（纺织材料与纺织品设计专业论文）竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发.pdf

竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发 中文摘要 竹炭涤纶纤维织物的“非= l = 厶匕f l g 研究与开发 中文摘要中又捅要 竹炭涤纶纤维作为一种新兴的纺织原料，由于其优异的绿色环保性能和特殊的功 能性，开发出的面料越来越受到人们的关注，系统地研究竹炭涤纶纤维及其产品的性 能、开发竹炭涤纶纤维产品具有十分重要的意义。 本文利用数字图像处理原理结合m a t l a b 图像处理工具箱测定了竹炭涤纶纤维 的孔隙率，表明了竹炭涤纶纤维内部存在丰富的孔隙，具有良好的吸湿放湿和吸附性 能。通过对竹炭涤纶纤维纱线、竹炭涤纶棉混纺纱及纯棉纱线力学性能的测试分析， 研究得出竹炭涤纶纱线具有较好的拉伸性能且初始模量较棉纱小，即竹炭涤纶纤维较 为柔软的特性。通过合理设计试验方案，选择原料纤度和密度等规格，在a s l 2 0 0 0 全自动气动剑杆试样织机上研制了8 只试样，并研究试样的功能性与服用性能。研究 结果表明竹炭涤纶纤维织物具有优良的吸附性、悬垂性、刚柔性及一定的抑菌性能， 但透气性能略差。综合织物主要性能研究的结论，产品开发时织物中竹炭涤纶纤维含 量在3 0 , - , - , 3 5 左右为宜。 在上述研究的基础上，从原料选择、织物组织、退浆工艺、染整工艺等多方面着 手，设计试制了家纺用抗菌面料，其透气性、悬垂性能等均有明显的改善，达到了设 计目的。 关键词：竹炭涤纶纤维；织物性能；产品开发；孔隙率测定 作者：于海通 指导教师：王国和 r e s e a r c ho np r o p e r t i e sa n dd e v e l o p m e n to f t h ef a b r i c sm a d eo f b a m b o o c h a r c o a l m o d i f i e dp o l y e s t e ra b s t r a c t r e s e a r c ho i lp r o p e r t i e sa n dd e v e l o p m e n to ft h ef a b r i c s m a d eo fb a m b o o c h a r c o a lm o d i f i e dp o l y e s t e r a b s t r a c t b a m b o o c h a r c o a lm o d i f i e dp o l y e s t e r , ab r a n d n e wf a b r i cm a t e r i a l ，i sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ep o p u l a r 、析也t h ec o n s u m e r sb e c a u s eo fi t se n v i r o n m e n tf r i e n d l ya n ds p e c i a l f u n c t i o n a lp r o p e r t i e s s oas y s t e m a t i cs t u d yo fb a m b o o - c h a r c o a lp o l y e s t e r , i t sp r o d u c t s p e r f o r m a n c ea n dt h ed e v e l o p m e n to fb a m b o o c h a r c o a lp o l y e s t e rf i b e rp r o d u c t sw i l lb eo f g r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gp r i n c i p l ec o m b i n e dw i t l lm a t l a bi m a g e p r o c e s s i n gt o o l b o xa r eu s e dt od e t e r m i n ec h a r c o a lp o l y e s t e r sp o r o s i t y t h er e s u l tp r o v e s t h a tr i c hp o r ee x i s ti ni ta n di th a sg o o dp r o p e r t i e so fm o i s t u r ea b s o r b i n ga n dr e l e a s i n g t h i sp a p e rd r a w ns o m ec o n c l u s i o n sa b o u tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b yt e s t i n gs o m e b a m b o o - c h a r c o a lm o d i f i e dy a r n s ，b a m b o o c h a r c o a lp o l y e s t e r c o t t o nb l e n d e dy a m sa n d s o m ep