（纺织工程专业论文）羊毛拉伸变性技术的研究.pdf

古* 卉舟古舟士古冉古* 摞i要舟舟音舟舟音舟舟击舟舟 本文简要介绍了差垂邀性的国内外发展现状，就当前 羊毛改性的新技术之一一拉伸变性进行了深入的研究， 分析探讨了羊毛拉伸变性的理论基础，从理论上证实了 拉伸变性的可能性。通过大量的对比试验确定了合理的 工艺路线。f 在初步掌握有关工艺参数及影响因素的前提 下，采用正交试验方法以预浸酸、还原剂用量、反应温 度、反应时间、拉伸条件( 拉伸倍数、拉伸隔距) 五个 参数为反应因子进行工艺优化，数据处理中考虑了还原 剂用量、反应温度与反应时间三者之间的交互作用。通 过对试样细度、长度、强度和断裂伸长测试结果的数学 分析，以细度变化为主要目标，同时兼顾长度、强度和 断裂伸长性能优化出了最佳工艺方案。对优化方案采用 平行试验方法证实了该方案能够实现羊毛拉伸变细的目 的。另外，借助扫描电子显微镜观察和分析了羊毛鳞片 结构的变化情况。根据各样品的测试数据分析结果和纤 维表面鳞片的变化对羊毛拉伸技术的进一步研究提出了 看法和建议，最后分析了拉伸变性羊毛对纺织染及最终 产品服用性能的影响。 v 关键词：羊毛拉伸变性细度长度 舟膏舟卉者士古青膏女音舟a 8 s t r a c t s 古卉舟古击舟士击鼻音虫蠹舟士舟 t h ea r t i c l ei n t r o d u c e s b r i e f l y t h ed o m e s t i c a n da l i e nc u r r e n t d e v e l o p m e n t o fm o d i f i e dw o o l f i b r e w e d e e p l yi n v e s t i g a t e o nw o o lf i b r e m o d i f i c a t i o n b ys t r e t c h i n g ， o n eo ft h en e w e s t t e c h n o l o g y a n a l y s e a n dd i s c u s st h et h e o r e t i c a i b a s i st o v e r i f y t h e p o s s i b i l i t y o f s t r e t c h i n 2 m o d i f i c a t i o no nw 0 0 1 b a s e do ns e r i e so f e x p e r i m e n t s i n c o n t r a s t ，w e f i n d f n a l l y t h e t e c h n i c a lr o u t eo fw 0 0 1s t r e t c h i n gm o d i f i c a t i o n i nt h e b a s i so fp r e l i m i n a r yk n o w i n gt h er e l e v a n t p a r a m e t e r s a n de f f e c t i v ef a c t o r s ，w e a d o p t t h em e t h o do f o r t h o g o n a ld e s i g n a n d c h o o s e f i v e g e n e s ，n a m e l y p r e i m m e r g e i n a c i d ，t h e c o n c e n t r a t i o no f r e d u c i n g a g e n t ，t h er e a c t i o no ft e m p e r a t u r e ，t h er e a c t i o no ft i m e ， s t r e t c h i n gt y p e ( m u l t i p l e o f s t r e t c h i n g ， r a t c ho f s t r e t c h i n gr o l l e r s ) w ea l s oc o n s i d e rt h ei n f l u e n c e o i l r e a u c m ga g e n t ，t e m p e r a t u r e ，t i m e o n ea n o t h e r i nt h er e a c t i o no fm o d i f i e dw 0 0 1d a t a p r o c e s s t h e o p t i m u mt e c h n i q u e i s a c q u i r e dt h r o u n h m a t h e m a t i c a l a n a l y s i s t ot h er e s u l to f s a m p l e s t e s t i n g a b o u tw o o lf i b r e s f i n e n e s s ，l e n g t h ， t e n a c i