冷凍處理對絲織物結構和性能的影響

胡振超，裘録杰，劉成霞，徐秀娟(浙江理工大學 成人教育學院，杭州 310018)

冷凍處理對絲織物結構和性能的影響

胡振超，裘録杰，劉成霞，徐秀娟
(浙江理工大學 成人教育學院，杭州 310018)

將蠶絲織物在－28℃條件下進行冷凍處理，利用掃描電鏡、紅外光譜分析儀、X射線衍射儀對處理前后絲織物的形態結構進行表征，利用織物拉伸儀和織物透氣性測定儀等對織物的力學性能、吸濕性能、透氣性等進行測試和分析。結果表明，對絲綢織物濕冷處理后，織物的表面形態發生變化，力學性能與冷凍時間有明顯的相關性，透氣性能明顯增加。

冷凍處理；絲織物；物理性能；透氣性能

蠶絲作為優良的服飾材料，有著“纖維皇后”的美譽。然而，真絲作為夏季和內衣服裝面料在舒適性方面仍然存在不少問題，如出汗后易沾身、冬季內衣有接觸冷感、產品保形性差、彈性差，等等。對蠶絲內在的品質進行改造而不影響其原有的屬性和風格，是絲綢織物研究的熱點。長期以來，研究人員致力于對蠶絲纖維的改性，采取物理、化學及基因技術等改性方法，以進一步改善絲綢類產品的物理化學性能，但這類研究重點多在于蠶絲纖維的化學性能、熱濕、日照等作用對機械物理性能的影響，對生絲或蠶絲蛋白受低溫冷凍處理后其性能變化的研究相對較少[1-3]，對絲織物進行冷凍處理，探討織物性能變化的研究，很少有文獻報道。為此，本研究選用常用的絲織縐類織物為對象，探討冷凍處理對絲織物的吸濕性能、透氣性能和力學性能等物理性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及儀器

1.1.1 試驗材料

真絲雙縐1：面密度80 g/m2，表觀厚度0.19 mm；真絲雙縐2：面密度90 g/m2，表觀厚度0.23 mm。

1.1.2 試驗儀器和設備

YG461D織物透氣量儀，LLY-01電子硬挺度儀，YG541織物折皺彈性測試儀，YG065織物強力機，Y802八籃恒溫烘箱，JSM-5610LV掃描電鏡SEM，ARL X射線衍射儀，Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 試樣處理

絲織物→蒸餾水調濕→－28 ℃冷凍處理一定時間→室溫解凍→50 ℃干燥2 h→恒溫恒濕室平衡24 h→備用。其中，蒸餾水調濕處理是指將絲織物直接放入蒸餾水中，使絲織物完全吸水，文后提到的調濕處理均指將絲織物直接放入蒸餾水中，使織物完全吸水的過程。

1.3 測試方法

表面形態觀察：采用掃描電子顯微鏡(JSM-5610LV型)觀察樣品的表面形態。

X射線衍射(XRD)測試：采用ARL X射線衍射儀測試樣品的內部結構。測試條件：Cu靶Kα射線，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度5(°)/min，掃描范圍為5°～50°。

紅外光譜(FTIR-ATR)分析：利用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet 5700)，在全反射模式下測定樣品的紅外光譜圖。

織物回潮率測試：根據GB/T 6503—2001《合成纖維長絲回潮率試驗方法》測試樣品的回潮率。

織物透氣性的測定：根據GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性測定》測定樣品的透氣性。

織物斷裂強度的測定：根據GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定 條樣法》測試樣品的斷裂強度。

2 結果與討論

2.1 冷凍處理對絲織物表面形態的影響

利用掃描電子顯微鏡分別對未經處理的原樣、直接冷凍處理的絲織物、蒸餾水濕后冷凍處理48 h的絲織物的表面形態進行觀測，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，與未處理絲織物(圖1a)相比，未調濕的織物經過冷凍處理后，表面形態基本不變(圖1b)，但蒸餾水調濕處理的織物經冷凍處理后，經線與緯線在交織點處空隙變大，部分經線(或緯線)之間產生較大的空隙(圖1c)。這是因為未調濕的絲織物中，水分含量在10 %左右(回潮率11 %左右)，冷凍后體積膨脹不多；而調濕處理后，濕態絲織物中含有大量水分，經過冷凍處理，由于冰的比重比水小，水成冰后體積變大，導致纖維間的空隙增大。

