（纺织工程专业论文）竹浆纤维及纱线的力学性能研究.pdf

摘要 竹纤维是由我国科技人员自行研制成功并实现工业化生产的一种新型再生纤维 素纤维，以我国丰富的速生竹为原料，先将竹材制成浆粕，再利用粘胶纺丝原理经湿 法纺丝制得。其主要成分为纤维素，结晶度4 0 ，聚合度4 0 0 ，基本性能同粘胶类似， 具有独特的抗菌除臭和防紫外线辐射的性能，在非织造布医用材料和卫生保健等方面 具有广泛的应用前景。竹纤维应用于纺织领域缓解了近年来由于能源短缺丽造成的纺 织原料与日俱增的供需矛盾，有利于森林资源的保护并为竹产品的开发开辟了条新 途径。 本文回顾了再生纤维素纤维的研究发展历史，介绍了竹纤维的研制和目前国内外 最新研究动态。在此基础上测试分析了竹浆纤维的基本性能，包括形态结构、摩擦性、 卷曲性、吸湿导电性、化学性、干湿态力学性能和热处理对其性能的影响。此外，还 测试了竹纤维纱线的力学性能和拉伸速度对纱线拉伸性能的影响，建立了力学模型来 模拟纱线的拉伸性能，并用模型参数的变化来描述纱线力学性能随拉伸速度变化的现 象。 本文通过实验和分析得出：竹浆纤维的横截面接近圆形，边沿具有不规则锯齿， 截面内布满了孔隙，纵向存在沟槽，无明显皮芯结构，吸湿导湿性能优良，吸放湿速 度居各纤维之首；竹浆纤维比电阻小于化纤，耐酸碱性比棉纤维和粘胶纤维差；力学 性能同普通粘胶相似，强度较低，湿强明显低于干强，湿伸大于干伸，湿态性能稳定 性差，易产生塑性变形；纤维的干湿态拉伸应力一应变曲线属于低强高伸型，纤维表 现出柔而弱的特性；湿热( 热水) 处理时的温度和时问对纤维的强度有一定影响，对 纤维伸长几乎没有影响，干热( 热空气) 处理时的处理温度和时间对纤维的强度和伸 长都有较大的影响，竹浆纤维耐湿热性能优于耐干热性能。竹纤维纱线的断裂强力较 低，断裂伸长率大，强力和伸长的变异系数都较小，纱线性能比较稳定。在本实验拉 仲测试的范围内，拉伸速度对拉伸实验结果的影响较大，随着拉伸速度的增加，纱线 实测强力增大，伸长率减小。为了能更直接地反映拉伸过程的规律，本文建立的非线 性粘弹性力学模型可以模拟纱线机械性能的变化，并可以描述纱线粘弹性现象。模型 参数的变化代表了纱线力学性能的变化，模型中的松弛时间和粘滞系数随拉伸速率的 增加明显下降，拉伸速率对弹簧的弹性模量影响不大。随着拉仲速率的增加纱线粘弹 性能的非线性逐渐显著。 关键词：竹纤维热处理竹纤维纱线力学性能拉伸速度 a s t u d yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb a m b o of i b e ra n dy a r n a b s t r a c t b a m b o of i b e rd e v e l o p e da n da p p l i e di nt e x t i l ei n d u s t r yb yo u rt e c h n i c i a n si san e w k i n do fr e g e n e r a t e dc e l l u l o s ef i b e r , w h i c hw a sm a d et h r o u g hd a m ps p i n n i n gb yu s eo ft h e t h e o r yo fs p i n n i n gv i s c o s ef i b e ra f t e rb a m b o om a t e r i a lw a sm a d ei n t op u l p t h em a i n c o m p o n e n to fb a m b o of i b e ri sc e l l u l o s e ，d e g r e eo fc r y s t a l l i z a t i o na n dp o l y m e r i z a t i o na r e 4 0 a n d4 0 0r e s p e c t i v e l y , a n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es i m i l a rt ot h ev i s c o s ef i b e r b e s i d e s ，i th a su n i q u ef u n c t i o n ss u c ha se x c e l l e n tb a c t e r i ar e p e l l e n c yi n h i b i t i o nw h i c hc a n i n h i b i tg r o w t ho fb a c t e r i ao ra b s o r bo d o ra n dh i g ha n t i u l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ，w i d e l ya p p l i e d i ns o m ea s p e c t sa sn o n w o v e nm e d i c a la n dh y g i e n i cm a t e r i a la n ds oo