t y ，e l o n g a t i o n a tb r e a k a st h em a i na i m t o r c h a n g i n gt l n e n e s s ，m e a n w h i l ea s s u r i n g t h e p r o p e r t y o f l e n g t h，t e n a c i t y a n d e l o n g a t i o n a t b r e a k t h e o p t i c a lp r o c e s s i sv e r i f i e dt oe n a b l e r e a l i z i n g w o o l s t r e t c h i n g m o d i f i c a t i o n b yp a r a l l e l e x p e r i m e n t s，w i t h t h e h e l p o fs c a ne l e c t r i c m i c r o s c o p e ， w eo b s e r v ea n d a n a l y s e t h e c h a n g i n g o fw o o l s u p e r f i c i a l s c a l e c o n f i g u r a t i o n a c c o r d i n g t oa l l s a m p l e st e s t i n g d a t ea n dt h e i m a g e s o fw o o ls c a l e ，s o m ev i e w sa n ds u g g e s t i o n i i a r e p u t f o r w a r df o rf u r t h e rr e s e a r c hw o o l s t r e t c h i n gm o d i f i c a t i o n ，f i n a l l y ，w e d e d u c et h e p r o p e r t y i n f l u e n c eo fm o d i f i e dw o o li n s p i n n i n g，w e a v i n g，d y e i n g a n de n d p r o d u c t d r e s s i n g k e y w o r d ：w o o ls t r e t c h i n gm o d i f y f i n e n e s s l e n g t h i l 第一章羊毛改性概述 人类从史前就开始利用动物纤维，特别是羊毛被广泛地应用于衣 着、工业用昵绒、呢毡、衬垫材料等纺织制品，成为纺织工业的重要原 料。羊毛具有许多优良特性，如弹性好、吸湿性强、保暖性好、不易沾 污、耐磨性好、光泽柔和等。这些性能使毛织物具有许多独特风格。但 是，由于羊毛自身结构的特点，决定了它在某些方面有不尽人意的地方， 如羊毛织物的洗后尺寸不稳定性、湿膨胀性、以及贴身穿着时对皮肤产 生刺痒感等。因此，人们通过各种途径对羊毛进行处理，改善和弥补纤 维性能的不足，拓宽它的使用范围，或者对羊毛织物进行各种后整理加 工，使其能满足人们对毛纺织品性能的不同要求。 动物纤维处理一般是通过化学法或物理法等途径，赋予动物纤维新 的特性如防缩、防蛀、拒水拒油、抗菌防霉、阻燃、低温染色、增加卷 曲、伸长变细等，提高动物纤维的使用价值。改性为动物纤维更深层次 的加工整理，为充分利用丰富的资源，提供了必要的技术保证，有很高 的经济和社会效益。 动物纤维改性大体上可分为提高纤维的功能性和可加工性两方面， 在此就动物纤维改性现状作简单介绍。 第一节羊毛改性的现状 羊毛纤维改性的目的是提高它的服用性能，挖掘羊毛纤维的潜在 优势，使其经变性处理后，克服自身的某些弱点，如经改性进一步改善 它的光泽和手感，达到羊绒般的柔、软、滑、糯的特性。羊毛改性主要 有以下几个方面： 一、羊毛防缩 毡缩是影响毛制品尺寸稳定性，并使之起毛、起球，影响服用性能 的根本因素。毡缩的原因一方面是纤维表面定向排列的鳞片层因顺、逆 摩擦系数不同而产生的定向摩擦效应，另一方面是羊毛自身良好的回弹 性。为此，防缩技术可以从以下几个方面进行： 1 使织物保持适当的组织结构，织物结构密度越大，其收缩便越 小。 2 部分或全部剥除鳞片。 3 覆盖纤维鳞片。 4 减弱羊毛纤维的摩擦力，降低d f e ( d i r e c t i o n a l f r i c t i o n a l e f f e c t ) a 5 减弱羊毛纤维的弹性。等等。 防缩方法主要有以下几类： ( 1 ) 氧化法。该法通过破坏羊毛鳞片层达到防缩的目的，也是最早 采用的羊毛防缩方法。常用试剂有含氯制和、高锰酸钾、双氧水、过硫 酸、及近代电晕放电产生的臭氧等。遗憾的是用此类方法虽能获得防缩 性能，但易造成纤维较大的损伤，缩短了处理织物的使用寿命，而且此 法处理的羊毛易出现处理不匀，有气味、易泛黄等，难以产生明亮的浅 色调；如果染色后进行氧化处理多数会引起色泽变化。