浆料混溶性对共混浆膜力学性能的影响

武海良， 姚一军， 沈艳琴， 毛宁涛,3

(1. 西安工程大学 纺织与材料学院， 陕西 西安 710048； 2. 陕西科技大学 轻工科学与工程学院，陕西 西安 710021； 3. 英国利兹大学 设计学院， 利兹 LS29JT)

浆料混溶性对共混浆膜力学性能的影响

武海良1， 姚一军2， 沈艳琴1， 毛宁涛1,3

(1. 西安工程大学 纺织与材料学院， 陕西 西安 710048； 2. 陕西科技大学 轻工科学与工程学院，陕西 西安 710021； 3. 英国利兹大学 设计学院， 利兹 LS29JT)

针对浆料混溶性对共混浆膜力学性能的影响，以变性淀粉/聚乙烯醇(PVA)共混物为研究对象，探讨了变性淀粉/PVA间的共混比、PVA醇解度对共混物浆膜性能和浆液黏附力的影响，并通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪对共混浆膜的织态结构进行了微观表征，分析了浆料组分数与浆膜性能的关系。结果表明，当PVA1799与变性淀粉的共混比为40∶60时，共混浆膜的断裂强力、断裂伸长达到最大值，纯棉粗纱的浆液黏附力较理想；低醇解度的PVA会使共混浆膜的相畴增大，结晶性变差，削弱了共混膜的各项力学性能。为提高浆料的混溶性，增强共混膜的力学性能，浆料配方组分宜尽可能少。

浆料混溶性； 浆膜性能； 黏附性能； 浆料组分； 变性淀粉； 聚乙烯醇

浆料是纺织企业织造生产中不可缺少的一类高分子材料[1]。在经纱上浆过程中，为消除单组分浆料在性能上的缺陷，相互取长补短，通常是将多种浆料混配使用，达到优化共混浆膜力学性能的目的[2]。但浆料组分间共混比不当或浆料组分多，势必会影响共混浆料间的混溶性，混溶性不良必然影响共混膜的织态结构，进而降低了共混材料的力学性能[3]。在纺织浆料领域，普遍认为共混浆膜的性能是共混材料性能的具体体现[4-6]，同时共混浆液的黏附性决定了经纱内部单纤维之间的黏合强度及浆膜与纱体的黏合牢度，因而会影响到浆纱的耐磨、增强及毛羽等物理性能指标[7]。可见，研究浆料混溶性与共混浆膜力学性能的关系对改善浆纱质量、发挥纺织浆料的性能都有着重要的参考价值。近年来也有很多研究者对此开展了大量研究，如祝志峰等[8-9]分别对季铵阳离子淀粉、辛烯基琥珀酸淀粉酯与聚乙烯醇(PVA)间的共混膜及共混浆液的性能进行了详细报道。

虽然关于浆料相容性的研究已取得很大的成果[10-11]，但是对各组分间相容性差异给浆纱实际生产工艺所带来的问题及在共混物中带来的负面影响未被重视。鉴于此，本文以浆纱生产中广泛采用的PVA/变性淀粉共混物为研究对象，探讨了PVA/变性淀粉间的共混比、PVA醇解度及浆料组分对共混膜的形态结构与共混物力学性能的影响，实验结果将为合理使用纺织浆料、控制经纱上浆率及提高共混浆膜的力学性能提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

实验材料：聚乙烯醇(PVA1799、PVA1788)；变性淀粉(SPR醚化淀粉，荷兰AVEBE公司生产)；油脂(自制，由动植物油乳化而成)；纯棉粗纱，定量为7.5 g/10 m。

主要仪器：HWS-250型恒温恒湿箱、HD021 N型电子单纱强力仪、HD026PC电子织物强力仪、Quanta-450-FEG+X-MAX50型扫描电子显微镜、Dmax-Rapid Ⅱ型X-射线衍射仪(XRD)。

1.2 实验方法

1.2.1浆膜的制备与性能测试

[4]的方法制备浆膜，试样在相对湿度为65%，温度25 ℃条件下平衡24 h，在HD021 N型电子单纱强力仪进行浆膜性能测试。浆膜拉伸性能测试条件：夹持长度100 mm，拉伸速度 100 mm/min，有效样本容量为20。

1.2.2浆膜耐屈曲次数测试

将浆膜裁成100 mm×5mm的条状试样，置于温度为25 ℃、相对湿度为65%标准环境状态下平衡24 h，然后将浆膜的一端夹在夹子上，另一端用镊子夹住，左右反复摆动浆膜，当浆膜在折口处断裂时记录次数。

1.2.3浆液黏附力测试

按文献[12]的方法进行粗纱黏附力测试，将晾干后的纯棉粗纱条放在恒温恒湿箱(相对湿度65%，温度25 ℃)进行24 h调湿处理，在HD026PC电子织物强力仪上测试其断裂强力和断裂伸长率，所测断裂强力即为粗纱黏附力。测试条件为：试样夹持长度100 mm，拉伸速度100 mm/min，有效样本容量为20。

