6
压缩比功/(cN·cm·cm-2) 0.63 0.75 0.79 0.73 0.65 0.67 0.59
压缩功回复率/% 41.3 40.0 38.0 41.1 33.8 43.3 30.5
2.6 浸润性能
采用YG(B)871型毛细管效应测定仪,用含重
铬酸钾质量分数为0.5%的溶液显色,测试30min
后纱线的毛细高度(mm),简称毛效.
采用OCA15EC型光学接触角测量仪,将纱线
整齐紧密地制成铺片,采用铺片法测量纱线铺片的
静态接触角(°).
分别测试木棉/棉混纺纱超声波纯水处理前后
纱线接触角和毛细高度[16-17],测试结果如表5所示.
从表5可以看出,处理前后木棉/棉混纺纱线接触角
测试结果均超过130.0°,毛效均接近0,表明各种条
件处理后的木棉/棉混纺纱线均具有拒水性,其浸
润性能改善不明显.
表5 超声波纯水处理前后木棉/棉混纺纱线接触角与毛细高度
Table 5 The contact angle and the height of capilary of kapok/cotton blended yarns before and
after ultrasonic treated with water
试验号 未经处理 A1 A2 A3 A4 A5 A6
接触角/(°) 136.90 132.95 136.50 135.65 130.52 137.57 134.58
毛细高度/mm 0 0 0 0 1.0 0 0
超声波纯水处理对木棉纤维浸润性能的改善
结果不理想,原因可能为一方面木棉表面的蜡质层
保护了木棉纤维,使木棉纤维对超声波纯水处理具
有一定耐受性,目前使用的试验条件过于温和,另
一方面超声波对其表面有一定作用,但由于木棉纤
维表面物质在超声波作用下洗脱后不能稳定地分
散在纯水中,因而又回到纤维表面[11].
3 结 语
(1)木棉/棉混纺纱线经过超声波纯水处理后,
纱线变得蓬松,化学成份基本保持不变,木棉纤维
中空度有部分回复;
(2)经超声波处理后,纱线质量损失率约6%,
强力损失率较大,表面浸润性能没有明显变化,纱
线处理前后均具有拒水性;
(3)试验采用的6种不同处理条件对木棉/棉
混纺纱线的外观形态、化学组成、纱线质量损失、拉
伸性能、压缩性能以及浸润性能影响差异较小,没
有明显地改善木棉/棉混纺纱线表面浸润性能,有
待采用比水更具有反应性的液体(如碱液等)进行超
声波处理,探讨其对木棉/棉混纺纱线性能的影响.
参 考 文 献
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东华大学学报(自然科学版) 第38卷
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