当前位置: 网站首页 > 技术文章 >

技术文章

羊毛纤维的形与尺度对羊毛织物起毛起球的影响

发布时间:2016-04-27 10:14

织物的起毛起球是影响织物外观及服用性能的重要因素之一,也是织物服用中的一大缺憾,提高乃至克服织物的起毛起球是纺织领域中的一大经典难题。在成因与过程的研究方面,其进展只是给出了~些定性的描述…;在预防方法上只是针对纱线、织物的改进或纤维的混纺做了一些尝试“11。
为何棉、毛、丝、麻天然纤维中,只有毛织物会起球。事实上,棉是异形截面,弯曲纠结的概率低;麻属刚直纤维,不易弯曲纠结;而丝不仅为长丝纤维,几乎无起毛可言,而且是异形截面且几乎无弯曲,硬度较高。显然,这些都与纤维的形直接相关,也成为化纤防起毛起球的基本方法。而羊毛的形态是自然形成的,想要改变也只能以丧失羊毛本质的形特征为前提。
可能正是因为改变羊毛的形困难,人们回避对纤维本身形的关注和利用,较多地转向改变纱线或织物的结构,甚至采用涂层固着、烧毛等方法去除毛羽来达到毛织物的抗起毛起球。如增大捻度,以减少纤维纺纱时的起毛”1;长丝包缠,以减少毛羽和纤维的滑出”。;浸渍粘结纱线,以防纤维的移动…,等等,结果使纱线失去毛的风格。又如改变织物的结构,以增加交织点、紧度”’…;或烧毛,以减少毛羽的产生或存在”1,但这些不仅在方式上没有突破,而且是消极的方法。再如,采用化学和近乎于老化的处理方法,使织物中的毛纤维变得光滑、僵直或弱化”…,以防纤维纠缠或快速使纤维断裂,这无异于拔苗助长。
其实,羊毛本身的长度和细度、鳞片及外观和卷曲以及弹性,不仅是其独特性质的源,而且是影响其抗起毛起球的主要因素。人们以往在很大程度上忽略了这些,至少未将毛的形特征作为主要因素来讨论。本文试图关注羊毛本身的形特征对起毛起球的作用,尤其集中在卷曲、鳞片和直径与长度上,并回顾与评述人们在此方面的一些研究与成果。

1形特征及其对抗起毛起球的意义
1.1羊毛的形的范畴
形在广义上是指材料的外形、尺度、外观和内部构造,即包括表面形态、轮廓特征、内部结构和形态尺寸的广义结构。是材料的本质特征,决定着材料的性质与功能。
羊毛的形具体是指羊毛的长度、细度(直径)、截面形状、卷曲、鳞片特征、表面粗糙度、皮质细胞的双边分布及空间构造等。显然,这些形特征参数.如棉花的腰圆截面、丝的长度、麻的挺直形特征一样,是影响羊毛织物起毛起球的本质因素,因为其决定着羊毛纤维的摩擦与滑动、柔软与挺直、弯曲与纠缠。
1.2对抗起毛起球的意义
据以往的经验可发现,在所有加工工艺和条件一致的情况下,有些毛纤维制成的产品易于起毛起球,有些则较少发生起毛起球。这就暗示着羊毛本身的性状不同,抗起毛起球的性质就不同。只是以往较多地关注性质而忽略了形状。倘若关注纤维的形并明晰其特征与起毛起球的关系,那么首先可以通过羊毛形参数值的选择,来直接回避或克服起毛起球;其二,可指导和完善“优毛”的概念与评价,而不是仅局限在细度和长度,真正做到优毛优用,优毛优价;其三.可对羊毛的品质和生产提出改进的依据和方向,由此可见,关注纤维的形及其与起毛起球关系是一举多得的研究。

