精洗工艺条件对羽绒材料洗后性能的影响

韦玉辉，周世杰，许仲童，丁雪梅，吴开明

(1.东华大学服装与艺术设计学院，上海 200051； 2.安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖 241000； 3.应急管理部上海消防研究所，上海 200032； 4.安徽古麒绒材股份有限公司，安徽芜湖 241300)

羽绒材料因其优良的保暖性、服用舒适性及来源、加工过程、使用和循环利用等方面的“绿色性”，成为了防寒寝具和服装用品的首选絮填材料[1-3]。而羽绒材料属于一种动物源性材料，主要通过宰杀浸烫后机械或手工脱毛等方式获取，其收集来的羽绒原毛中既含有可作为填充料的毛片、绒子，也混有大量的硬毛片、长毛片、未成熟毛(血管毛)、杂质(泥土、灰沙、油脂、皮屑、血渍、粪便、小血管及羽毛羽绒外的其他杂物)以及大量的细菌病毒等微生物[4-6]。为确保填充料使用的舒适与安全性，必需剔除或抑制其中“无用成份” 的含量, 并经灭菌、消毒处理[1,4,7]。如果“无用成份”不及时清洗，不仅会降低羽绒材料的品质(变色、异味、卷曲、抽缩、手感变硬、蓬松度低、保暖性差等)影响后期使用，而且也会霉变滋生有害细菌病毒引起呼吸道、肠道疾病以及皮肤过敏、瘙痒等人体不适症状，甚至危及生命安全[8-10]。然而，目前关于羽绒材料的研究主要集中在羽绒材料表面改性、抗菌整理、羽绒材料性能优化与评测及其制品设计等方面，关于羽绒材料表面污渍清洗机制与绿色清洗工艺的研究相对较少[6,11-12]。同时，水洗既是羽绒材料去除粘附在羽绒材料表面的水溶性、油性、固体、难溶性有机物等污渍，并使含氧量降到最低，达到去灰、脱脂、去臭味、消毒杀菌目的的重要环节，也是使其恢复原有的弹性、回复性、质地、柔软性、保暖性等，具有良好的干燥性、光泽的重要操作[2,3,13]。此外，目前国内70%的羽绒材料企业均面临着“高污染、高耗能、洗后性能下降”的问题，与当下国家提倡的绿色、可持续生产的策略相悖[14-16]。因此，本研究提出通过水洗工艺实验，系统探究精洗工艺条件(洗涤时间、洗涤转速、漂洗次数、洗涤剂用量、浴比、水温、水量、洗涤剂用量等)对羽绒材料洗后清洁度、残脂率、耗氧量、蓬松度等性能的影响，以期能为羽绒材料厂家开发先进的羽绒材料绿色清洗工艺或技术提供理论参考与技术指导。

1 实 验

1.1 实验材料与实验设计

a)实验材料

本次实验所用含绒量80%的白鸭绒原料毛材料，羽绒专用洗涤剂、除臭剂，均由安徽古麒绒材股份有限公司提供。同时，实验过程用到的无水乙醚、高锰酸钾，从上海麦克林生化科技有限公司购买；3 mol/L 硫酸，从国药集团化学试剂有限公司购买。

b)实验设计

为探究精洗工艺条件与羽绒材料洗后性能的关系，本实验选择水温、浴比、洗涤时间、洗涤转速、漂洗次数、洗涤剂用量作为实验变量，每个变量设4水平，具体实验设计如表1所示。另外，其实验设计方法采用由SAS(Statisticalanalysis system)公司专门开发可根据实验目的进行多参数、多水平定制设计的JMP软件完成。此外，在实验过程中，为降低洗涤负载-羽绒质量对洗后性能的影响，本研究每次实验采用绝对干燥后羽绒进行实验，其质量取(15±0.001)g。另外，对获取的实验数据主要进行了回归、标准误差和t值检验分析，并用|t|值大小表示回归方程的系数显著性，|t|≤0.000 1表示显著，|t|>0.000 1表示不显著。

