（纺织工程专业论文）竹原纤维、纱线的性能研究及优化.pdf

竹原纤维、纱线性能研究与优化 中文提要 竹原纤维、纱线的性能研究及优化 中文提要 以竹子为原料的竹纤维包括用物理方法生产的竹原纤维，以及用化学方法生产的竹浆 纤维。本文借助于红外光谱仪、扫描式电子显微镜、万能材料试验机等实验手段，较为系 统地研究纯天然竹原纤维的结构与性能、竹原纤维纯纺和混纺纱线的性能、以及在不同的 物理或化学处理条件下竹原纤维和纱线的性能变化特点。 研究内容包括：通过对天然竹原纤维结构的研究，探明竹原纤维的基本形态特征和结 晶度等特征；通过对天然竹原纤维机械性能的研究，探明竹原纤维的力学性能特点；通过 对竹原纤维纯纺、混纺纱线力学性能研究，探明其纱线的力学性能特点；研究在湿态条件 下，竹原纤维纯纺、混纺纱线力学性能的变化特点；研究在不同温度条件下，竹原纤维纯 纺、混纺纱线力学性能的变化特点；研究在丝光、碱缩条件下，竹原纤维纯纺、混纺纱线 力学性能的变化特点。 关键词：竹原纤维纱线力学性能 作者：陶丽珍 指导教师：蒋耀必冯国平( 校外) 竹原纤维、纱线性能研究与优化 t h er e s e a r c ha n dt h eo p t i m i z a t i o no nt h ep r o p e r t i e s o ft h en a t u r a ib a m b o of i b e ra n dy a r n a b s t r a c t t h eb a m b o of i b e rh a st w og r o u p s ，o n ei st h en a t u r a lb a m b o of i b e rw h i c hi sm a d eo f b a m b o oi np h y s i c a lw a y t h eo t h e ri st h ev i s c o s eb a m b o of i b e rw h i c hi sm a d ei nc h e m i c a lw a y w i t ht h ea i do ft h ei n f r a r e ds p e c t r o m e t e r , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n di n s t r o nu n i v e r s a l t e s t i n gs y s t e ma n ds oo n , t h ef o l l o w i n gp e r f o r m a n c e ss u c ha st h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f n a t u r a lb a m b o of i b e r , t h ep r o p e r t i e so ft h ep u r en a t u r a lb a m b o oy a r na n di t sb l e n d s ，t h e p r o p e r t i e sc h a n g e so fn a t u n db a m b o of i b e ra n dy a mi nd i f f e r e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a l c o n d i t i o n sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h ed e t a i l so f t h er e s e a r c hi n c l u d e ：b ys t u d y i n gt h es 仉l c t u r eo f t h en a t u r a lb a m b o o f i b e r , m a k et h eb a s i cm o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dt h ed e g r e eo f c r y s t a l l i z a t i o nc l e a r ；b ys t u d y i n gt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ef i b e r , m a k et h ef e a t u r eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h en a t u r a l b a m b o of i b e rc l e a r ；b ys t u d y i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h e p u r ey a r na n di t sb l e n d s ，m a k e t h ef e a t u r eo f m