（纺织工程专业论文）羊毛改性对其产品性能影响的研究.pdf

摘要 羊毛织物因其独特的风格深受消费者的喜爱，也因其独特的鳞片层结构使之 存在先天的不足。随着人们对羊毛服用性能要求的提高，各种改性工艺应运而生。 这些改性处理势必要对羊毛产品的物理性能产生影响从而影响其独特的风格。因 此研究改性处理对羊毛纤维及其产品的物理性能的影响有着深远的意义，对产品 开发和质量控制有指导意义。 本课题主要研究了改性处理对纤维、纱线和织物的物理性能的影响，并且针 对以拉伸和弯曲为主的织物风格建立有限元模型作了初步的探讨。 本研究分别以氯化防缩毛条、氯化前原毛条、拉伸细化毛条和拉伸细化前原 毛条为原料，采用相同的工艺条件对改性前后的毛条进行纺纱和织造。对改性前 后，纤维的表面形态、强伸性能、细度、纤维的摩擦系数；纱线的可纺性能、强 伸性能、回弹性能、毛羽以及织物的f a s t 风格进行了测试，其结果表明：改性 处理在使产品达到目标性能的同时，对原毛纤维、纱线及织物的物理指标有明显 的影响；不同的改性工艺对产品的性能影响差异显著。 课题还初步研究了织物力学，确立以拉伸和弯曲为主要因素表征织物的风格 特征，采用有限元方法建立近似的力学模型。本课题根据细观分析认为，织物在 单纯拉伸过程中，正交各向异性的织物力学模型能够准确的计算织物受拉伸作用 下的变形，而织物风格是通过外力作用下的屈曲表现出来的，屈曲载荷的主要载 体是纱线，因此，本文兼顾这两个方面，建立二者的组合模型，将织物看做是匀 质正交各向异性板，内镶嵌多个抗弯梁。在建立的有限元模型过程中力求简化计 算量，并能反映纱线性能及不同纵物参数对织物风格的影响。 关键词：羊毛氯化一赫克特处理拉伸细化处理织物风格有限元分析 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e i ru n i q u es t y l e ，w o o lf a b r i c sa r cp o p u l a rb yc o n s u m e r s ，a l s o b e c a u s eo ft h eu n i q u es t r u c t u r eo ft h es c a l e s ，w o o lf a b r i c sh a v ei n h e r e n td e f i c i e n c i e s a sf o rt h ew e a r a b i l i t yo fw o o lf a b r i c sa r ei n c r e a s e d ，a p p e a rav a r i e t yo fm o d i f i e d p r o c e s s t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fw o o lp r o d u c t sw i l l b ee f f e c t e d b yt h e s e m o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t s ，a n dt h eu n i q u es t y l eo fw o o lf a b r i c sw i l lb ee f f e c t e d t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n c et h a tr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fw o o lf i b e r sa n di t s p r o d u c t s p h y s i c a lp r o p e r t i e sb ym o d i f i c a t i o nt r e a t e d a n di t sg u i d i n gs i g n i f i c a n c et o t h ep r o d u c td e v e l o p m e n ta n d q u l l i t y c o n t r 0 1 t h ee f f e c to nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ff i b e r ，y a r na n df a b r i cb ym o d i f i c a e dw a s s t u d i e di nt h i ss u b j e c t a n da c c o r d i n gt of a b r i cs t y l ew h i c hw a sc h a r a c t e r i z e d m a i n l yb yt e n s i o na n db e n d i n g ，e s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l t h ec h l o r i d es h r i n k p r o o ft o p sa n di t su n t r e a t e dt o p s ，s t r a t c