羊毛纖維表面結構形態對羊毛織物起球和縮率的影響

宋金香，李美真，張可歆

(內蒙古工業大學 輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080)

羊毛衫保暖舒適，但是由于羊毛纖維表面定向的鱗片和纖維優異的彈性，致使其織物在穿著過程中容易起球，在洗滌過程中容易縮水甚至氈縮[1-3]。羊毛抗起毛起球和防縮整理最傳統的工藝是氯化-酶法絲光處理，雖然氯化法產生的可吸附性有機鹵化物AOX對環境極為有害[4]，但是作為本文試驗的“減法”工藝研究很有代表性。使用樹脂整理也可以改善羊毛衫的抗起球和防縮性能[5]，本文試驗選擇工藝簡單且效果突出的2002樹脂法進行“加法”工藝試驗。本文通過研究定向摩擦效應去深入研究起球和縮率的相互關系，并結合掃描電鏡測試和拉伸強力測試等，對2種抗起球與防縮工藝試驗進行對比，分析纖維表面形態對織物起毛起球和縮率的影響。

1 試驗部分

1.1 材料、試劑與儀器

洗凈白色散羊毛纖維(內蒙古北平紡織有限公司)；深藍色羊毛針織物，緯編平紋組織，厚度2.80 mm，面密度311.64 g/m2，縱密24 圈/(5 cm)，橫密35 圈/(5 cm)，線圈長度8.20 mm(內蒙古鹿王羊絨有限公司)。

蛋白酶CTA-B、滲透劑FK-ST20、滲透劑JFC(中紡化工有限公司)，碳酸鈉、冰醋酸(滎陽僑光化工廠)，焦亞硫酸鈉(福晨化學試劑公司)，柔軟劑CS-4、2002樹脂、交聯劑、柔軟劑SL-2006、氯化劑DC、螯合分散劑FK-442C1(內蒙古北平紡織有限公司)。

CM-3600A電腦測色配色系統(柯尼卡美能達公司)，YG511D箱式起球儀(寧波紡織儀器廠)，GZX-9146MBE電熱恒溫鼓風干燥箱(上海博訊實業)，YG(B)001A電子單纖維強力機(溫州大榮紡織儀器)，HH-4數顯恒溫水浴鍋(常州國華電器)，DJ-200J電子天平(亞太電子天平廠)，YQ-2-48A白度顏色測定儀(杭州輕通儀器公司)，JN-B型精密扭力天平(上海越平儀器)，HitachiS-4800FE-SEM掃描電子顯微鏡(日立公司)，XD-D33小樣脫水機(旭東儀器公司)，XPM30-2008電動洗衣機(海爾公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 氯化-酶法絲光工藝

①氯化處理：在室溫時加入滲透劑0.5%(owf)、分散劑1%(owf)，5 min后加入氯化劑DC，20 min后調節pH值至6.0～6.5，反應25 min(反應溫度不超過22 ℃)，待淀粉碘化鉀試紙變白后取出放液，沖洗2次。

②蛋白酶處理：在35 ℃時加入滲透劑0.5%(owf)、分散劑1%(owf)，5 min后加入焦亞硫酸鈉，再過5 min后加入純堿，調節pH值至 8.0～8.5，10 min后按1 ℃/min的升溫速率升溫至50 ℃，10 min后加入蛋白酶CTA-B，反應40 min后放空整理液，沖洗2次。

③柔軟整理：45 ℃時加入柔軟整理劑CS-4，調節pH值至 5.5～6.0，整理20 min，反應完全后沖洗1次。

以上反應的浴比均為1︰30，第1步中加入氯化劑DC之后，藏藍色織物由于纖維間存在染料，與氯化劑DC反應較慢，需要反應時間延長至4 h，白色羊毛織物則需要50 min。氯化劑DC在水中水解形成次氯酸，釋放有效氯，會使淀粉碘化鉀試紙變藍，待有效氯與羊毛鱗片上的蛋白質反應完全后，淀粉碘化鉀試紙會變白。

