三种特种动物纤维的结构与物理性能对比

邢丽娟，刘新金,2，苏旭中

(1.生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122； 2.湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室培育基地，湖北 武汉 430000)

特种动物纤维产自天然生物，由于其特殊的生长环境及产量稀少，成为弥足珍贵的纺织原料[1]，其制成的织物柔软丰满、保暖性好、美观高雅，是一种理想的高档绿色纺织品。但特种动物纤维长度短，短绒率高，长度及细度离散率大，抱合力差，极易产生静电，纯纺高支纱困难，目前对特种动物纤维高支纱的开发仍是国内外学者关注的研究方向。侯秀良等[2]主要研究了山羊绒纤维的拉伸性能，杨锁廷等[3]主要对牦牛绒纤维拉伸细化及产品性能进行了研究，陈维国等[4]研究了骆驼绒的多色彩高档化产品的开发。本文以牦牛绒、羊绒、骆驼绒为研究对象，对比分析3种特种动物纤维的结构及基本物理机械性能，为特种动物纤维的开发提供一定的参考。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：牦牛绒、羊绒、骆驼绒，均由江苏中孚达纺织科技有限公司提供。

仪器：SU1510型扫描电镜(日立高新技术公司)，Nicolet is10 傅里叶红外光谱仪(赛默飞世尔科技有限公司)，BEION F10全自动纤维细度仪(上海北昂科学仪器有限公司)，YG004型电子单纤维强力机(常州溢纺纺织仪器有限公司)，XCP-1A型纤维卷曲弹性仪(上海新纤仪器有限公司)，Y802N 型烘箱及天平(常州第二纺织机械有限公司)，YG321型纤维比电阻仪(上海瑞纺仪器有限公司)。

1.2 测试方法

1.2.1纤维红外光谱测试

采用 Nicolet is10傅里叶红外光谱仪对纤维进行红外光谱测试，测试时利用衰减全反射法得到纤维的红外光谱图，扫描次数为10次，波数范围为4 000～500 cm-1。

1.2.2纤维表面形态观察

采用 SU1510 型扫描电子显微镜，在放大倍数为2 000倍的情况下观察纤维的表面形态结构，不同纤维的鳞片高度在相应的电镜照片中已作标记，分别对100根纤维的鳞片高度进行拍摄，平均每根纤维拍摄1次，本文选取其中1根作为代表。

1.2.3纤维长度测试

采用纤维长度排图法测定散纤维的平均长度，从所取样品中抽取0.2～0.3 g纤维，剔除较粗、较长、易缠结纤维，右手捏紧纤维束平齐的一端，左手将纤维束最外端露出的纤维贴在黑绒板的左侧，从左到右轻轻拉出纤维，并将纤维平行于黑绒板的上侧贴服在黑绒板上，纤维束在黑色绒板上经过多次排列，使得纤维成为一端平齐，另一端从长到短的有序排列[5]。纤维在排列过程中要求厚薄均匀，图形底边长25 cm左右，每种样品测量5份，取平均值。

1.2.4纤维细度测试

参照GB/T 10685—2007《羊毛纤维直径试验方法 投影显微镜法》，使用BEION F10全自动纤维细度仪测试纤维的平均直径，计算公式为：

(1)

式中：d为纤维直径，μm；Ndt为线密度，dtex；δ为纤维密度，g/cm3(牦牛绒取δ=1.32 g/cm3，羊绒、骆驼绒取δ=1.31 g/cm3))[6-7]。

1.2.5纤维强力测试

参照GB/T 4711—1984《羊毛单纤维断裂强力和伸长试验方法》，采用YG004型电子单纤维强力机进行单纤维强力等性能测试。试样夹持长度10 mm，拉伸速度10 mm/min，测试30次取平均值。

1.2.6纤维卷曲性能测试

参照GB/T 14338—2008《化学纤维 短纤维卷曲测试方法》，使用XCP-1 A型全自动纤维卷曲弹性仪测试纤维卷曲数、卷曲率和卷曲弹性率等性能指标。试样夹持长度20 mm，加轻负荷0.002 cN/dtex，重负荷0.05 cN/dtex，测试20次取平均值。