另外，如采用含 氯制剂，则处理废水中有不易降解的有机氯氧化物，对环境污染大，与 呼声同高的环保要求不相适应。 ( 2 ) 树脂填充法。即利用聚合物在羊毛纤维表面形成连续的薄膜覆 盖鳞片，减小羊毛的d f e 或是使树脂在纤维之间粘连，阻止纤维移动 而防止毡缩，树脂用于羊毛处理时，焙烘与固着，主要依赖于加热引发。 同时还辅以有腐蚀性、活力强的催化剂。固着温度一般在1 0 0 一1 5 0 产 品经处理以后，还要设法去除残留在产品上的催化剂，如酸、酸性盐和 有机胺等。加工过程中的气味与设备受到腐蚀和污染给生产带来了很多 困难。目前，国外采用电离辐射等新技术在室温条件下进行树脂固化， 具有加工迅速、处理均匀、防缩效果良好的特点。 ( 3 ) 氯化，赫科塞特法。该法是上述两种方法的结合。羊毛纤维经氯化预 处理，可使树脂在羊毛表面形成光滑连续的弹性薄膜，起防缩作用，且 对羊毛损伤小。这种方法也是目前国际羊毛局推荐的羊毛防缩法，处理 效果可达“超级耐洗”的要求。当然该法处理羊毛同样存在环保方面的 问题。 ( 4 ) 生物化学法。该法是一种比较缓和、稳定且污染小的加工手段，因 此成为羊毛防缩工艺的一个主要方向，但是酶处理所用时间长，所以又 出现了氯化，酶化法、氧化酶化法及等离子体酶化法等。 羊毛经防缩处理后，依加工程度可达到“手可洗”、“机可洗”及 “超级耐洗”标准，大大提高了它的实用性。防缩加工的同时，通过控 制处理条件和反应深度，可得到“仿生羊毛”既用羊毛仿制马海毛、山 羊绒、丝等。通过其它整理手段，如陶瓷加工，并配以适当的纺纱工艺、 特殊的织物结构设计和织物后整理手段，可生产出轻薄型夏令毛织物面 料，既所谓“凉爽羊毛”。 二、羊毛防蛀 羊毛是天然蛋白质纤维，常受到食毛蛀虫的侵蚀。羊毛防蛀已有几 十年的历史，最初采用防御法防蛀，如使羊毛制品经常通风、晾晒、保 持低温干燥，放入樟脑丸、荼丸等。但这些方法不能有效地杀死蛀虫， 后来又发明了化学防蛀法，这种方法分为三种形式： 1 化学变性法 通过化学变性破坏羊毛分子固有的交联形式，并建立新的稳定交 联，使幼虫食后无法消化，常用的方法有巯基醋酸法、醋酸锌有机溶 剂法。 2 生物干扰法 利用生物方法干扰蛀虫代谢能力，或干扰蛀虫繁殖能力，使之不育， 也可利用无害的细菌、病毒感染幼虫，控制其生长，或利用天敌捕杀等。 3 药物毒杀蛀虫法 用防蛀剂对羊毛制品进行防蛀整理，防蛀剂分为有机类和无机类。 最近，为提高防蛀剂的长效性，已研制出缓释型微胶囊防蛀荆。通过调 整内容物与壁膜质量比，可使缓释速度从“无被包物释出”到“被包物 急速释放”大幅度变化，这是一种新的发展方向。 经防蛀加工后，使羊毛免受蛀虫侵蚀，易于存储或保管，减少经济 损失。 三、羊毛的三防整理 羊毛的三防( 防油、防水、防尘) 整理，又称防污保沽整理。它是通 过在羊毛纤维表面涂覆一层具有低表面张力的拒水拒油剂，形成新的低 表面能薄层，使水、油均不能浸润，达到拒水、拒油的目的。常用的药 剂有：蜡和金属盐类、吡啶盐类和其它含氮化合物、硅酮类、有机氟类， 其中有机氟类是最常用的防护剂能同时拒水、拒油及污垢。最新产品有 f c 一5 1 0 1 、5 1 0 2 等，其中均已含加速固化的交联剂及柔软剂。经有机氟 化合物处理的产品，除优良的拒水拒油效果外，还有高的耐水洗、干洗 牢度，不影响手感。 羊毛经拒水拒油整理后，可望成为优质风雨衣料和特征工作服、蓬 盖布、窗帘等用料。 四、阻燃加工 羊毛阻燃整理主要采用阻燃整理剂整理法，目前，国际卜工业化广 泛使用的羊毛阻燃法是i w s 的z i r p r o 法，z i r p 是英文i r c o n i u m 和p r o c e r s 的缩合词即含锆加工。经i w s z i r p r o 整理的羊毛可而j 1 3 0 04 c 高温烘烤，织物温度仅从2 0 。c 升到1 4 7 。c ，特别适合于高温作业 服和消防服装，该法是7 0 年代初国际羊毛局发明的用于羊毛阻燃的成 功技术，自今仍在广泛使用，尚未被其它方法所取代。 羊毛织物舒适、耐磨、易保养、防火效果好，再加上z i r p r o 加 工，使羊毛可以通过现有各种防护服燃烧性能标准，实践证明，羊毛是最 好的高温保护服和熔融金属飞溅防护服用纤维。经z i r p r o 整理的羊 毛可用作儿童服装、睡衣、航空、船舶、汽车、室内饰物及其它特种服 装。此外，通过在织物表面喷铝使其表面具有防辐射性能，可进一步提 高防护水平，达到最佳防辐射热水平。 五、抗菌防霉 抗菌防霉是毛织物的一种新加工方向，对提高毛织物的服用性能具 有十分重要的意义。 近年来，国外使用的抗菌防霉整理剂主要有：有机硅季铵盐、卤代 二苯醚类、吡啶硫酮类、硝基呋喃类、有机氮类等，其中有机硅季铵盐 类是研究较多的一种，其抗菌机理是季铵盐阳离子吸引对应的细菌，破 坏细菌的细胞壁，使其内溶物渗透而死亡。 抗菌防霉处理可以抑制细菌、霉菌的生长繁殖，防止疾病传播。因 此，抗菌防霉织物越来越受到消费者的青睐。 六、超卷曲加工 我国有山羊毛、牦牛毛等丰富的粗毛资源，但由于粗毛纤维粗长、 卷曲少、硬挺、刚直、抱合力差，难于纺纱，尚未被充分利用，粗毛改 性的主要目的是通过改性，增加卷曲提高纤维的可纺性能，其处理方法 分化学变性法和物理处理法两种。 