e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h e y a r nd e a r ；a n dw ea l s os t u d yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y c h a n g e so ft h ep u r ey a r na n di t sb l e n d si nt h eh y g r o m e t r i cs t a t e 、d i f f e r e n tt e m p e r a t u r es t a t e a n da f t e rm e r c e r i z a t i o na n da l k a l is h r i n k a g e k e y w o r d s ：n a t u r a lb a m b o of i b e r w r i t t e nb yt a ol i z h e n s u p e r v i s e db yj i a n gy a o x i n g f e n gg u o p i n g 苏州大学学位独创性声明及使用授权声明 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。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名： p 习堑之 日期：翌坐：i 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。 竹原纤维、纱线性能研究与优化 1引言 竹子是一种常绿植物，具有分布广、适应性强、生长快、成材早、经济价值高等特点。 在我国，我们的祖先早在四、五千年前就开始对竹子进行研究开发了“。近年来，通过科 技人员的努力，竹子纤维已被成功地用于纺织行业，成为一种被业内人土普遍看好的又一 种新型纺织材料。 1 1 竹纤维的生产 以竹子为原料的竹纤维，包括用物理方法生产的竹原纤维，以及用化学方法生产的竹 浆纤维。后者属再生纤维素纤维。 原生竹纤维是将生长1 2 1 8 个月的慈竹或毛竹，经过去青、以及齿轮的反复轧压后， 采用蒸煮等机械和物理方法进行脱胶，直接从竹子中提取竹纤维竹原纤维。竹原纤 维保持竹子原有特性，不添加任何化学试剂，保持了竹纤维的原有状态，是真正意义上的 绿色产品。湖南株洲雪松麻业有限公司生产原竹纤维的方法是：利用多种纯天然植物的浸 出液，将竹材中的木质索等杂质去除后，经过机械加工成为竹原纤维。在整个过程中，不使 用任何化学药剂，所以无污染，对人体无毒害。所生产出的竹原纤维，洁白光亮，挺直滑爽， 细度均匀。浙江南方竹木制品有限公司采用天然药物作为软化剂，用毛竹加工而成的纤维， 又细又光亮，并达到了可纺6 0 ne 的水平，这种加工方法与雪松公司的方法很相似。另外， 还有以四川外贸公司为首的有关厂家也开发出了原生竹纤维“。其中，湖南株洲雪松麻业 有限责任公司研究开发的竹原纤维纺织服装产品于2 0 0 3 年3 月5 曰顺利通过了湖南省经 贸委组织的由国家纤维检验局、国家林业局竹子开发中心、湖南省纺织行管办、东华大学、 中南林学院、北京联合大学商务学院等十多名专家教授参加的鉴定验收“。与会专家教授 一致认为，这一成果属国内首创，在国际上处于领先地位，它标志着我国竹原纤维在纺织服 装领域的应用已取得重大突破。 再生竹纤维是把天然竹子经过化学变性，先成为粘胶状竹浆粕，然后在粘胶生产线上 利用湿法纺丝方法制成竹浆纤维。由于采用的是粘胶生产工艺，因此再生竹纤维的性能与 粘胶纤维有许多相近之处，所以再生竹纤维又称为“竹浆纤维”。目前，再生竹纤维的生产 在我国已有了比较稳定的生产线。如河北吉藁化纤有限公司开发的“天竹纤维”，已形成 了一定的生产规模。上海化纤浆粕总厂与上海月季化学纤维有限公司合作，在攻克了竹浆 粕反应性能不良、可纺性差、甲纤含量低、白度不高等一系列技术难关后，开发出纯竹纤 维粘胶丝，在国内首创了“竹浆粕变性、二步蒸煮”的生产方法，已具有一定的生产能力。 笪堕堑丝：丝垫丝! ! 型塞量垡些土旦 山东潍坊海龙股份有限公司通过与国内竹浆生产厂家联合，根据竹子的纤维特点，通过反 复试验后，成功推出了绿色环保纤维竹素纤维，并已形成了年产2 万t 的规模。现在 市场上主要有1 6 7 d t e x 3 8 r a m ，1 3 3 d t e x 3 8 r a m ，2 2 2 d t e x 5 1 r a m ，2 7 8 d t e x 5 1 r a m 等 再生竹纤维品种供应“”。 本课题中所研究的是纯天然的竹原纤维，目前。有关它的系统性研究还较少，本文主 要对它的性能进行研究和探讨。 1 2 竹纤维的研究现状 1 2 1 竹原纤维的结构 竹原纤维的结构研究主要包括其化学组成、形态结构和微结构等，在这些方面，已 有相关的研究报道。 竹纤维的化学成分主要是纤维素、半纤维素和木素等。纤维素是竹纤维中最主要的 成分。由于生长地域的不同，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“粘合剂”和“填充剂”。