h i n gt o p sa n di t s u n t r e a t e dt o p sw e r ep r o c e s s e da sr a wm a t e r i a l s t h eu n t r e a t e da n dt r e a t e dt o p sw e r e s p i n n i n g e da n dw e a v e du n d e rt h es a m ep r o c e ec o n d i t i o n s t h es u r f a c em o r p h o l o g y 、 s t r e n g t ha n de x t e n s i o np r o p e r t y 、f i n e n e s sa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to ff i b e r ；t h es p i n n i n g p r o p e r t y 、s t r e n g t ha n de x t e n s i o np r o p e r t y 、r e d i l i e n c ea n dh a i r i n e s so fy a r n ；t h ef a b r i c s t y l e sw e r et e s t e db o t ho ft r e a t e da n du n t r e a t e d t h er e s u l t ss h o w st h a ti no r d e rt o o b t a i n et h eo b j e c t i v ep e r f o r m a n c eb ym o d i f i e dt r e a t m e n t ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f f i b e r 、y a r na n df a b r i cw e r ee f f e c t e dm e a n w h i l e ；t h e r ea r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e so f d i f f e r e n tm o d i f i e dp r o c e s s e s e f f e c t s m o d i f i c a t i o no ft h ep r o d u c t st om e e tp e r f o r m a n c eg o a l sa tt h es a m et i m e ，t h ew o o l f i b e r , y a r na n df a b r i c o f ac l e a r p h y s i c a li n d i c a t o r so ft h ei m p a c t ；d i f f e r e n t m o d i f i c a t i o np r o c e s s e so nt h ep e r f o r m a n c ei m p a c to fs i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s i nt h i sp a p e r ，ap r e l i m i n a r ys t u d yo fw o o lf a b r i cm e c h a n i c sw a sp r o p o s e d t h e t w om a i nf a c t o r st h a ta f f e c t st h ew o o lf a b r i c ss t y l e si st h eb e n d i n ga n dt e n s i l e p r o p e r t i e so ft h ef a b r i c s a c c o r d i n gt ot h em i c r o - s t r u c t u r e so ft h ef a b r i c ，t h ef a b r i ci s a no r t h o t r o p i cm a t e r i a lu n d e rt e n s i l el o a d s ，s ot h eo r t h o t r o p i cs h e l le l e m e n t sc a n a c c u r a t e l yd e s c r i b et h e t e n s i l ep r o p e r t i e so ft h ef a b r i c ；w h i l ei n s t y l ed e s i g n ，t h e b e n d i n gp r o p e r t yi se s s e n c i a l ，t h ei n t e r t w i n e dy a r n sw e r ec o n s i d e r e da st h em a i n r e s i s t a