u r ec o t t o ny a m s t h ec o n c l u s i o n ss h o wt h a tb a m b o o c h a r c o a lm o d i f i e dp o l y e s t e r y a m sh a v ee x c e l l e n tt e n s i l ep r o p e r t ya n dl o wf i r s tm o d u l e i tm e a n st h a tb a m b o o - c h a r c o a l m o d i f i e dp o l y e s t e rh a sh i 【曲f l e x i b i l i t y w ed e s i g ne x p e r i m e n ts c h e m ea n dp r o d u c tp r o c e s s r a t i o n a l l ya n dm a k ee i g h tk i n d so ff a b r i c s 、加t 1 1t h ea s l 2 0 0 0a u t o m a t i c a l l yr a p i e rl o o m t h ef a b r i c sa r em a d eo fd i f f e r e n tf i b e rf i n e n e s sa n dd i f f e r e n tw e f td e n s i t y t h r o u g ht e s t i n g t h e s ef a b r i c s ，w ec o m et ot h ec o n c l u s i o n st h a tb a m b o o - c h a r c o a lm o d i f i e dp o l y e s t e rf a b r i c s h a v eg o o d a b s o r b a b i l i t y a n dd r a p a b i l i t y h o w e v e r , t h e g a sp e r m e a b i l i t yo f t h e b a m b o o - c h a r c o a lm o d i f i e dp o l y e s t e rf a b r i c si si n f e r i o rt ot h a to ft h ec o t t o no n e s i nt h e v i e wo fp r o d u c td e v e l o p m e n t , s u i t a b l eb a m b o o - c h a r c o a lm o d i f i e dp o l y e s t e rc o n t e n ti s 3 0 3 5 i nt h ef a b r i c o nt h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c ha n da n a l y s i s ，w ec h o o s eb e t t e rt e c h n i q u e si na r e a s o fr a wm a t e r i a l s ，f a b r i c ss t r u c t u r e ，d y e i n ga n d f i n i s h i n gp r o c e s s e s t om a k en e w a n t i b a c t e r i a lp r o d u c t s b yt h i sw a y , t h ef a b r i c s p e r m e a b i l i t ya n dd r a p a b i l i t yi m p r o v e a p p a r e n t l ya n d i ta c h i e v e st od e s i g n e dp u r p o s e k e y w o r d s ：b a m b o o c h a r c o a l m o d i f i e d p o l y e s t e r ；f a b r i cp r o p e r t i e s ；p r o d u c t d e v e l o p m e n t ；d e t e r m i n a t i o no fp o r o s i t y n w r i t t e n b y ：y uh a j t o n g s u p e r v i s e db y ：w a n gg u o h e 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提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，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：邀日期：丝! ：2 曼 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：塑日 导师签名：宴4 物 期：墅皇：兰：圣6 期：2 三2 ；型 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第一章前言 第一章绪论弟一早瑁y 匕 近年来，随着科技进步和生活水平的不断提高，人们的保健意识也在逐步增强， 天然无污染的功能性保健纺织品引起了广泛的关注，竹炭纤维纺织品具有很多优良的 保健功能，满足了人们的新需求。