n t h ea p p l i c a t i o no f b a m b o of i b e ri nt e x t i l ea r e ar e l i e v e st h ei n c r e a s i n gc o n f l i c to fs u p p l ya n dd e m a n do ft e x t i l e m a t e r i a ld u et ot h es h o r t a g eo fe n e r g ys o u r c e si nr e c e n ty e a r s ，i sa l s ob e n e f i c i a lt o p r o t e c t i n gt h ef o r e s ta n db r o a d e n i n gt h ei n t e n s i v e l yp r o c e s s e db a m b o op r o d u c t t h es t u d yp r o g r e s so fr e g e n e r a t e dc e l l u l o s ef i b e ra n db r i e fi n t r o d u c t i o no fp r e s e n t r e s e a r c h i n go nb a m b o of i b e ra th o m ea n da b r o a dw e r er e v i e w e d , t h em o r p h o l o g i c a l s t r u c t u r ea n dt h ep r o p e r t i e so ff r i c t i o n , c r i m p ，c o n d u c t i v i t y , h y d r o s c o p i c i t y , c h e m i c a l e n v i r o n m e n t a lr e s i s t a n c e ，t h et e n s i l ep r o p e r t i e si nn o r m a lh a b i ta n di nw e tc o n d i t i o na n d t h ee f f e c t so ft h e r m a lt r e a t m e n ti n c l u d i n gi nw a t e ra n di nh o ta i ro n 丘b “m e c h a n i c sw e r e t e s t e da n di n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i na d d i t i o n ，t h et e n s i l ep r o p e r t i e so fb a m b o of i b e r y a m a n dt h ei n f l u e n c eo fe x t e n s i o nr a t eo nt e n a c i t ya n de l o n g a t i o no fy a ma l s ow e r et e s t e d a n dp r o b e d t w om e c h a n i c a lm o d e l sb u i l tf r o mt h r e ee l e m e n t sa n df o u re l e m e n t si no r d e r t om o d e lt h em e c h a n i c a lc h a n g eo ft h ey a r nd u r i n gt e n s i o nw e r ea n a l y z e dw i t hr e f e r e n c et o n o n l i n e a rv i s c o e l a s t i co fy a m t h ed i f f e r e n c eo ft h em o d e lp a r a m e t e r sc a nb eu s e dt o d e s c r i b ea n dp r e d i c tt h ec h a n g eo ft h ey a m sm e c h a n i c sw i t ht h ev a r i a t i o ni ne x t e n s i o nr a t e h o p e dt h a ti nt h i sw a yw h a tt h ea u t h o rd i dc o u l db eu s e di n t oa c t u a lp r o d u c t i o na n do f f e r g u i d et ot h ee n t e r p r i s e sf o rt e c h n o l o g ya n dn e wp r o d u c td e v e l o p m e n t t h t o u g ha n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ： o