植物染莫代爾纖維性能分析與紡紗工藝研究

張 偉 張建明 劉 麗

（1.德州學院，山東德州，253000；2.寧夏恒豐紡織科技股份有限公司，寧夏吳忠，751100；3.天紡標檢測認證股份有限公司，天津，300193）

傳統染色中植物染料的應用較為普遍，理論上凡是含有色素的植物，包括根、莖、葉、花朵、果實等，均可用來染色，但是不同植物的色素含量差異很大。隨著科學技術的不斷發展，植物染料的色系、品種變得越來越豐富。19世紀英國托馬斯·沃德兒在《印度染料染色織物標本》中記錄了從64種植物種子中提取的3 000種染料。合成染料問世以來，以豐富的色譜、優異的染色性能、低廉的價格迅速占領了市場，而植物染料的研究卻停滯不前。近年來，合成染料毒性以及印染過程中對環境的污染等問題日益凸顯，環保的植物染料再一次回歸到大眾的視野中，開發植物染產品適合當前人們的穿著需求［1-2］。

植物染集自然之精美、聚植物沉靜柔和而安定之氣質，色澤與色感不因時日而改變。其色素源于自然種植的植物，植物染紡織產品的制作首先是纖維染色，紡紗環節通過配色進一步豐富了植物染色色彩，同時用色紡工藝組合不同的纖維，很好地解決了面料的手感問題，也保證了顏色的重現性，為實現植物染產品的規范化、標準化打下了良好基礎，也為植物染色工業化找到了一條很好的路徑。

植物染產品做到了“四個有機”。其一，種植有機。植物染取之自然，還原自然，取之不盡，用之不竭。其原材料取之于中草藥、樹木、花卉、水果等，不使用農藥和化肥。其二，制造有機。染料顏色的提取使用純天然助劑，染色過程的水可以循環利用，實現零污染。染色的黏土及沉淀物還可以制成彩色的水泥磚。其三，穿用有機。植物染色制作的衣物不含任何化學物質，對人體無致敏性、致癌性，抑菌抗病毒，安全性高。其四，降解有機。廢舊衣物處理可降解，回歸自然，不會污染環境，與自然和諧共生，返璞歸真。紡紗原料采用天然纖維（棉、麻等）和再生纖維素纖維為主，其產品廣泛應用于高檔貼身服裝和嬰幼兒服裝、高檔家紡、毛巾、襪子等領域，因此對植物染產品的開發及工業化推進迫在眉睫。

在紡織領域中植物染料可用于工業化生產的品種較少，主要存在量少、價格高、上染率低、重現性差、染色牢度不高、可紡性差等問題；而植物染料環保與功能性的突出特點是合成染料無法替代的，因此對其存在問題的研究一直在不斷探索中。近年來，對植物染料的各項研究逐步興起，包括植物染提純技術、植物染顆粒或粉化技術、植物染固色技術和植物染纖維的紡紗技術等［3-4］。

由于天然植物染料中雜質含量高、純度不穩定、染色均勻度差、色系不全等問題，嚴重制約了植物染產品工業化生產的進程。鑒于植物染色纖維的特性，本研究設計了植物染專用梳理系統，并建立了植物染梳理工藝，以植物染莫代爾纖維為例，介紹纖維性能的差異及紡紗工藝。

1 植物染莫代爾纖維性能表征與分析

1.1 植物染莫代爾纖維的SEM特征

圖1為3種植物染莫代爾纖維表面的掃描電鏡圖。從圖1可以看出，3種纖維表面附著不同程度的顆粒物，其中藍色莫代爾纖維表面附著物顆粒較大，呈結塊狀，顆粒物在3 μm～10 μm；紅色和黃色莫代爾纖維表面附著物顆粒較小，分布比較均勻，其中紅色莫代爾纖維顆粒物為圓形顆粒狀，黃色莫代爾纖維顆粒物為片狀，兩種顆粒物大小在0.5 μm～4.0 μm；3種纖維表面的顆粒物導致纖維表面非常粗糙。由此可判斷，纖維表面顆粒物是工業化紡紗過程中出現粉塵以及有色顆粒物附著在針布、膠輥、羅拉等表面的主要原因，是影響可紡性的重要原因。