n c ea g a i n s tt h eb e n d i n gl o a d b ym e a n so fan e wf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r e - a n s y s ，as h e l l b e a mc o m b i n e dm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，t h et e n s i l ea n d b e n d i n ga s p e c t sw e r et a k e ni n t oa c c o u n t ，t h ew h o l ef a b r i cw a sj u d g e da sao r t h o t r o p i c p l a t ee m b e d d e dw i t han u m b e ro fy a r nb e a m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h e s h e l l b e a mc o m b i n e dm o d e lc a nr e f l e c tt h ed i f f e r e n tt e x t u r e df a b r i cs t y l e ，t h e c a l c u l a t i o nw o r ki sa l s oas i m p l i e dp r o c e s s k e y w o r d s ：w o o lf i b e r ；c h l o r i d e h e r c o s e tp r o c e s s ；s l e n d r i z a t i o n ：f a b r i cs t y l e ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些盍堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 少，o 学位论文作者签名：专五签字同期：么矽年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼兰些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毒五 导师签名： 签字日期：z 矽年，月，占同 签字f 1 期： 少 同 7 、j 腐 月雅年 学位论文的主要创新点 一、比较研究了改性处理对羊毛纤维及产品性能的影响；采用相同的 纺纱和织造工艺对改性前后的羊毛纤维进行加工，测试纤维、纱 线及织物的性能，得出改性处理对产品性能的影响。 二、在相同的工艺条件下，比较研究了氯化防缩改性和拉伸细化改性 对原毛产品质量及加工的影响，结果表明不同的改性方法对纤维 性能的影响程度差异明显，为产品开发人员提供参考。 三、研究织物力学问题，通过有限元方法分析以拉伸和弯曲为主的织 物风格，建立有限元模型，从而简化计算量并反映纱线性能及不 同织物参数对织物风格的影响，为产品质量控制及产品开发人员 提供参考。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 羊毛是一种天然蛋白质纤维，是纺织工业的重要原料，具有许多优良特性， 如弹性好、吸湿性强、保暖性好、不易沾污、光泽柔和等【l j ；因此，毛织物具有 各种独特风格。如，采用羊毛可以织制各种高级衣用织物，如薄毛呢等；有手感 滑糯、丰厚且有身骨、弹性好、呢面洁净、光泽自然的春秋织物，如中厚花呢等； 有质地丰厚、手感丰满、保暖性强的冬季织物，如各类大衣呢等。另外，羊毛也 可以织制工业用呢绒、昵毡、毛毯、衬垫等材料。而且，用羊毛织制的各种装饰 品，如壁毯、地毯等，都十分名贵华丽。 随着生活水平的提高，人们对羊毛服用性能的要求越来越高。但羊毛也存在 着先天的不足，如：羊毛特有的鳞片层结构易使织物在洗涤时由于定向摩擦效应 而发生毡缩变形，导致织物尺寸发生明显变化，织纹模糊不清；使得羊毛在服用 过程中存在刺痒感；同时羊毛纤维具有特有的鳞片层结构，从微观结构分析，刚 性鳞片层的存在使得羊毛纤维具有比棉纤维更大的弯曲刚度，因此，从丌发柔软 的羊毛纤维制品角度( 即，生产轻薄、时尚、舒适、易护理的羊毛服饰) 考虑，就 要改变羊毛纤维微观结构，降低其弯曲刚度。使纤维制品尽可能柔软，就现有的 工艺可有两种方法： 去除鳞片：刚度较大的鳞片被去除后，纤维条干将明显变软，易于弯曲1 2 j ； 另一方面，由于羊毛的鳞片厚度一般在0 轨m 1 5 t m ，产业化的氯处理工艺足最 适用的。采用氯制剂减量处理的羊毛纤维细度的减量一般控制在1 , u m 左右，而羊 毛纤维的强力可以保存8 0 左右。 纤维细化：从微观上观察，羊毛纤维是一个截面为圆形的连续结构，根据 结构力学的基本原理，圆柱体弯矩与其截面半径的三次方成正比。如果能够借助 一些机械、化学手段，将羊毛纤维直径变细，其弯曲刚度也将大大降低。 