b l a t ep o r es p a c ei nt h en e a r l yr o u n ds e c t i o no fb a m b o of i b e ra n ds o m ea p e r t u r e si n i t ss u r f a c el a y e rw e r eo b s e r v e d ，b u tn oo b v i o u ss h e a t h - c o r es t r u c t u r ew a sf o u n di ni t s s e c t i o n ，w h i c hm a d et h ef i b e rh a se x c e l l e n th y g r o s c o p i c i t ya n dg a sp e n e t r a b i l i t y t h e r e s i s t i v i t yo fb a m b o of i b e ri sl o w e rt h a nt h a to f o t h e rc h e m i c a lf i b e r s i ti sm o r es e n s i t i v e t oa c i da n da l k a l it h a nc o t t o na n dv i s c o s ef i b e r i th a sl o wt e n a c i t ya n dh i g he l o n g a t i o n ，b u t t h et e n a c i t yd e c r e a s e sal o tw h i l et h ee l o n g a t i o ni n c r e a s e si nw e tc i r c u m s t a n c e i ti se a s yt o d e f o r m ，t h a t i st o s a yt h ed i m e n s i o n a ls t a b i l i t y o fb a m b o op r o d u c ti sp o o r t h e c h a r a c t e r i s t i cs t r e s s s t r a i nc u r v eo fb a m b o of i b e rb e l o n g st ot h et y p eo fl o wt e n a c i t yw i t h h i g he l o n g a t i o n t h et e m p e r a t u r ea n dt h et i m eo ft h e r m a lt r e a t m e n ti nw a t e rh a v el i t t l e e f f e c to nt h et e n a c i t ya n dt h ee l o n g a t i o no fb a m b o of i b e r , b u tt h e yh a v es i g n i f i c a n t i n f l u e n c ew h e nt r e a t e di nh o ta i r t e n s i l ep r o p e r t yo fy a mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r a m e t e r sf o rt h ea s s e s s m e n to fy a mq u a l i t y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fd i f f e r e n tc o u n t s o f y a m ，t h ey a mh a sl o wt e n a c i t yw i t hh i g he l o n g a t i o na n dt h et e n a c i t yd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s ei ny a mf i n e n e s s i nt h et e n s i l ee x p e r i m e n t a lr a n g ei nt h i sp a p e r , y a r n st e n a c i t y r i s e sb u tt h ee l o n g a t i o nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s ei ne x t e n s i o nr a t e an o n l i n e a rt h r e e e l e m e n t sm o d e la n dan o n l i n c a rf o u re l e m e n t sm o d e lw e r eu s e dt od e s c r i b et h em e c h a n i c a l c