圖1 3種顏色植物染莫代爾纖維表面的掃描電鏡圖

1.2 植物染莫代爾纖維摩擦性能

將3種植物染莫代爾纖維按照隨機取樣的方式分別取樣30組，用XCF-1A型纖維摩擦因數測試儀測試纖維的摩擦性能，張力夾負荷0.2 cN，摩擦輥速度30 r/min（測定動摩擦因數），摩擦輥下降速度10 mm/min（測定靜摩擦因數），下降時間6 s，總時間范圍15 s，金屬輥直徑8 mm，測試溫度25 ℃，相對濕度65%。測試結果與本白莫代爾摩擦因數對比如表1所示。

表1 莫代爾纖維摩擦因數測試對比

從表1可以明顯看出，3種植物染莫代爾纖維動、靜摩擦系因數均遠大于本白莫代爾纖維。結合纖維表面的電鏡圖，植物染莫代爾纖維表面的附著物顆粒使其表面粗糙，對纖維的梳理力需求增大，對針布要求較高；纖維之間的摩擦相對增加，嚴重影響紡紗過程中成卷、梳理、牽伸、卷繞等工藝，造成植物染莫代爾纖維可紡性較差。

1.3 植物染莫代爾纖維靜電性能

測試結果表明，紅色植物染莫代爾纖維質量比電阻6.01×109Ω·g/cm2，黃色植物染莫代爾纖維質量比電阻7.87×109Ω·g/cm2，藍色植物染莫代爾纖維質量比電阻5.32×109Ω·g/cm2，本白莫代爾纖維質量比電阻4.91×109Ω·g/cm2。可以看出，3種植物染纖維的質量比電阻均遠大于本白纖維。質量比電阻高，纖維摩擦易產生靜電，且靜電不易散逸，導致纖維相互排斥，纖維蓬松不易成卷、成網、成條，纖維易吸附在通道或機件上，形成纏繞、堵塞斷頭，影響可紡性。

2 基于植物染纖維的開松除雜設備與工藝研究

2.1 植物染纖維的開松除雜設備工藝

基于以上對植物染纖維的分析，改進的植物染纖維開松除雜設備機組如圖2所示。

圖2 植物染纖維開松除雜設備機組

植物染纖維開松除雜設備機組的工作原理。通過負壓風機將植物染色纖維抽吸至初級開松箱內部，通過初級開松箱內部設置的頂部打手組合和底部打手組合對植物染纖維進行初級開松打散；隨后，經過初級開松箱頂部的輸送管進行負壓抽吸，將初級開松后的纖維抽吸至次級開松箱的頂部，經過次級開松箱內部的次級上打手組合進行再次開松，在次級上打手組合和次級下打手組之間設有一個隔離箱，植物染纖維在下落階段其中的灰塵經側壁上的除塵管進行充分吸收，落下的植物染纖維經次級下打手組再次開松后直接進入右側的梳棉機。整個過程中利用打手的自由開松和負壓風的作用進行邊開松邊除塵。其中，開松打手由U形打手到鼻形打手，再到角釘打手和梳針打手，針形由大到小，針密由小到大，打手速度由200 r/min，按50 r/min～80 r/min間隔遞增，最高速度不超過450 r/min，逐步增加開松強度和除塵力度。

2.2 植物染纖維梳理分析

梳棉是整個紡紗工序的核心，采用普通梳理設備進行生產時，由于植物染纖維摩擦因數大，針布抓取纖維后無法快速將纖維釋放，容易出現纖維堵塞、錫林纏繞，導致纖維損傷大，輸出纖維網疵點較多，棉網易出現破洞，同時成網后易黏纏導條膠圈，生條條干不勻增加，進而影響紡紗的后序加工。為了解決植物染纖維在梳理過程中遇到的問題，首先應了解纖維性能與梳理效果的關系。

錫林針齒前角δ影響齒尖抓取和握持纖維的能力，即影響纖維沿針齒前面的運動方向。δ小，齒尖抓取握持能力強，排除雜質和轉移纖維難；δ大，則相反［5］。另外，由梳理度計算公式可知：

