植物染莫代尔纤维性能分析与纺纱工艺研究

张 伟 张建明 刘 丽

（1.德州学院，山东德州，253000；2.宁夏恒丰纺织科技股份有限公司，宁夏吴忠，751100；3.天纺标检测认证股份有限公司，天津，300193）

传统染色中植物染料的应用较为普遍，理论上凡是含有色素的植物，包括根、茎、叶、花朵、果实等，均可用来染色，但是不同植物的色素含量差异很大。随着科学技术的不断发展，植物染料的色系、品种变得越来越丰富。19世纪英国托马斯·沃德儿在《印度染料染色织物标本》中记录了从64种植物种子中提取的3 000种染料。合成染料问世以来，以丰富的色谱、优异的染色性能、低廉的价格迅速占领了市场，而植物染料的研究却停滞不前。近年来，合成染料毒性以及印染过程中对环境的污染等问题日益凸显，环保的植物染料再一次回归到大众的视野中，开发植物染产品适合当前人们的穿着需求［1-2］。

植物染集自然之精美、聚植物沉静柔和而安定之气质，色泽与色感不因时日而改变。其色素源于自然种植的植物，植物染纺织产品的制作首先是纤维染色，纺纱环节通过配色进一步丰富了植物染色色彩，同时用色纺工艺组合不同的纤维，很好地解决了面料的手感问题，也保证了颜色的重现性，为实现植物染产品的规范化、标准化打下了良好基础，也为植物染色工业化找到了一条很好的路径。

植物染产品做到了“四个有机”。其一，种植有机。植物染取之自然，还原自然，取之不尽，用之不竭。其原材料取之于中草药、树木、花卉、水果等，不使用农药和化肥。其二，制造有机。染料颜色的提取使用纯天然助剂，染色过程的水可以循环利用，实现零污染。染色的黏土及沉淀物还可以制成彩色的水泥砖。其三，穿用有机。植物染色制作的衣物不含任何化学物质，对人体无致敏性、致癌性，抑菌抗病毒，安全性高。其四，降解有机。废旧衣物处理可降解，回归自然，不会污染环境，与自然和谐共生，返璞归真。纺纱原料采用天然纤维（棉、麻等）和再生纤维素纤维为主，其产品广泛应用于高档贴身服装和婴幼儿服装、高档家纺、毛巾、袜子等领域，因此对植物染产品的开发及工业化推进迫在眉睫。

在纺织领域中植物染料可用于工业化生产的品种较少，主要存在量少、价格高、上染率低、重现性差、染色牢度不高、可纺性差等问题；而植物染料环保与功能性的突出特点是合成染料无法替代的，因此对其存在问题的研究一直在不断探索中。近年来，对植物染料的各项研究逐步兴起，包括植物染提纯技术、植物染颗粒或粉化技术、植物染固色技术和植物染纤维的纺纱技术等［3-4］。

由于天然植物染料中杂质含量高、纯度不稳定、染色均匀度差、色系不全等问题，严重制约了植物染产品工业化生产的进程。鉴于植物染色纤维的特性，本研究设计了植物染专用梳理系统，并建立了植物染梳理工艺，以植物染莫代尔纤维为例，介绍纤维性能的差异及纺纱工艺。

1 植物染莫代尔纤维性能表征与分析

1.1 植物染莫代尔纤维的SEM特征

图1为3种植物染莫代尔纤维表面的扫描电镜图。从图1可以看出，3种纤维表面附着不同程度的颗粒物，其中蓝色莫代尔纤维表面附着物颗粒较大，呈结块状，颗粒物在3 μm～10 μm；红色和黄色莫代尔纤维表面附着物颗粒较小，分布比较均匀，其中红色莫代尔纤维颗粒物为圆形颗粒状，黄色莫代尔纤维颗粒物为片状，两种颗粒物大小在0.5 μm～4.0 μm；3种纤维表面的颗粒物导致纤维表面非常粗糙。由此可判断，纤维表面颗粒物是工业化纺纱过程中出现粉尘以及有色颗粒物附着在针布、胶辊、罗拉等表面的主要原因，是影响可纺性的重要原因。