1.2.7纤维回潮率测试

参照 GB/T 6500—2008《毛绒纤维回潮率实验方法 烘箱法》，将试样放在测试条件下平衡 48 h后， 放在烘箱篮内,于烘箱中在105 ℃ 下干燥。用烘箱自带天平分别称量试样干燥前后的质量，并通过式(2)计算回潮率，用以评价纤维的吸湿性能。测试条件：温度 20 ℃，湿度65%±2%。

(2)

式中：W为纤维回潮率，%；G为纤维湿质量，g；G0为纤维干质量，g。

1.2.8纤维质量比电阻测试

参照GB/T 14342—2015《化学纤维 短纤维比电阻试验方法》，使用YG321型纤维比电阻仪测试纤维电阻值，然后根据电阻值计算体积比电阻和质量比电阻。体积比电阻和质量比电阻的计算公式见式(3)、(4)：

(3)

(4)

式中：ρv为纤维体积比电阻，Ω·cm；ρm为纤维质量比电阻，(Ω·g)/cm2；R为纤维的平均电阻值，Ω；m为纤维质量取15 g；l为两极板之间的距离，取2 cm；δ为纤维密度，g/cm3。

2 实验结果与分析

2.1 红外光谱分析

图1 牦牛绒、羊绒和骆驼绒纤维的红外光谱图

通常采用溴化钾压片法和衰减全反射法(ATR)测试纤维样品的红外光谱，由于压片法对纤维的研磨粒度要求高(小于2.5 μm)，且不同的粒度大小会对吸光度产生影响，进而影响测试结果，故采用衰减全反射法对3种动物纤维进行红外光谱测试。牦牛绒、羊绒和骆驼绒的纤维的红外光谱图见图1，牦牛绒纤维在3 281.75、2 917.66、1 631.95、1 516.60、1 236.23、1 039.32 cm-1处有特征吸收峰，羊绒纤维在3 272.12、2 924.03、1 631.96、1 516.73、1 236.62、1 045.22 cm-1处有特征吸收峰，骆驼绒纤维在3 272.12、2 921.14、1 631.96、1 525.89、1 236.14、1 074.15 cm-1处有特征吸收峰。其中3 272 cm-1处是N—H伸缩振动与O—H伸缩振动(酰胺A带)，2 920 cm-1处为亚甲基(CH2)和甲基(CH3)的C—H伸缩振动，1 631 cm-1处是肽链中肽键(C—CO—NH—)中的C=O伸缩振动。由图1可以看出，牦牛绒、羊绒和骆驼绒的特征峰、光谱曲线大致相同，故说明3种动物纤维化学结构基本一致，但是微观结构有一定的差异。

2.2 表面形态结构分析

牦牛绒、羊绒和骆驼绒纤维纵向形态见图2。由图2可看出，3种动物纤维均具有丰富的鳞片结构，可有效保护纤维内部结构，但鳞片形态结构稍有不同。牦牛绒、羊绒纤维鳞片呈环状，上缘紧贴于毛干，鳞片层厚度较薄，翘角小，棱基较薄，边缘光滑，鳞片密度大，纤维表面光泽柔和，骆驼绒纤维表面鳞片呈斜条状，高度高、翘角较小，边缘光滑圆钝，鳞片密度小，所以骆驼绒纤维顺、逆鳞片方向摩擦因数小，不利于纤维间抱合，缩绒性能较差。黑牦牛绒表面相邻鳞片间距在10～12 μm之间，青牦牛绒在14～17 μm之间，脱色牦牛绒由于脱色过程中鳞片层受到破坏，鳞片高度减小，相邻鳞片间距在6～9 μm之间，白羊绒和青羊绒在10～13 μm之间，紫羊绒在19 μm左右，黄骆驼绒在12～13 μm之间，白骆驼绒在16～17 μm之间，总体而言，牦牛绒表面鳞片分布密度最大、羊绒次之，骆驼绒最小。