h a n g e so fy a r na td i f f e r e n te x t e n s i o nr a t e s t h er e g r e s s i v ee q u a t i o no fy a r n ss t r e s s - s t r a i n c u r v ew a sb u i l tu pb a s e do nt h ep r o p o s e dm o d e l s , a n dg o o da g r e e m e n tw a so b t a i n e d b e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a la n dl h e o r e t i c a lv a l u e sa f t e rc a l c u l a t i n gt h et e n a c i t ya n dt h ew o r k o fr u p t u r e t h ec h a n g eo fm o d e lp a r a m e t e r sw i t he x t e n s i o nr a t ew a ss t u d i e d t h ec h a n g e s o ft h ec h a r a c t e r i s t i cv i s c o e l a s t i cp a r a m e t e r sr e f l e c t e dt h ev a r i a t i o no fy a m st e n s i l e p r o p e r t i e s r e l a x a t i o nt i m ea n dv i s c o s i t yc o e f f i c i e n td e c l i n em a r k e d l yw i t ht h ei n c r e a s eo f e x t e n s i o nr a t e ，b u tn op a r t i c u l a rt r e n dw a so b s e r v e di nc a s eo ft h ee l a s t i cm o d u l u s w r i t t e nb y ：y a nh o n g q i n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rl il o n g k e yw o r d s ：b a m b o of i b e rt h e r m a lt r e a t m e n tb a m b o of i b e ry a m m e c h a n i c a lp r o p e r t i e se x t e n s i o nr a t e 第一章绪论 1 绪论 1 1 再生纤维素纤维的发展历史 再生纤维素纤维是以天然植物( 棉短绒、木浆、芦苇、棉秆、竹子、香蕉茎等) 为原料经纺丝而成的纤维素纤维i l 】。在再生纤维素纤维的研制和开发方面，国外开始 较早。从1 9 世纪至今陆续开发了铜氨纤维、粘胶纤维、醋酯纤维、富强纤维、m o d a l 纤维、t e n c e l 纤维和竹纤维等几种重要的再生纤维素纤维，其发展历程为： 18 3 3 年法国的t h e o p h i l ej u l e sp e l o u z e 研制成功硝酸纤维素，18 8 4 年法国的 b e t n i g a u dc h a r d o n n e r 取得了用硝酸纤维素制造人造纤维的专利，又经多年的研究解 决了人造纤维易燃的问题，与1 8 9 1 年建立了世界上第一个人造纤维厂并投入生产1 2 。 1 8 6 9 年，法国的p a u ls c h u t z e n b e r g e r 让酸酐与纤维素作用制成了醋酸纤维素。 1 8 9 0 年法国l i h 德佩西将天然纤维素原料溶解在氢氧化钠或碱性铜盐的浓氨溶 液内配成纺丝液，纺丝成形后在稀硫酸溶液中使铜氨纤维素分子化学物分解出再生纤 维素，再经加工后得到铜氨纤维，并与次年开始工业化生产。该纤维手感柔软、光泽 柔和，有真丝感，用来制作高档丝织物，但由于工艺复杂，产量较低p 】。 1 8 9 1 年，c r o s s 、b e v a n 和b e a d l e 等用纤维素浆粕与二硫化碳和烧碱反应制成纤 维素磺酸钠溶液，由于这种溶液粘度很大，因而命名为“粘胶”。粘胶遇酸后纤维素又 重新析出，根据这个原理，在1 8 9 3 年发展成为一种制备化学纤维的方法，这种纤维 被命名为粘胶纤维。但直到1 9 0 5 年，m i l l l e r 发明了一种稀硫酸和硫酸盐组成的凝固 裕，才实现了粘胶纤维的工业化生产。粘胶纤维是人类制造的第一种再生纤维，也是 第一个实现大规模工业生产的化学纤维1 2 j 。 1 9 2 1 年瑞士人d r e y f u s 将纤维素与醋酸进行化学反应，生成纤维素的醋酸酯，然 后将其溶解在有机溶剂中再进行纺丝制成 e a l a n e s e 纤维即醋酯纤维，该纤维有珍珠 般的光泽，耐磨性差，手感柔软，弹性好，不易受水浸湿，主要用于制作服装内衬和 丝绸产品p j 。 