式中：C1、C2分別為刺輥、錫林梳理度，即一根纖維的作用齒數（齒/根）；n、nc分別為刺輥、錫林速度（r/min）；Z、Zc分別為刺輥表面總齒數（齒）和錫林針布齒密［齒/（25.4 mm）2］；P為產量（kg/h），NB為纖維公制支數；L為纖維平均長度（mm）；γ為轉移率；t1、t2為系數。

由于在同樣的紡紗條件下，摩擦力大的纖維轉移度低，即纖維摩擦因數與轉移率呈反比關系，植物染纖維的轉移率γ1與非植物染纖維的轉移率γ可以簡單表示為γ1=t1γ/μ。如果用同一工藝進行植物染纖維的梳理，其錫林梳理度C2′可按式（3）計算。

經分析可知，纖維的梳理度與纖維的摩擦性能有一定的關系。植物染纖維摩擦因數大，在進行高速梳理時纖維在梳理過程中梳理度低，同時纖維從錫林向蓋板、道夫上的轉移率也低，使得大量纖維滯留在錫林針齒上，錫林與蓋板或道夫上的纖維之間發生反復揉搓，從而形成大量的棉結。因此，需要設計植物染專用梳理機構和蓋板，以解決植物染纖維紡紗所面臨的瓶頸問題。纖維在梳針上的受力情況如圖3所示。其中，R為切向力，包括梳理力、空氣阻力，近似作用于針布切向；U為法向力，包括纖維離心力，針布內層纖維對該纖維的彈性力，針面間纖維束、塊的擠壓力，作用于針布法向；N0為針齒對纖維的反作用力，垂直于齒的前面；F為纖維與針齒的摩擦力，F=μN0。纖維向針面外滑移時，其方向由針尖指向針根；纖維向針根移動時，其方向由針根指向針尖，即與纖維的運動方向相反；R和U的合力為K，K力與切線方向呈θ角，θ=arctanU/R。

圖3 梳針上纖維的受力圖

經過以上分析，與針布廠家合作開發了植物染纖維專用梳理針布，錫林工作角增大到67°～70°，強化針布刺入，減少纖維充塞；同時開發大角度78°、低針高彈性活動蓋板針布，便于纖維釋放。

3 植物染纖維梳理后生條和成紗質量

植物染莫代爾纖維與本白莫代爾纖維混紡時，混和均勻是重點。如果混和不均勻，坯布就會產生色差、橫檔，直接影響產品評級。

3.1 工藝流程

植物染莫代爾纖維預處理工藝：采用植物染莫代爾纖維開松除雜設備機組，將植物染莫代爾纖維處理成網并打包。

（植物染莫代爾纖維包+本白莫代爾纖維包）→FA002型抓棉機→FA035型精開棉機→打包機→FA002型抓棉機→FA025型多倉混棉機→FA1102型開棉機→振動棉箱給棉機（附A045B型凝棉器）→FA076型成卷機

3.2 清棉

由于植物染莫代爾纖維經過多次打擊和開松，為減少棉卷短絨率，各機打手速度設計如下：抓棉機打手速度870 r/min，精混開棉機打手速度350 r/min，開棉機打手速度500 r/min。經過以上流程成卷后，棉卷不勻率控制在1.0%以下，棉卷短絨率比原來降低30%～33%。

3.3 梳棉

因植物染莫代爾纖維的特殊性，使用開發的專用針布，梳棉生條質量得到很大改善，產量也明顯提高，植物染莫代爾纖維梳棉針布試驗數據對比如下。

針布 常規 專用

錫林速度/（r·min-1）320320

蓋板速度/（mm·min-1）120120

出條速度/（m·min-1）5570

色結/［個·（100 g）-1］2215

采用以上改進工藝后，并條和粗紗質量也得到明顯改善，黏纏現象減少，成紗質量較好，基本達到用戶滿意，成紗條干可改善20%～25%。

4 結語

通過對植物染莫代爾纖維的表面物質分析和物理指標測試，發現植物染莫代爾纖維質量比電阻較大，生產中易產生靜電，表面顆粒多，嚴重破壞了纖維的表面結構，可紡性大大降低。針對植物染莫代爾纖維的特點，開發了專用開松設備和專用針布，使生產效率大大提升，質量得到改善，為進一步推進植物染高品質紡紗奠定了基礎。