2.3 纤维长度分析

纤维的自然长度是指纤维丛在不受任何外力的自然卷曲状态下，两端的直线距离。纤维的长度决定着纺织加工工艺及参数的选择，也影响纱线以及织物的品质，长度越长越可纺制纱支较细、强力较大、品质较高的纱线[8]。表1示出牦牛绒、羊绒、骆驼绒纤维的长度及短绒率。骆驼绒纤维的长度最长，长度范围在36.3～41.5 mm之间，15 mm以下短绒率约为8.5%，羊绒次之，长度范围在30.9～35.5 mm之间，15 mm以下短绒率约为15%，牦牛绒纤维的长度最短，平均长度约为26 mm，15 mm以下短绒率约为19%。牦牛绒纤维的长度较羊绒和骆驼绒短，其中脱色牦牛绒纤维的长度最短，且短绒率最高，因为牦牛绒纤维脱色过程中，纤维表面鳞片和角质层受到一定的损伤或脱落，从而导致纤维长度变短。

图2 牦牛绒、羊绒和骆驼绒纤维纵向形态(×2 000)

2.4 纤维细度分析

纤维的细度是确定毛织物品质的重要物理指标之一，它决定着成纱的细度、强度以及织物的品质、厚度，即相同长度情况下，纤维越细且细度不匀率低，则所纺制的纱线较细且成纱条干好，相应织物的各种特性也较好。牦牛绒、羊绒和骆驼绒纤维细度如表2所示。羊绒纤维整体细度最细，细度在16 μm左右，羊绒纤维细而均匀，牦牛绒纤维最粗，细度约为18 μm，骆驼绒纤维细度约为17 μm，但纤维细度不匀率较另2种纤维高，因为骆驼绒纤维沿生长方向粗细不匀，且骆驼绒纤维含有不同程度髓质层，致使细度不匀率增加，因此羊绒纤维较另2种纤维易纺高支纱，纺制的纱线品质更高，制成的织物档次更高，手感柔软滑腻。

表1 牦牛绒、羊绒和骆驼绒纤维长度及短绒率

表2 牦牛绒、羊绒和骆驼绒纤维细度

2.5 拉伸性能分析

强度是评定毛绒纤维的首要指标，特种动物纤维强力决定其用途，可根据强度配置纺纱工艺，纤维强力低，不宜做精纺用纤维，且制成的织物品质较低。牦牛绒、羊绒和骆驼绒纤维的拉伸性能见表3，黑牦牛绒和青牦牛绒的强力较高，且单纤维强力是羊绒和骆驼绒的1.5倍左右，脱色牦牛绒纤维由于脱色处理过程中纤维受到一定程度的损伤使得强力大大降低；就纤维伸长率而言，牦牛绒纤维的伸长率稍小，故制成织物拉伸时，织物变形较羊绒和骆驼绒小；对于纤维初始模量，牦牛绒纤维的初始模量最大，故制成的织物挺括，更有身骨，骆驼绒的初始模量最小，制成的织物比较柔软。

表3 牦牛绒、羊绒和骆驼绒纤维的拉伸性能

2.6 卷曲性能分析

纤维的卷曲主要影响纤维间的相互纠缠，使纤维间的抱合力大大增加，提高纤维的可纺性能。卷曲性能好的纤维，弹性也好，卷曲性可有效改善织物的抗皱性、保暖性以及表面光泽度且制成的织物手感丰满柔软，但是纤维卷曲过多，会使得纤维加工过程中发生纠缠与毡化，不易牵伸。采用XCP-1 A型全自动纤维卷曲弹性仪测试纤卷曲数[9](纤维在受轻负荷时，25 mm长度内的卷曲个数)、卷曲率(纤维单位伸直长度内，卷曲伸直长度所占的百分比)、卷曲回复率(纤维经加载卸载后，卷曲的残留长度对纤维伸直长度的百分比)，卷曲弹性回复率(纤维经加载卸载后，卷曲的残留长度对卷曲伸直长度的百分比)，牦牛绒、羊绒和骆驼绒的卷曲性如表4所示。

