棉纖維抱合性探討

關(guān)立平 董哲英

（1.寧波市先進紡織技術(shù)與服裝CAD重點實驗室，浙江 寧波315211; 2.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院，浙江 寧波315211）

棉纖維抱合性探討

關(guān)立平1,2董哲英2

（1.寧波市先進紡織技術(shù)與服裝CAD重點實驗室，浙江 寧波315211; 2.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院，浙江 寧波315211）

以纖維層的斷裂強度為棉纖維的抱合力指標，對棉纖維的抱合性能進行了探討，分析了棉纖維主體長度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度及染色工序?qū)γ蘩w維抱合力的影響。結(jié)果表明，棉纖維的抱合力隨纖維主體長度、環(huán)境濕度的增大而顯著提高，染色會使棉纖維的抱合力下降。

棉纖維；抱合性；抱合力；主體長度

纖維的抱合性是衡量纖維可紡性的一項綜合指標，它與纖維的外觀形態(tài)、纖維長度、線密度、表面摩擦等有關(guān)[1]。由于擁有天然轉(zhuǎn)曲，使得棉纖維具有良好的抱合性[2]，其散纖維極易抱和成團，難以完全分散而形成單根獨立的纖維。為了系統(tǒng)地探討棉纖維的抱和性，本文以棉纖維層的斷裂強度為棉纖維的抱合力指標，探討了棉纖維主體長度、環(huán)境溫度和濕度與棉纖維抱合力的關(guān)系，分析了染色等對棉纖維抱合力的影響。

1 實驗材料

原色精梳棉條:4.6g，纖維主體長度30.14mm；染色棉是該精梳棉條通過KN型活性染料采用棉條染色工藝[3]染制而成（表1）；不同主體長度的棉纖維通過纖維切斷器切斷精梳棉條而成。

表1 染色纖維試樣編號

2 實驗設(shè)備、內(nèi)容與方法

圖1 纖維抱合力測試裝置示意圖

2.1 實驗設(shè)備

Y(B)171型纖維切斷器，Y111型羅拉式纖維長度儀，JN-B型精密扭力天平，YG(B)003A型電子單纖維強力機，Y151型纖維摩擦因數(shù)儀，XH-6002萬能強力機，DHUA201型小樣清梳聯(lián)合機，BSA220.4電子天平，XSP-2CXSP-3C生物顯微鏡，自制纖維抱合力測試裝置（圖1）。圖1中，G形夾固定于萬能強力機的下夾持器所處平面，纖維層水平無張力地夾持于G形夾上，鞍形夾下部置于纖維層的下底中部，上部與萬能強力機的上夾持器聯(lián)接，萬能強力機上夾持器上升，帶動纖維層中部被拉起，直至纖維層完全斷裂，萬能強力機所測強力與鞍形夾重量及纖維層自重之差即為纖維層的斷裂強力。

2.2 實驗內(nèi)容與方法

2.2.1 棉纖維主體長度（L）的測試

用纖維切斷器取不同長度切斷精梳棉條，按照標準 GB/T 6098.1-2006《棉纖維長度試驗方法第一部分：羅拉式分析儀法》,測試并計算不同長度棉纖維的主體長度。

2.2.2 棉纖維拉伸性能的測試

先將試樣在標準狀態(tài)下進行預(yù)調(diào)濕和調(diào)濕，至達到吸濕平衡，按照標準FZ/T98009-2011在電子單纖維強力機上進行棉纖維拉伸性能測試。選擇隔距長度為10mm，拉伸速度10mm/min，預(yù)加張力棉纖維為0.2cN/tex，測試次數(shù)為50次。

2.2.3 棉纖維摩擦系數(shù)的測試

采用絞盤法[4]在纖維摩擦因數(shù)儀上測試棉纖維的摩擦性能。將纖維凈化處理后，在標準狀態(tài)下預(yù)調(diào)濕，達到平衡后進行測試。張力鉗質(zhì)量為200mg，轉(zhuǎn)速采用30r/min，每根纖維測2次。最后，按照歐拉公式（1）計算纖維動摩擦系數(shù)。