2羊毛形参数对起毛起球影响的回顾
2.1羊毛卷曲
2.1.1羊毛的准二维卷曲
羊毛纤维是由“一蛋白质组成,形态结构极为复杂,可以用CSIRO(澳大利亚联邦研究院)早期最为经典的图示…1表达,如图l所示。可以看出,羊毛纤维是多细胞结构体。主要由鳞片细胞(cuticlecell)、皮质细胞(coItex cell)、细胞间质(cellmembrane complex)和细胞核残留物质(nuclearremnant)组成,鳞片细胞和皮质细胞间以细胞间质联接。这些表达并不完全正确,虽然以后在具体画法上有所改进,但都存在一些错误,如在偏皮质细胞中拉出的只有在正皮质中存在的巨原纤(macrofibril),微原纤(mic rofibril)直接由螺旋大分子构成,而无基原纤(protofibril)等。
羊毛的卷曲是由于羊毛中存在正偏皮质细胞并且呈双边分布。Heal4e教授将羊毛纤维的结构划分为9个层次,皮质细胞占纤维的绝大部分。其光学显微镜观察到羊毛表层的鳞片细胞和被鳞片包覆的皮质细胞”“。皮质细胞有正皮质细(orthocorticalcell)和偏皮质细胞(parocortieal cell)之分,有些羊毛中会有少量仲皮质细胞(mesocortex cell)存在m J,如图2所示。
正皮质细胞原纤化结构明显.有明确的巨原纤和微原纤结构,并且由微原纤先紧密堆砌成巨原纤.再由巨原纤堆砌成细胞体。偏皮质细胞,也是原纤化结构,只是不存在紧密堆砌的巨照纤层次,而是由微原纤呈较为松式的排列,直接构成细胞体。其中,
微原纤的排列有规整的六角形堆砌,也有无规则或流动状的堆砌。显然,由截面的观察已知正、偏皮质细胞的构造为一紧一松;而纵向切片观察”“又给出正皮质的杆状结构和偏皮质的“风琴”式结构,可谓是一直、一缩。因此,正皮质的刚直和偏皮质的柔曲,加上其双边分布,必然导致羊毛的弯曲。但仅仅是正、偏皮质的双边分布,只能形成纤维的螺旋或无规的弯曲,要形成羊毛的卷曲,即在平面内的来回波动,还必须满足双边分布的空间螺旋,即沿纤维轴向的扭转,如图3所示。由此,形成羊毛特有的准二维卷曲。正皮质始终位于卷曲的外侧,偏皮质位于卷曲的内侧,是因为二者周期性的螺旋,螺旋的周期就是羊毛天然卷曲的周期。
2.1.2影响卷曲的因素
根据卷曲的成因,其影响因素可明确:正偏皮质的构造差异、分布比例及形式、双边螺旋的周期:构和生产提出改进的依据和方向,由此可见,关注纤维的形及其与起毛起球关系是一举多得的研究。
因卷曲的3个本质成因因素的表征乏术和定量化结果的缺少,所以很少以此来定量化或实用性地讨论卷曲量(周期、波幅、波形)的控制或筛选。而较多地是以人们能够简便测量的形态参数作为影响因素来讨论。如纤维的直径(d,斗m),其值为在16.5~22.3“m的羊毛纤维通常每厘米有4~8个卷曲”…,纤维的直径d与卷曲数(频率)或卷曲度成反比;偏皮质的拉伸模量与卷曲数成正比。而直径d大于26“m后,羊毛纤维较难有卷曲等。人们几乎不讨论本质关系,只是建立现象间的关系或表述一些现象,如卷曲频率随正、偏皮质比例不同而变化;正皮质较副皮质硬,二者的弹性模量存在差异;对于平均直径相同的纤维,增大的副皮质的弹性模量会导致卷曲增加,因为纤维的卷曲与卷曲率成正比,从而导致纤维的弯曲刚度和扭转刚度增加”。2”等。
2.1.3卷曲对起毛起球的影响
起毛和起球是2个不同概念,起毛是起球的必要条件,因为只有毛羽才有纠缠成毛球的基本物质。起毛取决于纤维易于滑脱伸出的头端数,其取决于纤维集合体中固有头端总数和纤维间的相互作用。前者取决于纤维的长度和细度,这将在2.3中评述;后者取决于纤维的卷曲和表面形态及作用,在本节和2.2节中将讨论。
起球是纤维间的相互纠缠,取决于:1)适于纠缠的毛羽量;2)纤维的柔软性和相互摩擦;3)纤维的柔韧性。
1)适于纠缠的毛羽量取决于可纠缠区域中的毛羽量和突出毛羽的长度。前者受单位面积里固有纤维头端数和已有毛羽数的影响;后者受毛羽端易于露出概率和抽拔出的难易程度的影响。显然,这又是人们很少关注的特征。
