【毕业学位论文】免烫处理对单纱及其复合股线力学性能影响的研究

分类号 学校代码 10495 677 学 号 0915033009 武汉纺织大学 硕士学位论文 免烫处理对单纱及其复合股线力学性能 影响的研究 作者姓名： 王莹 指导教师： 徐卫林 教授 学科门类： 工学 专 业： 纺织材料与纺织品设计研究方向： 纺织材料 完成日期： 二零一二年三月 . E. on of of P y U 012 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 武汉纺织大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 武汉纺织大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 论文题目：免烫处理对单纱及其复合股线力学性能影响的研究 专 业：纺织材料与纺织品设计 硕 士 生：王莹 指导老师：徐卫林 教授 摘要： 免烫整理是改善棉织物外观服用性能的重要加工工序，但经过免烫整理的织物普遍存在强力显著下降、手感恶化等问题。本课题通过研究单纱及其复合股线在免烫处理前后的力学性能，为下一步研究织物的免烫性能提供了理论依据和数据参考。 研究免烫整理剂、催化剂的浓度、焙烘温度及焙烘时间等工艺参数对单纱力学性能的影响进行分析，确定纱线免烫处理的优化工艺条件为：免烫整理剂 度 60g/L，催化剂浓度 25g/L，焙烘温度 160，焙烘时间 2建立了纱线并捻模型 A、模型 B 和模型 C。将原纱与免烫纱按照不同的比例同向加捻纺制成两股线，并测试股线在焙烘前后的力学性能。研究发现，免烫纱的含量、股线并捻方式对股线的断裂强力和断裂伸长率的整体变化趋势没有影响。实验将 系数 423 的纯棉单纱同向加捻，在股线的捻系数为 200 时，股线获得最大的断裂强力。在股线捻系数小于 200 时，股线的断裂强力随着捻系数的增加而增大；当捻系数高于 200时，股线的断裂强力随着捻系数的增大而减小。另外，股线的断裂伸长率随着捻系数的增加而一直增大。股线中免烫纱的含量越高，则焙烘前后股线的断裂强力和断裂伸长率均越小。 研究中采用单纱并捻模型 A，将两根单纱并捻纺制成含有不同比例免烫纱的 线，再将两根 线反向并捻制成 捻股线，并测试复捻股线焙烘前后的力学性能。研究发现，免烫纱的含量对复捻股线的断裂强力和断裂伸长率的变化不产生显著影响。 捻股线的断裂强力出现两个峰值。在捻系数较小时，股线的断裂伸长率变化不大；当捻系数超过 300，断裂伸长率快速增加。 实验中采用单纱并捻模型 A，将两根单纱并捻纺制成含有不同比例免烫纱的 线，并反向并捻制成 捻股线。实验测试了复捻股线在焙烘前后的力学性能。研究结果表明， 捻股线中免烫纱的含量，不影响复捻股线的断裂强力和断裂伸长率的整体变化趋势。复捻股线的断裂强力也存在临界捻系数，断裂强力的变化规律与短纤维加捻成纱线时的变化规律相似。另外， 捻股线的断裂伸长率随着捻系数的增加而一直增大。 关键词：免烫整理；单纱；股线；力学性能；加捻；捻系数 研究类型：应用研究 on of of P u he is an to of of is is of of to a as of of of of is of 0g/L , of -5 5g/L, 60 , 2, to as of of no to of at 23. 00, of 00, of 00, at of of at , Z Z of ZS of of in no to of at of is at of is 00, at of , S S of SZ of of in no to of at of a of is at of 目 录 目 录 1 绪论 . 1 皱整理机理 . 1 皱整理的种类 . 2 线拉伸性能的研究 . 5 线与织物抗皱性的相关研究 . 6 课题研究的内容及意义 . 6 2 单纱免烫整理工艺研究 . 