l 、化学变性法 粗毛纤维因其粗硬、无卷曲、抱合力差，这是造成粗毛可纺性差的 主要原因。应用化学方法使粗毛变细、软、卷曲度增加，就可以提高粗 毛的可纺性和成纱性能。目前，粗毛的化学处理方法有氯化一还原法、 氯化氧化法、还原法、氧化法、氯化，酶化法、氨碱法等。有关文献对 粗毛化学处理后的纺纱实践分析可知，粗毛经变性处理后，其纺纱性能 明显提高，这主要体现在变性粗毛纤维卷曲性能有不同程度的提高，纤 维柔软度增加，伸长变形的能力增大，顺逆摩擦系数和鳞片摩擦效应提 高，而纤维强度不仅未受太大影响，甚至还有一定程度的提高。 2 、物理处理法 化学处理方法只能局部改善粗毛的性能，在软化方面效果较好，对 卷曲度的提高并不明显，其变性效果还受到纤维损伤程度的限制，而且 加工工艺流程比较繁杂。目前经化学变性处理的山羊毛在产品中的比例 还不能太高，一般在4 0 以下。针对化学处理法存在的不足，采用物 理机械方法，给粗毛加上卷曲，提高粗毛卷曲特性，而不影响粗毛原有 的优良机械性能，从而提高了可纺性，目前已研制成功的“粗毛纤维卷 曲机”有很好的改性效果。经物理法处理的粗毛可纯纺地毯纱和毛衬等， 产品混用比例达5 0 以上，充分发挥了粗毛资源的优势，使其产生巨 大的经济效益和社会效益。 化学法和物理法在很大程度上提高了粗毛的利用价值，使这一丰富 的自然资源得到了有效的利用。目前，利用变性粗毛可与粘胶纤维、腈 纶、级数毛、精短毛等混纺生产包括地毯、提花毛毯、衬布、粗纺呢绒 以及仿马海毛绒在内的许多产品。产品性能稳定、可靠，在某些方面具 有优良的性能。可以预见随着粗毛产品的进一步开发和提高，粗毛这种 资源将对拓宽毛纺原料范围，挖掘原料潜力具有重要的意义。 此外，羊毛改性还有抗皱、抗静电等。羊毛经上述各种改性处理后， 完善了其功能性和可加工性。不仅提高了它的服用性能，而且能使毛制 品拓展到其它领域，如建筑、交通、军事等，为这一资源的充分利用提 供了广阔的空间。 第二节本课题的国内外现状 一、课题的提出 迄今，羊毛改性大多仅限于对羊毛的表面结构进行处理，完善纤维 的各种功能要求，很少触及皮质层。近年来，毛纺织品特别是精纺昵绒 面料高支轻薄化成为全球毛纺行业的主要发展趋势。据国际羊毛局分 析，自8 0 年代中期以来，男装面料重量下降了2 0 一3 0 ，女装面料 重量下降了l o 一1 5 ，高支轻薄化，使毛织物的使用范围从传统的外 装拓展到衬衫内衣及凉爽的夏装等，以其优良的悬垂性和飘逸感倍受消 费者的青睐。然而，生产高支轻薄高档面料需较严格的可纺条件，近来 赛络纺( s i r o s p u n ) 、赛络菲尔( s i r o f i l ) 、可溶性维纶伴纺技术r 益完 善，为生产高支纱创造了较好的硬件条件。但要生产高支产品，高档特 细原料的选用仍是产品设计人员首先考虑的因素，而世界范围内特细羊 毛非常稀少，我国基本上需要依赖从澳大利亚进口，价格十分昂贵，由 于量少，各厂家争购现象突出，难以保证原料的连续性和稳定性。同时 特细羊毛的长度偏短，难以纺出条干均匀的细纱。为此，是否能将一般 品质的羊毛纤维经过处理，伎其细度、长度发生一定程度的改变，达到 纺高支纱截面具有较多的纤维根数、纱线条于均匀、质量稳定的要求一 直是很多毛纺科技工作者长期考虑的问题。一般的羊毛表面性能的改性 虽可满足耐洗、穿着舒适等方面的要求，但就细度而言由于只能做到部 分或全部剥除鳞片( 鳞片厚约0 5 1um ) ，因此细度最多只能减少1um ， 再过度处理羊毛将严重损伤纤维皮质层，恶化纤维各项物理机械性能， 甚至导致纤维原纤化。因此，为了挖掘原料潜力，提高纤维价值，羊毛 拉伸变性技术近来受到了人们的关注，该技术可以使羊毛纤维变细，手 感更加柔软，达到仿羊绒的效果，大大提高了羊毛的使用价值。 二、本课题的国内外研究现状 羊毛拉伸变性技术在国外纺织发达国家有了较深入的研究并取得 了一些专利技术，据有关文献报道，日本科技人员用了九年时间从羊毛 单纤维拉伸试验入手，采用各种方法探索了羊毛拉伸技术，最后确定了 先对羊毛用蛋白酶脱鳞处理，然后机械拉伸的工艺路线，现以向市场上 推出了名为“克拉利纳”的多种高附加值新型机织、针织纱和毛织物， 利润回报十分理想。澳大利亚国家科学院( c s i r o ) 将一定重量的毛条 经梳理、扭转施以定的捻度并拉伸至1 6 0 ，继而进行定形处理成为 拉伸变性毛条。据报道，该技术可使纤维直径减小3 - 4 1 , 1m ，长度增加 1 5 左右，断裂强度增加3 0 ，因大分子链取向度提高，纤维断裂伸长 率有一定程度的下降，用这种技术开发的样品具有羊绒般光泽和手感， 由于拉伸后鳞片伏贴相应解决了服用的刺痒感，无化学改性的环保问 题，为实现羊毛的“羊绒化”、产品轻薄化创造了条件。 国内对羊毛拉伸变性的研究较多地表现在卷曲加工方面，基本步骤 是将毛条经过一种罗拉牵伸装置进行拉伸，然后让它在自由状态松弛， 经过松弛后再在蒸汽中定形使加工产生的卷曲稳定下来。这种处理只适 用于象美利奴羊毛那样具有双侧结构的羊毛，否则将不能产生满意的效 果。