虽然，对羊毛纤维进行改性是达到这些要求的手段之一，但是对羊毛纤维进 行改性，除了能够达到其后续产品特殊的目标性能之外，对其后续产品加工工艺 以及后续产品的其他方面性能有无影响，有什么样的影响规律，会不会造成原有 优秀性能的损伤，这是一项势在必行的研究。本文将对这些影响进行初步研究。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 羊毛改性的分类及方法 1 2 1 按照改性目的分类 羊毛改性从目的上大致可以分为防缩处理、丝光处理和细化处理。 1 2 1 1 防缩处理 防缩处理是指通过物理或者化学的手段使羊毛织物做到“机可洗”的改性工 艺。“机可洗”是由国际羊毛局于1 9 7 2 年开始提出的，它是高档羊毛产品的一种 标准，它要求“机可沈”羊毛在按照使用说明进行机器洗涤的条件下，在整个服 用期内不会发生毡缩1 3 1 。羊毛毡缩的机理有多种，每一种机理都在一定条件下有 效。众多的机理表明羊毛本身的弹性、卷曲性、鳞片的疏水性及纤维的溶胀性都 可能对毡缩产生影响1 4 1 。但是防毡缩的机理主要有两种，即降解处理( “减法处理”) 和聚合物沉积处理( 加法处理”或”树脂处理 ) 。 1 2 1 2 丝光处理 丝光处理是在传统的羊毛氯化防缩工艺基础上发展起来的一种改性工艺。经 过该工艺处理的羊毛织物具有羊绒般的手感，丝一样的光泽。丝光羊毛在我国和 世界上其他国家有不同概念【5 , 6 1 ，我国将深度剥除鳞片的羊毛称为丝光羊毛，而 国际上将绵羊毛在热蒸汽早蒸透，并拉长3 0 5 0 ，然后用冷水冷却定型后， 拉长拉细的绵羊毛称为丝光羊毛。 1 2 1 3 细化处理 细化处理是使毛纺织产品高支轻薄化的改性工剖7 1 。可以通过化学、生物的 方法剥蚀羊毛表面鳞片达到细化的目的；还可以通过物理的方法拉伸细化羊毛。 1 2 2 按照改性方法分类 从改性方法上分大致可以分为：物理法、化学法及生物酶处理法。 1 2 2 1 羊毛的物理改性方法 羊毛的物理改性方法可细分为拉伸细化法、等离子体处理法、紫外线辐射法 和机械热压法。 拉伸细化法l & 1 0 l 羊毛拉伸细化技术是一种无污染的羊毛细化技术。它采用物理和化学加工相 结合的方法，将毛条中的羊毛纤维拉细，并将其定型。它是2 0 世纪9 0 年代羊毛 科学和工业中的前沿技术，以澳大利亚联邦工业与科学研究院( c s l r o ) 的研究为 第一章绪论 代表。该技术从构思到工业化生产共花费了1 5 年时间，具体来说，1 9 8 4 年丌始 构思，1 9 8 5 1 9 8 7 年开始基础试验，1 9 8 9 年申请了短纤维拉伸的专利，9 0 年代 国外出现了这项技术的专利报道，c s i r o 与r 本都开始产业化生产。 这项技术比较成熟的国家主要是新西兰、澳大利亚、同本。新西兰丌发了无 捻毛条拉伸设备，其基本工艺流程为：预处理装置一拉伸装置一定形装置一烘干 装置。澳大利亚开发的假捻拉伸设备其工艺流程与新西兰的无捻毛条拉伸设备基 本致，即利用假捻增加毛条或粗纱的握持，以确保拉伸过程中纤维被拉细，而 不是毛条被牵伸，避免了无捻拉伸毛条必须被严格连续的握持，导致机器设计过 度复杂等缺点，而且产量比较高。澳大利亚开发的羊毛拉伸细化技术工艺和纤维 注册商标为o p t i m 。用该技术可制得2 种优良纤维，一种是永久定形细化羊毛 o p t i m f i n e ，一种是可回缩膨胀细化羊毛o p t i m m a x 。r 本引进了新西兰无捻毛条 拉伸技术，并对工艺进行了进一步完善，向市场推出了名为“k e l i l a n a ”的新型 毛纱和毛织物。 2 0 世纪9 0 年代木国内丌始有这方面的研究和报道。虽然起步比较晚，但已 经取得了较大的进展。2 0 0 0 年上海毛麻研究所、东华大学和上海三毛共同丌始 合作立项。东华大学相关羊毛拉伸细化技术的报道很多，而且也申请了关于羊毛 拉伸定形的化学工艺及预处理剂和定形剂方面的专利。我校在理论和实践研究的 基础上丌发了拉伸细化设备，并且成功的加工出拉仲细化羊毛毛条。 国内一些企业也对国外羊毛拉伸细化技术及产品进行了引进，如山东如意集 团曾经利用同本拉伸的毛条丌发精纺面料。但由于当时产量低，价格昂贵，所以 并未普及。内蒙古鹿王集团购买了澳大利亚联邦科学院和国际羊毛局研究的拉伸 细化加工技术，产品也命名为o p t i m 羊毛纤维。按引进合同规定，包括香港、澳 门和台湾在内的中国市场，该拉伸细化加工技术均由鹿王集团独家引进。河北启 发集团购买了新西兰的拉伸设备，通过拉伸后暂时定形，成功丌发出了莲松毛线。 兰州三毛纺织集团购买o p t i m 拉细羊毛，也进行了一系列的产品丌发。 等离子体处理法1 1 1 d 3 j 等离子体处理是指选择等离子体中所含有的离子、电子、自由基和中性粒子， 在电场的作用下和纤维表面发生物理和化学的作用。s e m 、x p s 和f t i r 的研究 表明等离子体仅使3 0 5 0 n m 深度的羊毛表皮结构发生反应。等离子体处理使羊毛 鳞片受到了明显的破坏，鳞片边缘翘起或碎裂或变模糊。加上等离子体对纤维表 面的刻蚀作用使纤维变得粗糙，这样就导致纤维的摩擦性能提高。研究表明经过 处理后纤维的顺逆鳞片方向的摩擦系数均有所提高，二者增长的幅度却不相同， 因此定向摩擦效应反而下降了。所以经等离子处理之后纤维获得了防毡缩的效 果。 