式中： ——纖維間的包角；

m——扭力天平讀數(shù)；

f1——張力鉗質(zhì)量，mg；

f2——張力鉗質(zhì)量與m之差，mg。

2.2.4 棉纖維抱合力測試

抱合力是在纖維間的正壓力為0時,纖維間的相對移動的阻力[5]，可以通過纖維層的斷裂強度（）來定量表征。先將棉纖維在小樣清梳聯(lián)合機上制成一定規(guī)格的纖維層（纖維層克重為 3g，規(guī)格為22cm×20cm），采用抱合力測試裝置在萬能強力機上測試，通過測量該段梳理纖維層的斷裂負荷除以該段的質(zhì)量得到的斷裂強度來表征纖維抱合力。當纖維層垂直于纖維取向斷裂時，纖維間抱合力最大[6]。纖維層的斷裂強度計算方法如公式（2）所示。

纖維層的斷裂強度越大，則表示纖維的抱合力越大。

實驗過程中，在恒溫恒濕實驗室，溫度、濕度按要求調(diào)節(jié)好，然后將梳理好的棉纖維層放于實驗室里預(yù)置24小時，再用抱合力測試裝置測算纖維層的斷裂強度。

3 結(jié)果與討論

3.1 棉纖維主體長度對纖維抱合性的影響

原色棉纖維的纖維層斷裂強度與主體長度的關(guān)系如圖2所示，測試溫度為20℃，相對濕度為65%。

從圖2可以看出，纖維層的斷裂強度隨著棉纖維的主體長度的增大而增大。這主要因為，纖維的主體長度越大，在纖維層中每根棉纖維與其它纖維發(fā)生接觸的機會越多，拉伸時所產(chǎn)生的摩擦力越大。同時，對同一批次的纖維來說，纖維的主體長度越大，則棉纖維的天然轉(zhuǎn)曲數(shù)量越多，纖維在纖維層中的形態(tài)會變得更不規(guī)則，纖維之間發(fā)生糾纏的可能性增大，在集合體中纖維與纖維間的接觸點會增多。當纖維與纖維間相對滑移時，相互之間的摩擦阻力增大，纖維層的斷裂強度也隨之增大，表明纖維間抱合力越大。

纖維層的斷裂強度與棉纖維主體長度之間呈現(xiàn)二次曲線的關(guān)系，通過曲線擬合可得其關(guān)系式如公式（3）所示。

3.2 濕度對纖維抱合性的影響

棉纖維具有良好的吸濕性，當水分子進入纖維無定形區(qū)時，它增大了纖維素大分子的分子間距，使纖維橫向變粗，從而改變了棉纖維的表面狀況，最終影響纖維的抱合力。原色棉纖維的纖維層斷裂強度與環(huán)境相對濕度（R.H.）的關(guān)系曲線如圖3所示，測試溫度為20℃。

圖2 纖維層斷裂強度與主體長度關(guān)系

圖3 纖維層斷裂強度與相對濕度關(guān)系

從圖3可以看出，在溫度一定的情況下，隨著環(huán)境相對濕度的增大，纖維層的斷裂強度也不斷增大。這是因為，環(huán)境相對濕度增大時，棉纖維的回潮率增大，纖維所含的水分子增多，使得親水性的纖維素大分子的移動性增強，導致纖維變得更柔軟，纖維更易彎曲和糾纏。因此，增大環(huán)境的相對濕度，會使纖維間接觸點增多，接觸面積增大，纖維間的摩擦力也隨之變大。當纖維層受力時，纖維客服纖維間的摩擦阻力而發(fā)生相對移動，直至纖維層發(fā)生斷裂。因此，若棉纖維所處環(huán)境的相對濕度增大，則纖維的含水量增大，最終導致纖維層的斷裂強度增大，從而反映出纖維間的抱合力增大。原色棉纖維層的斷裂強度與環(huán)境相對濕度的關(guān)系曲線呈現(xiàn)出負指數(shù)的關(guān)系，其擬合方程如方程（4）所示。