这是因为，在羊毛进行拉伸时，具有双侧结构的羊毛正、偏皮质同 时受到拉力作用，并在允许的范围内使一部分二硫键、盐式键发生断裂， 但由于f 、偏皮质细胞中二硫键的交联密度不同，因此，正、偏皮质层 产生了不同的内应力，当拉伸纤维放松后，由于正、偏皮质应力不同， 在不受约束的情况下，为了达到力学平衡就自己形成了更多的卷曲。最 后通过定形作用在卷曲状态下重新建立被破坏的大分子间连接，这样就 6 实现了更多的卷曲。但至今国内尚未见有侧重于对纤维拉伸变性方面的 研究文献。 鉴于此，我们也进行了这一课题的研究，探讨了羊毛拉伸变性的理 论基础，通过大量的实验，对比分析了各种因素对羊毛拉伸效果的影响， 并通过正交试验优化出合理的变性加工工艺。 第二章羊毛拉伸变性的理论基础 第一节羊毛拉伸技术的可行性理论分析 一、从大分子结构上来看 羊毛纤维是由许多种a 一氨基酸用酰胺键联接构成的多缩氨酸 为主链的蛋白质，在组成羊毛的2 0 多种a 一氨基酸中，以二氨基 氨基酸一精氨酸、松氨酸，二羟基氨基酸一谷氨酸、天门冬氨酸和 含硫氨基酸一胱氨酸的含量最高，因此在羊毛角蛋白大分子主链间 能形成盐式键、二硫键和氢键等( 如图2 一1 ) 。蛋白质纤维 氢健 c o h n ，、 c h rc h r ， n 氢饕0 c c o h n ， r u c c h r n h 毛o c o盐式髓hn h i c h 2 - c o o + 。h s n - c h 2 - - c h z c h z c 1 1 2 一b h 、 k h 夭冬氯馥 橙氟酿晶 c o n h r h c ， c 。h r n h c o 、c o 盐式键 h “c h , - c h 2 - c h “h 2 啃一n h ；- o o c - c h z - c h t 每h h 靖氨酸 n h 咎氟醵 c o c i o 、n h r h b 幽r ， 、 h n c o ， ，c o咣氧皱键 时h c 、h c h ? s s c h ：未。 图2 1 羊毛纤维大分子结构图 大分子链的单分子构象通常有两大类：一为直线形，二为螺旋形。 羊毛纤维中低硫蛋白部分的大分子呈a 空间螺旋结构，在微观结构 中，基原纤一般由三个a 螺旋形大分子按一定距离、一定相位、一 定相对形状“捻合”而成，各大分予以及螺旋圈之削依靠分子矧力、 氢键、盐式键和二硫键等相结合构成较稳定的空f g j 螺旋结构，在一 定条件下大分子间的空间联键断裂，氢键、盐式键拆散，经拉伸后 基原纤中单分子的螺旋链伸展成直线形的曲折链，这种空i b 】构象的 转变使羊毛具有被拉伸的潜力。 二、 从羊毛形态结构上来看 羊毛由许多细胞聚集构成，细毛一般由包覆在毛干外部的鳞片 层，组成羊毛实体主要部分的皮质层两部分组成( 如图2 2 ) ，另 外，粗毛还有髓质层。 图2 2 细羊毛结构 鳞片层是由角质化了的扁平状角蛋白细胞组成，这些薄片状细 胞似鱼鳞状重叠覆盖，包覆在毛干的外部，根部附着于毛干，梢部 伸出毛干表面并且指向毛尖，按不同程度突出于纤维表面并向外张 开，形成一个陡面阶梯结构，鳞片层厚约0 5 - 1l l n l ，由鳞片表层e p i 、 鳞片外层e x o 以及鳞片内层e n d 三层构成，其主要部分为e x o 及 e n d ，约占纤维重量1 0 左右，包覆每个角质细胞的e p i 层是厚约 3 n m 的薄膜，疏水性极高，对化学药品也显示出极高的抵抗性。 e x o 是由较多的二硫键骨架构成的角质蛋白质，是难以膨化的坚硬 结构。e n d 是由含二硫键含量较少的非角质化的蛋白质，膨润性极 高，对化学试剂的反应性高。将各细胞粘合在一起的细胞间质c m c 是进入纤维内部分子优先进行扩散的导管，e p i 层的介入，使羊毛 纤维合理的具有拒水与亲水两种相反属性。鳞片层的上述特性使其 每层对水、酸、碱、氧化剂、还原剂等物质的膨润性，反应性存在 明显的差异。要使拉伸变性能够顺利地进行，必须采取一定的预处 理办法，使疏水性极高的e p i 层发生变化，使其能与改性试剂具 有亲和性，另外，中断e x o 层中的硫键骨架，使之具有一定的膨 润性，将利于后续拉伸的进行。 皮质层为羊毛的主要组成部分，是决定羊毛物理化学性质的基 本物质，位于与天然转曲弧内侧为偏皮质细胞，位于转曲弧外侧的 为正皮质细胞，形成双侧结构，这是羊毛具有转曲的主要原因。正 皮质细胞含硫量比偏皮质细胞少，对酶及其它化学试卉可反应活泼， 吸湿性大。偏皮质细胞含有较多硫键，使羊毛分子连接成稳定的交 联结构，对化学试剂的反应较差。为此，使横向交联的硫键中断， 有利于羊毛大分子间发生相对滑移，达到抽长拉细的目的。根据皮 质层的上述特点，为顺利完成拉伸，预处理主要发生在偏皮质的二 硫键部分，使稳定的交联结构“松散”。同时，需注意的是羊毛皮 质层中的基质同样属高硫蛋白，含有二硫键，反应过深将不可避免 地损伤皮质层，降低羊毛的服用性能。 三、从已有的文献来看 从大分子空间构象和形态结构分析来看，羊毛拉伸技术在理论 上是完全可行的。