不同鱗片層羊毛纖維的吸濕性能

孟沙沙，張佩華，楊啟東

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620； 2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620； 3.上海嘉麟杰紡織品股份有限公司，上海 201504)

在一定條件下，纖維的吸放濕是一種動態(tài)的平衡過程，一般以標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的平衡回潮率表示。作為一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，紡織纖維的吸濕性不但影響著纖維的性能，還關(guān)系著紡織品的加工工藝以及服用舒適性[1-2]。羊毛纖維是一種天然蛋白質(zhì)纖維，具有良好的吸濕性，是高檔紡織品的重要原料之一，而鱗片作為羊毛纖維特有的結(jié)構(gòu)，鱗片的改變必然引起纖維及織物性能的改變[3]。近年來出現(xiàn)對羊毛纖維進(jìn)行剝鱗片改性處理的研究，使纖維變細(xì)，改善纖維的防氈縮性、柔軟性和吸濕性等，拓寬了羊毛纖維的服用領(lǐng)域；此外使用不同化學(xué)處理方法(氯氧化法、高錳酸鉀法和酶處理法等)將羊毛纖維表面鱗片呈現(xiàn)不同程度的剝離，隨著剝離程度的增加，羊毛纖維摩擦因數(shù)降低，織物抗起毛起球性增強(qiáng)，刺癢感減弱，同時(shí)隨著鱗片的剝離，織物透氣、吸濕性能也有所提高，這些均是毛紡行業(yè)研究的熱點(diǎn)[4-6]。若深入研究羊毛纖維鱗片層不同剝離程度與纖維親水性及吸濕、放濕性能的關(guān)系，將更便于設(shè)計(jì)開發(fā)吸濕涼爽、導(dǎo)濕快干的高檔春夏季含羊毛類針織服裝。本文通過測試鱗片層不同剝離程度的普通、防縮和絲光羊毛纖維的親水性與吸濕、放濕性能，分析了羊毛纖維表面形態(tài)與吸濕性能的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：普通羊毛纖維(江蘇丹毛紡織股份有限公司)、防縮羊毛纖維和絲光羊毛纖維(浙江新澳紡織股份有限公司)。3種纖維的線密度均為14.3 tex(直徑為18.5 μm)。

儀器：場發(fā)射掃描電鏡(SEM)SU8010(日本日立公司)，Y802 N型八籃恒溫烘箱、YG601H型透濕儀(溫州方圓儀器有限公司)，F(xiàn)A-1004型電子天平(上海菁海儀器有限公司，精確度為0.000 1 g)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

將3種羊毛纖維試樣經(jīng)真空噴金后，采用SEM觀察羊毛纖維表面鱗片的形貌。

1.2.2 表面接觸角測試

采用德國OCA15EC型光學(xué)接觸角測試儀，運(yùn)用氣泡捕捉測試方法，將分別經(jīng)過無水乙醇清洗過的纖維梳理整理，沿玻璃片寬度方向鋪成均勻、緊密、表面平整的纖維層，用雙面膠將試樣黏貼在76 mm×26 mm玻璃片的中間，且將纖維長度方向多余出來的試樣翻轉(zhuǎn)上去并用透明膠帶黏好，測試面朝上，試樣大小45 mm×6 mm。每種纖維測試3次，取平均值。

1.2.3 吸放濕性能測試

參照GB/T 6529—2008《紡織品的調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》，將纖維在標(biāo)準(zhǔn)大氣下進(jìn)行預(yù)調(diào)濕，測試?yán)w維的回潮率。

1.2.3.1吸濕實(shí)驗(yàn)

分別將質(zhì)量約1 g的羊毛纖維在105 ℃烘箱中烘干稱量，記為干質(zhì)量；然后迅速取出移至溫度為(20±2) ℃、相對濕度為65%±3%的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，稱取初始質(zhì)量；使纖維盡量保持蓬松的狀態(tài)進(jìn)行吸濕實(shí)驗(yàn)，每隔5 min記錄1次纖維質(zhì)量，直至纖維在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下達(dá)到吸濕平衡，計(jì)算回潮率。每種纖維測試5組，取平均值，得到纖維的吸濕曲線。

1.2.3.2放濕實(shí)驗(yàn)

分別將質(zhì)量約1 g的羊毛纖維放在相對濕度為100%的透濕儀中24 h，使纖維達(dá)到吸濕飽和狀態(tài)，迅速取出移至標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下并稱取初始質(zhì)量；盡量使纖維保持蓬松的狀態(tài)進(jìn)行放濕實(shí)驗(yàn)，每隔5 min稱取記錄1次纖維質(zhì)量，直至纖維在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下達(dá)到放濕平衡；將纖維放至105 ℃八籃恒溫烘箱中烘干，稱取干質(zhì)量，計(jì)算各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的回潮率。每種纖維測試5組，取平均值，得到纖維的放濕曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀鱗片形態(tài)

圖1 不同鱗片剝離程度的3種羊毛纖維的SEM 照片(×1 000)