2.2 冷凍處理對絲纖維結晶度的影響

圖2為原樣、未調濕樣品冷凍處理及調濕樣品冷凍處理(濕態冷凍)不同時間后的X射線衍射圖。從圖2可知，各蠶絲纖維均在2θ＝20.5°處出現X射線衍射主峰，這是具有較高取向的β型結構絲素的特征峰[4-5]。但峰的強度具有明顯的差異，未調濕樣品經過冷凍處理后與原樣的曲線基本重合，而經過48 h冷凍處理的樣品主峰強度下降最為明顯，其他調濕處理樣品的峰強度也有不同程度的下降，可見調濕處理后冷凍，使絲織物的結晶程度有所下降。分析是由于調濕處理及冷凍過程中，部分水分子進入了纖維大分子之間，當水分子結冰后，體積膨脹使纖維分子原先的規整排列遭破壞，從而使結晶度下降。而隨著冷凍時間的增加，由于升華現象而使結晶度又有所提高。

圖2 冷凍處理對絲纖維結晶度的影響Fig.2 Infl uence of the Freezing Treatment on theCrystallinity of Silk Fibers

2.3 冷凍處理對絲纖維結構的影響

圖3為試樣通過調濕后，在濕態下經過不同時間的冷凍處理后的紅外光譜圖。由圖3可知，在酰胺I區域(對應C＝O的伸縮振動，絲蛋白的紅外光譜中酰胺I區域的信號最強烈)內，調濕狀態下經過冷凍處理后，位于1 630 cm-1附近的特征峰無明顯偏移，此特征峰位為β-折疊結構[6]。這表明在一定的范圍內，蠶絲經冷凍處理后，沒有新的化學結構和功能性基團生成，試樣的主體化學結構沒有明顯變化，但是各特征吸收峰處的譜帶強度有所減弱，分析其原因是纖維在低溫作用下，有部分結晶帶被破壞，導致一些特征譜帶的強度有所下降。

圖3 冷凍纖維的FT-IR光譜Fig.3 FT-IR Spectra of Frozen Silk Fibers

2.4 冷凍處理對織物回潮率的影響

表1為原樣、未調濕樣品和調濕樣品經過48 h冷凍，并在50 ℃下烘干后，經過標準溫濕度條件下平衡24 h以上的回潮率測試結果。

表1 冷凍處理對織物回潮率的影響Tab.1 Infl uence of the Freezing Treatment on the Moisture Regain of Silk Fabrics

由表1可知，調濕后冷凍處理的絲織品的回潮率(吸濕性)略有增加，未調濕的絲織品冷凍處理后回潮率略有減小，但影響不大，變化率不超過±5 %。

2.5 冷凍處理對織物透氣性的影響

圖4是絲織物調濕后，在濕態下經過冷凍處理后，織物的透氣性變化情況。從圖4可以看出，濕冷處理對織物的透氣性有顯著的影響。處理后1 h內，織物的透氣率快速上升，到1 h時達到原樣的200 %以上，但冷凍處理2 h后，織物的透氣率有所下降，隨著時間的延長，透氣性基本趨于穩定。這是因為濕態絲織物經過－28 ℃的環境中冷凍處理后，絲織物中的水結冰后體積膨脹，一方面，造成原有絲纖維之間的應力平衡被破壞，使少量纖維出現裂痕或微小的空穴，另一方面，交織點之間因為含水量較大，從而使體積變化更為明顯，這從圖1中可以得到很好的說明。當冷凍的絲織物從低溫狀態回復到常溫狀態，經過在50 ℃的環境中干燥后,大量的物理吸附水分被蒸發，因結冰而體積膨脹所產生的裂痕或微小的空穴和增大的交織點處的空隙率被保留下來，從而使織物的透氣性增加。

圖4 冷凍處理時間對織物透氣性的影響Fig.4 Infl uence of the Freezing Treatment Time on the Air Permeability of Silk Fabrics