半纤维素的聚合度较低，吸湿易润胀。木 素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳一碳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，是竹纤维颜色的主要来源。 纤维素大分子的基本链节是1 3 一葡萄糖剩基“。相邻的葡萄糖剩基转过1 8 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一o h 。由于一0 h 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。 竹纤维的形态结构的研究发现，竹浆纤维的纵向光滑，表面呈多条较浅的沟槽，横截 面接近圆形，边沿有不规则的锯齿形“。而竹原纤维截面呈扁平状，纤维中间具有孔洞； 纵向表面存在沟槽和裂缝，横向有枝节。由于竹原纤维中细长的空洞和表面的沟槽，使 得它具有很好的吸湿导湿性能。 已有的研究结果表明，竹浆纤维和竹原纤维的表面形态存在较大差异，这与两种纤维 的获取方式有关。由于这两种纤维结构差异的存在，使得两种竹纤维在性能方面有明显不 同。 通过x 射线衍射法对竹纤维聚集态结构进行研究。测试结果表明，竹浆纤维的结晶度 为3 1 6 ”，与普通粘胶纤维的结晶度基本相同。竹原纤维的结晶度达7 1 8 2 ，高于棉纤 维的结晶度。由于其结晶度的差异，导致了竹原纤维的机械性能与棉、竹粘、粘胶等纤 2 笪垦堑丝：丝垡丝! ! 受塞量垡些一上! 塑羔 维的巨大不同。 1 2 2 竹原纤维的性能特点 竹原纤维自问世以来，它之所以受到人们青睐的主要原因是由于竹原纤维具有其他纤 维所不具备的优良特性，其性能特点如下： 1 、吸放湿特性 竹纤维的初生结构及其横截面上的孔隙特性，为吸收水分和蒸发水分创造了条件， 决定了竹纤维的吸放湿性能是所有天然纤维中最好的。已有研究表明：竹纤维在标准状态 下的回潮率可达1 2 ，与普通粘胶相近；竹纤维的透气性比棉纤维强3 5 倍o ，属各种纤 维之首，说明竹纤维比其它纤维具有更优异的吸湿快干性能，适合于傲贴身服装、夏装和 运动服等。 2 、物理机械性能 一般的纺织纤维均为单纤维，细度不能低于0 6 7 t e x ( 纺织厂用的苎麻纤维，一般为 0 5 t e x 左右) ，并且必须有一定的柔软性及强力。而竹原纤维完全脱胶后，纤维细度约为 0 0 5 t e x ，且长度不足5 m ，不能在环锭纺纱机上加工，因此，不能将竹原纤维的胶全部脱 尽，以便利用余胶使竹纤维根一根地相互连接，从而制成纺纱所需要的“工艺纤维”， 即不是单纤维，而是束纤维。在4 0 0 倍显微镜下观察，可以清楚地看到竹纤维的束纤维状。 在原生竹纤维的加工中，存在细度与长度之间的矛盾，要获得细的纤维，长度又太短：而长 度长时，纤维又较粗。这个矛盾是目前各生产原生竹纤维的厂家要攻克的一个难题，未完全 脱胶的竹纤维束的细度一般在2 0 5 0 t e x 。雪松公司生产的原生竹纤维，细度达0 5 t e x ， 长度达7 0 m1 t i 以上，纤维强力接近苎麻的3 4 ，达到或接近麻纤维的水平。 人们普遍认为，竹原纤维具有良好的物理机械性能，强力高，耐磨性好，悬垂性佳， 有独特的回弹性能，具有良好的服用性能，是一种很好的纺织纤维。 3 、天然抗菌性 竹子是常绿植物，由于生长在崇山峻岭的大自然中，极少受到农药和其它有害物质的 污染，因此，用竹子作原料生产的竹原纤维，具有无毒无污染的特点，与其它纤维相比， 具有独特的优越性。如果在生产过程中采用高新技术工艺处理，就可保持竹纤维的抗菌性 不被破坏。竹纤维布能够迸行呼吸，是由于竹纤维的分子链氢键和电子能很好地结合，纤维 分子间存在较大的空隙，室内湿度高时吸收水分子，等干燥时再释放出来。同时，它还能够 吸附各种异味灰尘及花粉等有害物质。竹纤维布料的这种呼吸作用，能够净化空气、调节 ，、 笪璺缝塾哩壅复垡些j 二j l i 7、 湿度。；竹抑菌作用，主要来源于竹纤维中含有的天然抗菌物质a 日本研究人员 曾对蟹手劳爿繇t 竹沥”) 傲了大量的实验，证实竹沥有广泛的抗微生物功能。经 日本另一 ，积影l 构检测，也证明了竹纤维具有天然抗菌作用：由竹纤维制成的纺织品，其 2 4h 抗菌搴，i 甄达到7 1 。 4 、绿色环傈性 科学技术的发展在给社会带来进步的同时，也给人类带来了一系列的环境问题a 近年 来，生态纺织品的摄念为越来越多的人所接受。裁生态纺织品来讲，主要包括 ；是下内涵， ( 1 ) 原料资源的可再生和可重复使用： ( 2 ) 在生产和加王过程中对环境不会造成不铡鲍影响： ( 3 ) 在使用过程中。消费者的安全和健康以及环境不会受到损害： ( 4 ) 废弃以后能在自然的条件下降解或不对环境造成新的污染。 竹子自身的抗菌性，使其在生长期内无需使用任何农药。没有任何污染。保证了竹纤维 资源无生态毒性。竹原纤维采用物理方法制成，对环境没有任何污染，在原料的提取和生 产过程中，全部实箍绿色生产，故竹原纤维属绿色纤维，用竹原纤维生产的纱线及嚣料是绿 色原料的延伸，同属绿色产品。