冷冻处理对丝织物结构和性能的影响

胡振超，裘録杰，刘成霞，徐秀娟(浙江理工大学 成人教育学院，杭州 310018)

冷冻处理对丝织物结构和性能的影响

胡振超，裘録杰，刘成霞，徐秀娟
(浙江理工大学 成人教育学院，杭州 310018)

将蚕丝织物在－28℃条件下进行冷冻处理，利用扫描电镜、红外光谱分析仪、X射线衍射仪对处理前后丝织物的形态结构进行表征，利用织物拉伸仪和织物透气性测定仪等对织物的力学性能、吸湿性能、透气性等进行测试和分析。结果表明，对丝绸织物湿冷处理后，织物的表面形态发生变化，力学性能与冷冻时间有明显的相关性，透气性能明显增加。

冷冻处理；丝织物；物理性能；透气性能

蚕丝作为优良的服饰材料，有着“纤维皇后”的美誉。然而，真丝作为夏季和内衣服装面料在舒适性方面仍然存在不少问题，如出汗后易沾身、冬季内衣有接触冷感、产品保形性差、弹性差，等等。对蚕丝内在的品质进行改造而不影响其原有的属性和风格，是丝绸织物研究的热点。长期以来，研究人员致力于对蚕丝纤维的改性，采取物理、化学及基因技术等改性方法，以进一步改善丝绸类产品的物理化学性能，但这类研究重点多在于蚕丝纤维的化学性能、热湿、日照等作用对机械物理性能的影响，对生丝或蚕丝蛋白受低温冷冻处理后其性能变化的研究相对较少[1-3]，对丝织物进行冷冻处理，探讨织物性能变化的研究，很少有文献报道。为此，本研究选用常用的丝织绉类织物为对象，探讨冷冻处理对丝织物的吸湿性能、透气性能和力学性能等物理性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料及仪器

1.1.1 试验材料

真丝双绉1：面密度80 g/m2，表观厚度0.19 mm；真丝双绉2：面密度90 g/m2，表观厚度0.23 mm。

1.1.2 试验仪器和设备

YG461D织物透气量仪，LLY-01电子硬挺度仪，YG541织物折皱弹性测试仪，YG065织物强力机，Y802八篮恒温烘箱，JSM-5610LV扫描电镜SEM，ARL X射线衍射仪，Nicolet 5700傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 试样处理

丝织物→蒸馏水调湿→－28 ℃冷冻处理一定时间→室温解冻→50 ℃干燥2 h→恒温恒湿室平衡24 h→备用。其中，蒸馏水调湿处理是指将丝织物直接放入蒸馏水中，使丝织物完全吸水，文后提到的调湿处理均指将丝织物直接放入蒸馏水中，使织物完全吸水的过程。

1.3 测试方法

表面形态观察：采用扫描电子显微镜(JSM-5610LV型)观察样品的表面形态。

X射线衍射(XRD)测试：采用ARL X射线衍射仪测试样品的内部结构。测试条件：Cu靶Kα射线，管压40 kV，管流40 mA，扫描速度5(°)/min，扫描范围为5°～50°。

红外光谱(FTIR-ATR)分析：利用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet 5700)，在全反射模式下测定样品的红外光谱图。

织物回潮率测试：根据GB/T 6503—2001《合成纤维长丝回潮率试验方法》测试样品的回潮率。

织物透气性的测定：根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性测定》测定样品的透气性。

织物断裂强度的测定：根据GB/T 3923.1—1997《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》测试样品的断裂强度。

2 结果与讨论

2.1 冷冻处理对丝织物表面形态的影响

利用扫描电子显微镜分别对未经处理的原样、直接冷冻处理的丝织物、蒸馏水湿后冷冻处理48 h的丝织物的表面形态进行观测，结果如图1所示。

从图1可以看出，与未处理丝织物(图1a)相比，未调湿的织物经过冷冻处理后，表面形态基本不变(图1b)，但蒸馏水调湿处理的织物经冷冻处理后，经线与纬线在交织点处空隙变大，部分经线(或纬线)之间产生较大的空隙(图1c)。这是因为未调湿的丝织物中，水分含量在10 %左右(回潮率11 %左右)，冷冻后体积膨胀不多；而调湿处理后，湿态丝织物中含有大量水分，经过冷冻处理，由于冰的比重比水小，水成冰后体积变大，导致纤维间的空隙增大。