1.2.2 2002樹脂處理工藝

工藝流程：滲透劑JFC(1 g/L，50 ℃，10 min)→2002樹脂+交聯劑(6%(owf)，60 ℃，40 min)→柔軟劑SL-2006(3%(owf)，35 ℃，20 min)→脫水→烘干(70 ℃，20 min)。

1.3 纖維表面形態測試

采用日本日立公司生產的Hitachi S-4800 FE-SEM掃描電子顯微鏡進行纖維形態測試[6]。

1.4 纖維拉伸性能測試

參照GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》，采用YG(B)001A電子單纖維強力儀測試纖維的拉伸與強力性能。測試條件：試樣夾距為20 mm，預加張力為0.2 cN，拉伸速度為20 mm/min；測試次數30次，取平均值[7]。

1.5 纖維摩擦性能測試

采用JN-B型扭力天平測試纖維的順、逆向摩擦因數，每組羊毛測試30次，除去2個最大值2個最小值之后，計算定向摩擦效應(DFE)[8]。定向摩擦效應計算見式(1)(2):

μ=0.733[lgf-lg(f-m)]

(1)

(2)

式中：μ為摩擦因數；DFE為定向摩擦效應；μ1為順鱗片摩擦因數；μ2為逆鱗片摩擦因數；m為扭力天平上所記錄的數值，mg；f為2個夾子的總質量，固定值100 mg。

1.6 抗起毛起球性能測試

依照GB/T 4802.3—2008《紡織品 織物起毛起球性能的測定 第3部分：起球箱法》對經過整理的羊毛織物進行抗起毛起球測試[9-10]。

1.7 織物黃度測試

采用CM-3600A電腦測色配色系統，測試樣品的黃度值，5次測量后取平均值。

1.8 織物縮率測試

參照FZ/T 20010—2012《毛織物尺寸變化的測定 溫和式家庭洗滌法》，測試羊毛織物的水洗前后的尺寸。并根據式(3)計算織物的縮率。測試3塊樣品，取平均值。

(3)

式中：X為織物縮率，%；A為織物原始面積，cm2；B為織物收縮后面積，cm2。

2 結果與討論

2.1 氯化-酶法絲光工藝正交試驗分析

常規氯酶法絲光工藝中氯化劑DC的用量為3.5%(owf)，焦亞硫酸鈉用量為3.5%(owf)，蛋白酶CTA-B用量為0.2%(owf)。為了找出最小定向摩擦效應對應的處理工藝[11]。對氯化劑DC、蛋白酶CTA-B和焦亞硫酸鈉的用量3因素各選擇5個水平做正交試驗，正交設計方案及結果見表1。

表1 正交試驗方案及結果

通過比較K值，可以獲得最優方案為A4B3C1，經過極差R值的比較，可得3因素的主次順序為：蛋白酶CTA-B用量>氯化劑DC用量>焦亞硫酸鈉用量。

本文正交試驗分析中的指標為定向摩擦效應。該值越小則抗起球性和防縮性越好，即23號A5B3C1工藝。將2個方案進行試驗并比較結果，得出方案A5B3C1作為最優方案，即氯化劑DC用量為4.5%(owf)，焦亞硫酸鈉用量為3.5%(owf)，蛋白酶CTA-B用量為0.26%(owf)。

為測試和分析氯化-酶法絲光工藝后樣品的性能，經綜合考慮，分區域選用定向摩擦效應為2.25%、3.25%、4.16%、5.47%、6.45%、7.29%、8.42%、9.07%、10.07%、11.46%的樣品進行后續測試及分析。

2.2 纖維摩擦性能分析

羊毛纖維經不同工藝參數的氯化-酶法處理后的定向摩擦效應如表2所示。

表2 氯化-酶法處理前后羊毛的摩擦性能

由羊毛纖維的順、逆摩擦因數計算出定向摩擦效應，可反映羊毛纖維的鱗片剝離程度，進一步反映羊毛的起球性與氈縮性[4]。由表2可知，經氯化-酶法處理后的羊毛纖維相比于原毛，定向摩擦效應下降程度明顯，且羊毛的定向摩擦效應越小，說明羊毛的抗起球性與防氈縮性越好，羊毛織物越能夠保持其形狀。