2 0 世纪四十年代初，日本研制成功被称为“虎木棉”的高湿模量粘胶短纤维，国 际上称p o l y n o s i c 纤维( 即富强纤维) ，这种纤维物理机械性能、手感、外观更接近于 棉纤维，用于代替棉纤维纯纺或与棉混纺。六十年代，美国开发了称作“a v r i l ”的变化 型高湿模量( h w m ) 纤维，在性能上克服了p o l y n o s i c 纤维的脆性大、纺织加工易 断头、织物耐磨性差等缺点；代替棉与合成纤维混纺。七十年代，美国的i t t r a y o n i e r 第一章绪论 公司在高湿模量纤维的基础上生产了一种具有高湿模量高卷曲的粘胶短纤维，商品名 p r i m a ”，它具有永久性细小卷曲，其织物外观丰满，覆盖性好，尺寸比较稳定【5 】。 m o d a l 纤维是奥地利l e n z i n g 公司以中欧森林中的山毛榉木浆粕为原料，采用高 湿模量粘胶纤维的制造工艺制成的新一代再生纤维素纤维，浆粕及纤维的生产对环境 没有大的污染，且纤维具有棉的柔软、丝的光泽、麻的滑爽，吸水透气性优于棉嘲。 1 9 8 0 年荷兰的a k z on o b e 公司用有机溶剂直接溶解纤维浆粕生产纤维素纤维的 工艺取得专利： 1 9 9 2 年英国c o u r t a u l d s 公司采用a k z on o b e 的专利以n m m o ( n 甲基吗啉- n 氧化物) 为溶剂将木浆粕溶解，再经纺丝和后处理工业化生产了t e n c e l 纤维，国际 人造化纤和合成纤维标准局( b i s f a ) 将其命名为 l y o c e l l ”。由于生产过程无污染， n m m o 无毒，在制造过程中可回收，在泥土中可完全分解，被称为绿色纤维，该纤 维干强接近涤纶，吸湿性好，具有独特的原纤化倾向。l y o e e l l 纤维的成功开发是再 生纤维素纤维生产中的一次重大突破【”。 竹子的应用有着源远流长的历史，我国古代劳动人民就曾用竹子作原料织成布称 作竹布，又叫竹疏布。竹子应用于生活的各个方面，但主要用于建筑业、汽车制造、 污水处理等行业，竹浆主要用于造纸【列【9 】。国外最近的研究中竹子和竹子束纤维只是 用于制造增强复合材料t 1 0 1 1 1 】，竹纤维用来制作纺织服装产品是近几年来研究开发的 新技术，欧美日韩等国家的科研人员在此方面走在我国的前面，但主要停留在竹粘胶 纤维的研究开发阶段【1 2 1 我国对纺织用竹纤维的研究起步虽较晚，但却取得了突破性 进展。我国科研人员已成功将原生竹纤维和竹浆纤维用于纺织制造，并形成了小批量 工业化生产的规模。 2 0 0 0 年四j i i 阆中棉纺织厂将生长1 2 1 8 个月的慈竹经过去青、齿轮反复轧压，再 进行不完全脱胶制成需要的竹纤维( 束纤维) ，并在棉纺设备上进行了试纺，证明了 原生竹纤维的生产是完全可行的1 1 3 j 。 2 0 0 0 年湖南株洲雪松公司利用多种纯天然植物的浸出液将竹材中的木质素等杂 质除去后，经过机械加工成为竹原纤维，并申请了专利。在生产过程中不使用任何化 学试剂，属于纯物理方式提取纤维，该纤维洁白光亮、挺直滑爽、细度均匀，强度较 高，弹性偏小，支数1 2 0 0 - - - 2 0 0 0 n m ，适合纯纺中粗支纱【l “。 同年，河北吉藁化纤厂申请了制造粘胶竹浆柏的生产工艺专利，随后进行竹浆粕 纤维的研制，经过两年的探索成功开发出可纺织用的竹浆纤维，经工艺检验该纤维细 度、白度、与普通精漂粘胶接近，强力较好，且稳定均一。2 0 0 2 年该厂为竹浆纤维 的生产申请了专利，并以“天竹”为品牌开始规模化工业生产i ”n 。 2 0 0 2 年上海化纤浆粕总厂首创竹浆粕变性生产二步法蒸煮等一系列关键新工艺 技术手段，保持和优化了竹纤维的天然特性，将不溶性造纸用竹浆粕变性，转为可溶 第一章绪论 性粘胶纤维用竹浆粕，攻克了竹浆粕反应性能不良、可纺性差和甲纤含量低、白度不 高等技术难关，为粘胶纺丝提供了一种性能优良的纯竹浆纤维浆粕新材料，与棉浆粕 生产比较，减少生产废水排放量3 5 。竹浆粕变性生产工艺为国内外首创，是目前 粘胶纤维用竹浆粕生产的最新技术。上海月季化学纤维有限公司用这种浆粕新材料， 通过独特的粘胶纺丝工艺路线，克服了竹浆粕溶解难、蓬松度差等缺点，生产出强力 高的纯竹浆纤维粘胶丝，各项物理指标均达到国家粘胶纤维一等品的标型1 7 】。 2 0 0 3 年日本东丽公司以竹为原料用粘胶法制成竹浆纤维素纤维，并以2 0 以上 的该纤维与高档次的聚酯纤维或聚丙烯纤维等合成纤维复合交织成名为“爽竹”的织 物，此布料手感滑爽、柔软，尺寸稳定性好，具有产生负离子的功能【1 8 1 。 日本野村产业株式会社申请的“天然纤维素纤维及用这种纤维制成的布帛”专利， 是先将竹制成竹浆，用碱和二硫化碳处理，然后溶解在氢氧化钠中，经纺丝、凝固等 工艺制得竹纤维长丝，用这种纤维织成的布帛具有优良的挺括性和麻纤维的手感，并 且吸湿性和散湿性极好【1 9 】。 