微波處理對粘膠纖維機械性能影響

林燕萍

(江西服裝學(xué)院，南昌 330201)

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微波處理對粘膠纖維機械性能影響

林燕萍

(江西服裝學(xué)院，南昌 330201)

利用微波產(chǎn)生的電磁場對粘膠纖維進行處理，分析微波對粘膠纖維服用性能的影響。研究表明：經(jīng)過微波處理，纖維表面出現(xiàn)了深淺不一、大小各異、分布無規(guī)律的坑穴；纖維的斷裂強度隨著微波處理時間與微波功率的增加而降低，而纖維的質(zhì)量損失率、表面摩擦系數(shù)、斷裂伸長率及質(zhì)量比電阻隨著微波處理時間與微波功率的增加而上升。

微波；粘膠纖維；微觀形貌；服用性能

粘膠纖維是利用天然纖維素堿化處理后通過濕法紡絲紡制而成的人造纖維[1]。粘膠纖維屬于典型的纖維素Ⅱ型再生纖維素纖維，具有較好的吸濕性能、不易起靜電、色譜齊全、色澤鮮艷及色牢度較好、成本低廉等特點，廣泛應(yīng)用于各類裝飾用品及內(nèi)衣產(chǎn)品[2]。微波是頻率300MHz～300GHz的電磁波，纖維中的有極分子在微波電磁場的作用下發(fā)生取向排列，從而改變粘膠纖維的性能。本文通過微波對粘膠纖維的處理，分析微波處理對粘膠纖維性能的影響，為粘膠纖維服用性能的改善提供一定的參考依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

普通粘膠纖維(規(guī)格為1.36dtex×36mm；山東海龍股份有限公司)、丙酮(分析純，蘇州新淳化工有限公司)。

1.2 實驗儀器

NJL07-3型實驗用微波爐(南京杰全微波設(shè)備有限公司)、CT-C系列熱風(fēng)循環(huán)烘箱(南京同皓干燥設(shè)備有限公司)、HT/HS-100臺式恒溫恒濕試驗箱(北京恒泰豐科試驗設(shè)備有限公司)、ML204分析天平(梅特勒-托利多國際股份有限公司)、JSM-6360LV型掃描電鏡(日本日立電子公司)、Y151型纖維摩擦因數(shù)測定儀(南通三思機電科技有限公司)、XQ-1型纖維強伸度儀(上海新纖儀器有限公司)、YG321型纖維比電阻儀(上海民儀電子有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 形貌觀察

利用JSM-6360LV型掃描電鏡(SEM)對未經(jīng)微波處理的粘膠纖維與經(jīng)在700W功率微波下處理5h的粘膠纖維縱向微觀形貌進行觀察。實驗條件：掃描電鏡加速電壓為18kV，粘膠纖維試樣噴金時長為90s。

1.3.2 質(zhì)量損失率測試

將粘膠纖維按照與1∶30的浴比放置在丙酮溶液中浸泡30min后，用蒸餾水清洗，以除去粘膠纖維表面的油脂和雜質(zhì)，避免產(chǎn)生實驗誤差。將蒸餾水清洗后的粘膠纖維放置到溫度為105℃的烘箱中烘至恒重。使用ML204分析天平分別稱取烘干后的粘膠纖維3g，此時粘膠纖維的質(zhì)量記作G0，共稱取質(zhì)量為2g的粘膠纖維5份。將稱取好的粘膠纖維分別放到NJL07-3型實驗用微波爐中，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50r/min、微波功率100W的實驗條件下分別放置0.5、1.5、3、5h，取出1份，進行稱重，重量記作Ga。利用式(1)計算粘膠纖維經(jīng)微波處理的質(zhì)量損失率。該實驗重復(fù)5次，取5次質(zhì)量損失率的平均值。

(1)