根據1.2.2節的工藝流程對試樣進行整理，在2002樹脂整理過程中，羊毛纖維表面鱗片被樹脂覆蓋，形成連續性薄膜。2002樹脂用量較少時成膜效果不好，用量過大時不僅浪費樹脂而且還會影響織物手感。不同用量的2002樹脂處理前后羊毛纖維的摩擦效應見表3。

表3 2002樹脂處理羊毛纖維的摩擦性能

由表3可見，隨著2002樹脂用量的增加，纖維定向摩擦效應越來越小，這是因為樹脂在羊毛纖維表面的包覆導致纖維表面越來越光滑。為避免樹脂過多影響織物手感和造成不必要的浪費，經綜合分析選擇2002的樹脂用量為17%(owf)的樣品進行電鏡分析。

2.3 纖維電鏡測試分析

氯化-酶法絲光處理前后的纖維電鏡照片見圖1。

圖1 氯化-酶法處理前后羊毛纖維表面電鏡照片(×1 500)

由圖1可知，經氯化-酶法處理后，當定向摩擦效應為2.25%時，羊毛纖維鱗片幾乎全被剝落，纖維表面光滑，見圖1(b)；定向摩擦效應為3.25%的羊毛鱗片高度明顯降低，依稀可見鱗片存在，見圖1(c)；定向摩擦效應為4.16%時，鱗片邊緣有鈍化，但鱗片明顯存在，見圖1(d)；定向摩擦效應為6.45%時，鱗片邊沿有明顯溶脹和翹角張大見圖1(e)。由此可見，定向摩擦效應越小，表面鱗片被剝落得越嚴重。

圖2是用量為17%(owf)的2002樹脂處理后羊毛纖維的電鏡照片，此時羊毛纖維的抗起球效果已達到要求。由圖2可見，樹脂整理后羊毛纖維表面具有明顯連續的成膜，但是鱗片形態保留完整。

圖2 2002樹脂處理后羊毛纖維表面電鏡照片(×2 000)

2.4 纖維拉伸性能分析

氯化-酶法處理后羊毛纖維的拉伸性能見圖3。從圖3可以看出，經氯化-酶法處理后的羊毛纖維，隨著橫坐標定向摩擦效應的增大，纖維斷裂強力和斷裂伸長都在增大，這是因為定向摩擦效應越小則鱗片被破壞的程度越嚴重。

圖3 氯化-酶法處理后羊毛纖維拉伸性能

結合表3對圖4進行分析可知，與原羊毛纖維相比，處理后的羊毛纖維斷裂強力和斷裂伸長顯著降低。這是因為纖維表面形成一層使羊毛變脆的薄膜，隨著2002樹脂用量的減小，定向摩擦效應增加，纖維的斷裂強力先降低后升高，這是因為由于樹脂的涂覆導致纖維變脆，強力下降，樹脂用量增加之后對纖維起到了支撐的作用，導致斷裂強力上升。但是纖維的斷裂伸長隨著樹脂用量的減少、定向摩擦效應的增加，一直在持續增加，這是因為樹脂用量過多導致纖維脆弱易斷。

圖4 2002樹脂處理后羊毛纖維的拉伸性能

2.5 纖維黃度分析

未經處理的羊毛纖維定向摩擦效應為18.16%，黃度為14.208。經氯化-酶法和2002樹脂法處理之后的羊毛纖維黃度變化見圖5。

圖5 定向摩擦效應與羊毛纖維黃度的關系

從圖5可以看出，氯化-酶法處理后羊毛纖維的定向摩擦效應越小則纖維黃度值越大，因為經氯化-酶法處理后，羊毛纖維的鱗片被破壞，沒有了鱗片層的保護，羊毛纖維大分子上的酪氨酸和絲氨酸極易被氧化成醌式結構而使纖維出現顏色發黃現象[5]。