不同鱗片剝離程度的3種羊毛纖維的表面形貌如圖1所示?？梢钥闯觯浩胀ㄑ蛎w維表面鱗片未被剝離，鱗片厚度厚且密度較大(圖1(a))；防縮羊毛纖維的鱗片部分被破壞，棱角變鈍，厚度稍變薄，密度變化不明顯(圖1(b))；絲光羊毛纖維的鱗片被大量破壞，棱角基本消失，厚度變薄，密度明顯變小，表面接近平滑(圖1(c))[7]；但相較于普通羊毛纖維，防縮、絲光羊毛纖維鱗片的剝離程度均很明顯，絲光羊毛纖維表面鱗片比防縮羊毛纖維剝離更徹底，且防縮羊毛纖維鱗片厚薄不一，表面較粗糙，有更大的表面積。

2.2 親水性能

表1是3種羊毛纖維接觸角測試結(jié)果?？芍浩胀?、防縮和絲光羊毛纖維接觸角分別為53.95°、47.53°和45.47°；相較于普通羊毛纖維，防縮羊毛纖維和絲光羊毛纖維接觸角降低百分率分別為11.90%和15.72%。由此可知，隨著鱗片剝離程度的增加，接觸角越來越小，主要是由于纖維表面鱗片的剝離，使類脂物減少，改變了纖維表面蛋白的結(jié)構(gòu)，親水基團(tuán)增多，提高了纖維的親水性[8]。

表1 3種羊毛纖維接觸角測試結(jié)果 (°)

2.3 吸放濕回潮率

絲光羊毛纖維、防縮羊毛纖維和普通羊毛纖維的吸濕曲線和放濕曲線如圖2、3所示。

圖2 3種羊毛纖維的吸濕曲線

圖3 3種羊毛纖維的放濕曲線

由圖2可知，3種羊毛纖維的吸濕曲線基本一致，吸濕速率都呈現(xiàn)出先快后慢的狀態(tài)。在初始階段，纖維的吸濕曲線斜率都較大，吸濕速率較快，但在吸濕起始時(shí)刻，隨著鱗片剝離程度的增加，纖維表面親水性增加，從而絲光羊毛纖維的起始點(diǎn)回潮率最大，防縮羊毛纖維居中，普通羊毛纖維最小；在中、后期階段，3種羊毛纖維的吸濕回潮率都快速增加，隨后大約在40 min左右，吸濕回潮率開始放緩，曲線趨于平直，吸濕速率減小；隨著吸濕時(shí)間的延長，3種羊毛纖維在不同時(shí)間達(dá)到吸濕平衡，平衡時(shí)間點(diǎn)依次為：普通羊毛纖維70 min<絲光羊毛纖維80 min<防縮羊毛纖維85 min，平衡回潮率分別為：絲光羊毛纖維約16.3%，防縮羊毛纖維約15.4%，普通羊毛纖維約10.25%。但在整個(gè)吸濕平衡過程中，普通羊毛纖維的吸濕回潮率明顯小于另外 2種羊毛纖維。

由圖3可知，3種羊毛纖維的放濕曲線也極相似，都有先快后慢的特點(diǎn)。在放濕初期，防縮羊毛纖維回潮率大于絲光羊毛纖維，這主要由于防縮羊毛纖維表面鱗片厚薄不一，表面積較大，當(dāng)纖維處在100%的相對濕度下充分吸濕，防縮羊毛纖維表面結(jié)合更多的游離水，放濕回潮率較大[9]；從纖維放濕中、后期曲線可以看出，防縮羊毛纖維和絲光羊毛纖維在130 min出現(xiàn)重合點(diǎn)，之后絲光羊毛纖維回潮率高于防縮羊毛纖維；隨著放濕時(shí)間的增加，3種羊毛纖維放濕速率逐漸減小，先后趨于平衡，平衡時(shí)間依次為：普通羊毛纖維100 min<絲光羊毛纖維130 min<防縮羊毛纖維135 min；達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，普通羊毛纖維的平衡回潮率為13.2%，絲光羊毛纖維的回潮率穩(wěn)定在18.35%，防縮羊毛纖維平衡回潮率為18.2%。在整個(gè)放濕過程，絲光羊毛纖維和防縮羊毛纖維的回潮率都遠(yuǎn)大于普通羊毛纖維。結(jié)合圖2、3可知，羊毛纖維的吸放濕平衡回潮率均隨著鱗片剝離程度的增加而增加，羊毛纖維剝離鱗片層后，胱氨酸含量減少，親水基團(tuán)增加，表面更具有親水性；同時(shí)纖維的結(jié)晶度下降，無定形區(qū)增加，導(dǎo)致其儲水能力增強(qiáng)，羊毛纖維的吸濕回潮率增加[10]。此外，隨著羊毛纖維表面鱗片剝離程度的增加，達(dá)到吸放濕平衡的時(shí)間有所增加，這主要是因?yàn)槠胀ㄑ蛎w維表面含有大量的類脂物，具有很好的疏水性，纖維中的水分大多是間接吸收水，結(jié)合力較弱，達(dá)到吸放濕平衡的時(shí)間較短；而絲光羊毛纖維和防縮羊毛纖維隨著鱗片的剝離，表面蛋白結(jié)構(gòu)被改變，類脂物減少，主要是親水基團(tuán)吸收水，結(jié)合力強(qiáng)，二者達(dá)到吸放濕平衡的時(shí)間增加。