2.2 冷冻处理对丝纤维结晶度的影响

图2为原样、未调湿样品冷冻处理及调湿样品冷冻处理(湿态冷冻)不同时间后的X射线衍射图。从图2可知，各蚕丝纤维均在2θ＝20.5°处出现X射线衍射主峰，这是具有较高取向的β型结构丝素的特征峰[4-5]。但峰的强度具有明显的差异，未调湿样品经过冷冻处理后与原样的曲线基本重合，而经过48 h冷冻处理的样品主峰强度下降最为明显，其他调湿处理样品的峰强度也有不同程度的下降，可见调湿处理后冷冻，使丝织物的结晶程度有所下降。分析是由于调湿处理及冷冻过程中，部分水分子进入了纤维大分子之间，当水分子结冰后，体积膨胀使纤维分子原先的规整排列遭破坏，从而使结晶度下降。而随着冷冻时间的增加，由于升华现象而使结晶度又有所提高。

图2 冷冻处理对丝纤维结晶度的影响Fig.2 Infl uence of the Freezing Treatment on theCrystallinity of Silk Fibers

2.3 冷冻处理对丝纤维结构的影响

图3为试样通过调湿后，在湿态下经过不同时间的冷冻处理后的红外光谱图。由图3可知，在酰胺I区域(对应C＝O的伸缩振动，丝蛋白的红外光谱中酰胺I区域的信号最强烈)内，调湿状态下经过冷冻处理后，位于1 630 cm-1附近的特征峰无明显偏移，此特征峰位为β-折叠结构[6]。这表明在一定的范围内，蚕丝经冷冻处理后，没有新的化学结构和功能性基团生成，试样的主体化学结构没有明显变化，但是各特征吸收峰处的谱带强度有所减弱，分析其原因是纤维在低温作用下，有部分结晶带被破坏，导致一些特征谱带的强度有所下降。

图3 冷冻纤维的FT-IR光谱Fig.3 FT-IR Spectra of Frozen Silk Fibers

2.4 冷冻处理对织物回潮率的影响

表1为原样、未调湿样品和调湿样品经过48 h冷冻，并在50 ℃下烘干后，经过标准温湿度条件下平衡24 h以上的回潮率测试结果。

表1 冷冻处理对织物回潮率的影响Tab.1 Infl uence of the Freezing Treatment on the Moisture Regain of Silk Fabrics

由表1可知，调湿后冷冻处理的丝织品的回潮率(吸湿性)略有增加，未调湿的丝织品冷冻处理后回潮率略有减小，但影响不大，变化率不超过±5 %。

2.5 冷冻处理对织物透气性的影响

图4是丝织物调湿后，在湿态下经过冷冻处理后，织物的透气性变化情况。从图4可以看出，湿冷处理对织物的透气性有显著的影响。处理后1 h内，织物的透气率快速上升，到1 h时达到原样的200 %以上，但冷冻处理2 h后，织物的透气率有所下降，随着时间的延长，透气性基本趋于稳定。这是因为湿态丝织物经过－28 ℃的环境中冷冻处理后，丝织物中的水结冰后体积膨胀，一方面，造成原有丝纤维之间的应力平衡被破坏，使少量纤维出现裂痕或微小的空穴，另一方面，交织点之间因为含水量较大，从而使体积变化更为明显，这从图1中可以得到很好的说明。当冷冻的丝织物从低温状态回复到常温状态，经过在50 ℃的环境中干燥后,大量的物理吸附水分被蒸发，因结冰而体积膨胀所产生的裂痕或微小的空穴和增大的交织点处的空隙率被保留下来，从而使织物的透气性增加。

图4 冷冻处理时间对织物透气性的影响Fig.4 Infl uence of the Freezing Treatment Time on the Air Permeability of Silk Fabrics