式中：W—質(zhì)量損失率，%；G0—微波實驗前稱取質(zhì)量，g；Ga—微波實驗不同時間點粘膠纖維質(zhì)量殘存質(zhì)量，g。

在其他實驗條件不變的情況下，將上述實驗分別在微波功率為200、400、700W的實驗條件下再次進行實驗，計算粘膠纖維的質(zhì)量損失率。

1.3.3 表面摩擦系數(shù)測試

將未經(jīng)微波處理的粘膠纖維(標記為經(jīng)微波處理0h)與經(jīng)微波處理后的粘膠纖維，放置在溫度為20℃、相對濕度為65%條件下平衡24h。依照《紡材實驗》中纖維輥的制作方法制作粘膠纖維輥(本次實驗只研究粘膠纖維與粘膠纖維輥的表面摩擦系數(shù)，與鋼輥和橡膠輥的表面摩擦系數(shù)暫不涉及)[3]，在纖維兩端預(yù)加張力為100mg的條件下，測試未經(jīng)微波處理與經(jīng)不同微波功率及不同處理時間的粘膠纖維的表面摩擦系數(shù)。利用Y151型纖維摩擦因數(shù)測定儀測定粘膠纖維的表面摩擦系數(shù)，測試條件：測試纖維的靜態(tài)與動態(tài)表面摩擦系數(shù)時，Y151型纖維摩擦因數(shù)測定儀的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1r/min與30r/min。每種處理方式的粘膠纖維均測試100根，使用羅曼諾夫斯基準則排除測試過程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)后，取剩余測試結(jié)果的平均值。

1.3.4 力學(xué)性能測試

將未經(jīng)微波處理的粘膠纖維(標記為經(jīng)微波處理0h)與經(jīng)微波處理后的粘膠纖維，放置在溫度為20℃、相對濕度為65%條件下平衡24h。使用XQ-1型纖維強伸度儀測試粘膠纖維試樣的斷裂強度與斷裂伸長率。粘膠纖維試樣的夾持長度為20mm，纖維的初始張力為0.2cN，纖維測試拉伸速度為20mm/min，力的測量精確度是0.01cN，纖維伸長的測量精度為0.01mm。每組粘膠纖維試樣重復(fù)30根，使用羅曼諾夫斯基準則排除測試過程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)后，取平均值。

1.3.5 質(zhì)量比電阻測試

將未經(jīng)微波處理的粘膠纖維(標記為經(jīng)微波處理0h)與經(jīng)微波處理后的粘膠纖維，放置在溫度為20℃、相對濕度為65%條件下平衡24h。利用ML204分析天平稱取每種處理方式的粘膠纖維45g，將45g粘膠纖維平均分成3份，每份粘膠纖維15g。使用YG321型纖維比電阻儀對粘膠纖維的質(zhì)量比電阻進行測試。每種處理方式的粘膠纖維測試3組，取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

未經(jīng)微波處理的粘膠纖維與經(jīng)在700W功率微波下處理5h的粘膠纖維縱向掃描電鏡圖片如圖1所示。從圖1可以明顯看出，經(jīng)過微波處理，粘膠纖維表面出現(xiàn)了深淺不一、大小各異、分布無規(guī)律的坑穴。由此可以推知，由于坑穴的產(chǎn)生，導(dǎo)致粘膠纖維強力弱環(huán)增加，力學(xué)性能下降，這可以從下文的粘膠纖維力學(xué)性能測試中得到驗證。

圖1 粘膠纖維掃描電鏡照片(SEM)

2.2 質(zhì)量損失率

不同功率微波處理不同時間粘膠纖維剩余質(zhì)量及質(zhì)量損失率測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在不同功率微波的處理條件下，隨著處理時間的增加，粘膠纖維的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)上升趨勢。而在相同的微波處理時間條件下，隨著微波功率的增加，粘膠纖維的質(zhì)量損失率也不斷上升。這是由于在微波電磁場中，粘膠纖維分子中的原子外圍的電子云受到微波電磁場的作用而發(fā)生位移，當(dāng)電子云受電磁場的牽引到達一定程度時，進而導(dǎo)致粘膠纖維中大分子構(gòu)象的變形與位移。大分子結(jié)構(gòu)中還有有機基團，如纖維素分子結(jié)構(gòu)的羥基，這些有機基團在電磁場的作用下會發(fā)生偶極極化現(xiàn)象，在外界電磁場的作用下，不斷跟隨外界電磁場變化排列方向[4]。以上所述的分子結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致粘膠纖維在微波的作用下產(chǎn)生熱量的主要原因。