利用Origin軟件，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到絲光羊毛纖維、防縮羊毛纖維和普通羊毛纖維的吸濕、放濕回歸方程如表2所示(式中W為回潮率，%；t為時(shí)間，min)，可以看出，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.994，說明3種羊毛纖維的回歸方程曲線(如圖4、5所示)的規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在整個(gè)吸放濕過程中，絲光羊毛纖維和防縮羊毛纖維的吸放濕回潮率均明顯高于普通羊毛纖維回潮率，纖維的吸放濕回潮率不同，且吸放濕速率也在不斷變化，這主要與3種羊毛纖維的表面鱗片形態(tài)結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系[11]。

表2 3種羊毛纖維的吸濕和放濕回歸方程

圖4 3種羊毛纖維的吸濕回歸曲線

圖5 3種羊毛纖維的放濕回歸曲線

2.4 吸放濕速率

利用Origin軟件得出3種羊毛纖維的吸放濕速率回歸方程以及3種羊毛纖維的吸放濕速率回歸曲線，分別如表3和圖6、7所示(式中V為速率，%/min;t為時(shí)間，min)。

表3 3種羊毛纖維的吸放濕速率回歸方程

圖6 3種羊毛纖維的吸濕速率曲線

圖7 3種羊毛纖維的放濕速率曲線

由表3和圖6可知，3種羊毛纖維的吸濕速率方程均為指數(shù)函數(shù)且速率衰減趨勢相近，均隨著吸濕時(shí)間的延長，吸濕速率下降。絲光羊毛纖維和防縮羊毛纖維的吸濕速率趨勢基本一致，略高于普通羊毛纖維。在吸濕初始階段，防縮羊毛纖維的吸濕速率略小于絲光羊毛纖維，大約在35 min， 2種纖維出現(xiàn)交叉點(diǎn)，隨后防縮羊毛吸濕速率最大，絲光羊毛纖維次之，普通羊毛纖維最小。隨著吸濕時(shí)間的延長，3種羊毛纖維吸濕速率逐漸減小，約70 min后，普通羊毛纖維吸濕速率趨于零，之后絲光羊毛纖維和防縮羊毛纖維吸濕速率逐漸減小，先后趨于零，達(dá)到平衡狀態(tài)。

由表3和圖7可以看出，3種羊毛纖維的放濕速率方程也均為指數(shù)函數(shù)，隨著放濕時(shí)間的增加，放濕速率下降，但速率衰減趨勢有所差異。這是由于同屬于羊毛纖維，有著相同的結(jié)構(gòu)，但由于纖維鱗片的剝離程度不同，其纖維表面形態(tài)的差異使纖維吸濕速率及其速率變化存在不同，初始階段，普通羊毛纖維的放濕速率大于防縮羊毛纖維，約35 min，普通羊毛纖維和防縮羊毛纖維放濕速率相同，隨后防縮羊毛纖維放濕速率變大，高于普通羊毛纖維。絲光羊毛纖維在50 min前，放濕速率最小，之后在到達(dá)放濕動態(tài)平衡前，其放濕速率僅次于防縮羊毛纖維，高于普通羊毛纖維。隨著放濕時(shí)間的延長，放濕速率逐漸減小，約100 min后，普通羊毛纖維趨于零，隨后絲光毛纖維和防縮羊毛纖維放濕速率逐漸減小，先后趨于零，進(jìn)入到平衡狀態(tài)。

3 結(jié) 論

①普通羊毛、防縮羊毛和絲光羊毛纖維表面鱗片形態(tài)不同：與普通羊毛纖維相比，防縮羊毛纖維鱗片被部分剝離，棱角變鈍，密度變小，鱗片厚薄不一，表面較粗糙；絲光羊毛纖維表面鱗片被大量剝離，厚度變薄，密度更小，表面接近平滑。

②隨著鱗片層剝離程度的增加，接觸角減小，3種羊毛纖維接觸角大小依次為：絲光羊毛纖維<防縮羊毛纖維<普通羊毛纖維，親水性增加。

③羊毛纖維的吸濕、放濕平衡回潮率均隨著鱗片層剝離程度的增加而增加，絲光羊毛纖維吸濕、放濕平衡回潮率最高，防縮羊毛纖維居中，普通羊毛纖維最低； 3種羊毛纖維達(dá)到吸濕平衡時(shí)間均小于放濕平衡時(shí)間。

④ 3種羊毛纖維的吸放濕速率變化規(guī)律相似，即隨著時(shí)間的延長，羊毛纖維的吸放濕速率均呈指數(shù)曲線衰減。絲光羊毛纖維初始吸濕速率高于防縮羊毛纖維，之后速率變小，低于防縮羊毛纖維；普通羊毛纖維吸濕速率總低于其他 2種纖維，而在放濕初始，普通羊毛纖維放濕速率最大，一段時(shí)間之后，放濕速率變最小。