天津工业大学硕士学位论文 另外，等离子体的氧化作用使得羊毛的二硫键断裂，产生半胱氨酸，并随处 理气体的性质引入新的极性官能团。纤维表面的亲水性、润湿性也提高了。h e s s e 等人通过对湿态摩擦系数的研究后认为等离子体的氧化作用使纤维表面亲水化， 因此在纤维水洗过程中可以形成一层类似水膜的结构，将纤维相互分开，减少纤 维的定向摩擦效应，获得防缩的效果。但是这样的处理一般仍然不能达到国际羊 毛局机可洗的要求，因此还需要如树脂与酶的后处理来进一步提高防缩性能，达 到机可洗的要求。 紫外线辐射法l l 6 1 紫外线辐射法是指利用波长在1 0 0 - 4 0 0 n m 范围内的紫外线电磁波对羊毛进 行有目的的照射，从而达到改变其物理及化学性能的改性方法。作为一种物理处 理技术，紫外线具有加工清洁、方便，没有废水产生。而同等离子体技术相比， 紫外线更具有无需真空状态或引用专门气体引发，只需要在常压空气中就能加工 的优点。紫外线辐射处理之后，纤维的染色性能和防缩性能有明显改善。 机械热压法1 1 7 j 热压法防缩处理是指利用油压活塞或压辊式压缩机对羊毛纤维块或纤维网 进行加热和压缩处理，在毛纤维之间的交叉部分产生压痕的处理方法。该处理能 够赋于羊毛纤维表面更多细微的凹凸结构，增加了纤维的缠绕，提高了纱线或织 物内纤维的约束力，从而阻止了纤维的滑移，减少了缩绒倾向，也减少了纱线或 织物毛羽的出现。 本方法加工工艺简单、成本低，但对毛纤维的光泽有影响，处理不当会导致 羊毛变色、手感粗糙，此法适用于散毛或毛条的防缩处理。 1 2 2 2 羊毛的化学改性方法 羊毛的化学改性方法主要包括氧化法( “减法处理”) 和聚合物沉积法( “加 法处理”) 。 氧化法 氧化法是指利用氧化剂使羊毛表面鳞片变质或损伤，改变顺逆向摩擦系数， 使羊毛失去毡缩性的改性方法。这种处理方法含氯氧化剂用得最多，如c 1 2 、 n a c i o 、d c c a ( 二氯异氰脲酸盐) 等，它们在适当的p h 值的溶液中，均可以 转化为h c i o ，促使鳞片层氧化、水解，达到防毡缩的目的。根据所用含氯氧化 剂的不同可以分为：干氯化法、n a c i o 法和d c c a 法。这些含氯氧化剂的氧化 法又可统称为氯化法，其具有防毡缩效果好，处理简便，价格较低廉的优点；但 是缺点也是很明显的，该法会产生可吸附的有机卤化物( a b s o r b a b l eo r g a n i c h a l o g e nc o m p o u n d s ，简称a o x ) 1 1 8 1 ，会对环境造成污染，对人体造成伤害。一些 发达国家逐渐摒弃了这种处理方法，但目前我国应用此法的厂家还比较多。 4 第一章绪论 除氯氧化剂以外，其他氧化剂也被用于氧化法羊毛防缩改性中。过硫酸盐、 双氧水和高锰酸钾等都曾被尝试应用于毛织物防缩处理，但作用效果远不及氯化 试剂。随着人们对氯化法带来的环境问题r 益关注，过硫酸盐被认为是有望代替 氯及氯系衍生物的防缩试剂之一1 1 9 。o l 。 聚合物沉积法1 2 l j 聚合物沉积法通常还可以分界面聚合与预聚体处理。界面聚合是指以单体进 行处理，在羊毛表面通过界面聚合生成线形聚合物沉积于纤维上，一般是与纤维 发生接枝反应。预聚体处理通常多采用带有三个活性官能团的预聚体，相互或与 其它交联剂在羊毛表面发生作用。也可进一步聚合或交联而形成网状结构的聚合 物沉积于纤维上。 不同的聚合物( 主要指树脂) 及处理工艺以及应用于不同的纤维聚集体，其 防毡缩的机理也可能不尽相同。归纳起来，主要有以下三种机理： 通过“点焊接”或产生纤维纤维之间交联将纤维粘结起来，从而防止纤 维间相互滑动和定向摩擦效应。 在纤维表面形成一层聚合物薄膜而把鳞片遮蔽起来。 大量的聚合物在纤维表面沉积阻止了鳞片的相互作用。 虽然存在不同的防缩机理，但它们共有的结果却是，聚合物的存在以这样或 那样的方式防止了相邻纤维鳞片之问的互相齿合，因而有效减小了顺、逆鳞片的 摩擦差。 1 2 2 3 羊毛的生物酶改性方法 将酶用于羊毛的改性及防缩整理的研究始于2 0 世纪8 0 年代。8 0 年代以来， 羊毛用酶处理进行改性的研究更加广泛深入。羊毛及其织物经过生物酶处理不但 可获得防毡缩性能，还可提高光泽和白度，改善手感和抗起球等1 2 卫。用于处理羊 毛的生物酶大致可分为三类1 2 3 , 2 4 1 ： 蛋白酶：由肽酶和蛋白纤维酶组成，可将多肽链分解为氨基酸，肽酶又 可进一步分为作用于多肽分子中酰氨基的内切肽酶和作用于链端的外切肽酶。 脂肪酶：可使脂肪，特别是甘油三脂和脂肪酸水解。 蛋白脂肪酶：作用于脂蛋白( 由蛋白质、脂分子结合而成) 中的脂蛋白 键，破坏疏水性的“障壁层。 虽然对一些脂肪酶和蛋白脂肪酶的用途也有研究，但应用最广泛的是蛋白 酶，各方面研究中涉及的具体酶的种类繁多，相应的工艺也各不相同，在此不再 逐个赘述，以下仅对蛋白酶的作用机理做简要介绍。 羊毛用蛋白酶处理时，蛋白酶对羊毛起催化水解作用。首先是经由贯通于整 个纤维内部、并延伸到表面的细胞膜复合物( c m c ) 中的细胞问粘合物丌始，并且 天津工业大学硕士学位论文 沿着c m c 向纤维内部逐渐扩散并发生作用。羊毛的皮质层及鳞片内层蛋白质胱 氨酸含量较少，蛋白酶易在其中扩散并对其作用。