同时竹原纤维及其制品可完全分解，具有优良的生物可降解 性，可完全回归自然，所以竹原纤维是利用自然界中可再生资源进行的循环生产，对自然环 境不会产生毁灭性的破坏，是真正意义上的绿色环保纤维。 1 3 竹纤维产品的开发与研究 目前，欧、美、日、韩等国家只能用化学处理的方法生产竹浆糙胶纤维及其纺织产品， 而国内在竹原纤维及其制品的研究上已经处于世界前列，研究出了竹原纤维生产的独特工 艺，在竹纤维纺织晶的开发上也有较大成就。 竹原纤维既可纯纺、也可混纺，既可环锭纺、也可气流纺，目前可与棉、天丝、竹粘、 葵代尔、麻、丝、涤纶、腈纶等纤维进行不同比例的混纺、交织，这样可发挥纤维的各自 特点，相得益彰。竹纤维可用于针织、机织、无纺等领域。由于竹纤维有很高的吸汗能力 和较好的透气性，很难发生霉变，不易滋生细菌，其纯纺混纺织物可用于内衣、内裤、睡衣、 浴衣、卫生巾、尿布、毛巾、手帕的制作。竹纤维与榴毛纤维相比有系列的优越性，在 t 恤、女性高档时装、男士衬衫、休闲服装、床上用品等一些高档服装用品上，更能体现 出它的价值。 雪松公司已开发生产出竹原纤维纯纺高档面料和竹棉、竹麻、竹丝、竹涤等混纺系列 竹原纤维、纱线性能研究与优化 1 引言 面料及服装产品。产品试销以来，在国内外市场上已引起不小的轰动，世界时尚之都法国巴 黎和意大利米兰的时装设计师们都看好这种纯天然竹原纤维面料，美、日、韩以及香港、 台湾地区的一些公司也纷纷来函来电，要求订货。目前，该产品9 5 销往外国，产品供不应 求。 1 4 本课题研究的意义和内容 1 4 1 研究的意义 最近几年，以竹粘纤维为原料生产的纯纺、混纺材料已在欧、美、日、韩及香港、台 湾地区上市，销售情况较好，且发展态势良好。市场上出现的“竹纤维”材料，本质上是 以竹粘纤维为原料制造加工的，而竹原纤维与竹粘纤维在产品的开发技术、产品的服用性 能方面截然不同，由于竹原纤维比竹粘纤维具有更为优良的服用性能和绿色环保特性，因 此可以预见，以竹原纤维为原料的纺织品市场前景更加看好。 从资料查新情况看，国内外对竹原纤维、纱线的结构和性能的系统性研究较少。就目 前的竹原纤维产品研究和开发情况看，尚有以下问题急需解决： 1 、对竹原纤维、纱线的结构、性能，纺纱工艺的系统化研究不够。 2 、竹原纤维纱线的织造工艺技术有待开发与研究。 3 、竹原纤维纺织品的服用性能有待研究。 4 、竹原纤维纺织品的染整工艺有待探索与研究。 5 、高档、精细化竹原纤维纺织面料尚未开发。 1 4 2 本课题的主要研究内容 本课题主要从研究竹原纤维、以及竹原纤维纯纺、混纺纱线的性能出发，以此分析 它们在纺织品上应用的可能性以及在生产过程中所出现的问题，并为竹原纤维的产品开发 奠定一定的理论基础。具体研究内容为： l 、通过对天然竹原纤维结构的研究，探明竹纤维的基本形态特征和结晶度。 2 、通过对天然竹原纤维力学性能的研究，探明竹原纤维的力学性能特点。 3 、竹原纤维纯纺、混纺纱线力学性能研究通过对竹原纤维纯纺、混纺纱线的断 裂强度、断裂伸长率、初始模量、断裂功、断裂比功、弹性回复率等力学指标测试，探明 其力学性能特点。 4 、研究在湿态条件下，竹原纤维纯纺、混纺纱线力学性能的变化特点通过对湿 态条件下，竹原纤维纯纺、混纺纱线力学性能指标的测试，进一步研究竹原纤维纯纺、混 纺纱线在湿态条件下的力学性能变化特点。 竹原纤维、纱线性能研究与优化 引言 5 、研究在不同温度条件下，竹原纤维纯纺、混纺纱线力学性能的变化特点通过 对不同温度条件下，竹原纤维纯纺、混纺纱线力学性能指标的测试，进一步研究竹原纤维 纯纺、混纺纱线在不同温度条件下的力学性能变化特点。 6 、研究在不同浓度n a o h 溶液作用下。竹原纤维纯纺、混纺纱线力学性能的变化特点 通过在不同浓度n a o h 条件下，对竹原纤维纯纺、混纺纱线进行丝光、碱缩处理，了 解各类竹原纤维纱线力学性能随不同丝光、碱缩工艺的变化特点。 6 笪曼堑丝：丝垡丝些塑塞兰垡些 ! 笪堕堑壁塑塑皇丝堕曼堕l 2竹原纤维的结构与性能研究 2 1 试样与试验方法 2 1 1 试样 竹原纤维、苎麻纤维、棉纤维、粘胶纤维等 2 1 2 试验方法及原理 2 1 2 1 竹原纤维纵面、横截面形态特征测定 仪器：上海电光研究所生产的d x s - i o a 型1 0 万倍扫描电子显微镜( s c a n n i 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 ，湿度6 5 r h ； 制样：将竹原纤维整理成平行的纤维束，再将平行排列的纤维柬嵌入哈氏切片器中， 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) 。 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 5 0 k v ) 加速并形成笔尖 状电子束。在末透镜上都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予。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 送到显象管的掇极上，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“。 