經2002樹脂處理后的纖維黃度值與原毛纖維相比有所上升，但上升幅度較小，說明樹脂處理后氧化程度不明顯。由表3和圖5可知，隨著樹脂用量的增加，定向摩擦效應的降低，黃度先下降后增加。這是因為樹脂的的包覆造成了纖維的氧化，過量的樹脂會造成纖維氧化程度高，過低的樹脂也會加速纖維氧化。

2.6 起球與縮率的關系

氯化-酶法絲光處理后，織物起球與縮率的關系見圖6。

圖6 氯酶法處理后羊毛織物起球與縮率的關系

由圖6可知，隨著定向摩擦效應的降低，羊毛織物起球數量出現先降低后增加的現象，磨球2 h與磨球5 h的變化規律相同，起球最低點對應的定向摩擦效應為6.45%。但是縮率的最低點對應的定向摩擦效應為2.25%。

圖6直觀說明了氯化-酶法處理后的羊毛織物的起球最低值與縮率最低值對應的定向摩擦效應是不同的。該結論與傳統理論定向摩擦效應越低，縮率越小、起球越少有所不同。這是因為完全絲光時(定向摩擦效應為2.25%)，鱗片全部被脫除，正、逆定向摩擦因數均減少，纖維表面變得十分光滑，纖維也因酰胺鍵損傷而出現運動滯后現象，自然縮率達到最低；此時纖維間的抱合力下降了很多，纖維受外力摩擦后易于脫離織物組織本體而浮出織物表面，使起球易于形成，并且織物洗滌后有掉毛現象。所以氯化-酶法絲光工藝不能同時解決起球和縮率的問題。

圖7是2002樹脂處理后羊毛織物起球與縮率的關系圖。

圖7 2002樹脂處理后起球與縮率的關系

由圖7可以看出，隨著2002樹脂用量增加，定向摩擦效應降低，起球和縮率都在增大，符合傳統定向摩擦效應的理論觀點。原因是樹脂處理后纖維的表面被賦予了一層連續的薄膜，纖維間的抱合力沒有下降，纖維不易受外力而脫離組織本體浮出織物表面。所以2002樹脂工藝方法可以同時解決起球和縮率的問題。

3 結 論

本文對氯化-酶法、2002樹脂處理后的羊毛纖維和織物性能進行了測試，主要得出以下結論：

①氯化-酶法絲光對羊毛纖維表面的鱗片有優良的剝落效果，2002樹脂處理對羊毛纖維表面的鱗片有優良的覆蓋效果。氯化-酶法正交試驗最優方案處理后的羊毛定向摩擦效應為2.25%，2002樹脂處理后的最優工藝的定向摩擦效應為8.02%。可見二者經過處理后定向摩擦效應均減小，處理后的羊毛鱗片剝除情況良好，洗滌后出現氈縮的現象均減弱，均具有良好的抗起球與防氈縮效果。

②氯化-酶法絲光工藝最少起球數與最低縮率值所對應的定向摩擦效應不同，而2002樹脂工藝最少起球數與最低縮率所對應的定向摩擦效應相同。

③氯化-酶法絲光處理后，隨著定向摩擦效應的增加，纖維強力下降值越來越小，說明羊毛鱗片刻蝕程度隨著定向摩擦效應的增加而增強。而經2002樹脂處理后，纖維強力隨著定向摩擦效應的增加先減弱后加強，是因為開始隨著樹脂用量的增加纖維變得易脆，而樹脂用量越來越多時，樹脂又會對羊毛起到支撐保護作用，強力增加。經2種整理方法處理后，斷裂伸長均有所下降。

④氯化-酶法絲光處理、2002樹脂處理羊毛的黃度均有所上升，前者隨著定向摩擦效應的減小，黃度變化越來越明顯，后者的黃度值則先降低后增加。