由于微波作用致使粘膠纖維產(chǎn)生大量的熱量而導(dǎo)致粘膠纖維的大分子結(jié)構(gòu)的變形和破壞，進而導(dǎo)致粘膠纖維結(jié)晶度的下降，無定型區(qū)的增加。隨著微波處理時間的不斷增加，粘膠纖維內(nèi)部積累的能量不斷升高，粘膠纖維的熱降解速率加快，這也是粘膠纖維質(zhì)量損失率隨著處理時間增加不斷上升的原因。而微波的功率，直接影響粘膠纖維接受能量的大小，微波功率越大，粘膠纖維內(nèi)部積累的能量越高，質(zhì)量損失率也就越高。

表1 不同功率微波處理不同時間粘膠纖維剩余質(zhì)量及質(zhì)量損失率

微波時間/h100W剩余質(zhì)量/g質(zhì)量損失率/%200W剩余質(zhì)量/g質(zhì)量損失率/%400W剩余質(zhì)量/g質(zhì)量損失率/%700W剩余質(zhì)量/g質(zhì)量損失率/%03.0000-3.0000-3.0000-3.0000-0.52.79266.912.599713.342.374720.842.102629.911.52.414819.512.227925.731.954134.861.761441.283.02.071330.961.816539.451.607246.431.441351.965.01.769441.021.563847.871.368754.381.149661.68

2.3 表面摩擦系數(shù)

不同功率微波處理不同時間粘膠纖維的表面摩擦系數(shù)測試結(jié)果如表2所示。從表2可以明顯看出，在不同功率微波的處理條件下，隨著處理時間的增加，粘膠纖維的靜態(tài)與動態(tài)表面摩擦系數(shù)均有不同程度的上升，在相同的微波處理時間條件下，隨著微波功率的增加，纖維的表面摩擦系數(shù)不斷上升。這是由于微波的處理，在電磁場的作用下，纖維內(nèi)部的極化現(xiàn)象使得纖維內(nèi)部積累了較高的能量，改變了纖維原有大分子骨架構(gòu)型，使得粘膠纖維表面出現(xiàn)了深度不一，分布不均的坑穴，且隨著微波處理時間與微波功率的增加，這種坑穴數(shù)量與深度增加，這就是隨著微波處理時間與微波功率增加，粘膠纖維表面摩擦系數(shù)上升的主要原因。從這點上說，微波處理增加了纖維間的抱合力，有利于紡紗。

表2 不同功率微波處理不同時間粘膠纖維的表面摩擦系數(shù)

微波時間/h100W靜態(tài)動態(tài)200W靜態(tài)動態(tài)400W靜態(tài)動態(tài)700W靜態(tài)動態(tài)00.18270.12420.18270.12420.18270.12420.18270.12420.50.20180.13910.21010.14120.21980.14870.22120.14951.50.23210.16760.24140.17950.25040.18230.25970.19583.00.25940.18980.26180.19970.27740.20190.28040.20785.00.27070.20130.28290.21490.29910.21280.30170.2203

2.4 力學(xué)性能

不同功率微波處理不同時間粘膠纖維的力學(xué)性能測試結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，在不同功率微波的處理下，隨著處理時間的增加，粘膠纖維的斷裂強度不斷下降，而斷裂伸長率不斷上升。在相同微波時間下，隨著微波功率的增加，粘膠纖維的斷裂強度不斷下降，而斷裂伸長率不斷上升。湯建偉等[5]的研究表明，微波的電磁場作用能使粘膠纖維內(nèi)部發(fā)生極化，使纖維內(nèi)部積累較高的能量，使大分子結(jié)構(gòu)骨架變形，纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)細化、均化，導(dǎo)致纖維結(jié)晶的沉積析出，從而降低纖維的結(jié)晶度，增加纖維的無定型區(qū)。纖維結(jié)晶度下降是導(dǎo)致粘膠纖維斷裂強度下降、斷裂伸長率增加的主要原因；另一方面，由于微波的作用使纖維表面出現(xiàn)坑穴，導(dǎo)致粘膠纖維的強力弱環(huán)增加。隨著微波處理時間與微波功率增加，粘膠纖維的結(jié)晶度下降幅度與纖維表面破壞程度增大，使得纖維的力學(xué)性能下降加劇。