己有资料表明羊毛在有水分存在的条件下，当伸 长率超过2 0 以上时，分子螺旋构象开始转变( 如图2 3 ) ： 图2 3 角蛋白分子从a 结构向p 构象转变 当伸长率达到3 5 时，转变明显；当伸长率达到7 0 时，则完全转 变为p 构象，放松后，分子构象产生可逆的变化，最后恢复到a 螺 旋构象。因此在拉伸后需对羊毛施以适当的定形措施，使大分子链 在新的位置间形成交联，阻止大分子链的回复，使羊毛纤维较持久 地保持拉伸后的状态。 综上所述，要顺利完成羊毛拉伸，关键是要解决好羊毛预处理、 合理确定拉伸条件及定型问题。 第三章羊毛拉伸变性试验 第一节试验设计 一、试验目的 通过对羊毛纤维的全面分析，利用有关化学试剂对其预处理后拉 伸，对比分析羊毛经拉伸变性处理后各项性能的变化，优化出最佳工艺 组合，为以后深入的研究打下基础。 二、试验材料 原料：6 0 s 澳毛( 毛条已牵伸至公定回潮率下的单重5 4 2 0 9 m ) 原料物理指标为： 指标单位数据 细平均值um2 3 7 0 度标准差um5 1 1 变异系数 2 4 5 7 加权平均 m m7 4 3 长主体基数4 0 5 标准差 i m3 8 1 度 变异系数 5 1 2 短毛率 8 9 强平均值c n t e x 1 7 6 度标准差c n t e x0 7 1 变异系数 4 0 1 伸平均值m m 1 0 m m 4 8 长标准差m m 1 0 r m n0 9 9 变异系数 2 0 7 三、试验试剂 甲酸、亚硫酸氢纳、氨水、渗透剂( 羊绒洗剂) 、冷烫精( 含巯 基乙酸) 、二氯异氰尿酸盐 四、器材及设备 恒温水浴锅、小型脱水器、高压锅、y g s o i a 型烘箱、调温电炉、 温度计、烧杯、p h 试纸等 五、羊毛拉伸变性设备 棉纺四罗拉并条机( 如图3 - 1 ) 拉伸型式为 告胳 1 撑2 水 3 卓 4 拳 图3 - 1 1 # 罗拉的表面速度可通过变换齿轮改变，2 # 、3 # 、4 撑之间的拉伸 倍数不可调，e 2 3 = ! 2 2 0 e 3 4 = 1 9 故e 2 4 = 2 3 2 。由于采用弹簧加压， 滑移率较大，实际拉伸倍数在1 7 - 1 8 之间。 第二节拉伸变性试验的探索 为了探索出一条合理的拉伸变性路线，本研究用了较长一段时间先 后采用了几种预处理方法和拉伸工艺。首先，参考了前人在羊毛防缩、 山羊毛、牦牛毛改性处理中的一些经验。经测试发现：经氧化剂处理的 羊毛拉伸断裂伸长率显著减小，根本无法满足拉伸的要求；经酸液处理 试验表明酸液有助于羊毛的拉伸，但还达不到理想的要求；用冷烫精处 理羊毛时发现因其含有的巯基乙酸既有酸的性质又有还原性的特点，经 过试验表明此试剂处理的效果较好，细度可减少1 0 左右，长度指标 也较为理想，但冷烫精气味难闻，其中所含巯基乙酸的量不明确，不便 于进行定量的研究。最后，经多次试验得出采用酸液处理后使纤维适度 膨化并中断部分联键后，再用还原剂处理的拉伸效果最为理想。 经过多次对比试验，最终确定了如下工艺流程： 预浸酸一水洗一脱水一还原剂处理一脱液一加热一拉伸一定形 第三节正交试验设计 在初步掌握了有关工艺参数的基础上，确定采用正交试验优选最佳 变性工艺。 一、正交试验各因子的确定 1 酸液的选择 酸的作用主要是中断角质蛋白中盐式键及多缩氨酸交键，软化纤维 并适度膨化，为还原剂处理羊毛做好准备。蛋白质具有两性特征，当溶 液 h + 增加时，纤维中 - 一n h ： + 一卜 _ - n h 3 + ，其浓度随之增加，蛋白 质大分子肽链间的作用力减弱，纤维膨化。通过大量的对比试验，认为 最好采用甲酸进行处理，甲酸不仅能使纤维膨化，而且对角朊蛋白纤维 中的c m c 有特殊的溶解作用，c m c 是毛纤维中唯一连续的组织结构， 它对纤维的力学性能有很大贡献，c m c 遭到破坏，纤维的力学性能势 必降低，对纤维的拉伸变形有利。 2 还原剂的确定 还原剂主要是中断部分胱氨酸中的二硫键，同时有作用盐式键、氢 键的性能，使大分子变得相对柔顺，利于后道的拉伸。还原剂的浓度火 小，直接关系到对羊毛纤维处理的程度，浓度大，纤维容易损伤，强力 下降造成拉伸时纤维断裂，长度减小，不利于纺纱；浓度太小，反应不 充分，大分子链不易被拉伸，达不到抽长拉细的目的。因此，合理确定 还原剂浓度是十分重要的。另外需要说明的是在碱性环境下有利于加速 还原剂对二硫键的作用，且当p h 值为9 1 0 时羊毛纤维的延伸性较好， 利于拉伸，而与此同时，我们也充分注意到了当p h l o 时，碱对羊毛 的损伤急剧上升，因此在试验过程中我们用氨水调节p h 值在9 - 9 5 之 间。本课题预处理中主体反应原理为： w c h 2 ：$ = 8 ：c h 2 - w + n a h s 0 3 一w c h 2 - s h + n a 0 s 0 2 - s c h 2 - w w 一代表羊毛大分子链，经还原剂处理后二硫键被拆散，减弱了夫分 子之问的作用力，使大分子间在拉伸时可产生错位，易于伸长变形。 3 还原反应的时间及温度 还原反应的时间长短、温度高低对反应进行的程度有直接影响。温 度高时间长，还原作用剧烈，易对羊毛造成损伤，长时问高温处理还会 造成羊毛泛黄，影响毛织品的最终效果；温度低时间短，又会使反应进 行得不充分，处理程度不够，不易拉伸。