超声波处理对木棉/棉混纺纱线性能的影响

陈 博，徐广标，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）

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）

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.

木棉/棉混纺纱线；超声波处理；形态结构；性能

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

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.

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.

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.

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 %

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500mm，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 %

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.

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

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 capillary of kapok/cotton blended yarns before and after ultrasonic treated with water

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.

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Effect of Ultrasonic Treatment on the Properties of Kapok/Cotton Blended Yarns

CHEN Boa，XU Guang－biaoa，b
（a.College of Textiles；b.Key Laboratory of Textile Science ＆ Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

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，capillary 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 hollowness 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.

kapok/cotton blended yarn；ultrasonic treatment；morphological structure；property

TS 195

A

2011－06－13

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（11D10104）

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

1671－0444（2012）03－0261－05