表1 实验设计

1.2 实验设备与测试指标

a)实验仪器

为模拟工厂精洗工艺条件，本研究使用带有温度、浴比、转速、时间连续可调的数显式水浴恒温振荡器进行水洗实验。精洗后的羽绒材料采用电热鼓风干燥机(温度85 ℃、风速5 m/s)进行烘干处理 2 h，并装入密封袋，以便后续测试使用。实验过程还用到了电子天平、烧杯、标准筛网、前处理箱等实验仪器或设备，详细的实验仪器信息如表2所示。

表2 实验仪器

b)测试指标

为探究精洗工艺条件对羽绒材料洗后性能的影响，按照GB/T 10288—2016《羽绒羽毛检验方法》中的5.3、5.4、5.5、5.6、5.7项条款分别对洗后羽绒材料的蓬松度、耗氧量、清洁度、残脂率、气味进行测试。

微观形貌：对精洗工艺处理后，并经烘箱烘干至质量恒定的羽绒材料，进行喷金处理后，采用日本尼康公司D7500型数码相机和日本日立公司S- 4800型扫描电子显微镜对其宏观形貌和微观形貌进行测定。

2 结果与讨论

2.1 精洗工艺条件对羽绒材料清洁度的影响

精洗工艺条件与羽绒材料洗后清洁度存在密切关系，因此系统探究了不同精洗工艺参数对羽绒材料洗后清洁度的影响，结果如表3所示。由表3可知，影响羽绒材料洗后清洁度的主要因素依次为主洗水温、洗涤剂用量、主洗时间、主洗转速、主洗浴比，而漂洗浴比、漂洗次数的影响相对较小。这是因为本实验所用羽绒材料是经过初洗后的羽绒材料，其表面沉积的污渍种类主要是难去除的难溶性有机污渍(血渍、油渍、生物组织等)和少量的易去除的固体颗粒类污渍(泥土、沙粒、粉尘等)。其中，固体颗粒类污渍大多带有正电荷或者负电荷，其可以借助表面活性剂的增溶、悬浮、分散、机械搅拌、水流冲刷清除。同时，固体颗粒类污渍与羽绒材料之间的吸附方式属于吸附力较小的物理吸附，去除其主要依靠物理方式(机械搅拌、水流冲击等)，故提高浴比(增大水流冲击力)、增加洗涤转速(机械冲击、摩擦)、延长洗涤时间(增加机械冲击、摩擦、水流冲击的重复次数)等精洗工艺条件即可将其清除。而且，主洗转速越大，主洗时间越长，羽绒材料清洁度越高，但超过一定范围后，主洗转速、主洗时间、漂洗转速过大，清洗后残液清洁度也会变差。因为主洗转速、主洗时间、漂洗转速过大，羽毛之间相互摩擦碰撞的次数增加，导致绒纤维断裂，进而诱导清洗残液的水质下降，即浊度增大，故在精洗阶段，应在保证清洁度的前提下，尽量减少或降低主洗转速、主洗时间、漂洗转速。相反，难溶于水的有机污渍一般是通过分子链与基质表面基团化学键相结合，属于化学吸附，去除难度较大，需借助洗涤剂的化学溶胀、乳化分解、分子迁移或者能级跃迁才能将其清除。而提升水温可提高难溶性有机污渍的水解性能及分子运动能，增加洗涤剂用量可使水溶液中表面活性剂浓度大于临界胶束浓度，为污渍分子逃逸提供有利条件，故水温、洗涤剂用量是清除此类污渍的关键因素。这也进一步说明了在精洗阶段，影响羽绒材料洗后清洁度的主要水洗工艺因素依次是水温、洗涤剂用量、主洗转速、主洗时间，而非主洗浴比、漂洗浴比和漂洗次数的原因。