表3 不同功率微波處理不同時間粘膠纖維的力學(xué)性能

微波時間/h100W斷裂強度/(cN/dtex)斷裂伸長率/%200W斷裂強度/(cN/dtex)斷裂伸長率/%400W斷裂強度/(cN/dtex)斷裂伸長率/%700W斷裂強度/(cN/dtex)斷裂伸長率/%02.5616.822.5616.822.5616.822.5616.820.52.2717.972.1818.342.1120.952.0521.621.51.8618.721.7219.981.5821.291.3722.843.01.6919.451.5620.221.4222.871.2124.795.01.4720.241.2921.861.1324.241.0826.04

2.5 質(zhì)量比電阻

不同功率微波處理不同時間粘膠纖維的質(zhì)量比電阻測試結(jié)果如表4所示。從表4中可以明顯看出，隨著微波處理時間的增加，不同功率微波處理的粘膠纖維的質(zhì)量比電阻具有不同程度的上升，在相同微波處理時間條件下，隨著微波功率的增加，纖維的質(zhì)量比電阻也有不同程度的上升。這是由于微波電磁場的作用導(dǎo)致結(jié)晶度下降，無定型區(qū)增加，使得纖維內(nèi)部的介電常數(shù)升高，致使粘膠纖維的質(zhì)量比電阻增加，且隨著微波處理時間與微波功率的增加而升高。

表4 不同功率微波處理不同時間

3 結(jié) 論

粘膠纖維經(jīng)過微波的處理，表面出現(xiàn)了無規(guī)律分布、大小各異、深淺不一的坑穴，且損失程度隨著微波處理時間與微波功率的不斷增加而不斷加劇，使得纖維表面摩擦系數(shù)增加。同時，在實驗范圍內(nèi)纖維表面的損傷造成了纖維強力弱環(huán)的增加，使得纖維的斷裂強度隨著微波處理時間與微波功率的不斷增加而不斷降低。而纖維的質(zhì)量損失率、斷裂伸長率及質(zhì)量比電阻則隨著微波處理時間與微波功率的不斷增加而不斷上升。

[1] 劉海洋，王樂軍，李琳，等.再生纖維素纖維的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].紡織導(dǎo)報，2006,26(4):57-59.

[2] 彭松娜，胡俊瓊，齊大鵬.粘膠纖維光氧降解性能研究[J].人造纖維，2012，230(4):2-4.

[3] 沈建明.紡材實驗[M].北京：中國紡織出版社，1999:67-73.

[4] 張麗.微波對纖維素纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響及應(yīng)用研究[D].上海：東華大學(xué)，2008.

[5] 湯建偉，鐘本和，許秀成，等.微波作用下的結(jié)晶過程分析[J].化工礦物與加工，2002,37(11):7-17.

(責(zé)任編輯：康 鋒)

Effect of Microwave Processing on Mechanical Performance of Viscose Fiber

LINYanping

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Electromagnetic field generated by microwave was used to process the viscose fiber to study the effect of microwave of on wear-abilities of viscose fiber. Studies show that different size and depth of the cavity in irregular distribution appear on the surface of viscose fibers after microwave processing. The mass loss rate of the fiber, surface friction coefficient, elongation at break and mass specific resistance all increase with microwave processing time and microwave power rise except breaking strength.

microwave; viscose fiber; microtopography; wear-abilities

2015-09-01

林燕萍(1982-)，女，四川瀘州人，講師，主要從事功能性服裝設(shè)計與工藝方面的研究。

TQ316.31

A

1009-265X(2016)06-0006-04