2.6 冷凍處理對織物斷裂強度的影響

圖5 冷凍處理時間對織物斷裂強度的影響Fig.5 Infl uence of the Freezing Treatment Time on the Breaking Strength of Silk Fabrics

圖5 為織物強度保留率隨冷凍處理時間的變化關系圖。由圖5可知，在調濕狀態下，對絲織物進行濕冷處理，在處理時間為3 h以內時，隨著冷凍處理時間的增加，織物的斷裂強度明顯下降。但3 h以后，下降速度趨于緩慢，15 h后基本不變，處于平衡狀態。原因是一方面絲織物經過冷凍處理后，由于水變成冰后體積的變化，絲織物中的部分絲纖維因膨脹壓力而產生應力應變乃至部分破壞，從而使絲織物在拉伸時的強力下降；另一方面當絲織物經過冷凍處理后，水結冰時體積膨脹所產生的應力使部分絲素分子鏈結構產生相對滑移，部分結晶被破壞，部分化學鍵產生錯位甚至斷裂[2]。

3 結 論

1)冷凍處理對絲織物透氣性和力學性能的影響程度取決于冷凍處理前絲織物是否調濕。

2)在未調濕狀態下，冷凍處理對絲纖維的結晶度影響不大，織物表面形態基本不變，織物吸濕性能、透氣性能和力學性能等變化很小。

3)絲織物經調濕、冷凍處理后，經緯線之間的空隙有所增加；絲纖維的結晶度與冷凍時間有明顯的相關性，開始時隨著處理時間的增加，結晶度下降，處理時間繼續增加，結晶度又有所增加。

4)冷凍處理使織物的透氣性能明顯增加，但絲織物的力學強度隨著冷凍時間的增加而有所下降。從綜合效果看，冷凍處理0.5～1 h的效果最好。

[1]LI Mingzhong, ZHANG Changsheng, LU Shenzhou, et al. Infl uence of Repeated Freeze-Thawing on the Structure and Properties of Porous Silk Fibroin Materials.[J]. Polym Adv Technol, 2007(13): 605-610.

[2]錢鎮海.生絲冷凍對其機械物理性能的影響[J]. 四川絲綢, 2005(3)：13-14.

[3]LI M, LU S, WU Z, et al, Study on porous silk fibroin materials: 1. Fine structure of freeze-dried silk fibroin [J]. Appl. Polym. Sci, 2001, 79: 2185-2191.

[4]袁波，楊愛明, 莫威，等.聚合物材料的XRD法結晶度測定[J]. 昆明理工大學學報，2001，26(ZL)：40-43.

[5]Cristian C Rusa, Clifford Bridges, Ha Sung-won, et al. Conformational Changes Induced in Bombyx mori Silk Fibroin by Cyclodextrin Inclusion Complexation [J]. Macromole-cules, 2005, 38(13): 5640-5646.

[6]王國禎，胡皆漢，滕瑛.絲蛋白分子的紅外光譜研究[J].光譜學與光譜分析，1992，12(1)：35-38.

Infl uence of the Freezing Treatment on the Structure and Performance of Silk Fabrics

HU Zhen-chao, QIU Lu-jie, LIU Cheng-xia, XU Xiu-juan
(Adult Education College, Zhejiang Sci-tech University, Hangzhou 310018, China)

The silk fabrics are frozen in minus 28 degrees. The configuration of silk fabrics were characterized by scanning electron microscopy, infrared spectroscopy and X-ray diffraction, and the mechanical properties, hygroscopic property and air permeability of fabrics were analyzed by fabric extensometer, before and after treatment, respectively. The results showed that freezing treatment after humidified caused the surface texture of the silk fabrics changing, while the physical properties of silk fabrics depended on the treatment time, and the hygroscopic property and air permeability increased significantly.

Freezing treating; Silk fabrics; Physical properties; Air permeability

TS102.33

A

1001-7003(2010)11-0013-04

2010-09-10

胡振超(1987－ )，男，本科生，專業為服裝設計與服裝材料。通訊作者：徐秀娟，高級實驗師，zstuxxj@ zstu.edu.cn。