而鳞片外层二硫键交联密度较 高，蛋白酶不易扩散进去，当羊毛先经过氧化剂处理后再用蛋白酶处理时，由于 氧化剂能够切断胱氨酸二硫键，增大了酶对纤维的可及性，蛋白酶能更加容易地 向纤维中扩散并对其发生作用。鳞片外层二硫键的氧化断裂，使得蛋白酶在鳞片 外层中的扩散及其催化水解更容易进行。该理论认为，蛋白酶对羊毛鳞片外层的 作用是由里及外、而不是由外及里进行的p j 。 一般认为，由于酶的分子量很大，即使纤维在湿态或溶涨的情况下，酶分子 也不能渗透到纤维里面，只能吸附在纤维表面。因此，蛋白酶对羊毛的催化水解 作用被限制在纤维的表面进行，或者说酶对羊毛的作用是由外及早进行的。对羊 毛的形态结构及其性能研究表明，覆盖在毛纤维每个角质细胞表面的鳞片表层是 由胱氨酸含量较高的蛋白质和类脂物质组成的，具有很高的化学稳定性，能够抵 抗溶解角蛋白试剂如酸、碱、氧化或还原剂、蛋白酶或它们的联合作用。所以通 常酶处理都须经过预处理，目前常见的是双氧水氧化预处理，再把酶处理作为主 要步骤，并与树脂整理相结合，能够获得有较好的防缩效果。 1 3 羊毛纤维改性对羊毛纤维性能的影响 改性工艺均会不同程度的影响羊毛纤维的物理或者化学性能。 于伟东、杨锁廷l 掘2 8 i 等人对拉伸细化工艺的研究表明：常规羊毛经过一定的 预处理后，将其极度拉伸而使羊毛纤维大分子链的单分子空间结构发生了由a 型螺旋链向b 型折叠链的变化，即常规羊毛发生了性变和形变，再经过定形后即 变成了拉伸改性羊毛。拉伸改性羊毛除了细度更细，长度更长之外，其白度明显 好，具有丝般的光亮度；其单纤维断裂强力、断裂伸长、断裂功都比较小，而断 裂强度较大。 ， 氯化改性方法不可避免的对羊毛性能产生伤害，导致强力下降、色牢度降低、 泛黄以及色光变化等现象1 2 9 , 3 0 1 。沈淦清，朱泉等人【3 1 , 3 2 1 对羊毛氯化工艺的研究表 明：氯化处理会比较严重地破坏鳞片层结构，使其形状残缺不全，能够提高上染 速率并实现低温染色，但会使羊毛纤维泛黄，影响染色的鲜艳度；同时降低纤维 的强力与强度，少许增加纤维的断裂延伸度。 郭士恒，江雪梅等1 3 3 j 对辉光和电晕低温等离子处理羊毛表面的性能研究表 明：经等离子体处理的羊毛纤维断裂强力增加，断裂伸长略有减小，静摩擦因数 显著提高。同时这两种改性很大程度地影响着羊毛的润湿、印花、染色和毡缩性 能p 4 - j 9 1 。经辉光处理的羊毛纤维其鳞片受破坏较厉害，断裂强力、断裂仲长和断 裂功有较多下降，摩擦效应减小得多。 第一章绪论 周文龙、樊增禄i 州1 l 等人对羊毛的蛋白酶改性处理研究表明：蛋白酶对羊毛 具有一定程度的漂白作用，但是蛋白酶单独处理效果较小，需要氧化预处理。当 羊毛经过硫酸盐氧化后再用蛋白酶处理，漂白效果更加显著，酶处理时间增大， 自度增大。同时还能够提高羊毛织物的光泽，氧化前处理对蛋白酶处理后织物的 光泽也有一定的帮助。蛋白酶处理后羊毛的碱溶度增大，强力下降，特别是经过 硫酸盐处理后再用蛋白酶处理，毛织物的拉伸强力和撕破强力都显著地降低，酶 处理时间增加，纤维损伤增大。毛织物经蛋白酶处理后，织物手感变得较柔软， 但蓬松率和丰满度降低，抗起球性增加。 纺织是一个庞大而复杂的系统工程，纤维的某一方面性能的变化均能够引 起其后续各道工序工艺的变化。拿纤维强度来说，强度是评定纤维的首要性质1 4 刃， 它与加工工艺特性有着极密切的关系。对于羊毛来说，一般可根据纤维强度配置 纺纱工艺，如果强度不足，不宜作精纺用毛，同时在一定纺纱系统中不宜作经纱。 另外，如果纤维强度不足，会降低制成率及增加纺纱时的断头率，因此不可能织 造出高品质的织物。断裂延伸度是纤维强韧性的反映，也是影响加工及使用寿命 的重要因素。通常人们将强度及断裂延伸度合称为纤维的强伸性能。通过以上综 述我们可以看出，改性工艺无一例外的使纤维的强仲性能以及其他的表面性能发 生了变化。这些变化对纺纱、织造等后续工序及产品性能产生的影响是我们需要 研究的课题。 1 4 本课题研究的目的、内容与意义 本课题以氯化和拉细两种改性毛条及其各自的原毛条为原料，按照对比试验 设计纺制成纱线，织造成织物。通过对纺纱和织造工艺的观察以及对纤维性能、 纱线性能和织物风格的测试，比较两种改性对其后续工序及产品质量影响的规 律。同时，对常见的表征织物风格的方式进行力学建模，通过建立有限元模型， 体现纱线性能及织物参数对织物风格的影响，以期通过改变纱线性能或者织物参 数的方式快速获得其织物风格的变化。这对企业的改性工艺控制以及纱线和面料 的产品丌发有实际的指导意义。 第二章羊毛改性对羊毛纤维的性能影响研究 第二章羊毛改性对羊毛纤维的性能影响研究 2 1 实验材料及仪器 2 1 1 实验材料 品质支数分别为1 0 0 n m 、1 2 0 n m 的原毛条和拉伸细化毛条( 内蒙鹿王集团) ； 品质支数为5 6 n m 的原毛条和氯化防缩毛条( 河北三利毛纺厂) 。 2 1 2 主要实验仪器及设备 k y k y 2 8 0 0 型扫描电子显微镜，中科院物理研究所产品。 c y g - 0 5 5 c 型多功能显微投影仪，南通纺织检测公司产品； y 1 7 1 纤维切片器，天津工业大学自制。 y g 0 0 1 型电子式单纤维强力仪，南通宏大测试仪器有限公司产品。 