表3 精洗工艺条件对羽绒材料清洁度的影响规律

2.2 精洗工艺条件对羽绒材料蓬松度的影响

由于羽绒材料的精洗过程属于机械力、水流、洗涤剂等复合作用的过程，其过程羽绒材料会遭遇连续的摔打、摩擦、搅拌等机械外力的作用和洗涤剂的化学作用，一定程度地影响羽绒材料蓬松度，故系统探究了精洗工艺条件对羽绒材料洗后蓬松度的影响，结果如表4所示。由表4可知，经过不同精洗工艺条件处理后的羽绒材料蓬松度差异不大，这是因为决定羽绒材料蓬松度高低的主要因素是羽绒种类、绒子含量。而精洗工艺只是借助机械外力、水流、洗涤剂等物理化学作用将羽绒材料表面污渍清除的过程，其对羽绒种类、绒子含量的影响较小，故精洗工艺条件对羽绒材料蓬松度影响不显著。另外，发现如果精洗时间过长、精洗次数过多和精洗转速过大，其清洗后的羽绒材料蓬松度轻微下降。这是因为精洗时间过长、精洗次数过多和精洗转速过大会增加羽绒材料受机械搅拌和摩擦等外力作用的机会，增加了羽轴、绒朵、绒枝、绒小枝、菱节等被折断、缠结、揉搓、无序排列的可能，而羽绒材料的蓬松度又与羽绒绒枝、绒小枝排列、绒朵大小等密切相关。

表4 精洗工艺条件对羽绒材料蓬松度的影响规律

2.3 精洗工艺条件对羽绒材料残脂率的影响

羽绒材料残脂率过高，易造成制品异味甚至滋生细菌危害健康，过低又将影响其外表结构，使其易破碎造成保暖性下降，故残值率是评价羽绒材料质量的重要指标之一，故系统探究精洗工艺条件与残值率的关系是十分必要的，实验结果如表5所示。由表5可知，不同精洗工艺条件处理前后的羽绒材料残脂率差异显著，这说明精洗工艺条件显著影响羽绒材料残脂率。其中，显著影响羽绒材料残脂率的因素依次为水温、洗涤剂用量，而主洗浴比、主洗时间、主洗转速、漂洗转速、漂洗浴比、漂洗次数的影响相对较小。这是因为本实验所用的实验材料属于初洗后的羽绒材料，其表面沉积污渍主要是油脂类污渍，其他粉尘、沙粒、泥土等易溶于水的污渍在初洗阶段已被大量去除。而油脂类污渍具有单疏水链、六元环状结构，其借助自身脂肪酸分子中羟基上的氢原子与羽绒材料内部的蛋白质分子中羟基的氧原子结合形成氢键的化学吸附，吸附强力较大，去除阻力较大。同时，羽绒材料表面的油渍是由固体脂肪和油酸(C18∶1)、棕榈烯酸(C16∶1)、亚油酸(C18∶2)、亚油酸(C18∶3)等不饱和脂肪酸组成[12-14]，其均属于难溶于水有机污渍，故将其清除仅依靠机械搅拌或水流冲刷很难去除，需通过升高水温、添加适量的洗涤剂，才能将其去除。因为升高水温可加速污渍分子长链的分解和洗涤剂乳化分解，也可增加分子运动势能；添加适量洗涤剂使洗涤剂中表面活性剂的浓度大于临界胶束浓度，以便羽绒材料表面的脂肪酸和脂肪醇借助洗涤溶液中的大量胶束，冲破“栅栏”中，进而实现羽绒表面油渍的增溶清除。综上所述，在羽绒材料清洗过程中，可通过选择合适的水温(45 ℃)和洗涤剂用量(1%)实现降低其表面残脂率的目标，若通过加大浴比、主洗转速、主洗时间、漂洗次数不仅残脂率降低效果不明显，也会造成能源浪费(水资源、电能)，与当下国家提倡的绿色生产相悖。