1.2.4共混浆膜的形态结构表征

利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对共混浆膜的形态结构进行微观观察。研究PVA醇解度及变性淀粉/PVA共混比对共混浆膜的形态结构的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)分别测试共混浆膜的表面形态及断面结构。采用XRD仪对共混浆膜进行X-射线衍射分析，利用NaI晶体闪烁仪器/固体探测器测量样品的衍射强度，扫描范围为5°～60°，步长为0.02°，扫描速度为4(°)/min。 其中，计算结晶度采用MDI Jade软件拟合分析得出。

2 结果与讨论

2.1 浆膜性能

2.1.1共混比对浆膜性能的影响

表1示出完全醇解PVA1799和变性淀粉在不同混比下的浆膜力学性能。

表1 共混比对共混膜力学性能的影响情况Tab.1 Effect of blending ratio on mechanical properties of blend films

从表1可看出，变性淀粉的用量对共混膜的力学性能有着显著的影响。随着变性淀粉含量在共混膜中质量分数的减少，共混膜的断裂强力和耐屈曲性呈先增加再降低的趋势，当PVA和变性淀粉的共混比达到40∶60时，共混浆膜的断裂强度和断裂伸长率达到最大。

图1示出共混膜的断面SEM照片。由图可见，变性淀粉用量对共混浆膜织态结构的影响。可见，随着变性淀粉质量分数的改变，共混膜中PVA与变性淀粉相分离程度发生明显变化，当变性淀粉的质量分数为60%时，相分离程度最小，组分相间的界面模糊，说明PVA与变性淀粉的共混比为40∶60时，两相相畴尺寸最小，界面结合力最强，表现为共混膜的断裂强度最高。

图1 共混浆膜的断面SEM照片(×2 000)Fig.1 SEM images of freeze-fractured surface of blend films(×2 000).(a)Modified starch is 70%； (b)Modified starch is 60%； (c)Modified starch is 50%

图2示出共混浆膜的X衍射图。由图可知，变性淀粉用量对共混膜结晶程度的影响。经计算得出，当变性淀粉含量分别为50%、60%、70%时，共混浆膜结晶度分别为23.50%、36.24%、27.82%。由图还可看出，随变性淀粉含量的变化，共混膜的结晶性发生改变，当变性淀粉的质量分数为60%时，共混膜的结晶性最高，浆膜各项力学性能最好。

注：a—变性淀粉质量分数60%； b—变性淀粉质量分数70%； c—变性淀粉质量分数50%。图2 共混浆膜的X衍射图Fig.2 X-ray diffraction patterns of blend films

2.1.2PVA醇解度对浆膜性能的影响

PVA醇解度对共混浆膜力学性能的影响如表2所示。可看出，随PVA1799含量的降低，共混浆膜的断裂强力、断裂伸长和耐屈曲性显著降低，说明高醇解度的PVA1799有利于提高共混浆膜的断裂强度，除了PVA1799浆膜本身性能优良外，PVA1799与淀粉之间氢键作用大、二者相容性好也是有关系的。

图3(a)是完全醇解PVA1799与淀粉形成的共混浆膜表面的SEM照片，图3(b)是完全醇解PVA1799、部分醇解 PVA1788 及淀粉形成的共混浆膜表面的SEM照片。可看出，低醇解度的PVA1788的加入，使得共混浆膜的相畴增大。

表2 PVA醇解度对共混膜的力学性能影响情况Tab.2 Effect of alcoholysis degree of PVA on mechanical properties of blend films

注：以上浆料组分为完全醇解PVA、部分醇解PVA1788和变性淀粉按质量百分比组成，各组分的含量之和为100%。

图3 共混浆膜的SEM照片(×2 000)Fig.3 SEM images of blend films(×2 000).(a) without PVA1788； (b) 30% PVA1788

图4示出完全醇解PVA1799、部分醇解PVA1788及淀粉共混浆膜的XRD图。经计算得出，PVA1799/淀粉共混膜结晶度为36.24%，含PVA1788的共混浆膜结晶度为27.42%。从结晶度数据可以看出，部分醇解PVA1788的加入，降低了浆膜的结晶性。

注：a—不含PVA1788； b—PVA1788质量分数为 30%。图4 共混浆膜的X衍射图Fig.4 X-ray diffraction patterns of blend films

2.2 浆液黏附力

黏附性能反映了经纱内部纤维间的抱合程度，同时体现了浆膜与纱体的结合牢度。本文分别探讨了PVA与变性淀粉间的共混比、PVA醇解度、浆料组分对纯棉粗纱浆液黏附力的影响。

2.2.1共混比对黏附性能的影响

表示出为完全醇解PVA和变性淀粉在不同混比下对纯棉粗纱黏附性能的影响。由表可见，变性淀粉的用量对粗纱黏附力有着显著的影响。随着变性淀粉质量分数的减少，粗纱黏附力呈先增加再降低的趋势，当PVA和变性淀粉的共混比达到40∶60时，黏附性能最好，有助于改善浆纱质量。这一结果可通过PVA和变性淀粉共混膜的SEM照片解释，因为混合浆液与纱线接触后，在纤维表面进行铺展并形成一层牢固的浆膜与纱体紧紧结合[13]，纱体表面浆膜的性能一定程度上体现了粗纱黏附力的大小。