8 验部分 . 8 验材料及试剂 . 8 验设备 . 8 线基本性能测试 . 9 验方案 . 10 理工艺 . 10 验结果及讨论 . 10 烫整理剂度对单纱力学性能的影响 . 10 化剂度对单纱力学性能的影响 . 12 烘温度对单纱力学性能的影响 . 12 烘时间对单纱力学性能的影响 . 13 章小结 . 14 3 同向两股线的纺制及股线力学性能研究 . 15 验部分 . 15 验材料及主要设备 . 15 烫纱的制备 . 15 线纺制的工艺路线 . 16 验结果及讨论 . 18 线果分析 . 18 线. 21 系数对 1:1 股线强力保留率的影响 . 25 章小结 . 26 4 22 复捻股线力学性能研究 . 28 验部分 . 28 验材料及主要设备 . 28 验工艺选择 . 28 2 复捻股线. 29 验结果及讨论 . 30 系数对. 30 系数对. 33 系数对捻股线强力利用率的影响 . 34 系数对捻股线强力保留率的影响 . 36 章小结 . 37 5 22 复捻股线. 38 验部分 . 38 验材料及主要设备 . 38 验工艺选择 . 38 2 复捻股线. 39 验结果及讨论 . 40 系数对. 40 系数对. 43 系数对. 43 系数对. 45 章小结 . 45 6 结论与展望 . 47 要结论 . 47 题展望 . 48 致 谢 . 49 参考文献 . 50 附 录 . 53 论 1 绪论 皱整理机理 棉纤维因其具有良好的吸湿性、透气性、舒适性等优点受到人们的普遍喜爱而被广泛使用，棉纤维成为我国纺织工业重要的生产原料。棉纺织行业每年使用的纤维量占整个纺织纤维总量的 60%以上1。但棉织物在穿着过程中容易起皱，且皱痕不易消除，影响服装的美观，要经过熨烫才能保持平整的外观。经过免烫整理后服装及纺织品具有免烫效果，给人们的生活带来方便，受到普遍的欢迎。因此，对棉织物做抗皱整理能够很好的提高织物服用性能，同时提高纺织品的附加值。现如今棉织物的抗皱整理已成为极其重要的后整理加工工艺。 棉纤维的化学结构，纱线的捻度、捻向，织物的组织、结构等都会影响棉织物的抗皱性能，但最主要的影响因素为棉纤维自身的特性。 根据缨状原纤理论可知2，在棉纤维的结晶区，分子链排列整齐，因其纤维素分子中的每个葡萄糖环上都有三个自由羟基，可以形成较多氢键。在受到的外力较小不超过弹性极限时，分子间移动较少，结晶区的氢键能共同承受外力作用，只会发生较小的可逆形变。当受到的外力较大时，纤维素分子链的基本结构单元发生相对位移，与原来的氢键断裂，在新的位置重新建立起新的氢键。当外力去除后，若回复力小于新形成的氢键产生的阻力，则纤维或者织物的形变无法恢复而成为不可逆形变3，在宏观上的表现就是织物的折皱。 关于织物的抗皱机理，在发展史上曾有过树脂沉积理论和共价交联理论两种主要的观点。在上个世纪三十年代，抗皱整理剂主要为脲醛类树脂。由于这类树脂分子较小，能够扩散到纤维的非晶区，树脂经过发生缩聚反应，合成不溶于水的大分子，通过与纤维分子上的氢键和分子间作用力的相互影响，阻碍纤维素分子链间的相互滑移，保持纤维形态的稳定，以此达到防皱的目的。之后，随着新型的整理剂二羟甲基亚乙基脲树脂的发展，发现还能与纤维素大分子上的羟基发生交联反应，使纤维素分子链相互连接起来限制分子链的相互滑移。因此，共价交联理论也就产生了。 棉织物抗皱整理的发展历史可以追溯到近一个世纪之前。早在1926年，英国司就申请了第一个抗皱整理的专利4。随着科学技术的不断发展，生活水平的逐步提高，人们对织物的服用性能也有了更高的要求。在现如今，抗皱整理已经成为染整加工生产过程中一项十分重要的后整理加工工艺。 从近百年的发展历程来看，棉织物的抗皱整理技术经历了以下几个阶段： 11 绪 论 (1)防缩抗皱整理 早在上个世纪二十年代，约翰(就发现了尿素和甲醛可以生 成热固性的脲醛树脂5。人们在使用脲醛、酚醛预聚树脂对织物进行整理过程中，树脂不能进入纤维的内部，只能覆盖在纤维表面，严重影响织物的手感。