竹纖維的接觸角測試與評價

胡淑芬+王越平

摘要：采用Kruss DSA100接觸角測量儀測試了竹纖維等 6 種紡織單根纖維的接觸角，并對結果進行單因素方差分析。結果表明：6 種纖維相比較，非親水型滌綸纖維的接觸角測量結果明顯大于竹纖維、黃麻、亞麻、苧麻和粘膠等親水型纖維；在親水型纖維中，竹纖維的接觸角最小，與亞麻、苧麻和粘膠纖維的接觸角測量結果有顯著差異，這說明竹纖維的浸潤性能優異；此外，化學成分、纖維表面形貌相似的竹纖維和黃麻單纖維的接觸角測試結果無顯著性差異，說明黃麻纖維的浸潤性也很好。

關鍵詞：竹纖維；單纖維接觸角；量角法；單因素方差分析

中圖分類號：TS102.1 文獻標志碼：A

On Testing the Contact Angle of Single Bamboo Fiber

Abstract： In this article， the contact angles of six kinds of single textile fiber including bamboo fiber were tested by using Kruss DSA 100 contact angle tester and the experimental data were analyzed by means of one-way ANOVA. The results indicated that the contact angle of non-hydrophilic polyester fiber is larger than that of hydrophilic fibers， such as bamboo， jute， flax， ramie and viscose fibers. The contact angle of bamboo fiber is the smallest among the hydrophilic fibers and significantly different from the contact angle of flax， ramie and viscose fibers. This suggests that bamboo fiber has very excellent wettability. In addition， the contact angle of the bamboo fiber is equal to that of jute fiber and the test results of these two fibers have no distinguished difference since they are similar in chemical composition and fiber surface morphology， which suggests that the wettability of jute fiber is excellent too.

Key words： bamboo fiber； contact angle of single fiber； angle measuring method； one-way ANOVA

本文中的竹纖維均指天然竹纖維。竹纖維資源豐富，性能獨特，特別是其可再生、可持續發展的特性日益受到全球的關注，具有廣泛的應用前景為了解竹纖維的材料特性，以便于更好地利用、發揮其優勢，本文對竹纖維接觸角進行了研究。接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θ。由于竹單纖維非常細、短，紡織用竹纖維多為束纖維，然而纖維束的表面多為未脫膠或多孔的結構，因此與測定纖維束的接觸角相比，測定單纖維本身的潤濕性能可提供更有價值的信息，且單纖維與水的作用過程復雜，包括纖維表面的潤濕和吸收水分、毛細管作用而引起的液體流動以及水分向纖維內部擴散等多種作用過程，因此其接觸角測量及分析計算比較困難，Carroll和Yamaki等提出了液滴形狀光學測量法。

本文采用Kruss DSA100接觸角測量儀（量角法）測試（慈）竹、黃麻、苧麻、亞麻、粘膠和滌綸等 6 種紡織用單纖維與水的接觸角，并對數據進行單因素方差分析，以了解竹纖維材料的浸潤性能，并與其他常用紡織纖維的接觸角測試結果進行比較，為單纖維接觸角測量技術提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

采用量角法測量竹纖維、黃麻和亞麻等細短纖維的接觸角，并選擇了苧麻、粘膠和滌綸等常用纖維作對比，其中竹纖維來自于四川慈竹，化學法自行制取（表 1）。

1.2 實驗儀器及其他用品

主要儀器：Kruss DSA100接觸角測量儀（KRUSS GmbH，Germany）；MILLIPORE超純水機（SYNERGY UV System）（MILLIPORE，France）；KQ-200VDE雙頻數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；SHZ-88水浴恒溫振蕩器（江蘇省金壇市醫療儀器廠）。

1.3 實驗樣品的制備

竹纖維、黃麻和亞麻等纖維在紡織加工過程中，通常使用工藝束纖維，故接觸角測試時，需制備其單纖維。制備工序如下：將試樣置于30%過氧化氫與99.5%冰醋酸按體積比1∶l的混合液中，60 ℃條件下處理24 h 后，取出用純水反復清洗至pH 值為 7，烘干后將纖維置于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕箱中備用。

苧麻、粘膠和滌綸等纖維的原始狀態即為單纖維，故只需去除纖維制取或加工過程中殘留的油脂類物質。處理工序如下：將試樣用純水清洗若干遍，再用乙醇超聲清洗 5 min，去除表面灰塵與油脂等雜質，烘干后將纖維置于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕箱中備用。