表3 共混比对黏附力的影响情况

2.2.2PVA醇解度对黏附性能的影响

PVA醇解度对纯棉粗纱黏附性能的影响结果如表4所示。可看出，随PVA1799含量的降低，粗纱黏附力随之降低，说明高醇解度的PVA1799有利于提高共混浆液对纯棉粗纱的黏着性，这是由于PVA1799醇解度大，大分子骨架上—OH数目多，更易于与淀粉分子链上—OH形成氢键，这一特殊相互作用力驱动了二者的相容及缔合，形成的共混浆液在纤维表面进行铺展后，增强了纤维之间的胶结层自身强度，所以表现出高的粗纱黏附力。

表4 PVA醇解度对黏附力的影响情况Tab.4 Effect of alcoholysis degree of PVA on adhesion

注：以上浆料组分为完全醇解PVA、部分醇解PVA1788和变性淀粉按质量百分比组成，各组分的含量之和为100%。

2.2.3浆料组分对黏附性能的影响

表5示出不同浆料组分对纯棉粗纱黏附性能的影响结果。由表可见，含有完全醇解型和部分醇解型PVA与变性淀粉、浆纱油脂形成的多组分共混浆液，对纯棉粗纱的黏附性能不及少组分的PVA1799和变性淀粉浆液的黏附性，油脂的加入犹如在浆液中加入了杂质，使浆膜的致密度下降[14]，浆液对粗纱的黏着力下降。

表5 浆料组分对黏附性能的影响情况Tab.5 Effect of size components on adhesion

注：以上淀粉为变性淀粉SPR。

浆料的黏着性能会影响到浆纱的物理力学性能，决定着对上浆率的需求数值[15]。目前浆料配方组分多，各组分之间混溶性差，削弱了浆液性能，为了使浆纱性能满足织造要求，只能提高上浆率[14]。

少组分浆料和多组分混合浆料的对比实验表明，直接采用变性淀粉和PVA的浆料配方能保证共混物良好的力学性能，浆料配方简单，减轻了浆纱工人的劳动负担，方便浆料管理，避免了多种浆料因为热力学相不同而影响共混物性能，符合浆料配方“少组分”的发展趋势。

3 结 论

1)PVA和变性淀粉的共混比对共混膜的形态结构和共混物的各项力学性能有显著影响。当二者共混比为40∶60时，共混膜的断裂强力、断裂伸长率最大，对纯棉粗纱黏附力最高。

2)PVA醇解度对共混物的混溶性和力学性能有影响。PVA醇解度大，且含量多时，共混浆膜的断裂强度和耐屈曲性大，对粗纱黏附力值高。

3)浆料配方中各组分之间混溶性差，对浆膜性能会产生影响。

4)浆料种类复杂，导致各组分间混溶性差，须通过更多的浆料弥补浆料组分间混溶性差的缺陷；为了降低浆纱时经纱的上浆率，浆料配方组分宜少。

5)采用浆纱性能好的PVA与变性淀粉构成少组分的浆料配方，有利于提高浆液中浆料间的混溶性，可以改善浆膜的力学性能和对粗纱的黏附性能。

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Influenceofsizescompatibilityonmechanicalpropertiesofblendedsizefilms

WU Hailiang1， YAO Yijun2， SHEN Yanqin1， MAO Ningtao1,3

(1.TextileandMaterialsCollege,Xi'anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China; 2.CollegeofBioresourcesChemicalandMaterialsEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi′an,Shaanxi710021,China; 3.SchoolofDesign,UniversityofLeeds,LeedsLS29JT,UK)

The influence of sizes compatibility on the mechanical properties of blended size films and corresponding pulp adhesion were studied. The morphological structure of the blended size films were characterized by using scanning electron microscope and X-ray diffraction, and the relationship between different size components and film properties was investigated. It is found that, when the mixing ratio of polyvingl alcohol(PVA1799)/modified starch is 40 to 60, the blended size pulp has the greatest adhesion force and the blended size film has the greatest tensile strength and elongation, and PVA polymers having low degree of alcoholysis (PVA1788) can cause the phase separation and smaller crystallinity in the blended films, which lead to the poorer mechanical properties of the blended films. In order to rise size compatibility and strengthen mechanical properties of blended films, size components should be as few as possible.

size compatibility; size film property; adhesion; size component; modified starch; polyvinyl alcohol

TS 103.846

A

10.13475/j.fzxb.20160905805

2016-09-28

2017-06-23

陕西省重点研发计划项目(2017GY-132)

武海良(1962—)，男，教授。主要从事新型纺织浆料及浆纱工艺研究。E-mail：whl@xpu.edu.cn。