虽然防缩抗皱整理提高了织物的干抗皱性，但因无法明显改善织物湿态的抗皱性，织物在洗涤后任然需要熨烫6 (2)洗可穿整理 在上个世纪50年代，化学纤维以其平整快干的优良性能得以迅速发展，而纤维素类的织物因为容易起皱，发展受到极大的影响。为了与合成纤维抗衡，在这个阶段抗皱整理的主要特征为改善织物的湿回弹性，即在织物经过洗涤后抗皱效果也不会消失，不需熨烫就可以直接穿着9。 (3)耐久压烫整理 在二十世纪六十年代后期，耐久压烫整理就出现了。相对于洗可穿整理阶段而言，耐久压烫整理能更进一步提高织物的抗皱性，而且还能够保持服装的形态。但经过抗皱整理的棉织物强力下降严重，影响了棉织物抗皱整理的广泛应用10 (4)低甲醛整理 在这个阶段，织物的抗皱性已经能够明显提高，但使用的整理剂均为甲醛的衍生物。随着织物与整理剂反应的进行，织物上会不断释放甲醛，给人们的身体健康带来严重危害。降低织物强力的损失及减小甲醛的释放，成为这个阶段的研究重点14 (5)无甲醛整理 从二十世纪九十年代以来，随着人们对生态和环境的保护越来越重视，欧洲也出台了 以此限制含有甲醛衍生物免烫 整理的纺织品。为了从根本上消除甲醛，无甲醛整理剂应运而生19 皱整理的种类 最初的抗皱整理剂主要用于棉、粘胶纤维的纯纺及混纺织物。随着对抗皱整理剂的研究，连续开发了新型的抗皱整理剂，如三聚 氰胺甲醛初缩体、二羟甲基乙烯脲和 2后又研制开发出了醚化羟甲基氨基树脂。这种树脂整理剂能够提高交联键的耐水解稳定性，使甲醛含量降低。随着人们对甲醛危害的逐渐了解，国内外对开发新型低甲醛、无甲醛的整理剂进行了大量的研究。目前，常用的低甲醛抗皱整理剂或无甲醛抗皱整理剂主要有以下几种。 (1)类整理剂的优点是工艺成熟、价格低廉且抗皱的持久性效果好。但也有较为明显的缺点，即对织物具有较大的强力损伤，释放甲醛、吸氯等22。 21 绪 论 如氯化镁等) 作为催化剂，与棉纤维大分子链上的抢基形成醚键交联。在催化剂和高温的作用下，织物上的一部分树脂整理剂会发生自聚反应，形成不溶于水的微粒，通过与纤维之间形成强的氢键及分子之间的相互作用力，限制纤维大分子基本结构单元间的相对滑移。另一部分则进入到纤维的无定形区，与纤维大分子链上的羟基发生交联反应，形成网状结构，限制纤维分子的相对移动。 (2)水溶性聚氨酯 上个世纪六十年代，国外 开 始 使 用聚氨 酯 树 脂 对 纺 织 品 进行抗皱整理。 聚氨酯结构独特，在其分子的两端各有一个非常活泼的异氰酸酯(23，异氰酸酯基能够与醇、氨基酸、酸、水等反应，同时也可以发生自聚反应。通过控制反应条件可以达到所需的反应程度。 反应性水系聚氨酯，也 被称为热反应型水性 4。它能够与纤维发生交联反应，主要是依靠高活性的异氰酸酯基。聚氨酯能够与两个或者两个以上的纤维素分子反应，形成的交联键可以支撑和固定纤维素分子，使织物的挺括性能得到提高，易皱性降低。 经过聚氨酯树脂处理后的织物具有较好的柔韧性、耐洗性、透湿性、耐磨牢度等25。聚氨酯可以赋予织物抗皱性，又因为不含有甲醛，并且具有较好的弹性和成膜性，所以同时能够提高织物强力。因此，可以作为交联剂来使用，实现抗皱效果，同时也可以用于织物表面的涂层，以此来改善织物的性能。 (3)环氧类整理剂 环氧化合物使用的时间较早，在上个世纪50年代末，就有日本公司使用乙二醇缩水甘油醚对丝织物进行抗皱整理26。 常用的环氧类整理树脂是环氧氯丙烷与多元醇或多元胺的缩合物27。 环氧树脂能够对织物进行抗皱整理，主要是因为在碱性催化剂和高温的双重作用下，它的 易与含有活泼氢 的基团发生共价交联反应，生成的 的湿抗皱性比好，从而使织物的抗皱性能得到较好的改善28。 缩水甘油醚类环氧树脂是目前在实际的生产过程中使用最多的环氧树脂。环氧类整理剂的优点是在整理织物时不会释放甲醛，也不会发生吸氯问题，而且整理剂具有很好的耐水解稳定性，它的防缩性能也比较好。