据有关资料报道国内厂家开发出彩色竹浆纤维，采用独特的染色工艺即纺前注射 的方式，将微米级颜料直接加入到粘胶中，并通过动静态双重混合的方式予以充分搅 拌均匀，在纤维反应生成的过程中就充分融合，避免了化学颜料与人体的直接接触， 基本不会对皮肤产生伤害，同时使竹浆纤维天然抗菌物质始终结合在纤维素大分子 上，具有独特的保健功效【删。 1 2 竹浆纤维的研制 1 2 1 竹浆纤维的化学组成1 2 1 - 2 2 1 竹材中化学成分主要是纤维素、半纤维素、木质素，另外还有灰分等少量其他物 质。竹浆纤维的化学组成见表1 - 1 。 纤维素是竹材中最主要的成分，由于生长地域不同，纤维素含量也不同，从表1 - 1 中可看出竹材中的纤维素含量远低于棉短绒中的纤维素含量( 后者高达9 5 ) ，而木 质素及半纤维素含量却比较高，所以竹材中竹纤维的提取比较困难。竹材中含有的半 纤维素是一种填充于纤维之间和微细纤维之间的无定形物质，常以聚戊糖表示，其聚 合度低，吸湿后易润胀。木素是存在于胞间层和微细纤维之间的一种芳香族高分子化 合物，它决定着竹纤维的颜色。竹纤维只有初生结构、没有次生结构，构造简单。 第一幸绪论 竹纤维的本质是纤维素，其分子结构式可用下式来表示 从上述分子结构中可以清楚地看出，葡萄糖残基彼此以1 74 成键，即主价键 ( g d c ) 相连接，且相互以1 8 0 0 扭转。括号外的n 表示纤维素的聚合度，说明组成 纤维素大分子的基本链节即葡萄糖残基的数目。每个基环中含有三个醇羟基，分别在 2 、3 、6 位碳原子上。醇羟基能进行一系列酯化、醚化、氧化及取代等反应，而其中 的伯醇羟基化学性质最活泼，仲、季醇羟基则依次次之。纤维素大分子中的苷键对酸 十分敏感，而苷键对碱的作用则相当稳定，所以竹浆纤维同其他纤维素纤维一样不耐 酸和氧化剂而对碱比较稳定。 1 2 2 竹浆纤维的加工【1 6 l 竹浆纤维的开发是把竹子切片、风干后采用水解一碱法及多段漂白精制而成浆 粕，经人工催化，将甲种纤维素含量在3 5 左右的竹浆纤维素提纯到9 3 以上，在 满足纤维生产要求的基础上，再由化纤厂加工制成竹浆纤维。竹浆纤维浆粕生产主要 是脱除木质素，降低戊糖含量，调整聚合度。一般采用粘胶法纺丝，首先用碱和二硫 化碳处理竹浆粕，使其溶解在氢氧化物溶液中制成粘胶溶液，然后用湿喷湿纺工艺纺 丝制成竹浆纤维。用此法制成的竹浆纤维消除了原生竹浆纤维刚性大、硬挺的缺点， 染色较易，强力较好，韧性、耐磨性较高，可纺性能优良。其加工工艺流程为： 4 第一章绪论 竹材备料一切料一筛选一洗料一预处理一蒸煮一除砂、浓缩一氯化一碱精制一漂 白一酸处理一除砂、浓缩一抄造一浸渍一压榨一粉碎一浸渍一碱化一磺化一初溶解一 溶解一头道过滤一二道过滤一熟成一纺前过滤一纺丝一塑化一水洗一切断一精练一 烘干一打包 山热水 i 碱液、保护剂等i 氯气i 碱等l 烧碱、漂液、盐酸 ，t丫， 盐酸碱液、变性剂审审 l 竺竺兰 一堕竺：兰竺 一兰兰 一墨兰 一曼兰 + 广 r 广 厂1 广 l 二碱化碳、增强剂 ， 士酸、碱、油、酶等 图1 1 竹材粘胶纤维加工工艺流程图 1 3 竹纤维的开发及研究现状 竹子应用于纺织纤维有两种方式：一种是利用化学的方法以天然竹子为原料，经 过人工催化将甲种纤维素在3 5 左右的竹纤维提纯到9 3 以上，采用水解碱法 及多段漂白精制而成满足纤维生产要求的竹浆粕，再由化纤厂用粘胶纺丝的工艺生产 出竹浆粘胶纤维，又称为竹浆纤维“6 1 ；另一种是利用物理方法将竹材通过整料、制竹 一 第一章绪论 片、浸泡、蒸煮、分丝、梳纤、筛选等工艺去除竹子中的木质素、多戊糖、竹粉、果 胶等杂质，直接提取获得天然竹纤维原生竹纤维1 2 ”。 原生竹纤维应用于纺织产品还处于研究开发阶段，生产量小，主要由于对竹纤 维的物理、化学性能还未完全了解，竹纤维单纤维长度较短，只有2 m m 左右，因此 必须采用工艺纤维( 束纤维) 才能使其成为纺织用纤维。目前制取的竹纤维束太粗，硬 丝、并丝很多，木质素残余较多，与纺织用纤维所必须具有的一定细度、柔软性及强 力还有一定差距幽j 。 竹浆纤维作为一种新型的纺织原料具有独特的性能，其制品在光泽手感等方面 有独特的风格。目前，众多企业和纺织院校都进行了竹纤维的研究与开发工作，先后 开发了多种( 针织、梭织) 纯纺、混纺面料，并从不同角度对竹浆纤维的性能、纺纱 织造、染整、产品设计等方面作了部分探讨，现已取得了一些初步成果。 ( 1 ) 竹浆纤维作为一个新的纤维品种，其基础研究还只是刚刚起步，许多性能与 机理还不清楚。赵博【2 5 1 、隋淑英【2 6 1 、李瑞洲拥、李钰【2 9 】等人分别对竹浆纤维的常规 物理性能作了研究，由于测试样品的不同，各文献之间提供的部分测试结果存在差异。 竹浆纤维机械性能与普通粘胶短纤相似，强力略高于粘胶而低于棉纤维，伸长较大， 初始模量小；细度和长度可根据需要加工成不同的类型与规格( 即棉型、毛型和丝型) ， 细度1 6 6 - 5 5 d t e x ，长度3 8 - - 8 6 m m ；结晶度4 0 ，结晶结构同粘胶纤维，属于纤维素i i 的晶体结构，聚合度4 0 0 - , 5 0 0 ：回潮率较高，湿强低于于强，而湿伸大于干伸。徐国 华 2 9 j 、苗建萍d o 、张涛f 3 l l 等人阐述了竹纤维的简单鉴别方法，主要是外观形态鉴别、 溶解法和着色剂鉴别。