2 1 2 2 竹原纤维的长度、线密度测定 仪器：y 3 1 l 型梳片式羊毛长度分析仪、y 1 7 1 纤维长度切断器、j n a 型精密扭力天 平( 称量l o m g ，分度值0 0 2 m g ) 按照g b 5 8 8 7 8 6 ，采用y 3 1 1 型梳片式羊毛长度分析仪实际比较测量分析竹原纤维、 和苎麻纤维的长度分布特征。 按照g b 5 8 8 4 - 8 6 ，采用y 1 7 1 纤维长度切断器、j n - a 型精密扭力天平( 称量l o m g ， 分度值0 0 2 m g ) 比较测定竹原纤维、苎麻纤维的细度。 测试条件：恒温2 0 ，湿度6 5 r h ： 2 1 2 3 竹原纤维的结晶度测定 仪器：日本理学2 0 2 7 型x 衍射仪： 竹原纤维、纱线性能研究与优化 2 竹原纤维的结构与性能研究 测试条件：管电压为4 0 k v ，管电流为3 0 m a ，扫描速度为2 。m i n ； 样品制备：用医用剪刀将纤维剪成粒度很小的粉末状样品； 原理：x 射线结构分析以x 射线在物质中的衍射现象为依据。x 射线是一种电磁一电离 射线。其中波长 o 2 pm 为软射线。x 射线结构分析使用的射线 波长在0 0 5 o 2 5 um 之间。如果一束x 射线射向一晶体，当以某8 角射至原子层时，总 是被强烈的反射，而有：1 3 = 2 d s i n8 。 研究纤维材料结构时，将一束窄小的单色平行x 光射在多晶体试样上，以便形成一些 同轴的衍射锥面。大部分纤维x 射线圈不是形成圆环状，而是成干涉弧，从而证明晶体具 有取向性。如果有若干种不同尺寸的晶体( 不同晶面间距离) ，那么x 射线图上就有相应 数量的干涉弧。干涉弧越宽，说明晶体排列的趋向程度越低。x 射线在无定形区的散射则 形成漫射环。 竹原纤维由结晶区和非结晶区两部分组成，当x 射线照射到竹原纤维样品上时，会产 生一系列独立的衍射环或弧，非晶区则产生弥散的连续的晕圈，从而得到x 射线衍射强度 曲线，曲线是晶区和非晶区的贡献叠加在一起形成的，其衍射强度分别与其相应的晶区和 非晶区的重量成正比“”“”“”。 2 1 2 4 竹原纤维的力学性能研究 仪器：采用y g 0 0 4 a 单纤维强力仪测定竹蹶纤维在干态、湿态条件下的断裂强度、断 裂伸长、断裂功、初始模量等力学性能。 测试条件：恒温2 0 。c ，湿度6 5 r h ； 试样处理方法：将竹原纤维整理成一端平齐的整齐的纤维束，剪取中段的纤维进行单 纤维强力测试。干态试验时，在标准大气条件下进行，温度2 0 2 ，相对湿度6 5 2 ：湿态试验时，将试样在蒸馏水中浸渍5 分钟，自然晾去水分，然后在标准大气条件下 进行测试； 原理：通过非电量的电转换方法，用高灵敏传感器将纤维拉伸时所受的力转换成电讯 号，经放大和模数转换后直接由数码管显示出纤维的断裂负荷值。纤维的拉伸采用步进电 动机转动，脉冲计数，其断裂伸长值也由数码管直接显示，精密度较高。 2 2 竹原纤维的形态结构特征 2 2 1 竹原纤维纵面、横截面形态特征 前人对竹原纤维的形态结构已有些研究。本课题中，我们利用扫描电子显微镜对 笪璺红丝：丝垡丝璧壁塞皇垡些生笪堡丝丝盟鱼塑皇丝旦! ! 要壅_ 它的形态特征进行了分析，纵截面( 图2 1 、图2 3 ) 、横截面( 图2 2 、图2 4 ) 的s e m 观 察结果如下图。 图2 1 图2 2 图2 3 豳2 4 由图2 1 和图2 3 可知，竹原纤维的纵向表面有许多微细的凹槽，伴有少许裂纹，并 且横向有明显的横节，没有天然转曲。正是因为这些凹槽和裂纹，使得竹纤维可以在瞬间 吸收或蒸发水份，具有良好的透气性。 横截面的s e w 结果显示，竹纤维的截面呈扁平的多边形。内有中腔，在中腔内分布有 分裂状的丝状纤维，部分截面上有辐射状裂纹，这些中腔也使得竹纤维的吸湿、透湿性较 好。 经过测量得到：竹原纤维纵面宽度在2 0 2 8um 范围之间，横截面的长径在3 0 0 5 0 。0 p m 范围之间，平均值为3 5 ，9 1 1 皿短径在1 1 3 2 0 0 pn l 范围之间，平均值为1 4 9 p m ；短径与长径之比在0 3 0 o 6 7 h i l l 范围之间，平均值为0 4 3 斗m 。 由于竹原纤维的纵截面和横截面的结构特征，可暖迅速地吸收大量的水分、透过大量 的气体，具有良好的吸湿放湿性和透气性，因此专家称之为其有“呼吸功能”的纤维。 2 2 2 竹原纤维的长度、线密度特征 9 竹原纤维、纱线性能研究与优化 2 竹原纤维的结构与性能研究 纺织纤维必须具有一定的物理和化学性能，其中长度和细度是很重要的指标，不同 的纺纱系统所能加工的纤维长度和细度是不一样的。在纺纱设备允许的条件下，长度希望 长些、细度希望细些，长度、细度指标都希望均匀些。 纤维长度与纱线质量的关系十分密切，在其他条件相同时，纤维越长，纤维之间接触 机会多，摩檫力、抱台力大，成纱强度越高：在保证成纱具有一定强力的前提下，纤维长 度越长，纺出纱的极限细度越细，长度越短，纺出纱的极限细度越粗，各种长度的纤维的 纺纱细度都有一个极限值；纤维长度的整齐度对细纱强度的影响也很大，短绒率高时，减 弱了纤维之间的摩檫力和拖合力的作用，纱线在拉伸时的滑脱机会增加，成纱强度将显著 下降：同时由于牵伸过程中大量短纤维为浮游纤维，不易被罗拉钳口所控制。