竹炭是竹材资源有效利用的一个全新发展方向，也 是具有卓越性能的环保材料n 1 。黑漆漆的竹炭，在日本市场享有“黑钻石 的美誉， 在国际上被誉为“二十一世纪的环保卫士 ，竹炭纤维是继竹原纤维、竹浆纤维后利 用竹材资源开发的又一种新型纤维。采用该纤维制成的织物具有超强的吸附、除臭、 吸湿排汗、蓄热保暖、抑菌防霉和良好的远红外与负离子发射、抗紫外线等功能，是 高档内衣、运动休闲装、外套等的良好面料。 1 1引言 过去几十年，科学技术的快速发展在给社会带来进步的同时也给人类带来了前所 未有的危害，气候变暖、酸雨洪灾、土地沙漠化、臭氧层遭破坏等自然现象警示人类 必须对地球环境问题予以重视。纺织品的生态环境亦已引起广泛关注，随着生态纺织 品概念在全球范围内的推广，绿色消费模式必将成为纺织品的主导消费模式，它在提 高人类生活质量的同时，对全球经济可持续发展也将产生积极而深远的影响。 随着彩棉、l y o c e l l 、m o d a l 、大豆蛋白纤维、甲壳素纤维以及麦饭石纤维等各种 生态纤维的问世，更多具有优良性能的纺织新纤维走进绿色纺织材料的行列。竹炭纤 维已经成为全球纺织界广泛关注的一种新型生态环保纤维。 竹炭纤维的主要原料之一是竹材，竹子作为一种速生高产的植物，不仅栽种成活 率高，成长周期短，即使进行砍伐也不会对生态环境造成大的影响。竹子是地球上最 有生命力的植物之一，每年都能生长出数根自然成型、充分发育并可投入使用的竹子。 一株高2 0 米的树生长可能需要6 0 年，而一根2 0 米高的竹子只需约6 0 天。据统计， 在不同环境下生长的竹子多达1 5 0 0 多种，从海平面到海拔3 7 0 0 米的高山，都能够种 植。而我国是世界上竹资源最丰富的国家，被誉为“竹子王国”，全国有竹林近5 0 0 万公顷，产量1 3 亿吨，我国每年可砍竹材1 0 0 0 余万立方米，相当于年木材采伐量 的1 5 左右啦! 。 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发笫一章前言 竹子直径小、壁薄中空、各向异性明显，而且竹材纤维含量较高，利用竹材纤维 可直接加工成纺织纤维。另外，以竹材为原料加工的竹炭纤维也比棉花具有经济优势， 竹材的亩产比棉花高，就高产的竹种而言，每亩山田可产竹浆粕8 0 0 公斤，这是棉花 无法比拟的，而且竹子主要种植在山地、坡地、投入和维护成本相对较少。目前涤纶、 粘胶纤维等生产工艺和设备已非常成熟，在此基础上开发竹炭纤维相对容易，成本较 低。综上所述，利用竹材资源开发竹炭纤维产品，不仅能够满足人们环保和健康的要 求，同时对开发我国的竹资源、推动国家的林业产业和纺织工业的升级也具有深远的 意义3 3 。 1 2 研究现状及应用前景 近几年来，国内外许多纺织研究机构均开始研究和开发竹炭纤维及其产品，并已 取得了一定的进展。其种类主要有竹炭粘胶纤维、竹炭涤纶纤维、竹炭锦纶纤维、竹 炭磁性保健纤维等。 1 2 1 国外的研究状况 竹炭涤纶纤维最早是由日本研制开发出来的啼1 。2 0 0 5 年，日本自然科学杂志报道 称，日本生产出5 0 0 目的竹炭纤维，它的加工方法是竹炭加工为第一步，然后将竹纤 维拉长并与化纤、棉线等交织在一起。本人在论文准备期间，查阅了相关的外文资料， 都未见报道其他的国家研究竹炭纤维的信息。这可能是因为国外尤其是一些工业化发 达的地区，土地资源少，无法大量的种植竹子，限于缺少原料的原因，因此相关的研 究也就无从开始。 1 2 2 国内的研究状况 2 0 0 3 年，河南新乡白鹭化纤集团成功开发出了竹炭粘胶纤维。该纤维采用我国 南方优质的山野毛竹制成的竹香炭纳米级微粉为原料，添加入粘胶中，经过特殊工艺 制作而成。竹炭粘胶纤维能充分体现出竹炭所具有的吸附异味、散发淡雅清香、防菌 抑菌、遮挡电磁波辐射、发射远红外线、调节温湿度、美容护肤等功效。竹炭粘胶纤 维目前已申请了国家发明专利；同年，华东理工大学上海华力索菲科技有限公司也推 出了一款竹炭纤维新品种。该纤维是在纤维表面涂上一种纯天然的超细竹炭添加剂加 工而成，其面料具有远红外保健功能、抑菌功能和高吸附功能。该产品是超细纳米技 术和纺织工程相结合的产物，可直接应用于涤纶、丙纶、腈纶、粘胶等晦1 ，这是天然 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发 第一章前言 植物添加剂移植到化纤中的一个新亮点。目前也已申请了国家发明专利。 2 0 0 4 年以来，中国台湾地区也陆续报道有新型竹炭纤维问世阳1 。台湾地区纺织中 心利用纳米技术将竹炭微粉化，再通过熔融纺丝程序把竹炭微粉均匀地融入聚酯纤维 中，从而制成竹炭纤维。克服了竹炭原料质量及来源、竹炭与聚酯纤维兼容性、竹炭 高分子高速纤维化制程等技术难题，成功开发出具远红外、消臭、负离子等多元功能 的竹炭纤维。台湾地区工研院工业材料研究所与台湾百和工业公司合作，以台湾的4 年生孟宗竹为材料，采用传统土窑高温炭化技术烧制，经纳米级研磨，配合生化科技 抽纱制成竹炭纤维，具有蓄热保温、除臭抗菌等功效，还可促进血液循环。目前已成 功开发出成衣布料、运动织物、保温袜、围巾、窗帘、隔屏、寝具布料及鞋垫等保健 用品。 