2)纤维的柔软性和相互摩擦取决于纤维的截面形态、弯曲刚度(本质是弯曲模量)和纤维表面形态和摩擦因数。截面形态决定着方向性的弯曲,即发生纠缠的概率。如圆形各方向均易弯曲,即随意纠缠,纠缠概率为1;而偏平带状,只有一个方向易弯曲,纠缠概率趋近于0。若带状体能扭转,则毛羽突出长度越长,纠缠概率越大(这是指头端);纠缠概率还取决于毛羽上的纠缠点位置。弯曲刚度取决于弯曲模量和截惯矩,截惯矩取决于截面积和形态,弯曲模量是纤维本身组成和结构固有常数。表面形态是指表面的轮廓和粗糙度,摩擦因数为广义的摩擦因数,取决于纤维表面的硬度、接触面积、表面附着物。显然,截面形态与弯曲刚度在含义上有共同点或交集,研究应该寻找更为本质的弯曲模量;同样,表面形态与摩擦因数的接触面积因素在含义上亦有交集,应该更多地关注实际接触面积和表面的相互作用机制,即引人表面硬度。
3)纤维的柔韧性取决于纤维的耐疲劳性能,包括拉伸、弯曲、扭转和剪切,更为重要的是弯曲和拉伸疲劳,显然对单纤维的弯曲疲劳,尤其是对毛纤维的研究鲜见。纤维的柔韧性还取决于有效拉住毛球的纤维根数,此取决于纤维的长度和柔韧性,决定着纤维被抽拔出现疲劳断裂的概率。显然其值越大,毛球的存在也就越长、越牢。
卷曲相对伸直的最主要变化是:1)以点接触的形式增多.线、面接触减少,纤维集合体的蓬松性增加;2)毫米尺度的波动机械锁结形式出现,相互间的变形能力增大;3)易于被钩拉的纤维点增多,毛羽发生的概率增大;4)相对空隙增多增大,弹性变形增多增大,塑性变形和冲击作用减小、减少。就以上4点来看,卷曲的增大,基本上是有利于起毛和起球的。
2.1.4加工对卷曲的影响
最多的研究报道是卷曲会导致纤维集合体的纠缠与抱合”…进而导致起球”“。而在湿态下纤维的卷曲几乎消失或大大减少”…。纱线的加捻会出现附加卷曲,并与纤维直径成反比”。”’。经染色和后整理的纱线,会改变羊毛的卷曲”“,增加纤维间的缠结概率,减少纤维的滑移,对毛针织物的抗起球有利”“。纺织加工也会导致卷曲减少,而影响纤维问的抱合,会增加起毛起球”“,因此,能否在加工中控制羊毛纤维的卷曲变形,达到减少因受到摩擦造成起毛起球的概率,是需要实验验证的。
2.2鳞片高度和厚度及硬度
羊毛的鳞片层是由许多个鳞片细胞交叠并由细胞间质(CMC)粘合而成的,每个鳞片为单细胞。鳞片与鳞片间除由细胞间质黏结外,还存在一定的锁结”“。这种物理锁结,用一般分离方法难以分开。图5为羊毛纤维的表面与鳞片的扫描电镜(SEM)照片。
从理论E说.鳞片高度h是纤维表面光滑性的表达,因为h愈大,鳞片头端棘齿作用愈少,光滑区域愈大,这对起毛和起球正好是相反的作用,即纤维易于滑出而有利于起毛,不利于纠缠锁结成球。鳞片厚度£是纤维表面粗糙度和锁结的表达.与h相反,故不利于起毛,而有利于自锁纠缠成球。而没有毛羽无法起球,所以t相对h值更为重要。鳞片硬度日影响真实的接触面积和棘齿锁结性,日值愈大接触面积小,易于滑动,但棘齿不易变形,锁结作用大,在摩擦性上是互为矛盾的。有一点可以旨定,鳞片硬度高,纤维的弯曲刚度大,不易纠缠起球。目前,鳞片高度、厚度、硬度共同对起毛起球20世纪60年代,Brown””经实验认为鳞片高度及形状会影响羊毛表面粗糙度和摩擦力。Crossley等”…采用AFM分析,说明羊毛纤维用酒精碱法清洗后,表面会软化,因为其成像模糊,如图7所示.但鳞片的软化及高度是否会对纤维表面粗糙度产生影响仍需实验证实。
作用机制的定量化研究上几乎是空白,可用其来表达毛纤维的摩擦性质,有Philip等…3采用原子力显微镜(AFM)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)测量鳞片。
2.3纤维直径和长度
羊毛纤维为近圆形,其椭圆度为1.1—1.2,所以一般用直径(/,zm)表示。在常规范围15~32“m内,羊毛的直径愈小,卷曲频数和伸直长度愈大。“,韧性和耐疲劳性愈高”“,鳞片高度h越小,厚度t越大。”l。可以说,除纤维的长度以外,羊毛直径几乎影响羊毛的所有性质,包括强度、伸长率、弹性、模量、弯曲刚度、吸湿性等o“。
通常直径d小,羊毛的韧性和耐磨性高,而韧性和耐疲劳的主要作用是纤维一旦纠缠成球,韧性和耐疲劳大的纤维不易被破坏而使毛球保持,导致起球多。总之,直径d是起毛起球最重要的影响因素,d越大越不易起毛起球,反之越易‘”。羊毛的长度越短,纤维的头端数越多,纤维被拖拽出的概率越大,故起毛和起球量都增加,尤其重要的是羊毛中的短纤维含量越高,起毛起球的发生概率也愈大”。
对截面形态的影响:d越小,纤维越圆,纠缠概率愈高;d越大,纤维的椭圆度增加,弯曲有方向性,纠缠概率下降,所以亦与起球有关。
上述都是已有的报道,看似有一定的实验基础,但并来涉及起毛及起毛的本质问题。