但也有较为明显的缺点，主要为经过整理后的织物手感下降，而且整理剂的稳定性也比较差6，容易发生自聚反应。 (4)多元羧酸整理剂 1963年，多元羧酸就被提出作为无甲醛整理剂29。多元羧酸整理剂与纤维素大分子的交联机理是：在高温条件下，多元羧酸中两个相邻的羧基经过脱水以后会形成酸酐，再在弱碱的催化作用下，与蛋白分子链上羟基和氨基发生反应，或者是与纤维素大分子链上的羟基进行酯交联30 31 绪 论 对多元羧酸整理剂的研究表明，多元羧酸分子中需要含有两个或两个以上相邻的顺式羧基，纤维织物才能获得较为理想的抗皱效果。目前，使用多元羧酸作为免烫整理剂的种类主要有： 1， 2， 3， 4、柠檬酸(、改性柠檬酸(、丙三酸、聚马来酸(、衣康酸 (34。多元羧酸整理剂一般使用各种磷酸盐类做催化剂。因为多元羧酸整理剂的应用条件苛刻，整理织物强力下降较严重，且会降低织物的染色性，同时由于丁烷四羧酸价格太高，所以至今尚未得到普遍应用。 (5)反应性有机硅 有很多种类的有机硅整理剂使用于织物整理上，其中就包括柔软整理。有机硅具有柔软滑爽的作用，究其原因主要是因为甲基在有机硅中的排列结构。这种定向排列结构使甲基间具有的空隙很大，这样就使得其它基团能够围绕硅氧键自由的旋转。由于甲基为非极性的基团，可以降低纤维大分子链相互之间的引力，这样就使得甲基硅氧烷分子呈现出了螺旋形或者是线圈形的形态结构35。 当织物在外力的作用下发生变形时，因为有机硅具有平滑柔软的作用，可以增加纤维之间或者纱线交织点之间的相对滑移，分散应力，减小纤维的变形。在外力消除后纤维可以更加容易的恢复到原状，从而提高了织物的弹性。另外，有机硅的端基为高活性的基团，容易发生自身的交联反应，自聚后会沉积在纤维的无定形区，从而使纤维大分子的滑移受到限制，这样就可以实现抗皱的效果。 (6)乙二醛整理剂 乙二醛又被称为双甲醛、草醛，属于脂肪族二元醛类，是分子结构中最为简单的一种。乙二醛及其衍生物可以作为压抗性、压烫性整理剂，并且可以经过一定的化学反应制得抗皱整理剂2D 树脂。一般使用的催化剂为硫酸铝，不需要很高的焙烘条件，就可以使织物具有很好的回复性能和较高的强力保留率。 乙二酸的分子结构中有两个醛基，在酸性催化剂条件下能够与羟基和氨基等反应基团发生交联反应。交联反应发生后，交联键能稳固分子的结构，并且同时减少分子之间的滑移，以此实现抗皱的目的。 (7)壳聚糖整理剂 甲壳素在大自然中广泛存在，可以从甲壳质中提取出来，又被称为甲壳质36 甲壳素对植物和动物都有很好的适应性，又因为其具有较好的生物可降解性，而且人体服用后也没有毒性，而成为近年来使用较为广泛的新型材料。 壳聚糖的反应机理38：壳聚糖的活性基团有氨基和羟基等，而且含量很大，这些活性基团可以与羊毛纤维和蚕丝等大分子上的活性基团形成力的作用。在被吸附到纤维的表面后，可以沉积在纤维内部或者在纤维表面形成弹性薄膜。壳聚糖通过与交联剂混用能够获得较好的抗皱效果。 41 绪 论 线拉伸性能的研究 纱线的拉伸性能包括断裂强力、断裂伸长率、断裂时间、初始模量等。纱线受外力拉伸至断裂时所需的力，称为断裂强力，相对应的伸长率称为断裂伸长率。断裂伸长率表示纱线断裂时伸长变形能力的大小。纱线的强力对于织物的性能和生产效率都有着密切的关系，纱线的断裂强力是织物强伸度的基础。纤维的性能、单纱及股线的捻向和捻度的配置对最终成纱的拉伸性能，及其他的物理机械性能都有很大的影响。 张美忠，姚穆39分别对六种捻度的涤纶短纤纱同向加捻，通过对股线断裂强力、伸长率、初始模量的测试，发现涤纶股线的断裂强度不是单纯的先增大后减小，而是随着股线捻度的增大在三个不同的捻度时都出现了极大值；同时分析了股线的断裂比强度、股线的伸长率及股线的初始模 量与单纱捻比间的关系，且拟合出它们之间的关系方程式。 聂毓洪，袁斌钰40对 3单纱在股线中的几何配置分别进行受力分析，指出当合成股线的单纱数在小于或等于 5 根时，股线为空心结构；单纱根数超过 5 根时，股线的结构是实心的。