由于竹浆纤维与粘胶纤维在外观形态上很相似，因此张涛通过 微观结构观察、木质素测定及红外光谱分析法有效鉴别竹浆纤维和粘胶纤维。徐国华 还测试了竹纤维的燃烧性及与部分溶液的溶解反应，得出竹纤维燃烧性能基本与棉、 麻、粘胶等纤维素纤维类似的结论；对竹纤维进行溶剂溶解时发现在加热的丙酮中不 溶解，在热甲酸中不溶解，在热稀硫酸中部分溶解，在热浓硫酸中完全溶解，在3 7 的盐酸中溶解，5 氢氧化钠煮沸处理不溶解。赵博【2 5 1 、隋淑英 2 6 1 等人测试了竹纤维 的吸湿透气性、磨擦性等指标：在标准状态下竹纤维的回潮率达1 2 ，与普通粘胶接 近，但吸放湿速度要远大于粘胶纤维，居各纤维之首；透气性优于蚕丝、粘胶及一般 化学纤维，比棉纤维高3 5 倍；竹纤维的磨擦系数相对棉及粘胶偏低，动静磨擦系数 差值较小，纤维抱合力小，弹性差。阎贺静【3 2 悃热重分析法分析了竹浆纤维的热性能， 发现竹浆纤维的耐热分解性比粘胶和棉纤维差，耐日晒能力与粘胶相似。 竹纤维即可纯纺也可与棉、粘胶、毛、天丝、莫代尔、麻、蚕丝、涤纶等化 纤混纺，适合于环锭纺、气流纺、喷气纺等几乎各种纺纱方式1 3 3 1 。竹纤维的品种适应 性较广，可广泛用于卫生材料、洗浴用品、无纺布、床上用品、服装( 主要为内衣、 贴身t 恤、夏季服饰、袜子) 等领域。刘广平等人j 将竹纤维作里层；细旦涤纶作 6 第一章绪论 外层，生产出涤竹两面织物，具有轻薄、柔软、细腻的触感和布面挺括、纹路清晰、 光泽柔和的风格。陈秋等人口5 】针对竹纤维及竹棉织物易皱不平整的缺陷，对其进行了 特殊的染整加工，提出克服此缺陷的关键生产技术。哈尔滨中纺亚麻科技公司利用竹 与亚麻纤维的性能互补，研制出了竹与亚麻交织交捻的织物，该织物柔软亮丽、悬垂 性好、吸湿透气，改善了纯亚麻产品原有的厚重、粗犷p 6 1 。吴江键丰丝纺厂将3 0 - 4 0 竹纤维于真丝混纺生产出的丝竹面料弥补了纯真丝绸抗皱性能较差、不挺括、不能机 洗的缺憾，同时织物的吸湿导湿透气性得到加强【3 7 l 。沈国芬提出用竹纤维纱生产针织 面料时织物组织结构要尽可能简单，卷取张力要小1 3 8 。 ( 3 ) 赵博1 3 9 1 、马小敏【4 0 1 、陈杰h 1 】提出竹纤维与其他纤维混纺时要注意纤维之间的 性能差异，原料混合时要进行补湿，并加入适量抗静电剂，混合后的上机回潮率控制 在1 0 ，梳理时要加大入口隔距，并条应采用较小的喇叭口，粗纱捻系数比棉大 5 1 0 ，采用“大隔距、重加压、小张力”的工艺原则，生产中要严格控制车间的温湿 度并适当调整各工序工艺参数。 ( 4 ) 竹纤维不耐酸碱，对竹纤维的染整应采取轻烧毛、酶退浆、适当漂白，工艺 条件不能剧烈，机械张力应小，竹纤维的耐碱性比棉差，一般不丝光，如果为了提高 染色过程中染料的吸附能力，可进行半丝光处理。低温烘干纺织纤维脆损阎。由于竹 纤维分子取向度低，染料分子对其亲和力大，上染速度快，容易造成染色不匀，因此 要选用配伍性好、反应活性中等的染料对其染色，要严格控制温度和升温速度。一般 选择活性染料、直接染料、分散染料和还原染料进行染色。由于竹纤维的吸湿排汗功 能，后整理要选择亲水性柔软剂【4 珂。由于竹纤维缩水率大，尺寸稳定性差，因此 在后整理中要进行适当的预缩处理来降低织物的缩水率1 4 引。 ( 5 ) 日本学者系井彻 4 6 1 研究了竹纤维抗紫外能力和除臭抗菌性，发现竹纤维布对 紫外线的吸收能力比麻布、棉布高，尤其在c 波领效果更明显，竹纤维布料具有优 良的抗菌性能，对酸臭和氨气的除臭效果比棉布要好得多。国内郑明伟等人1 4 ”研究了 竹浆纤维的抗菌性能，发现虽然竹浆纤维织物经漂白、染整等化学工艺处理，抑菌作 用会有所消弱，但在竹纤维浆粕制作过程中利用特殊技术保持竹子的天然抗菌性能， 用它生产的纺织品就具有了竹子的天然抗菌功能，而且这种抗菌性不会因使用时间而 减弱；因此认为竹浆纤维的生产，关键是保持它的天然抗菌抑菌物质不被破坏。 1 4 开发竹纤维的重要意义 我国对竹纤维的研究起步虽然比较晚，但是却取得了突破性进展，竹纤维的开发 有着重要的意义。 第一章绪论 1 4 1 竹纤维具有重要的环保意义1 4 8 】 竹子是一种生长十分广泛，栽种成活4 5 年就可成林砍伐的速生造林树种，属于 可再生资源。用它作为工业原料，部分取代了石油资源，同时缓解了棉、木型纤维原 料与日俱增的供需矛盾，有利于森林资源的综合保护，符合世界纺织工业可持续发展 战略的方向。竹子是常绿植物，在其生长过程中无虫蛀、无腐蚀、极少受到农药和其 它有害物质的污染，具有天然抗菌性。在加工竹纤维过程中，采用高新技术工艺处理， 使这种抗菌性不被破坏，同时在原料的提取和生产制造过程中，全部实施绿色生产， 无污染无废弃物。竹纤维及其产品可在土壤中1 0 0 生物降解，与传统合成纤维相比 竹纤维有利于保护生态环境。 1 4 2 竹纤维具有重要的经济价值 4 9 1 我国地处世界竹子分布中心，竹林面积居世界第一位，占全国森林面积的2 8 ， 竹资源十分丰富，竹纤维研制纺织服装产品为竹资源的合理开发和用提出了一条新的 途径。加工成竹纤维作为一种纺织原料，具有重要的经济价值。我国是一个纺织大国， 每年要消耗大量的纺织原料，随着化纤工业的发展，我国化纤产量从1 9 6 0 年一万吨 到2 0 0 0 年的6 9 0 万吨，居世界第一，但在出口创汇的同时，却每年还要进口化纤原 料1 3 0 万吨，占进口纺织原料的6 3 左右。