表5 精洗工艺条件对羽绒材料残脂率的影响规律

2.4 精洗工艺条件对羽绒材料耗氧量的影响

由于羽绒材料获取过程中会沾染禽类血液、组织液、粪便，携带大量细菌、病毒，如清洗不彻底很容易造成卫生安全问题。而耗氧量是评价羽绒安全卫生性能的重要指标之一，故探究精洗工艺条件与羽绒材料耗氧量的关系是十分必要的，实验结果如 表6 所示。由表6可知，在精洗工艺处理中，精洗工艺条件对羽绒材料耗氧量的影响规律和其对羽绒材料洗后残脂率的影响规律相同，即影响羽绒材料洗后耗氧量的主要因素依次也是水温、洗涤剂用量，而主洗浴比、漂洗浴比、主洗转速、漂洗转速、主洗时间、漂洗次数的影响相对较小。这是因为耗氧量是反应水质受有机物污染程度的指标(即被测水质中含有有机物污染物的数量越多，耗氧量越高)。而残脂率是反应洗后羽绒材料表面残留的有机污染物的数量(即被测材料含有有机物污染物的数量越多，残脂率越高)。显然，二者均与有机物含量呈正相关关系。同时，精洗阶段所用的羽毛材料为初洗后的羽绒材料，其表面污渍主要为难溶性有机污渍，清洗越干净，其残脂率越低、耗氧量也越低，故精洗工艺条件对残脂率和耗氧量存在相同的影响趋势。

表6 精洗工艺条件对羽绒材料耗氧量的影响规律

2.5 精洗工艺条件对羽绒材料气味的影响

羽绒材料作为秋冬御寒类纺织品主要的絮填材料，有无异味直接影响消费者对其制品的接受程度。而水洗又是消除羽绒材料自身气味的最有效的手段之一，因此探究精洗工艺条件于羽绒材料气味的关系是十分必要的，实验结果见表7。由表7可知，影响羽绒材料气味的主要因素依次为洗涤剂用量、漂洗次数、浴比(主洗浴比和漂洗)、水温，而洗涤转速、洗涤时间、漂洗转速的影响相对较小。这是因为洗涤剂用量越大、漂洗次数越多，洗后羽绒材料表面的油脂、污物含量越少，清洁度越高，供微生物繁殖的营养物质越少，微生物繁殖的速度越低，散发的气味也就越低。同时，羽绒材料含有大量的酯类(有戊烯酸乙酯、羟乙酸酯、4-乙基苯甲酸环戊酯、1，2-苯二甲酸二乙酯等)、胺类(乙酸铵)和含硫化合物(甲基硫磺、二硫甲基、硫代苯甲酸)等挥发性物质，而高温高湿环境极易诱发酯类物质自动氧化，使其产生严重的臭鸡蛋或者刺鼻的酸败味，故在水洗阶段应尽量避免过长时间的高温高湿环境存储。此外，实验还发现，不论精洗工艺条件如何设置，精洗后的羽绒气味(臭鸡蛋、刺鼻酸败味)均明显减轻，这说明水洗可以有效提升羽绒品质。