对相同性能的 6 根单纱股线分为实心和空心两种结构进行受力分析，并得出结论：当股线中单纱根数相同时，加捻对实心股线强力的增强效应比空心股线的小。 张军英41研究了 棉复合纱在并捻时的张力及捻度对纱线强伸性能、毛细芯吸效应的影响。实验结果表明不同并捻张力对丝与棉复合纱的强伸性能有显著影响，且复合纱的断裂强度有临界捻度。优选出了33 34 f 纱并捻复合纱的最优工艺参数。 崔玉梅，程隆棣等42通过对股线捻幅的分析，提出当单纱的捻度很大时，样股线的强力较高。通过实验的验证证明，股线捻度超过临界捻度的百分之二十，股线在退维后会获得较大的强力。3棉股线的加工工艺。 侯秀良，刘启国，王善元43将相同捻度的单纱反向合股加捻，研究测试了纯羊绒、毛/ 绒和棉/ 绒混纺纱线股线捻度和成纱拉伸性能的关系。实验结果指出原料成分不同、单纱捻度不同时，按照同一捻比选择股线的捻度并不能获得最好的力学性能。同时结合纱线的断裂强力、纱线的伸长率与纱线捻度之间的关系，提出可改善纱线的拉伸性能的方法。 李哲平，储才元44在对氨棉包芯纱进行一系列相关的力学性能测试之后, 分析了影响氨棉包芯纱的断裂强力和弹性的因素，在根据两种纱线力学性能的相关数据预测了制成包芯纱后的断裂强力，结果发现实测值与理论预测的结果比较一致。 刘森，朱江波等45研究了棉与芳纶1313的混纺纱线及在织成织物后的力学性能。分6组将芳纶1313与棉按不同的比例纺制成纱线，对混纺纱及混纺织物进行拉伸测试。实51 绪 论 验结果显示随着混纺纱线中芳纶1313的增大会使纱线的断裂强力呈现先减小再增大的变化趋势，但混纺纱线的伸长率则是一直增大。 樊理山，来侃等46通过将涤纶长丝作为交缠纱和芯纱与棉纤维按不同的捻度和比例制成三组分复合纱进行拉伸测试，发现复合纱的拉伸曲线并不是只有一个峰值，而是出现多个峰值。且当纱线的捻度不同时，拉伸断裂曲线的形态也不同。 在很多的著作中都有介绍，两根相同捻度的单纱在反向并捻合成股线时，在1964年到1965年期间，有陕西的纺织学者发现氯纶/ 棉混纺与纯氯纶合股线的断裂强力有两个极大值。日本也曾出现类似的报道47。 线与织物抗皱性的相关研究 早在上个世纪五六十年代，8就曾使用间接的方法研究了织物的抗折皱性能与纱线的初始模量、杨氏模量等相关的力学性能之间的关系。 9从微观的角度研究讨论了织物中纤维形变与织物抗皱性之间的机理，并将理论与实验相结合，探讨了纱线的赋压时间、外界环境的变化对纱线抗皱性的影响。 郭嫣，张建炜50从纱线和织物的角度，研究了纯棉织物的折皱性与纱线捻度、捻向、织物的组织结构和经纬密等方面的关系，并提出了要想达到较为理想的抗皱免烫性时对棉织物棉坯布的要求。 吴丽莉等51人将大豆蛋白纤维与棉纤维按不同比例混纺，从混纺比、纱线的捻系数和纺纱方法三个方面研究了织物折皱回复性的变化。 姜为青52研究了织物的结构与抗皱性之间的关系；实验结果发现：薄型精纺毛织物的折皱性除了与纱线的原料、捻度和线密度有关外，与织物的组织结构、经纬密、厚度也有很大的关系。 张元，王革辉等53人选用同规格、不同成分的三种织物分别在干湿态下测试织物的抗皱性。实验结果发现，在相同条件下涤棉混纺织物和涤棉包芯纱织物的抗皱性没有明显的差异，都明显优于同状态下的纯棉织物。同时还发现，湿态下织物的抗皱性都下降，其中以纯棉织物下降的最为明显。 课题研究的内容及意义 常规的免烫整理工艺一般是将棉织物整体浸渍到整理液中进行轧烘焙处理，技术路线简单。棉织物上吸附大量的整理剂，每根纤维都获得同样的免烫性能，所以经过免烫整理后的织物强力显著下降，且存在手感发硬、吸湿透气性能变差等方面的问题，影响61 绪 论 了织物的服用性能和风格。在提高织物抗折皱性能的同时尽量减小对织物强力的损伤一直是人们在研究寻求的目标。近年来，人们也大力研究棉织物的抗皱整理，研究方向主要集中在棉织物抗皱整理工艺的改进及新型抗皱整理剂的研发。 对于涤棉混纺织物面料，只要其中含有一定量的涤纶纤维，就可以使得混纺面料比纯棉面料具有更好的抗皱免烫性能。