会影响纱线 条干，导致成纱品质下降。 除了影响纱线质量以外，纤维长度与纺纱工艺关系也很密切。纤维的长短直接决定纺 纱系统和工艺的选择，例如棉纺系统适纺棉型长度的纤维，毛纺系统适合纺毛型长度的纤 维：同时纤维的长度也影响打手的形式、罗拉的隔距、细纱捻系数等工艺参数的选择。 纤维的细度与纤维的可纺性能关系密切。一般的纺织纤维均为单纤维，细度不能低于 0 6 7 t e x ，并且必须有一定的柔软性及强力。在一定范围内，纤维细度细，成纱强力高。这 是因为成纱截面内包含的纤维根数多，纤维之间的接触面积大，拉伸时滑脱的机会少。另 外，成纱的号数对纤维的细度也有不同的要求，例如在纺细号纱时，要求纤维的细度细些， 这样才能保证细号纱中有一定的纤维根数，增加纤维之间的抱合力，提高成纱强力。 综上所述，研究竹原纤维的长度、细度特征对后道纺纱工艺以及产品质量的控制都有 很重要的意义。 2 2 2 1 竹原纤维、苎麻纤维的长度测试结果见表2 1 。 表2 1 ：竹原纤维、苎麻纤维的长度一重量频率实测结果 纤维长度( c m ) 05l52 535455 5657 58 5951 051 l5l2 5 竹原纤维重量百分率( ) 002 2 0 6 7 493 31 31 2 3 3i o8 舢6 6 76 2 253 34 6 7 苎麻纤维重量百分率( ) 001 105 318 958 81 0 51 0 0 89 8 79 2 47 6 77 6 76 248 3 纤维长度( c m ) 1 351 4 5l5 51 651 751 8 51 9 52 0 52 1 52 252 352 452 55 竹原纤维重量百分率( )4 7 84 1 l28 924 42 1 l1 _ 3 30 6 70 舢0 3 30000 苎麻纤维重量百分率( )47 339 932 629 423 i2l _ 3 71 3 7l 。0 50 7 40 9 504 20 4 2 o 竹原纤维、纱线性能研究与优化 2 竹原纤维的结构与性能研究 表2 2 ：竹原纤维与苎麻纤维的长度特征指标 试样重量加权平均长度( m m )重垂加权主体长度( n m 岭 瑷长纤维( 嗍)短纤维率( )长度变异系数( ) 竹原纤维 9 0 4 7 6 0 12 1 54 9 4 62 苎糜纤维 1 0 3 l l6 9 5 2 5 5254 2 7 重量百分率妈) l23458789l ol t 1 2 1 31 4 1 51 6l 71 81 9z 02 i2 22 32 42 52 6 图2 5长度一重量分布图 竹躁纤维重量百分率 苎麻重量百分率 长度( c m ) 由表2 2 和图2 5 可以看出： 1 、竹原纤维的长度分布范围为1 5 o 2 1 5 m r n ，重量加权主体长度为6 0 1 帅，短纤维 率为4 9 ，长度变异系数为4 6 2 。苎麻纤维的长度分布为1 5 0 2 5 5 t 1 虹l ，重量加权主体 长度为6 9 5 蕊，短纤维率为2 5 ，长度变异系数为4 2 7 。从以上实验数据可知，竹原 纤维的长度比苎麻纤维略短，长度整齐度稍差。同时图2 5 显示，竹原纤维和苎麻的长度 一重量分布状态是相似的，说明竹原纤维与苎麻纤维的长度、细度指标非常接近，所以在 苎麻纺设备上加工竹原纤维是可行的，而且苎麻纱的纺纱工艺的配置对竹原纤维的纺纱具 有一定的参考价值。 2 、竹原纤维和苎麻的长度一重量分布图都是左偏的不对称形态，这也说明大多数纤维 偏短。测试结果与文献所报道的苎麻分布状态相同“1 。由于其短纤维较多，纤维主体长度 较苎麻纤维短，使得纺纱过程中短纤维的控制非常重要。如何选择合理的工艺配置，加强 对短纤维的控制，提高成纱的质量水平，同时又能达到纺纱成本的最低化，是竹原纱纺制 过程中值得探讨的技术问题。 3 、由于竹原纤维的长度特性和分布特征，与其他不同纤维进行混纺时，所采用的纺 纱工艺要有一定的变化，以保证纺纱过程的顺利进行和成纱的质量水平。 竹原纤维、纱线性能研究与优化 2 竹原纤维的结构与性能研究 2 2 2 2 竹原纤维的细度测试结果见表2 3 表2 3 ：竹原纤维的细度测试结果及与苎麻纤维的实测比较 纤维细度范围n m 平均细度n m标准差变异系数( ) 竹原纤维 1 5 0 m 之0 0 0】7 3 41 1 9 6 。9 苎麻纤维 1 2 0 0 2 4 0 01 8 5 0 1 2 48 ，2 试验结果表明： 1 、竹原纤维的平均细度为1 7 3 4 n m ，即5 8 d t e x ，与苎麻纤维的细度相似( 纺织厂用 的苎麻纤维，一般为5 d t e x 左右，) 比棉、羊毛等其他天然纤维粗。株洲雪松麻业有限责任 公司已经用这种竹原纤维生产出2 4 n m 、3 6 n m 、5 1 n m 纯纺竹原纱和5 1 n m 竹棉、5 1 n m 竹竹粘、5 1 n m 竹天丝、6 8 n m 竹棉混纺纱和其他规格纱线。 