图1 3种颜色植物染莫代尔纤维表面的扫描电镜图

1.2 植物染莫代尔纤维摩擦性能

将3种植物染莫代尔纤维按照随机取样的方式分别取样30组，用XCF-1A型纤维摩擦因数测试仪测试纤维的摩擦性能，张力夹负荷0.2 cN，摩擦辊速度30 r/min（测定动摩擦因数），摩擦辊下降速度10 mm/min（测定静摩擦因数），下降时间6 s，总时间范围15 s，金属辊直径8 mm，测试温度25 ℃，相对湿度65%。测试结果与本白莫代尔摩擦因数对比如表1所示。

表1 莫代尔纤维摩擦因数测试对比

从表1可以明显看出，3种植物染莫代尔纤维动、静摩擦系因数均远大于本白莫代尔纤维。结合纤维表面的电镜图，植物染莫代尔纤维表面的附着物颗粒使其表面粗糙，对纤维的梳理力需求增大，对针布要求较高；纤维之间的摩擦相对增加，严重影响纺纱过程中成卷、梳理、牵伸、卷绕等工艺，造成植物染莫代尔纤维可纺性较差。

1.3 植物染莫代尔纤维静电性能

测试结果表明，红色植物染莫代尔纤维质量比电阻6.01×109Ω·g/cm2，黄色植物染莫代尔纤维质量比电阻7.87×109Ω·g/cm2，蓝色植物染莫代尔纤维质量比电阻5.32×109Ω·g/cm2，本白莫代尔纤维质量比电阻4.91×109Ω·g/cm2。可以看出，3种植物染纤维的质量比电阻均远大于本白纤维。质量比电阻高，纤维摩擦易产生静电，且静电不易散逸，导致纤维相互排斥，纤维蓬松不易成卷、成网、成条，纤维易吸附在通道或机件上，形成缠绕、堵塞断头，影响可纺性。

2 基于植物染纤维的开松除杂设备与工艺研究

2.1 植物染纤维的开松除杂设备工艺

基于以上对植物染纤维的分析，改进的植物染纤维开松除杂设备机组如图2所示。

图2 植物染纤维开松除杂设备机组

植物染纤维开松除杂设备机组的工作原理。通过负压风机将植物染色纤维抽吸至初级开松箱内部，通过初级开松箱内部设置的顶部打手组合和底部打手组合对植物染纤维进行初级开松打散；随后，经过初级开松箱顶部的输送管进行负压抽吸，将初级开松后的纤维抽吸至次级开松箱的顶部，经过次级开松箱内部的次级上打手组合进行再次开松，在次级上打手组合和次级下打手组之间设有一个隔离箱，植物染纤维在下落阶段其中的灰尘经侧壁上的除尘管进行充分吸收，落下的植物染纤维经次级下打手组再次开松后直接进入右侧的梳棉机。整个过程中利用打手的自由开松和负压风的作用进行边开松边除尘。其中，开松打手由U形打手到鼻形打手，再到角钉打手和梳针打手，针形由大到小，针密由小到大，打手速度由200 r/min，按50 r/min～80 r/min间隔递增，最高速度不超过450 r/min，逐步增加开松强度和除尘力度。

2.2 植物染纤维梳理分析

梳棉是整个纺纱工序的核心，采用普通梳理设备进行生产时，由于植物染纤维摩擦因数大，针布抓取纤维后无法快速将纤维释放，容易出现纤维堵塞、锡林缠绕，导致纤维损伤大，输出纤维网疵点较多，棉网易出现破洞，同时成网后易黏缠导条胶圈，生条条干不匀增加，进而影响纺纱的后序加工。为了解决植物染纤维在梳理过程中遇到的问题，首先应了解纤维性能与梳理效果的关系。

锡林针齿前角δ影响齿尖抓取和握持纤维的能力，即影响纤维沿针齿前面的运动方向。δ小，齿尖抓取握持能力强，排除杂质和转移纤维难；δ大，则相反［5］。另外，由梳理度计算公式可知：