因此，温度与时间以及两者的 交互作用对试验结果都有很大的影响。 4 拉伸工艺 拉伸的目的是要使纤维中的大分子构象由a 一螺旋链向b 一直型链 转变，在预处理中，大分子之间和大分子内的部分二硫键已被中断，拉 伸时有利于大分子之间的滑移错位。拉伸工艺的合理与否直接关系到对 羊毛纤维进行拉伸时大分子链空间构象的转变程度，是至关重要的一 步，拉伸剧烈，纤维易断，不仅达不到抽长的目的，反而减少了原毛的 平均长度；拉伸作用缓和，大分子链不能充分伸展，羊毛潜在的伸长能 力不能发挥到极至，效果不好。 本研究试验中，控伸条件包括拉伸倍数和拉伸隔距。前罗拉速度可 通过变换齿轮进行调节，并条机有四罗拉三区牵伸机构，后两区的拉伸 倍数不可调，而后两个拉伸区的机械拉伸倍数已达2 3 2 倍，为保证拉 伸控制在一定程度，满足羊毛大分子由a 型向b 型转变的需求，经过对 比试验，认为决定前罗拉不加压，只需靠罗拉自身重量控制住经后两区 或一区拉伸过的条子，适当延缓拉伸后的急弹性回缩。前罗拉输出的条 子需施以一定的捻度，利用纤维之间较大的摩擦力和抱合力阻止拉细后 的纤维回缩，尽可能保持拉伸效果，最后将具有捻度的条子紧密卷绕起 来，在有张力的情况下进行定形。 由以上分析，最终确定了酸液浓度、还原剂浓度、还原反应时间及 温度、拉伸工艺为正交试验的五个因子。 二、 羊毛拉伸变性正交实验设计表l 2 7 ( 3 1 3 ) 1 因子水平分布表 因子浓度温度时间预浸酸拉伸条件e abcd 倍数隔距 水平 ( ) ( )( m i n ) ( m l l )( r a m ) 18 5 03 0无1 93 8 21 2 6 54 5l o1 2 1 96 0 3 8 31 6 8 06 02 01 2 1 ，98 0 3 8 2 l 2 7 ( 3 1 3 ) 表头设计 j 列号 l234567891 01 1 jf 因子蠢、 l 5 bf a x b ) 1( a xb ) ：c( a c ) z( a x c ) jf b c ) ，de ( b c ) ：j 表头设计说明 由于本试验中涉及因子较多，每个因子采用了三种水平，且在还原 剂处理时需考虑还原剂的用量、反应的温度、时间之间的交互作用，故 选用带交互作用列的l 2 7 ( 3 1 3 ) 试验表。 3 正交试验表 列号l234567t 891 01 1 实溶 】11l1l11 1 】lj 21l112222222 311l13333333 41222lll2 22 3 512222223331 6l222333 】 】l2 71333lll3 332 8133322211l3 913333332 2 21 1 02123l23l 231 l l2 】2 3 23l23 i2 1 2212 33123123 1 3223ll232 3l3 1 4223 123l3121 1 522313l212 32 】623 】2l23 3l22 1 723l2231l 233 1 823123122 3l1 1 931321321321 2 03l322132132 2 l3l3232l3 2l3 2 232i313221 33 2 332i32l3 32l1 2 43213321l 322 2 5332 l1323212 2 6332j2i3l323 2 733213212131 第四节羊毛变性试验步骤 一取样 在链条天平上称取计算干重为1 0 e 的羊毛条，精确到o 0 0 1 9 。 二 变性预处理 1 浸酸 对需采用浸酸的处理方案，根据试验要求配成浴比为l ：2 0 的甲酸溶液，测量试液p h 值后，将羊毛条浸入其中，在 室温下保持5 m i n 后用水冲洗至近中性，然后用脱水器脱 液。对不需浸酸处理的试样，用3 0 左右的温水浸泡1 0 m i n 后脱水。 2 还原剂处理 称取试验要求用量的亚硫酸氢钠( 对羊毛干重的百分比) 溶解于浴比为l ：2 0 的溶液中，用氨水调至p h 为9 - 9 5 ， 将浸酸后的毛条放入其中，在规定的温度和时间下处理纤 维。试验中缓慢搅动羊毛，使处理均匀，同时随时观测 p h 值，保证溶液的微碱性环境，到达处理时间后，将试 样在脱水机上脱液至稳定含水率。 三 拉伸处理 将还原剂处理后的毛条保持其温度并在并条机上拉 伸，为延缓发生急弹性回缩，条子通过拉伸区施以捻度并在 一定张力下卷绕。 四定形处理 将拉伸的条子放入高压锅中进行处理，以便拉伸移位时 断裂的大分子联键在新的位置重建，使拉伸条子的内应力得 以消除，这样可有效保持拉伸变细的效果。定形时间为1 5 小 时。 第五节试验测试及数据汇总 一、细度 1 细度测试说明 本试验样品的细度测试采用显微投影仪，在显微镜视野范围内均匀 测量5 0 0 根纤维，根据测量所得数值，按照规定的方法计算细度平均值、 直径标准差、直径离散系数。 