表7 精洗工艺条件对羽绒材料气味的影响规律

2.6 精洗工艺条件对羽绒材料的形貌的影响

由于羽绒材料属于蛋白质纤维，自身强力较差，易损伤。而水洗过程是一个机械力、水流、羽绒、洗涤剂相互作用的复杂过程，不当洗涤很容易造成羽绒材料损伤。形貌测试是反映其损伤的常用方法之一，故探究精洗工艺条件与其形貌的关系是十分必要的，实验结果如图1-图3所示。由图1-图3可知，经过不同精洗工艺条件处理后的羽绒材料的宏观和微观形貌存在一定差异。相比于未经洗涤的羽绒材料，累积机械效应大的精洗工艺对羽绒材料宏观和微观影响较大，而累积机械效应小的精洗工艺条件，其洗涤后的羽绒材料宏观微观形貌变化较小。具体来说，经过累积机械效应大的精洗工艺条件处理后的羽绒材料，绒朵宏观的朵状大小变化不大，但绒朵上的绒丝个数有所减少，小部分单根绒丝长度也有一定程度的变短。羽绒材料的水洗工艺处理属于一个高温高湿、强机械力(摩擦、搅拌、摔打)及化学(溶解、乳化)等一系列物理化学作用的过程，而羽绒材料又属于蛋白质类单根纤维丝极细的强力较低的材料，较长时间处于在水洗复杂恶劣环境下很容易损伤。相反，累积机械效应作用较小的水洗工艺处理后的羽绒材料形貌变化不大。同时，对照不同累积机械效应的精洗工艺条件处理的羽绒的微观形貌，可发现：经过精洗工艺处理后，原来因表面污渍粘附导致羽绒绒丝紧密粘贴在羽轴的现象减轻，说明精洗处理可让羽绒表面污渍清除；羽绒表面污渍经过累积机械效应大的精洗工艺条件处理后的羽绒材料，羽毛纤维表面的块状污渍明显减少，表面变得更加光滑，但部分受损部位有断裂、扭曲、拉丝现象；低累积机械效应的羽绒材料表面块状污渍也明显减少，但存在个别羽丝上颗粒状污渍粘附现象，羽绒材料微观形貌相对光滑，断裂、扭曲、拉丝现象明显减少。说明合理地设置精洗工艺条件，既可清除掉羽绒材料表面的污渍，也不会对其损伤。这也进一步证明了从清洗后羽绒材料性能角度开展水洗工艺研发的必要性。

图1 羽绒材料原样形貌

图2 精洗工艺条件下强累积机械效应对羽绒材料形貌的影响

图3 精洗工艺条件下弱累积机械效应对羽绒材料形貌的影响

3 结 论

以初洗后羽绒材料作为实验对象，系统研究精洗阶段，主洗水温、浴比(主洗和漂洗)、主洗时间、转速(主洗和漂洗)、漂洗次数、洗涤剂用量与羽绒材料洗后的蓬松度、耗氧量、清洁度、残脂率、气味的关系，发现：羽绒材料洗后各项指标的主要影响因素不同，具体内容如下：

a)精洗工艺条件对羽绒材料清洁度的影响比较显著，主要影响因素依次为主洗水温、洗涤剂用量、洗涤转速、洗涤时间，而主洗浴比、漂洗浴比、漂洗次数对其影响相对较小，故在羽绒材料精洗过程中，应注意水温、洗涤剂用量、洗涤转速、主洗时间的合理选取。

b)精洗工艺条件对羽绒材料蓬松度的影响不大，但过长洗涤时间和过大的洗涤转速会使清洗后的羽绒材料蓬松度下降，故精洗过程中，应尽量降低洗涤转速和缩短洗涤时间。

c)精洗工艺对羽绒材料洗后残脂率和耗氧量的影响趋势相同，即影响羽绒材料洗后残脂率和耗氧量的主要因素依次均为水温、洗涤剂用量、主洗时间、主洗转速，而漂洗次数、主洗浴比、漂洗浴比、主洗转速的影响相对较小，故在羽绒材料精洗阶段应合理选择水温、洗涤剂用量、主洗时间、主洗转速。

d)精洗工艺对羽绒材料洗后气味影响较明显，主要影响因素依次为洗涤剂用量、漂洗次数、浴比(主洗浴比和漂洗浴比)、水温。而且，还发现不论精洗工艺条件如何设置，水洗后的羽绒气味(臭鸡蛋、刺鼻酸败味)均明显减轻，这说明水洗可以有效提升羽绒品质。

e)精洗工艺中累积机械效应的大小会显著影响羽绒材料宏观和微观形貌，故应合理设计羽绒精洗阶段的水洗工艺参数组合，以便实现高质绿色清洗羽绒材料的目标。