2 0 0 6 年，浙江上虞弘强彩色涤纶有限公司成功开发出多功能环保型竹炭纤维， 并已申报了国家专利，通过了浙江省重大科技专项论证h 1 。该竹炭纤维的加工是把5 年生以上的竹子通过瞬间纯氧高温和氮气阻隔新工艺技术处理后，利用物理方法使其 粒径达到微米级，然后与经过特殊聚合工艺技术处理后的涤纶改性切片一起熔入纺丝 熔体之中，再经纺丝制成竹炭纤维。此外，河南新乡白鹭、泉州海天、苏州恒光等化 纤公司相继成功开发出了竹炭粘胶纤维；江苏盛虹化纤有限公司制备出皮芯结构的活 性竹炭改性锦纶长丝。 此外，最近有一种能放射负离子和远红外线、抗菌除臭、磁性按摩的新型保健纤 维竹炭磁性纤维已研制成功，并申报了国家专利阳1 。竹炭磁性保健纤维就是能够 “人为的制造空气负离子 的纤维。它是在纤维中添加一种离子催效素后，负离子发 射量增加，竹炭磁性纤维解决了负离子纤维加工面料时磨针严重的问题嘲。 1 2 - 3 应用前景 竹炭纤维既可以纯纺，也可以与棉、麻、丝、毛、粘胶、m o d a l 、t e n c e l 及各种 合成纤维混纺或交织【l o 】。竹炭纤维可生产针织、机织、提花等各种风格面料、服装， 穿着干爽舒适。竹炭表面及内部特殊的超细微孔结构使其具有很强的吸附能力，对人 体异味、油烟昧、甲醛、苯、氨等化学气体有吸收、解异味和消臭作用。竹炭纤维的 表面、截面均为蜂窝状微孔结构，夏季制成轻薄织物，可快速吸收皮肤散发的湿气和 汗液并快速扩散到周围空气中，保持皮肤干爽，使户外运动者持续保持干爽舒适状态； 冬季制成厚实织物，微孔中能够储存大量热能，利用不同的织造工艺，使织物有阻隔 3 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第一章前言 空气流通、防止冷空气入侵的功能，穿在身上既轻盈又保暖。竹炭可吸收和放射 4 a m - - , 1 4u m 的远红外线，从而激发产生负离子，具有阻隔电磁波辐射的功能n 幻，同 时负离子被誉为空气中的“维生素”，有镇静、催眠、镇痛、镇咳等功效，有利于身 体健康，提高睡眠质量，能够增强人体的免疫力，加快血液循环，改善人体环境n 扣， 8 2 的负离子可通过皮肤吸收，因此利用竹炭纤维制成纺织品无疑是发挥负离子健康 功效的极好途径。由于竹炭纤维特殊的分子结构与超吸附功能，具有了弱导电性，可 起到防静电、抗电磁辐射作用；织物抗起毛、起球，效果达4 - - 4 5 级。制备竹炭过 程中的副产品竹醋酸液含有多种的有机酸和抗菌物成分，有抗菌、抗氧化、消毒、防 臭、护肤美容等作用t i 4 , 利用其开发的产品中不含任何有害物质，是天然的绿色健康 用品。我们有理由相信，随着人们生活质量的进一步提高，竹炭的神奇功效将成为注 重健康人士居家、办公、生活的最爱。 竹炭制品是2 1 世纪一种全新的健康环保产品，在日本、韩国、新加坡和我国台 湾等地已受到广泛的青睐n 耵，日常生活中广泛地使用竹炭制品已成为一种消费时尚。 然而，竹炭制品作为一种比较新奇的产品，在国内，现阶段经营的人还不多，主要以 产品原材料出口为主。但随着我国改革开放的不断深入，生活水平的不断提高，保护 生态环境，增强保健意识也越来越强烈，人们更注重养生之道。而今，竹炭产品也正 以其独特性和实用性被很多人接受和使用，它不仅能成为时尚消费的引导者，还能为 自己带来丰厚的利润。 纵观国内外纺织品的发展趋势，功能性技术纺织品已成为市场发展的主流n e 】。所 以，为了能更好的与国际市场接轨，我国纺织技术的发展趋势必须既要符合经济发展 的放向又要顺应国际潮流。由于我国森林资源贫乏，棉田有限，纺织植物纤维原料短 缺的矛盾日益突出，因此，开发具有高科技含量的竹产品，尤其是竹炭纤维纺织产品 和竹炭制品正吻合市场对环保型、生态类产品的需求，既不受原材料限制，更可以持 续利用，市场前景相当广阔。随着中国加入w t o ，人们生活水平的提高，环保、保 健意识的增强，人们对竹炭纤维、竹炭制品已表现出前所未有的兴趣和热情，竹炭纤 维纺织品的市场已逐渐趋向成熟。 4 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第一章前言 1 3 本课题研究的主要内容及意义 1 3 1 本课题主要研究内容 本课题研究的是竹炭涤纶纤维，其属于竹炭纤维的一种。一般竹炭粉含量在2 3 ，其中矿物质含量丰富，碳含量9 3 9 6 ，还含有钾、镁、钙、铝、锰等物质n 。 含有这些微量元素的织物对人体健康有优良的保健功能，具有很高的研究价值。经测 试来自台湾的竹炭炭片中碳元素和部分金属元素含量见表1 1 ( 东莞百合织造有限公 司提供) 。 表1 - 1 竹炭炭片中碳元素和部分金属元素含量 由于含有钾、镁、钙、铝、锰等及其碳化物，竹炭涤纶纤维织物具有很强的远红 外发射和负离子发射功能；由于纤维中的碳元素和炭化物的吸光作用，其织物具有一 定的抗紫外线功能；由于竹炭分子结构呈六角形，炭质致密，比重大，空隙多，且比 表面积高达7 0 0 平方米克，其具有较强的吸附分解能力，并有一定的消臭抑菌功能； 由于竹炭具有良好的导电性，竹炭涤纶纤维织成的纺织品还有一定的屏蔽电磁辐射功 能1 羽。 目前关于竹炭涤纶纤维的研究还不十分成熟，特别是对竹炭涤纶纤维纱线、织物 的性能特点缺乏较为系统的研究。因此本课题主要针对以下几个方面进行研究和探 讨： ( 1 ) 从竹炭涤纶纤维的原材料、组成成分、微观结构等方面入手较为系统和全 面地逐步分析竹炭涤纶纤维的性能特点。 ( 2 ) 针对竹炭涤纶纤维截面多孔隙的特性，运用数字图像处理结合m a t l a b 图像处理工具箱进行竹炭涤纶纤维孔隙率的测定，以进一步说明孔隙率对竹炭涤纶纤 维吸湿放湿和吸附性能的影响。 ( 3 ) 研究竹炭涤纶纤维纱线的各项力学指标，包括断裂强度、断裂伸长率、初 始模量等，并与天然纤维棉作分析比较，得出竹炭涤纶纤维性能优劣之处，以利于指 导竹炭涤纶纤维面料的开发。 5 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第一章前言 ( 4 ) 参考以上竹炭涤纶纤维及其纱线的基本性能，选取适当原料研制竹炭涤纶 纤维织物试样，并测试各试样性能，包括透气性、抗菌性、吸附性等，同时探讨不同 竹炭涤纶纤维含量对各试样性能的影响。 ( 5 ) 依据以上对竹炭涤纶纤维织物性能的研究结论，结合市场以及试样条件， 合理选择纱线原料及试样设备，控制织物中竹炭涤纶纤维的用量，放制两种提花组织 大样产品，并研究两种产品的基本性能。 1 3 2 本课题的研究意义 竹炭涤纶纤维作为一种新型的功能性纤维，研究和开发其在纺织上的应用具有较 大的实践意义。 首先，在我国竹炭涤纶纤维的主要原料竹材具有丰富的来源，竹子对生长环境适 应性强，产量高，生长周期短，大量砍伐也不会对生态环境造成污染。在人们日益重 视保护环境的今天，对其开发和利用具有极其重要的意义，同时也符合了资源可持续 利用的要求，对挽救世界上一些面临枯竭的资源也有很大的指导意义n 帕。 其次，利用竹炭涤纶纤维优良的性能，开发出符合健康、环保要求的竹炭涤纶纤 维纺织品，不仅可以提高产品的附加值，创造更大的利润，而且有助于增加纺织产品 的品种，提高纺织服装产品的档次，更加有利于我国纺织服装对外贸易的进行啪】。开 发出的生态纺织品有利于我国冲破国际贸易中的各种技术和生态壁垒，顺应国际纺织 消费品追求的趋势，为我国纺织品出口提供了新的增长点，提高了国际市场的竞争力。 总之，在全球石油资源紧缺的大背景下，合成纤维生产必将紧缩，环保型竹炭纤 维将成为国内外争相开发的热点材料。天然功能性纺织品已成为市场主流，随着竹炭 涤纶纤维产品的精深加工，市场的进一步拓展，将带动纺织工业、林业的良性运行和 持续保持较高的经济效益。 6 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发 第= 章竹巍涤纶纤维的结构卫性能特征 第二章竹炭涤纶纤维的结构及性能特征 竹炭涤纶纤维作为一种新型纺织纤维，其微观结构和基本性能等相关方面的研究 还很少。只有很好地研究这些性能，我们才能更好地对其进行开发和利用，因此对竹 炭涤纶纤维的结构及性能研究是十分必要的。本章主要研究竹炭涤纶纤维的微观结构 及其基本性能特征。 2 1 竹炭的结构特征和化学组成 2 1 1 竹炭的外观结构 竹炭是竹材在高温的条件下受热分解而得到的固体产物。在制备竹炭的同时，还 可以得到一种用途广泛的液体产物竹醋液。根据竹材炭化过程中的温度及液体、 气体产物的变化规律可以认为，竹炭的形成先后经历了竹材干燥阶段、竹材预炭化阶 段、竹材炭化阶段、竹炭精炼阶段。”。 竹炭表面为深黑色，质地坚硬，表面较为光滑。其外观形态如图2 - 1 所示。 嘣2 - 1 竹炭外观图 2 12 竹炭的化学组成 竹材炭化后得到的竹炭，化学成分主要是纤维素、半纤维素和木质素，分子式为 ( 巴q 。q ) 。，三者同属高聚耱，总量占纤维干质量的9 0 以上，其次是蛋白质、脂肪、 果胶、单宁、色素和灰分等，大多数存在于细胞内腔内，直接或间接地参与其生理作 用。纤维素是竹炭纤维中最主要的成分，由于生长地域不同，纤维素的含量也不同， 一般为4 0 5 3 不等，明显低于棉和麻纤维。半纤维素是由多种糖单元组成的复合 聚糖的总称，它是无定形物质，是纤维之间和微细纤维之间的“粘台剂”和“ 真充剂”。 半纤维素的聚合度低，吸湿易润涨。木质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳碳 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第二章竹炭涤纶纤维的结构及性能特征 键联结而成的芳香族高分子化合物，存在于胞间层和微细纤维之间。纤维素大分子的 基本链节是d 葡萄糖剩基，相邻的葡萄糖剩基转过1 8 0 0 ，彼此以1 ，4 甙键相结合形 成大分子。每个葡萄糖剩基上有三个羟基o h 。由于羟基的存在，决定了纤维素纤维 比较耐碱而不耐酸，而且具有一定的吸湿能力。 研究结果表明晗幻，碳和氮元素的含量随碳化温度的升高而升高，氢、氧元素的含 量则随温度的增加而减少，炭化温度从2 0 0 1 0 0 0 时，碳元素的含量从5 2 0 6 增加至8 5 4 2 ，氮元素的含量从0 1 2 增加至0 6 8 ，氧元素的含量则从3 8 5 5 减 少至4 8 5 。竹炭的灰份含量随着炭化温度的升高而增加2 2 6 - - 4 6 9 ，竹炭中的 灰份元素组成较复杂，竹材中含有的无机成分都留在灰份中，其中含量相对较多的有 钾、镁、钠、钙、铁等。 2 2 竹炭的主要生产方法 目前竹炭生产方法主要有干馏热解法、土窖烧制法、改进型土窖法捌】。干馏热 解法有出炭率高烧制周期短的优点，缺点是产量低、竹炭质量难保证；土窖烧制具有 投资少、单位产量高等优点，但竹炭的质量稳定性差、出炭率低且生产周期长；改进 型土窖在上述土窖的基础上进行改进，保证了竹炭产品质量的均匀性，但投资比较大。 