罗德( r o d e r ) 纤维摩擦系数仪，常州第二纺织机械厂产品 2 2 测试方法 2 2 1 纤维表面形态特征的测试 用k y k y 2 8 0 0 型扫描电子显微镜拍摄羊毛样品表面形态。在制样时，取适 当大小的样品，用无水乙醇清洗样品表面，将试样固定在样品台上，用双面胶纸 和导电胶等固定；然后将备好的试样放入高真空镀膜仪内，按物理沉积法喷镀导 电膜；最后，将试样放入扫描电镜内，抽真空至内压低至2 0 m m h g ，便可丌机调 像进行观察。 2 2 2 纤维细度的测试 采用投影显微镜法测试纤维的细度。首先，取洗净的羊毛纤维试验样品，将 纤维整理成基本平行状态，将其从纵向分取1 3 ，不使粗、短纤维丢失；其次， 用纤维切片皿在纤维中部切取0 2 0 4 r a m 长的片断，放在滴有甘油的玻璃皿内， 用挑针搅拌，使纤维分布均匀，然后取适量试样放到载玻片上铺匀，轻轻地覆以 盖玻片，避免产生气泡，同时不能有介质溢出；然后，将待测试样放在5 0 0 倍投 影显微镜物台上，校到纤维成像清晰，进行测试，每个试样测试不低于4 0 0 根。 纤维的平均直径的计算按照公式2 1 ： 天津：r ：业人学硕+ 学位论文 x 刊+ 弋下f d 灯 f o 式中：疋一纤维平均直径以m ) ； 彳一假定平均值以m ) ； f 一测定根数； d 一每组直径与假定平均值的差值与组距之比； ，- 组距( 2 和m ) 。 方差按照2 2 式计算： s = 式中：s 一均方差以m ) 。 离散系数的计算按照2 3 式： c v = s | x 。 式中：c 弘一离散系数。 2 2 3 纤维强伸性能的测试 i ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 采用y g 0 0 1 型电子式单纤维强力仪进行测试。上下央持器问距为2 0 m m ；下 央持器下降速度为l o m m m i n ，测拉断纤维时的断裂伸长和断裂强度值，同时连 接绘图仪，同步记录纤维拉伸时的力位移曲线。 2 2 4 纤维摩擦性能的测试 采用罗德( r o d e o 纤维摩擦系数仪进行测试。 分别对一根纤维实施f 反悬挂放置的动、静态摩擦力，风) 的测量，并反 复两次后平均计算出顺、逆鳞片的动、静摩擦因数，为静态的顺和逆鳞片 摩擦因数；j l ，为动态的顺和逆鳞片摩擦因数) 。 结果计算： 摩擦系数的计算，按照式2 4 ： = n7 3 2 9 伽t z - i n ( t z - m ) ( 2 4 ) 式中：乃句j 始张j j ( 2 0 0 m g ) ； 朋一扭力天平读数( m g ) 。 摩擦效应按式2 5 计算1 4 l ： 第二章羊毛改性对羊毛纤维的性能影响研究 d s ，d = m 。 p j l 峨。 + h 。n ( 2 - 5 ) 2 3 结果与讨论 23 1 不同改性纤维形态特征的差异 图2 - l 是在k y k y - 2 8 0 0 型扫描电子显微镜上观察两种改性毛和各自的原毛 的电镜照片。可以发现经过改性处理的羊毛纤维表面形态特征。 ( 曲氯化最毛( x z o e o ) ( b ) 氯化毛忸l0 唧 ( c ) 拉伸细化原毛0 1 ，0 0 ) 曲拉抻细化毛0 15 0 0 ) 阱 1 原毛与其改性羊毛表面电镜照片 从图中可以发现，原毛纤维的鳞片覆盖在毛干上，鳞片问距较小，端部呈明 显的锐角；拉伸处理后的拉伸细化羊毛纤维细度变细，鳞片密度降低；其表面鳞 片较原毛拉伸纤维翘起明显，这将提高纤维的定向摩擦效应，而且鳞片的高宽比 明显增加，趋向于羊绒纤维的特征：从拉伸机理上考虑，拉仲处理后的羊毛细度 变细。是其大分子构型出口型螵旋链转变为伸直的口型螺旋链的结果；拉伸时， 具有弹性的皮质层被拉伸拉长而其由角质化了的扁平状角蛋白细胞组成的鳞片 层，弹性相比皮质层与髓质层较小，使得拉伸后鳞片层密度降低，其表面鳞片较 天津l ：业大学硕+ 学位论文 未拉伸纤维翘起明显，而且鳞片的高宽比明显增加；在加工过程中由于加捻程度、 牵伸倍数、药剂溶液浓度等实验条件过于剧烈，还会致使个别试样的羊毛鳞片表 面有裂纹，有的甚至出现严重撕裂现象。 氯化处理后的氯化防缩羊毛纤维，纤维细度稍有变细；其表面鳞片已模糊不 清，表面趋于光滑，从氯化机理上考虑，氯化处理后的羊毛细度变细，是由于含 氯试剂部分或全部去除其表面鳞片层的结果；这将大大降低纤维的定向摩擦效 应，有利于其制品的防缩。但在氯化处理过程中，仍然有一些可控因素，如羊毛 在氯化处理时，随着释氯剂用量的增加，胱氨酸氧化成磺基丙氨酸，鳞片受到剥 蚀的程度也随着增大。因此，只要氯化处理控制得当，反应主要发生在羊毛纤维 的鳞片层，羊毛主干一皮质层没有被破坏，有利于其制品的防缩。 2 3 2 不同改性对纤维细度影响的差异 表2 1 是投影显微镜下测得的纤维细度。 表2 - 1 纤维细皮测试结果 从表2 1 所得数据可以看出，氯化毛的细度为8 6 4 1d t e x 比它对应的原毛在 纤维上的细度8 9 5 4d t e x 略微变小，而拉伸前原毛细度从2 4 1 5d t e x 变到拉伸后 毛的细度1 9 5 8d t e x ，拉细程度就比较明显了，这显然跟它们的处理工艺不同有 关。