1.4 測試方法

Kruss DSA100接觸角測量儀采用液滴形狀光學測量法。它通過脈沖將10 pL體積的超純水液滴噴射到已固定在樣品臺上的水平伸直的單纖維上，CCD記錄液滴與纖維接觸全過程，采用量角法計算單纖維的靜態接觸角（圖 1）。實驗環境條件為：溫度（20±5）℃，相對濕度15%±5%。

2 結果與討論

2.1 單纖維接觸角的測定

采用量角法測量 6 種單纖維的接觸角，其結果見表 2及箱線圖 2。可以得出：量角法接觸角測量儀可以測定竹纖維、黃麻和亞麻等細短單纖維的接觸角，且重現性好；其中接觸角最小的是竹纖維，為68.57o，數據離散也較小，其次黃麻、苧麻、亞麻和粘膠纖維的單纖維接觸角分別為68.80o、 70.83o、70.86o、71.19o，滌綸纖維接觸角最大，為73.08o；其中黃麻、亞麻等纖維的接觸角數據離散較大。

2.2 單纖維接觸角單因素方差分析

量角法測量 6 種單纖維的接觸角，最大73.08o，最小68.57o，相差4.51o，可見單纖維間的接觸角差異較小。為探究6 種單纖維間的接觸角是否存在顯著性差異，對接觸角結果進行單因素方差分析，分析結果見表 3 — 表 5。表 3 是各組數據方差齊次性檢驗結果，由于表 3 中計算Levene統計量，Sig.值為0.486，大于0.05，所以認為各組的方差齊次。表 4 是方差分析表，從表 4 中數據可知，Sig.取值為0.000小于0.05，即假設不成立，認為各組的均值有差異，說明至少有一種纖維的接觸角和其他種類纖維的接觸角有顯著性差異。

表 5 是各種纖維接觸角測試結果顯著性差異兩兩比較的結果，從表 5 中數據可以得出，竹纖維和黃麻的單纖維接觸角比較得到的Sig.值為0.792大于0.05，說明竹纖維和黃麻的單纖維接觸角無顯著性差異；而竹單纖維與苧麻、亞麻、粘膠和滌綸 4 種單纖維比較，得到Sig.值都小于0.05，說明竹單纖維接觸角和苧麻、亞麻、粘膠和滌綸的單纖維接觸角有顯著性差異；苧麻、亞麻和粘膠 3 者之間單纖維接觸角比較，其Sig.值大于0.05，說明 3 者單纖維接觸角無顯著性差異；由于滌綸與其他 5 種單纖維比較其Sig.值都小于0.05，所以認為滌綸同其他單纖維接觸角測試結果有顯著性差異。

單纖維接觸角測試結果的差異主要來自于纖維化學組成、纖維表面的形貌特征以及單纖維細度等因素。由上述結果可以看出，非親水型的滌綸接觸角最大，因為滌綸是合成纖維，其成纖高聚物中缺少親水基團，故滌綸因親水性能差而表現出較大的接觸角；而竹纖維等親水型纖維含有大量的親水性基團，纖維因親水性能好而表現出較小的接觸角。在親水型纖維中，竹單纖維和黃麻單纖維的接觸角最小且兩者無顯著差異，亞麻、苧麻和粘膠的單纖維接觸角大于竹纖維和黃麻纖維，但 3 者間無顯著性差異。這除了植物纖維中纖維素、半纖維素、木質素 3 種物質的化學組成的影響外，還與纖維表面的物理結構形態有關，粘膠纖維縱向平直光滑，亞麻和苧麻表面也較光滑，而竹纖維、黃麻表面呈樹皮狀粗糙感，加之竹纖維12 ～ 16 μm的細度，必然使其纖維的比表面能大于其他植物纖維，因此竹纖維的接觸角最小。綜上，紡織纖維的單纖維接觸角大小受其成分和結構的影響。

3 結論

（1）6 種紡織纖維相比較，非親水型滌綸的接觸角測量結果明顯小于竹纖維、黃麻、亞麻、苧麻和粘膠等親水型纖維的測量結果，并有顯著性差異；在親水型纖維中，竹纖維的接觸角最小，與亞麻、苧麻和粘膠的接觸角測量結果有顯著性差異。說明竹纖維的浸潤性能非常獨特。

（2）化學成分、纖維表面形貌特征相近的竹纖維和黃麻單纖維接觸角測試結果相近，無顯著性差異。

（3）量角法接觸角測量儀可以測定竹纖維、黃麻和亞麻等細短單纖維的接觸角，且重現性好。

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