竹炭的生产工艺流程如下： ( 1 ) 原料选择 优质的原料是保证竹炭质量的基础。竹炭用竹材应选用向阳、5 年生以上，在秋 季或无雨干燥时期采伐的新鲜毛竹或其加工剩余物。一般选择有一定坡度、排水良好、 离加工地较近的硬地做为堆放场所，并应在采伐后1 5 天以内按分类装窖，控制好竹 材的含水率，以免影响竹炭质量。 ( 2 ) 热解工艺 热解工艺是保证竹炭产量和质量的核心技术，工艺条件决定竹炭的品质。竹材热 解一般经过干燥、预炭化、炭化和锻烧4 个阶段，要控制好每个阶段的温度和时间， 预干燥阶段为6 0 0 1 0 0 0 ，干燥阶段为1 0 0 1 5 0 ，预炭化阶段1 5 0 2 7 0 ， 炭化阶段为2 7 0 0 4 5 0 0 ，锻烧阶段为4 5 0 c 一1 0 0 0 c 。 ( 3 ) 加工技术 加工技术是根据市场和客户要求而采取的不同关键技术。一般是应按质量要求分 8 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第二章竹炭涤纶纤维的结构及性能特征 批加工产品，加工前先抽检精炼度，根据精炼度不同进行分类加工。 ( 4 ) 产后配套技术 竹炭生产的最终质量保障依赖于科学的产后配套技术。竹炭是多孔性物质，比表 面积大，易吸湿、吸异味，应选择干燥清洁的仓库，并根据出窖日期和精炼度的不同 分类堆放。 2 3 竹炭涤纶纤维的开发途径和主要特点 目前市场上已经出现了竹炭粘胶纤维、竹炭涤纶纤维、竹炭锦纶纤维和竹炭磁性 保健纤维等4 种竹炭纤维。本课题使用的竹炭纤维是由广东东莞百合织造有限公司提 供的竹炭涤纶纤维。 竹炭涤纶纤维的加工是将竹炭研磨成竹炭粉，使其粒径达到o 5 , t m 以下，然后 把竹炭粉用硅表面活性剂处理，在高温下与聚酯切片混熔制得母粒，再将母粒与聚酯 切片混熔，通过传统涤纶纺丝工艺制得竹炭涤纶短纤维，实现纤维功能的竹炭粉体含 量一般在2 - - 3 嘲。竹炭涤纶纤维的主要特点包括以下几方面： ( 1 ) 由于竹炭涤纶纤维中的炭粉含有金属元素钾、镁、钙、铝、锆、锰等及其 碳化物，其纤维和织物具有极强的远红外发射和负离子发射功能。2 5 常温条件下， 长丝织物远红外发射率为8 9 6 ，发射率非常高，发射出大量人体所能吸收的远红外 线，可以激活人体细胞，增加细胞能量，加快血液循环速度，促进并改善人体微循环； 竹炭涤纶针织物负离子发射量为4 5 2 0 个e r a ，接近郊外、田野负离子浓度，有增强人 体免疫力的功能，更加有利于人体健康的需要。 ( 2 ) 由于竹炭涤纶纤维中的碳元素和金属碳化物的吸光作用，其纤维和织物具 有很强的抗紫外线功能，经测试，其轻薄织物紫外线屏蔽率达到9 8 8 ，抗紫外功能 显著。 ( 3 ) 纤维中的炭粉分子结构呈六角形，炭质密、孔隙多、表面积大，具有较强 的吸附分解能力，其纤维和织物具有导湿、吸湿、干爽、除臭功能，并有一定的抑茵 性。 2 4 竹炭涤纶纤维的形态结构特征 纤维的截面形态结构是指纤维的截面形状，截面结构中的空洞、皮芯、缝隙以及 纤维侧面、表面的凹凸状态等，可以通过光学、电子显微镜进行研究分析。 9 竹炭涤纶纤维缳物的性能研究与开发第= 章竹获椽鲍纤维的结构及性能特征 2 4l 竹炭涤纶纤维横截面形态特征 为了观察竹炭涤纶纤维的横截面形态特征，实验中采用扫描电镜的方法，试验仪 器及试验方法如下： 试验仪器：y - 1 7 2 型纤维切片器( 哈氏切片器) ，由常州纺织仪器厂生产；上海 电光研究所生产的d x s - 1 0 a 型1 0 万倍扫描电子显微镜( s c a n m n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ) 。 测试条件：恒温2 0 c ，湿度6 5 r 1 t 。 制样方法：将竹炭涤纶纤维整理成平行的纤维束，再将平彳亍排列的纤维束嵌入哈 氏切片器中，然后加压使纤维紧密，此后旋转微动螺丝将纤维送出适当的长度，涂上 薄层火棉胶，用锋利的刀片切取送出的薄层纤维；通过扫描电镜成像系统观察纤维的 截面与纵面形态。在扫描电镜正式试验前，观察的样品必须进行导电处理( 喷金) ”。 2 s s e m 成像原理：电子枪的热阴极发出的电子受阳极电压( 1 k v 5 0 k v ) 加速并 形成笔尖状电子柬。在末透镜上部的扫描线圈的作用下，细电子束在样品表面作光栅 状扫描。被加速的电子在样品室中与样品相互作用，从而产生各种信号。它的成象过 程如下：第一步由探测器俘获信号电子。二次电子的探测器是由一个闪烁体和紧接着 它的光导管所组成。它能将信号电子转换成光子；第二步由光电倍增管和放大器将它 们转换成电压信号。最后馈送到显象管的栅极上，调制它的栅偏压。这个调制电压可 以控制显象管中打到荧光屏上的电子数目，从而获得图象亮度与所收集到的二次电子 数有对应关系的扫描电子象”1 。经扫描电镜实验，得到如图2 - 1 的横截面形态图。 j 爹? ! j l。5 1 o 鬻 笛一。1 、，xi 洲 一f t j 殳o 。l 图2 - 1 竹炭涤纶纤维横向截面电镜照片( x 5 0 0 0 ) 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第二章竹炭搛纶纤维的结构凰性能特征 图2 - l 为放大5 0 0 0 倍的电镜照片，从图中可以看出，竹炭涤纶纤维横截面内有 丰富的孔隙分布特征，边沼为不规则的锯齿形，与竹纤维的横截面结构类似，这种结 构使其具有极佳的吸湿透湿和吸附性能。 