氯化毛是采用化学试剂处理使其表面的鳞片部分脱落，从而使细度略微减小， 变化空问较小；而拉仲细化是采用物理与化学试剂相结合的方法使原毛条受到机 械牵拉，致使纤维变细达到纺纱工艺要求。 改性之后纤维细度的标准差和离散均有增加，说明改性处理会在不同程度上 增大纤维细度的不匀率。不匀率增加的程度与改性的工艺有密切关系。由表2 - 1 可以明显的看出，拉伸细化工艺对纤维细度不匀率的增加要大于氯化工艺给纤维 细度带来的不匀率的增加。这是由改性工艺本身的特点决定的，因为，氯化工艺 是一种化学处理工艺，而拉伸细化工艺是一种物理改性工艺，纤维存在拉仲不匀 问题，不匀程度要远大于化学手段下的处理。 第二章羊毛改性对羊毛纤维的性能影响研究 2 3 3 不同改性对纤维强伸特性影响的差异 改性羊毛与原毛纤维强伸性能对比见表2 2 。 表2 - 2羊毛及改性纤维强伸度性能表 由表2 2 可以看出，经过拉伸和氯化改性处理的羊毛纤维的细度离散性均有 所增加，这是由于拉伸改性中机械牵伸不匀或氯化过程中化学作用不匀造成的。 这一不匀将会影响后续产品纺纱条干的均匀性。 纤维的断裂伸长率拉伸细化羊毛小于拉伸前原毛，氯化防缩羊毛稍大于氯化 前原毛。拉伸毛断裂伸长的大幅度降低，是由于羊毛纤维经拉伸处理后，其分子 构型由a 型转变为口型后，羊毛纤维的拉伸变形能力下降所致。氯化毛断裂伸长 率略高于其氯化处理日玎原毛，因为纤维主干较之表面致密的鳞片层有更大的形变 能力，当表面鳞片层被氯化处理剥除后，其断裂仲长率应该稍有增加。 拉伸羊毛纤维比强度值较之原毛纤维明显增大，这是由于羊毛蛋白质大分子 经过拉伸取向度提高所致。氯化毛纤维比强度值较之原毛纤维有所降低，这主要 是受纤维表面鳞片层剥除的影响。 由表2 2 还可以发现，改性羊毛纤维各项指标的变异系数均大于其原毛纤维 的变异系数，这是由于改性处理均会加大纤维各种指标的不匀。这将导致改性羊 毛的单纱的条干不匀率大于原毛单纱，降低成纱质量。 图2 2 为四种羊毛，即拉伸原毛，拉伸细化毛，氯化原毛，氯化毛的单纤维 强力测试的应力一应变曲线。选择最接近断裂伸长平均值和断裂载荷平均值的一 个试样。 天津i 业人学硕士学位论文 s i r a i n ( ) 酗2 - 2 四种羊毛纤维拉仲断裂过槲的麻力麻变曲线 以羊毛单纤维拉伸曲线为研究对象，分析拉伸过程中应力的变化规律，可以 揭示羊毛微观结构的变化，进而分析这两种改性方式对羊毛纤维结构产生的变 化。由图2 2 可知，该拉伸曲线可大致分三个阶段： 第一是弹性拉仲阶段。应变从0 - 3 对应于弹性拉伸阶段，主要是微结构的 变化。 第二是延伸阶段。也是强迫高弹形变阶段。应变从3 3 0 ，该阶段大分子 构型从a 型转变成口型，图中表明应力变化呈现出几次反复突变的过程，即应力突 降一应力平台一应力突升循环过程，这种应力突变反映了纤维拉忡过程中微观结 构的变化过程。二硫键断裂剂使羊毛纤维中肚链问的二硫键在应力作用下发生了 断裂，在拉伸曲线上表现为拉仲应力发生突降。_ 二硫键的断裂对羊毛纤维的机械 性质有重要的影响，它使肽链链段之日j 具有更大的流动性，纤维易于拉伸变形。 二硫键断裂后应力作用必然使肚链链段之日j 发生一定程度的相对滑移，应力也 在肚链之间重新调整分布，表现为一个应力平台。当应力调整达到均匀后，继续 增加拉伸应力，则应力再度上升，因此形成一个应力反复突变的过程。 第三是强化阶段。应力随应变迅速增大，对应于卢折叠结构被拉仲，这时的 拉伸变形包括部分氢键的变形。羊毛拉伸细化过程中结构的变化还将受处理液的 浓度、温度及纤维浸渍时日j 的影响。 23 4 不同改性对_ t = f f l t 摩擦性能影响的差异 表2 - 3 反映了改性前后革毛纤维各项摩擦系数值 x芭zu 第二章羊毛改性对羊毛纤维的性能影响研究 由表2 - 3 可见氯化改性之后的氯化防缩羊毛纤维的动、静态顺逆摩擦系数均 大幅度减小，其动、静摩擦效应值也随之减小。说明改性之后纤维鳞片受到剥蚀， 表面变得光滑，从而使其制品拥有防缩性能。 拉伸改性后的羊毛纤维的动、静态顺逆摩擦系数均有所增加，但其动、静摩 擦效应值却随之减小。结合图2 - 1 中纤维表面形态照片分析，产生这一现象是由 于羊毛纤维经过拉伸改性处理之后，羊毛表面鳞片仍然存在，且较原毛翘起明显， 有的鳞片因为处理激烈，而导致鳞片表面出现裂痕甚至撕裂，这就导致改性羊毛 的动、静态顺逆摩擦系数均有所增加，且顺鳞片方向增加幅度较大，使得纤维顺 逆摩擦系数接近，从而使得动、静摩擦效应值减小，也有利于羊毛制品防缩。 2 4 小结 氯化改性和拉伸细化改性对羊毛纤维物理性能影响有明显差异。 在纤维的表面形态方面，氯化处理后的氯化防缩羊毛纤维表面鳞片模糊不 清，表面趋于光滑，这将大大降低纤维的定向摩擦效应，有利于其制品的防缩。 拉伸处理后的拉伸细化羊毛纤维其表面鳞片较原毛拉伸纤维翘起明显，这将提高 纤维的定向摩擦效应，而且鳞片的高宽比明显增加，趋向于羊绒纤维的特征； 在纤维细度方面，氯化改性对纤维的细度及细度不匀率影响均小于拉伸细化 改性。这是由改性工艺本身的特点决定的。 在纤维的拉伸性能方面，氯化毛纤维比强度值较之原毛纤维有所降低，而拉 伸羊毛纤维比强度值较之原毛纤维明显增大；纤维的断裂伸长率，氯化防缩羊毛 稍大于氯化前原毛而拉伸毛断裂伸长的大幅度降低：同时，两种改性羊毛纤维各 项指标的变异系