式中：C1、C2分别为刺辊、锡林梳理度，即一根纤维的作用齿数（齿/根）；n、nc分别为刺辊、锡林速度（r/min）；Z、Zc分别为刺辊表面总齿数（齿）和锡林针布齿密［齿/（25.4 mm）2］；P为产量（kg/h），NB为纤维公制支数；L为纤维平均长度（mm）；γ为转移率；t1、t2为系数。

由于在同样的纺纱条件下，摩擦力大的纤维转移度低，即纤维摩擦因数与转移率呈反比关系，植物染纤维的转移率γ1与非植物染纤维的转移率γ可以简单表示为γ1=t1γ/μ。如果用同一工艺进行植物染纤维的梳理，其锡林梳理度C2′可按式（3）计算。

经分析可知，纤维的梳理度与纤维的摩擦性能有一定的关系。植物染纤维摩擦因数大，在进行高速梳理时纤维在梳理过程中梳理度低，同时纤维从锡林向盖板、道夫上的转移率也低，使得大量纤维滞留在锡林针齿上，锡林与盖板或道夫上的纤维之间发生反复揉搓，从而形成大量的棉结。因此，需要设计植物染专用梳理机构和盖板，以解决植物染纤维纺纱所面临的瓶颈问题。纤维在梳针上的受力情况如图3所示。其中，R为切向力，包括梳理力、空气阻力，近似作用于针布切向；U为法向力，包括纤维离心力，针布内层纤维对该纤维的弹性力，针面间纤维束、块的挤压力，作用于针布法向；N0为针齿对纤维的反作用力，垂直于齿的前面；F为纤维与针齿的摩擦力，F=μN0。纤维向针面外滑移时，其方向由针尖指向针根；纤维向针根移动时，其方向由针根指向针尖，即与纤维的运动方向相反；R和U的合力为K，K力与切线方向呈θ角，θ=arctanU/R。

图3 梳针上纤维的受力图

经过以上分析，与针布厂家合作开发了植物染纤维专用梳理针布，锡林工作角增大到67°～70°，强化针布刺入，减少纤维充塞；同时开发大角度78°、低针高弹性活动盖板针布，便于纤维释放。

3 植物染纤维梳理后生条和成纱质量

植物染莫代尔纤维与本白莫代尔纤维混纺时，混和均匀是重点。如果混和不均匀，坯布就会产生色差、横档，直接影响产品评级。

3.1 工艺流程

植物染莫代尔纤维预处理工艺：采用植物染莫代尔纤维开松除杂设备机组，将植物染莫代尔纤维处理成网并打包。

（植物染莫代尔纤维包+本白莫代尔纤维包）→FA002型抓棉机→FA035型精开棉机→打包机→FA002型抓棉机→FA025型多仓混棉机→FA1102型开棉机→振动棉箱给棉机（附A045B型凝棉器）→FA076型成卷机

3.2 清棉

由于植物染莫代尔纤维经过多次打击和开松，为减少棉卷短绒率，各机打手速度设计如下：抓棉机打手速度870 r/min，精混开棉机打手速度350 r/min，开棉机打手速度500 r/min。经过以上流程成卷后，棉卷不匀率控制在1.0%以下，棉卷短绒率比原来降低30%～33%。

3.3 梳棉

因植物染莫代尔纤维的特殊性，使用开发的专用针布，梳棉生条质量得到很大改善，产量也明显提高，植物染莫代尔纤维梳棉针布试验数据对比如下。

针布 常规 专用

锡林速度/（r·min-1）320320

盖板速度/（mm·min-1）120120

出条速度/（m·min-1）5570

色结/［个·（100 g）-1］2215

采用以上改进工艺后，并条和粗纱质量也得到明显改善，黏缠现象减少，成纱质量较好，基本达到用户满意，成纱条干可改善20%～25%。

4 结语

通过对植物染莫代尔纤维的表面物质分析和物理指标测试，发现植物染莫代尔纤维质量比电阻较大，生产中易产生静电，表面颗粒多，严重破坏了纤维的表面结构，可纺性大大降低。针对植物染莫代尔纤维的特点，开发了专用开松设备和专用针布，使生产效率大大提升，质量得到改善，为进一步推进植物染高品质纺纱奠定了基础。