3 结 语
织物的起毛起球最早源于毛织物,虽然说起毛在棉、麻织物中也有,但起球是4种天然纤维中绝无仅有的了。人们把这个问题主要归咎于羊毛的强度、模量、弯曲刚度、伸长率、弹性等性质,其次归咎于羊毛的卷曲、鳞片、直径、截面形态、长度等形态,即归咎于“性”和“形”。于是在性上,去降低强度、弹性和耐疲劳性;在形上,去增加长度、减少卷曲;或者干脆去固定纤维,或烧毛和剃球。
事实上,羊毛的性质是其被人们一直喜爱和应用的最主要原因,为了抗起毛起球去改变,那只能是劣化或否定。而羊毛的形特征是羊毛与生俱来的,它会影响纤维的起毛起球,人们完全能够也应该有效地筛选,甚至通过羊种的改良,获得合适的羊毛形态与尺寸,以获得更为满意的或可以接受的抗起毛起球性。由此,问题就产生了,因至今还未搞清楚,本文所提的几个形态参数(卷血、鳞片、细度和长度)与起毛起球的关系,故无法准确地做出选择。显然,如果能够确定纤维本身抗起毛起球的形参数临界值和最优值,那么这些值将同羊毛的洗净率、含杂率、直径、长度、强度等指标一样,不仅成为羊毛买卖中定价和改良羊种获得优质羊毛的重要依据,而且成为防止起毛起球进行的选配毛和纺纱加工的重要参数。
可喜的是人们以往已经自觉和不自觉地发现和应用纤维的形参数及尺度来进行抗起毛起球的研究尝试,人们也获得了一些理论和实践方面的定性结果,这将成为定量化的理论研究和实用尝试的基础,并有望成为毛织物在保留原有优点的前提下达到抗起毛起球的基本点和突破点。


更多关于 :起毛起球测试仪