2 、竹原纤维的细度较粗，与棉纤维细度相差太大，因此混纺中各工序需要选择合适 的工艺参数。例如梳棉是竹纤维混合均匀的关键工序，采用低速度，优选各梳理隔距等， 将减少对纤维的损伤并且保证混合的均匀性：细纱工序，由于竹纤维与棉纤维之间的差异 较大，导致纤维之间的抱合能力差，采用较高的捻系数可以保证纺纱过程的顺利进行，并 加强成纱的强力。 3 、化学纤维与竹原纤维混纺时，化纤的规格要尽量与竹原纤维相匹配，以保证成纱 过程中混纺纤维的均匀混合，以保证成纱强力和纱线的质量。 2 2 2 3 竹原纤维的微观结构特征 竹原纤维是通过物理、机械方法直接从竹材中提取的，是纯天然的纤维素纤维。根 据文献资料介绍，与棉、麻等天然纤维素纤维一样，竹原纤维的主要组成物质是纤维素。 纤维索有4 种主要的结晶变体n ”，即纤维素i 、纤维素i i 、纤维素和纤维素。天 然纤维素均为纤维素i ，而经过碱处理、溶解和纤维素皂化等加工手段处理后的纤维素则 转化为纤维素i i 。纤维素制品中不同的纤维素结晶变体的存在，对物理机械性能有很大的 影响。 图2 6 、2 7 、2 8 、2 9 分别为竹原、棉、粘胶、麻纤维的x 射线衍射强度曲线，四张 图反映了这些纤维各自的结晶度和取向度。把它们进行对照比较后发现： 1 、竹原纤维的x 射线衍射特征峰1 、2 、3 的2o 角分别为1 5 2 。、2 2 8 。、3 4 6 。 与苎麻、棉的x 射线衍射峰相同，说明竹纤维结晶变体属于典型的纤维素i ，由竹材提取 竹纤维的工艺并未改变天然竹纤维的结晶结构属性。 2 、结晶度可根据结晶峰面积和整个衍射曲线和基线之间的面积比计算，通过称重法获 笪曼堑丝：丝塑丝丝婴窒量垡些 ! 笪里堑丝些壁塑皇丝墼堕塞 得。经过计算，竹原纤维的结晶度为7 2 ，这与文献所报道的6 0 - - - 7 0 相近，高于棉的 结晶度。竹原纤维是一种高结晶、高取向的天然纤维素纤维。 。j u u u u 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 曲2 1 0 0 0 0 九l 5 0 0 0 丫一。卜。 u 01 02 03 0 4 05 06 0 20 ( 。) 图2 6 竹原纤维x 一射线衍射图 0uuuu 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 曲线2 ：棉 1 0 0 0 0 5 0 0 0 y 。、， 0 1 02 0 3 04 0 5 06 0 2o ( 。) 图2 7 棉纤维x 一射线衍射图 1 3 竹原纤维、纱线性能研究与优化 2 竹原纤维的结构与性能研究 【j u u u u 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 曲线3 1 0 0 0 0 八 5 0 0 0 广。， u 01 02 03 0 4 05 06 0 2o ( 。) 图2 8 粘胶纤维x 射线衍射图 粘胶 图2 , 9 麻纤维x 射线衍射图 1 4 竹原纤维、纱线性能研究与优化 2 竹原纤维的结构与性能研究 3 5 0 0 0 | 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 | 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 o1 02 0 3 04 05 06 0 20 ( 。) 曲线1 ：竹 曲线2 ：棉 曲线3 ：粘胶 曲线4 ：麻 图2 1 0 竹、棉、粘胶、麻纤维的x 射线衍射对比闰 2 3 竹原纤维的力学性能 纺织纤维分子间作用力包括范德华力、氢键、盐式键和化学键1 1 3 ) 。纤维大分子之间 依靠这些结合力相互联系，形成各种聚集状态，组成整根纤维。纤维素纤维大分子主要依 靠范德华力、氢键的作用聚集在一起。大分子聚集状态一般有两类：即结晶态和非晶态。 实际上，纺织纤维内部结晶态和非晶态为混合分布状态，所以整根纤维所表现出来的是结 晶态和非晶态两方面的特征。 纺织纤维在整个拉伸变形过程中的具体情况是十分复杂的。纤维开始受力时，首先是 纤维中各结晶区之间的非晶区内长度最短的大分子链伸直，接着这些大分子受力拉伸，使 化学价键长度增长，键角增大。在这个过程中，一部分最伸展、最紧张的大分子链逐步地 被从结晶区中抽拔出来。这时，也有个别的大分子主链被拉断。这样，各个结晶区逐步产 生相对移动。使结晶区之间沿纤维轴向的距离增大，在非结晶区中大分子链段的平行度提 高，结晶区的排列方向也开始顺向纤维轴，而且部分最紧张的大分子由结晶区中抽拔后， 非晶区中大分子的长度差异减小、受力的大分子根数增多。继续进行拉伸，大分子被拉断， 大分子间的结合力被破坏，产生滑移，从而使纤维断裂“”。 总之，纤维的断裂主要是非晶区中大分子的断裂和大分子问结合力的破坏而引起的。 竹原纤维、纱线性能研究与优化 2 竹原纤维的结构与性能研究 纤维的伸长则是由于大分子的伸直、伸长以及克服了大分子间结合力后的滑移等而引起 的。 