2.6 冷冻处理对织物断裂强度的影响

图5 冷冻处理时间对织物断裂强度的影响Fig.5 Infl uence of the Freezing Treatment Time on the Breaking Strength of Silk Fabrics

图5 为织物强度保留率随冷冻处理时间的变化关系图。由图5可知，在调湿状态下，对丝织物进行湿冷处理，在处理时间为3 h以内时，随着冷冻处理时间的增加，织物的断裂强度明显下降。但3 h以后，下降速度趋于缓慢，15 h后基本不变，处于平衡状态。原因是一方面丝织物经过冷冻处理后，由于水变成冰后体积的变化，丝织物中的部分丝纤维因膨胀压力而产生应力应变乃至部分破坏，从而使丝织物在拉伸时的强力下降；另一方面当丝织物经过冷冻处理后，水结冰时体积膨胀所产生的应力使部分丝素分子链结构产生相对滑移，部分结晶被破坏，部分化学键产生错位甚至断裂[2]。

3 结 论

1)冷冻处理对丝织物透气性和力学性能的影响程度取决于冷冻处理前丝织物是否调湿。

2)在未调湿状态下，冷冻处理对丝纤维的结晶度影响不大，织物表面形态基本不变，织物吸湿性能、透气性能和力学性能等变化很小。

3)丝织物经调湿、冷冻处理后，经纬线之间的空隙有所增加；丝纤维的结晶度与冷冻时间有明显的相关性，开始时随着处理时间的增加，结晶度下降，处理时间继续增加，结晶度又有所增加。

4)冷冻处理使织物的透气性能明显增加，但丝织物的力学强度随着冷冻时间的增加而有所下降。从综合效果看，冷冻处理0.5～1 h的效果最好。

[1]LI Mingzhong, ZHANG Changsheng, LU Shenzhou, et al. Infl uence of Repeated Freeze-Thawing on the Structure and Properties of Porous Silk Fibroin Materials.[J]. Polym Adv Technol, 2007(13): 605-610.

[2]钱镇海.生丝冷冻对其机械物理性能的影响[J]. 四川丝绸, 2005(3)：13-14.

[3]LI M, LU S, WU Z, et al, Study on porous silk fibroin materials: 1. Fine structure of freeze-dried silk fibroin [J]. Appl. Polym. Sci, 2001, 79: 2185-2191.

[4]袁波，杨爱明, 莫威，等.聚合物材料的XRD法结晶度测定[J]. 昆明理工大学学报，2001，26(ZL)：40-43.

[5]Cristian C Rusa, Clifford Bridges, Ha Sung-won, et al. Conformational Changes Induced in Bombyx mori Silk Fibroin by Cyclodextrin Inclusion Complexation [J]. Macromole-cules, 2005, 38(13): 5640-5646.

[6]王国祯，胡皆汉，滕瑛.丝蛋白分子的红外光谱研究[J].光谱学与光谱分析，1992，12(1)：35-38.

Infl uence of the Freezing Treatment on the Structure and Performance of Silk Fabrics

HU Zhen-chao, QIU Lu-jie, LIU Cheng-xia, XU Xiu-juan
(Adult Education College, Zhejiang Sci-tech University, Hangzhou 310018, China)

The silk fabrics are frozen in minus 28 degrees. The configuration of silk fabrics were characterized by scanning electron microscopy, infrared spectroscopy and X-ray diffraction, and the mechanical properties, hygroscopic property and air permeability of fabrics were analyzed by fabric extensometer, before and after treatment, respectively. The results showed that freezing treatment after humidified caused the surface texture of the silk fabrics changing, while the physical properties of silk fabrics depended on the treatment time, and the hygroscopic property and air permeability increased significantly.

Freezing treating; Silk fabrics; Physical properties; Air permeability

TS102.33

A

1001-7003(2010)11-0013-04

2010-09-10

胡振超(1987－ )，男，本科生，专业为服装设计与服装材料。通讯作者：徐秀娟，高级实验师，zstuxxj@ zstu.edu.cn。