2 42 竹炭涤纶纤维纵截面形态特征 试验方法：通过高低真空扫描电镜观察纤维的微观表面形态；同时观察纤维的纵 向微观表现形态。 试验仪器：3 s m - 5 6 0 0 l v 型扫描电子显微镜( s e m ) ，日本电子株式会社( j e o l ) 。 试验条件：高真空35 m m ，低真空45 m m 。 经过扫描电镜实验，得到如图2 - 2 所示的纵向截面形态图。 孵 图2 - 2 竹炭涤姥纤维纵向电镜照片( x 2 0 0 0 ) 图2 - 2 为放大2 0 0 0 倍的的电镜扫描照片，从图中可虬观察到，竹炭涤纶纤维为 一条细长的管状体，没有天然扭转，纵向表面光泽均一，有多条较浅的沟槽，并伴随 着少量的孔洞和缝隙，可以在瞬间蒸发和吸收水分，正是这样的纵向结构决定了它很 好的吸湿导湿性能。 25 竹炭涤纶纤维的物理性能 纤维的长度、细度等指标直接影响它的可纺性、织物的力学性能和风格，断裂强 度、断裂伸长率等力学性能，并会影响至0 织物的舒适性、耐久性等。因此对竹炭涤纶 纤维基本物理性能的研究有助于了解纤维及纱线的性能特征。 251 竹炭涤纶纤维的长度与细度 对采集到的样本测试得到竹炭涤纶纤维的长度在3 5 m m 4 0 m m ，纤维细度介于 16 d r e x e l7 d t e x ，竹炭涤纶纤维单纤维长度适中，可以直接用于纺纱。 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第二章竹炭涤纶纤维的结构及性能特征 2 5 2 竹炭涤纶纤维的强伸性 纤维具备一定的机械性能是纤维可纺的先决条件。竹炭涤纶纤维具有一定的断裂 强度、断裂伸长，为了便于比较，表2 1 列出了与竹炭涤纶纤维相近的几种纤维的强 伸性能的相关数据。 表2 1 竹炭涤纶纤维与其他几种纤维的强伸性对比表 由表2 1 可知，竹炭涤纶纤维的断裂强度高于竹纤维和粘胶纤维，但较常规涤纶 短纤维低，这是由于在制备的过程中，竹炭粉的加入，造成纤维自身应力分布不匀， 薄弱环节增多，断裂强力下降。其断裂伸长率较常规涤纶纤维高，因此，综合这两方 面来看竹炭涤纶纤维用于纺纱和织造完全是可行的。 2 5 3 竹炭涤纶纤维的回潮率 竹炭涤纶纤维的回潮率为1 1 - 1 2 ，与其他几种天然纤维的回潮率啪3 妇对比见 表2 2 所示。 表2 - 2 竹炭涤纶纤维与其他几种纤维的回潮率对比表 由表2 2 可知，竹炭涤纶纤维的回潮率介于棉和麻类之间，故其吸湿性比棉纤维 强，较麻类稍差，染色性能良好。 2 6 本章小结 通过对竹炭涤纶纤维化学组成和物理性能的分析，以及对纤维横截面和纵向扫描 电镜照片的观察，可以得出以下几点结论： ( 1 ) 竹炭涤纶纤维的化学成分主要是纤维素、半纤维素和木质素，其中的碳、 氮、钾、镁、钠、钙、铁等元素赋予了竹炭涤纶纤维独特的功能性。 1 2 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第二章竹炭涤纶纤维的结构及性能特征 ( 2 ) 竹炭涤纶纤维的横截面为不规则锯齿形，表面存在较多的孔隙，纤维纵向 没有天然扭转，表面光泽均一，有多条较浅的沟槽，并伴有少量的孔洞和缝隙。 ( 3 ) 竹炭涤纶纤维长度为3 5 m m 一, 4 0 r n m ，纤维细度介于1 6 d t c x 一1 7 d t e x ，断裂 强度为3 7 5 e n d t e x 一，断裂伸长率在9 o 左右，其用来纺纱、织造是可行的。 ( 4 ) 竹炭涤纶纤维的回潮率为1 1 一- 1 2 ，吸湿性能良好，竹炭涤纶纤维纱线、 织物具备较好的染色性。 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第三章竹炭涤纶纤维孔隙率的测定 第三章竹炭涤纶纤维孑l 隙率的测定 纺织品中纤维内部与纤维之间大多存在孔隙，在吸附、高吸湿性、膜分离、过滤、 隔热等材料纤维中的微孔形态及其孔径分布是一个至关重要的特征参数嘲。由上一章 节的分析可知，竹炭涤纶纤维横截面存在较多的孔隙，而竹炭涤纶纤维的这些孔隙是 影响其吸湿放湿和吸附性能优劣的一个重要因素，因此，为了能够准确地分析竹炭涤 纶纤维的吸湿放湿和吸附性能，本章利用数字图像处理原理结合m a t l a b 图像处理 工具箱测定了竹炭涤纶纤维的孔隙率。 3 1数字图像处理的研究内容和处理过程 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 称为计算机图像处理，它是指将图像信 号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程口朝。 3 1 1 数字图像处理主要研究的内容 数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面： ( 1 ) 图像变换 由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采 用各种图像变换的方法，如傅立叶交换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术， 将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。 ( 2 ) 图像编码压缩 图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量，以便节省图像传输、处理时间和减 少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件 下进行。编码是压缩技术中最重要的方法，它在图像处理技术中是发展最早且比较成 熟的技术。 ( 3 ) 图像增强和复原 图像增强和复原的目的是提高图像的质量，如去除噪声、提高图像的清晰度等。 ( 4 ) 图像分割 图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像中有意义的特征 部分提取出来，其有意义的特征包括图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识 1 4 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第三章竹炭涤纶纤维孔隙率的测定 别、分析和理解的基础。 ( 5 ) 图像描述 图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可采用其几何特 性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描 述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。 ( 6 ) 图像分类 图像分类属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理( 增强、复原、 压缩) 后，进行图像分割和特征提取，从而进行判断分类。 3 1 2 图像处理的过程 图像处理的过程可以比喻成一座金字塔，从原始图像经过一步一步的算法处理， 消除不需要的信息，留下所需要的信息，最终获得我们所需要的图像，该过程如图 3 1 所示。 图3 - 1 图像处理的过程 3 2 竹炭涤纶纤维横截面的图像处理 高 低 3 2 1 增强对比度 增强对比度实际是增强原图各部分的反差。实际中往往通过增强原图中某两个灰 度值之间的动态范围来实现的m 嘲。图3 2 显示了一个典型的对比度扩展变化曲线， 其中( a ) 为增强对比度原理的变换曲线，( b ) 为增强对比度实际的变换曲线，可表示为： 竹炭涤纶纤维# 物的性能研究与# 发 第，章1 炭涤纶纤维扎障$ 的测定 1 + c 们+ d 0 x d asx ( b b f 的像素。s 和是两类出现的总机率分别为： ， 弓= p t ( 3 - 3 ) s 和是两类的类内中心分别为： f q = 识毋 一1 且有p , c o , + 丑哆= o j o = 识 由此给出背景类和目标类的类间方差为： ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 仃2 = 弓( q o - , o ) 2 + ( 哆一) 2 = 弓罡( 吐一q ) 2 ( 3 8 ) 显然，丑、最、q 、哆、仃2 都是灰度级阈值r 的函数。 为了达到最佳的图像分割效果，就必须确保最好的分类效果，才能选择出最优的 图像分割阈值，o t s u 把两类的类间方差作为阈值识别函数，认为最优的阈值f 应该是 使仃2 最大的灰度值。于是有最优阈值判别式： 仃2 ( f ) = m a x 盯2 ( f ) ( 3 9 ) 这种阈值选择方法被认为是自适应阈值分割的一种基本方法，该方法的优势已在 具体的图像处理中得到了体现。 2 改进的自适应阈值选择方法 在自适应阈值方法基础上，只考虑目标类和背景类之间的方差是不够的，这忽略 了每一类中像素包含的分类信息。为了更全面的反映分类的好坏、实现更精准的分割， 重新定义了两类距离并引入了类的分散度，进而改进了阈值识别函数。 如前所述，( 1 ) ( 5 ) 式给出了背景类s 和目标类最的类内中心，为了有效描 1 8 = 最 + 日易 “：i = b 竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发第三章竹炭涤纶纤维孔隙率的测定 述两个类之间的距离，定义两类距离为： d = f q 一吐l ( 3 - 1 0 ) d 在一定程度上能体现s 和的分类效果，d 越大，表示两个类的类间距离越 大，s 和最分得越开。 另外，背景类s 和目标类是中内聚性的好坏也是直接反映分类是否有效的一个 重要标志，又定义s 和是中每一个像素到类内中心的距离为类的分散度。 4 = 窆i f q 哆 ( 3 1 1 ) 吃：铷一哆悟 ( 3 - 1 2 ) 吃= | f - 哆卜譬 ( 3 - m e + 2 显然，每个类的分散度越小，表示其内聚性越好，分类效果越好。 综合考虑以上两方面的因素，要保证分类效果好，就必须同时确保d 最大且碣、 吐l , j 、，这样，每一类的内聚性最好，而且两类的类间距离又最大，分类最成功， 此时图像中的目标和背景将被最大程度的分开，达到最佳的图像分割效果。因此，定 义背景和目标分割的阈值识别函数为： 刖= 者赣 协 可见，当最大时将达到最好的分类效果，则最优阈值判别式： n ( t ) = 风缸( f ) ( 3 1 4 ) 若一副图像的某一个灰度级f 能使h ( t ) = 日二( f ) ，t 为最优的图像分割阈值， 它可将图像耳x 口= 【厂y ) 】，。口分成背景类s 和目标类是，则有： 墨u 岛= b