2 3 1 竹原纤维的拉伸特征 通过y g 0 0 4 a 单纤维强力仪测定竹原纤维的断裂强度、断裂伸长、断裂功等力学性 能，测试结果见表2 4 ，竹原纤维干态和湿态的拉伸曲线见图2 1 1 、图2 1 2 。 表2 4 ：竹原纤维在干态、湿态条件下的力学性能测试结果 试验结 干态( 标准大气条件) 湿态 果 断裂强度断裂仲长率断裂功初始模量断裂强度断裂伸长率断裂功初始模量 ( c n d t e x ) ( )( c nm ) ( c n d t e x ) ( c n d t e x ) ( ) ( o nm m ) ( c n d t e x ) 最大值1 4 6 959 26 1 1 82 9 0 5 51 7 3 36 77 3 9 42 9 02 8 最小值 1 6 908 51 3 7 6 9 8 31 8 6 l5 7 3 0 47 5 3 0 平均值67 13 4 82 0 9 21 9 28 27 ，5 84 0 22 5 8 71 9 8 5 6 c v 值 4 7 2 4 2 6 7 66 0 9 13 0 2 44 i 9 02 7 4 l6 0 2 92 8 1 3 图2 1 1 竹原纤维干态拉伸曲线 图2 1 2 竹原纤维湿态拉伸曲线 壶袭2 。4 帮糙2 。l l 、霉2 1 2 缓看爨兹覆绎维弱控梅特征： l 、在干态下，竹原纤维具肖较高的断裂强度 干态下，辑琢纤维豹断裂强度最丈值达到1 4 6 9c n d t e x ，鬣，j 、为1 6 9c n d t e x ，平均 值为6 7 1c n d t e x ，与苎麻的断裂强度( 6 6 - 6 8c n t d t e x ) 接近，大大超过竹糙、槔、牯胶 和天丝的干态的断裂强度。( 竹粘为1 虬2 2c n d t e x ：棉为1 9 3 5c n d t e x ；粘胶为1 5 0 c n d t e x ：天丝必4 2 - 4 4e n d t e x ) 。这与它本身黥超分子结构考缀大验关系。由予镗爨绛 1 6 竹原纤维、纱线性能研究与优化 2 竹原纤维的结构与性能研究 维的结晶度为7 0 ，较普通的棉、竹粘等纤维高，说明纤维的大分子 l t y d 规整，分子之 间的作用力大，在拉伸过程中要使大分子断裂，破坏大分子间的结合力较困难，所以导致 竹原纤维断裂强度高。 2 、湿态下，竹原纤维的断裂强度明显增加 湿态下，竹原纤维的断裂强度最大值达到1 7 3 3c n d t e x ，最小为1 8 6c n d t e x ，平均 值为7 5 8c n d t e x ，平均增幅1 3 ，c v 值减小。这说明：竹原纤维是一种高结晶的多孔 性纤维材料，同时具有很强的吸水能力，随着水分子进入到竹原纤维内部，使竹原纤维分 子之间或原纤之间的缠结点作用减弱，其受力比较均匀，同时受力的分子增多，导致纤维 强度增大、变异系数下降。 3 、竹原纤维具有较低的断裂伸长率 竹原纤维的断裂伸长率较小，干态下平均断裂伸长率为3 4 8 ，接近于苎麻的断裂伸 长率，大大低于竹粘、棉、粘胶和天丝等纤维素纤维的断裂伸长率。这主要是因为纤维结 晶度高，大分子间的结合力较大，破坏丈分子结合力后产生的滑移较小，使得纤维的断裂 伸长较小。竹原纤维湿态下平均断裂伸长率为4 0 2 ，湿态下纤维的断裂伸长率增加，平 均增幅1 6 。主要原因是水分子进入到纤维内部以后，竹原纤维大分子之间或原纤之间 的联系相对减弱，分子间受力后产生位移的可能性增大，所以纤维的断裂伸长率明显增大。 4 、竹原纤维具有较高的初始模量 竹原纤维的初始模量干态下为1 9 2 8 2e n d t e x ，与苎麻的初始模量相近，大于竹粘、 棉、粘胶和天丝的初始模量。初始模量大，说明纤维在小负荷作用下不易变形，刚性较好， 竹原制品比较挺括。这主要是竹原纤维的结晶度高j 在拉伸力作用下大分子间不易产生滑 移，所以伸长率小，变形能力小。湿态下的初始模量为1 9 8 5 6 ，与干态下的初始模量接近， 变异系数减小。表明竹原纤维在湿态下变形能力仍然较小，而且更加均匀。 5 、拉伸曲线特征 竹原纤维的拉伸曲线特征是高强低伸型，即高强度、低伸长，显示出它在大的负荷作 用下，伸长较小，变形能力小，具有很好的尺寸稳定性。 2 3 2 几种纤维的拉伸曲线比较 1 、竹原纤维与苎麻纤维的拉伸特征相似，属于高强低伸型，具有较高的初始模量， 说明在较大外力作用下，竹原纤维的变形能力小，尺寸稳定性好。较高的初始模量表明在 小负荷作用下竹原纤维不易变形，剐性较好，其制品比较挺括。 竹原纤维、纱线性能研究与优化2 竹原纤维的结构与性能研究 2 、从拉伸曲线看到，湿态下竹原纤维的断裂强度和断裂伸长率均有提高，初始模量 也较大，整个曲线仍然保持了高强低伸的特点。 3 、普通粘胶的断裂强度、初始模量均较低，而断裂伸长率为中等，所以粘胶纤维显 得软而弱。 妻 ： 鏊 i 砰嘞 1 ：竹原纤维( 干态) 2 ：苎麻纤维3 ：竹原纤维( 湿态) 4 ：棉纤维 5 ：普通粘胶6 ：羊毛 图2 1 3 几种纤维的拉伸曲线比较 4 、棉纤维的性质介于竹原、苎麻纤维和粘胶纤维之间，接近于苎麻，但不象苎麻那 样硬、脆，其性质表现为硬而强。 5 、羊毛纤维虽然断裂强度很低，但断裂伸长大，断裂比功也比苎麻、竹原纤维大