竹纤维的开发将改善这一状况。虽然现在 竹纤维的生产能力还不大，但国内一些企业已利用竹纤维生产出不同风格和功能的竹 纤维制品，并成功打入欧美市场，增加了纺织产品的附加值，同时提高了我国纺织品 在世界市场上的竞争力。 根据前述综合分析可知，竹纤维虽然已取得了稳定的工业化生产，但该纤维的系 统性理论研究才刚刚起步，尚缺少深入的基础性研究工作，以及基于基础研究成果上 的产品定位和产品开发方向的研究。竹纤维的许多性能与机理以及与纺丝加工工艺的 关系尚不清楚，目前的测试表明，竹纤维还存在不足。纤维部分性能的缺陷将直接影 响到该纤维更广泛的应用，为完善竹纤维纺丝加工工艺，纤维结构与性能的研究是必 要和必须的。同时研究竹纤维结构性能对纱线、坯布及成品的影响可以使纤维在应用 开发中扬长避短。 1 5 本课题的主要研究内容 本文主要测试分析了竹浆纤维的基本物理性能和形态结构，并测试分析了竹浆纤 维及其纱线的力学性能以及测试条件( 主要为拉伸速度) 对竹纤维纱线力学性能的影 响，建立力学模型来模拟纱线的拉伸性能，并用模型参数的变化来描述纱线力学性能 第一章绪论 随拉伸速度变化的现象，为企业实际生产提供一定的参考。主要分为四个方面： ( 1 ) 测试分析了竹浆纤维的基本性能，包括卷曲性、导电导湿性、摩擦性、化学 性和形态结构，并与其他纤维性能进行了t e 较。 ( 2 ) 测试分析了竹浆纤维常温下干湿态力学性能( 一次拉伸性能) 和热处理对竹 浆纤维力学性能的影响( 干热和湿热处理后纤维拉伸力学性能的变化) ，以优化后整 理加工过程。 ( 3 ) 研究分析了竹纤维纱的力学性能和拉伸速度对力学性能的影响。 ( 4 ) 选择合适的模型模拟不同拉伸速度下竹纤维纱的拉伸性能，分析模型参数的 变化与纱线性能的关系，并由此来预测竹纤维纱的力学性能。 本课题所选样品：竹浆纤维为河北吉蘖化纤厂生产的天竹牌棉型竹浆纤维，规格 1 6 7 d t e x 3 8 m m 。 竹纤维纱线为河北天伦纺织公司采用天竹牌竹浆纤维纺纱生产而成。 9 第= 章竹纤维基本性能的研究 2 竹纤维基本性能的研究 纺织纤维是纺织工程的基础原料，纤维的结构性能与纺纱工艺、织造工艺、染整 工艺及纺织产品的质量和使用性能关系密切。掌握纤维原料的基本性能对于优化纺、 织、染各道工序设计以及新产品的开发都很重要 ：s o l 。因此本文测试研究了竹纤维的形 态结构和基本性能并进行了分析。 2 1 竹纤维的形态结构 由于原生竹纤维和竹浆纤维的加工方法不同，因此两种纤维的物理机械性能和形 态结构上存在较大差异。了解纤维的形态结构不仅有助于辨别纤维，还可由此推测纤 维的可纺性能。本文选用湖南株洲雪森麻业产的原生竹纤维和河北吉藁化纤厂的竹浆 纤维，按照文献( 5 1 ) 的测试方法做纤维切片，在m o f i cd m b 5 型数码显微镜下观察并 拍照( 放大倍数为4 0 0 ) ，得到两种纤维的截面及纵向形态，如图2 1 至2 4 所示。 图2 - 1 原生竹纤维的截面形态图2 2 原生竹纤维的纵向形态 图2 - 3 竹浆纤维的截面形态图2 4 竹浆纤维的纵向形态 1 0 第二章竹圩维基本性能的研究 观察显微镜切片可以发现，原生竹纤维的截面呈扁平椭圆状，纤维中间具有孔洞， 纵向表面存在沟槽和裂缝横向有竹节，无天然转曲，其形态结构很像苎麻。竹浆纤 维横截面呈不规则圆形，边沿具有不规则锯齿，这与纤维的生产过程中成形条件有关； 纵向表面光滑均一，表面有较浅的沟槽。由于竹浆纤维的生产采用和粘胶纤维相同的 工艺过程，且两者都属于再生纤维素纤维，因此表面形态极为相似，从外观形态上很 难判断出竹浆纤维和粘胶纤维。 有人1 3 h 通过扫描电子显微镜对竹浆纤维的纵向和截面进行观察，发现该纤维没有 明显的皮芯层，锯齿形状不及粘胶明显，截面有分布不匀、大小不一的微孔；纵向存 在深浅不一的沟槽，有的浅浮表面，有的深陷其里，造成较大裂缝，形成纤维结构上 的缺陷，影响到纤维强伸性能。竹浆纤维横截面的高度中空使其具有很强的毛细效应， 吸放湿能力好；纵向沟槽的存在使得纤维表面具有一定的摩擦系数，纤维问抱合力较 好，有利于纤维的成纱。竹浆纤维的结构特性一方面给纤维提供了良好的吸湿透气性， 另一方面在纤维中形成缺陷，对纤维的强伸性能有着负面影响，导致了纤维强力的降 低、脆性的增加，使得水分子较易进入非结晶区，减小了大分子之间的相互作用，大 大降低了竹浆纤维的湿态强度。另外，竹浆纤维纵向裂缝的深度相当于整根纤维的五 分之一左右，这也是竹浆纤维断裂强力不高的主要因素之一。 2 2 竹纤维的基本性能 为了对竹浆纤维的物理化性能有一个比较系统全面的了解，本文测试了竹纤维的 各项基本性能并将其与棉纤维、毛纡维、蚕丝和粘胶纤维的性削1 5 2 1 1 5 3 1 进行了对比。 2 2 1 机械性能 纤维的机械性能是纺织品检验的重要内容，与纺织品的服用性能密切相关。 从表2 1 可看出竹纤维的干态断裂强度与粘胶相当但低于棉和蚕丝，湿态断裂强 度略高于粘胶但明显低于干强。竹纤维吸湿后强度有较大程度的下降，因此纺纱过程 中要合理控制温湿度条件，以保证纺纱过程的顺利进行。纤维