表4 牦牛绒、羊绒和骆驼绒的卷曲性

由表4可知，骆驼绒纤维卷曲数最多，单位长度内有7个卷曲，羊绒和牦牛绒卷曲数接近，单位长度内有5个卷曲；适当的卷曲率可提高纤维的抱合力和可纺性，牦牛绒纤维的卷曲率最大，骆驼绒次之，羊绒最小；牦牛绒纤维的卷曲回复率和卷曲弹性回复率均较大，骆驼绒次之，羊绒最小，故牦牛绒纤维卷曲牢度最好。总体而言，牦牛绒纤维卷曲数少，但卷曲率和卷曲弹性回复率均较大，所以纺纱加工过程中牦牛绒纤维抱合力好，可纺性能高，制成的织物丰满柔软，羊绒纤维生产过程中抱合力最差，纯纺困难。

2.7 吸湿性能分析

纤维的吸湿性能影响纤维的结构、 形态及所有的物理性能， 纤维的吸湿性强弱通常采用回潮率来表征。经过测试得到牦牛绒纤维的回潮率为14.98%、羊绒纤维的回潮率为13.25%、骆驼绒纤维的回潮率为14.59%。牦牛绒和骆驼绒由于含有髓质层，吸湿性能好，故回潮率高于羊绒，纤维回潮率越大，吸湿放热性能越好，故牦牛绒和骆驼绒纤维制品防潮保暖性能好于羊绒制品。

2.8 抗静电性能分析

牦牛绒、羊绒和骆驼绒的电阻测试结果见表5。3种动物纤维的比电阻值均较高，极易产生静电，影响纺纱加工的顺利进行。羊绒纤维的电阻值最大，骆驼绒次之，牦牛绒最小。分析认为是因为牦牛绒纤维的回潮率最大，纤维吸湿性能好，导电性能提高，比电阻值下降，羊绒纤维鳞片密度大于骆驼绒纤维，表面凹凸不平明显，增加了静电的集聚，电荷难以从凹处扩散，导电性能降低，故羊绒纤维比电阻值最大。纤维的质量比电阻下降到108数量级以下纺纱才能顺利进行[10]，干燥的纤维导电性能极差，比电阻很大，吸湿会使纤维的抗静电性能增强，比电阻下降，故动物纤维纺纱过程中上机回潮率应控制在25%左右，特种动物纤维在和毛过程中需加入和毛油和抗静电剂，降低纤维的比电阻，防止加工中静电的产生。

表5 牦牛绒、羊绒和骆驼绒的电阻测试结果

3 结 论

本文对牦牛绒、羊绒、骆驼绒纤维的化学组成、表面形态结构、长度、细度、强伸性、卷曲性、吸湿性、静电性进行测试研究，结果如下。

①3种动物纤维特征峰、光谱曲线大致相同，说明3种动物纤维的化学结构基本一致。

②3种动物纤维的均具有鳞片结构，但骆驼绒纤维鳞片密度小，鳞片高度最高，骆驼绒纤维缩绒性能最差；骆驼绒纤维整体长度最长，羊绒次之，牦牛绒最短。

③羊绒纤维细度最细，且细度不匀率最低，牦牛绒和骆驼绒粗细相当，但骆驼绒细度不匀率在3种动物纤维中最大，羊绒纤维较另2种纤维易于纺高支纱，骆驼绒纤维纺制的纱线条干不匀率较高。

④牦牛绒的强力较高，且单纤维强力是羊绒和骆驼绒的1.5倍左右，牦牛绒纤维的初始模量最大，制成的织物挺括，更有身骨，骆驼绒的初始模量最小，制成的织物比较柔软。

⑤单位长度内，骆驼绒纤维卷曲数最多，羊绒和牦牛绒卷曲数接近，牦牛绒纤维的卷曲率最大，骆驼绒次之，羊绒最小，牦牛绒纤维纺纱加工过程中纤维抱合力好，可纺性能提高，羊绒纤维生产过程中抱合力最差，纯纺困难。

⑥牦牛绒纤维和骆驼绒纤维回潮率接近，大于羊绒纤维，牦牛绒和骆驼绒纤维制品防潮保暖性能好于羊绒制品。

⑦羊绒纤维的质量比电阻最大，骆驼绒次之，牦牛绒最小，纺纱过程中羊绒纤维更易产生静电，故羊绒纤维和毛过程中加入的和毛油和抗静电剂最多，且动物纤维纺加工过程中上机回潮率应控制在25%左右，以降低质量比电阻，减少静电产生。