2 细度指标汇总 t 艺组合细度平均值d细度标准差细度离散c ( u m )s ( i t m )( ) 原毛2 37 05 1 l2 4 5 7 la 1 bi c l d l e l2 0 7 95 5 82 5 3 8 2a 1 8 1 c 2 d 2 e 22 19 755 92 5 4 5 3a 2 b l c l d 2 e 32 2 1 455 52 5 0 5 4a 1 8 2 c l d 2 e 22 2 0 75 6 92 57 7 5a 1 8 2 c 2 d 3 e 32 1 4 25 2 4 2 4 4 6 6a l b 2 c 3 d l e l2 2 0 75 8 82 66 3 7a 1 8 3 c 1 d 3 e 32 0 9 55 5 9 2 1 6 0 8a 1 8 3 c 2 d 1 e 12 1 4 46 1 22 50 5 9a l b 3 c 3 d 2 e 22 0 0 9 5 3 82 6 7 8 1 0a 2 8 1 c 1 d 2 e 32 2 1 8 5 9 42 67 9 1 1a 2 b l c 2 d 3 e 12 2 1 0 56 02 5 3 5 1 2a 2 8 1 c 3 d 1 e 22 3 1 55 ，0 8 2 2 8 8 1 3a 2 8 2 c 1 d 3 e 12 2 6 96 2 5 2 7 5 6 1 4a 2 8 2 c 2 d 1 e 22 2 6 35 6 6 2 7 4 3 1 5a 2 8 2 c 3 d 2 e 32 2 1 86 7 4 3 0 0 8 1 6a 2 8 3 c 1 d 1 e 22 1 8 55 5 9 2 5 5 8 1 7a 2 8 3 c 2 d 2 e 32 3 - 3 26 1 2 2 6 2 6 18a 2 8 3 c 3 d 3 e l2 2 8 35 1 2 2 24 3 1 9a 3 b l c l d 3 e 22 2 0 25 0 0 2 2 7 l 2 0a 3 8 1 c 2 d 1 e 32 3 4 85 3 82 29 3 2 la 3 8 1 c 3 d 2 e l2 1 9 05 5 5 2 5 3 5 2 2a 3 8 2 c 1 d 1 e 32 3 3 3 5 9 12 53 2 2 3a 3 8 2 c 2 d 2 e l2 3 0 453 7 2 3 3 3 2 4a 3 8 2 c 3 d 3 e 22 3 2 0 60 72 6 1 6 2 5a 3 8 3 c l d 2 e l2 2 _ 8 35 6 1 2 4 5 7 2 6a 3 8 3 c 2 d 3 e 22 1 8 96 6 1 3 0 2 2 2 7a 3 8 3 c 3 d 1 e 32 2 0 65 5 7 2 5 0 2 3 细度测试结果分析 从拉伸变性羊毛样品的试验测试结果来看，14 ，7 4 ，9 “，1 4 “方案的 细度变化较大，均达2 5 3um ，相当于纤维直径减小1 0 1 5 ，这说 明只要处理条件适当，拉伸型式合理，拉伸变细羊毛是完全可以实现的。 而1 2 ”，1 7 4 ，2 0 # ，2 2 8 ，2 4 4 试验方案细度变化的程度不大，这样的结 果达不到试验目的要求，其它方案的直径变化均在l 2 um 左右。总的 来说，拉伸变性后，纤维直径均有不同程度的改变，只要完善试验条件， 优化出满意的工艺，就能实现本课题的意图。分析细度标准差和细度离 散可知，拉伸变性处理的样品这两个指标均有所增大，这对后道纺织过 程是不利的。这两个指标增大的原因从测试细度的分布来看，主要是细 纤维数量增多，而中等细度的纤维数量分布相对不变，故离散会有不同 程度的提高，对此在后道加工过程中必须加以考虑。 二、长度 1 纤维长度测试说明 本课题对纤维长度的测试采用y 1 31 型梳片式羊毛长度分析仪， 称量采用精密扭力太平( 最大量程1 0 0 m g ) ，按规定方法进行测试， 得到各组长度的重量值，据此计算出重量加权平均长度、长度标准差、 长度变异系数、加权主体基数及短毛率。 2 长度汇总 试验值加权平均加权主体长度标准长度变异 短毛率 序害长度基数系数 l g ( m m )s i n ( 、s ( m m )c z ( 1( ) 原毛7 4 34 0 53 815 1 28 9 j7 893 6 43 6 24 5 999 27 5 23 713 7 6 5 0 11 1 4 37 2 o4 1 33 4 94 8 51 0 9 47 2 53 9 23 6 65 0 51 2 5 57 4 3 3 7 43 7 65 0 51 1 9 66 784 1 63 435 0 61 3 8 77 1 o3 7 83 7 15 2 31 4 4 86 8 54 1 63 3 13 84 1 4l 96 6 44 0 33 5 35 3 21 65 l o6 3 64 0 43 4 95 491 8 6 i l6 444 3 43 6 45 651 7 7 1 26 2 84 2 83 3 25 2 8 183 137 0 03 8 53 7 55 3 7 15o 1 46 924 273 5 25 091 31 j 1 57 0 53 783 7 25 2 8i 4 9 1 66 4 o4 2 ，o3 7 o5 7 81 9 1 1 76 4 94 3 93 5 25 4 21 5 8 1 86 3 54 5 43 4 25 391 6 3 1 9