圖4 溫度與纖維層斷裂強度的關(guān)系

3.3 溫度對纖維抱合性的影響

圖4是原色棉纖維層的斷裂強度與測試溫度（t）之間的關(guān)系圖，其中環(huán)境相對濕度為65%。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境相對濕度一定的情況下，原色棉纖維層的斷裂強度受環(huán)境溫度的影響較小，隨著環(huán)境溫度的升高，纖維層的斷裂強度略微下降。說明溫度對纖網(wǎng)斷裂強度的影響不顯著。這可能是由于在相對濕度恒定的情況下，環(huán)境溫度升高時，纖維所吸收的水分子運動加劇，纖維內(nèi)、外部水分子交換更頻繁，使纖維與纖維之間的含水量增大，從而對纖維表面的動摩擦系數(shù)略微下降，最終導致纖維層的斷裂強度小幅下降。原色棉纖維層的斷裂強度與環(huán)境溫度呈現(xiàn)負指數(shù)關(guān)系，擬合方程如公式（5）所示。

3.4 染色對纖維抱合性的影響

棉條在染色過程中，纖維要經(jīng)歷受力、堿煮等物理、化學工藝流程，這會使得棉纖維表面發(fā)生一定程度的變化，而染料分子的上染還會使纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變化，最終會對纖維的抱合性能產(chǎn)生一定的影響。

表2是原色棉條在染色前、后棉纖維的性能參數(shù)與纖維層斷裂強度的測試結(jié)果。測試環(huán)境條件為：溫度20℃，相對濕度65%。

表2 棉纖維的性能參數(shù)及纖維層的斷裂強度

由表2可知，棉纖維經(jīng)過染色工藝后，纖維的線密度和主體長度略微下降。這表明，纖維在棉條染色工藝過程中的物理及化學加工工藝，使一小部分纖維發(fā)生破壞，使纖維的線密度下降，纖維的主體長度有所減小。由于棉條在染色時一般要經(jīng)歷較長時間的高溫水溶液處理階段，此時纖維中大分子的熱運動增強，使纖維素大分子鏈的柔性增大，分子間作用力降低，纖維大分子的聚合度和取向度降低，故而纖維的斷裂強度下降，斷裂伸長率增大。

圖5是棉條染色前、后棉纖維的縱向外觀照片。它表明，棉纖維在染色后，其縱向外觀依然成帶狀轉(zhuǎn)曲，但天然轉(zhuǎn)曲數(shù)明顯減少，這會使纖維表面的摩擦系數(shù)下降，從而降低纖維間的抱合力。表2的數(shù)據(jù)顯示，棉纖維在染色后，其摩擦系數(shù)和纖維層的斷裂強度出現(xiàn)顯著下降。這主要是棉纖維在染色后，纖維主體長度的下降與纖維天然轉(zhuǎn)曲的減小共同作用的結(jié)果。因此，棉纖維在染色后，纖維間的抱合力明顯小于染色前。

圖5 棉纖維染色前、后的縱向形態(tài)

4 結(jié)論

本文以纖維層的斷裂強度為棉纖維的抱合力參數(shù)，探討了棉纖維主體長度、環(huán)境溫濕度及染色工序?qū)γ蘩w維抱合力的影響，得出了如下結(jié)論：

1）棉纖維的抱合力與棉纖維的主體長度呈二次曲線關(guān)系，棉纖維的主體長度越大，其抱合力越大；

2）環(huán)境溫度一定條件下，棉纖維的抱合力隨著環(huán)境濕度的增加而增大，且呈負指數(shù)曲線關(guān)系；

3）一定相對濕度的條件下，環(huán)境溫度對棉纖維的抱合力的影響不太顯著，隨著溫度的升高，棉纖維的抱合力隨之緩慢下降。

4）在經(jīng)棉條染色工藝染色后，棉纖維的表面轉(zhuǎn)曲減少，主體長度下降，使得其表面摩擦系數(shù)和抱合力顯著下降。

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[2]于偉東.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，2006：127-132.

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Discussion on the Cohesive Properties of Cotton Fiber

GUAN Li-ping1,2DONG Zhe-ying2
(1.Ningbo Key Lab of Advanced Textile Technology and Clothing CAD,Ningbo Zhejiang 315211,China；2.Zhejiang Fashion Institute of Technology,Ningbo Zhejiang 315211,China)

This paper discusses the cohesive properties of the cotton fiber with the breaking strength of thefiber layer as the cohesion index and analyzes the effects of the major length of the cotton fiber,the environment temperature,the humidity and the dyeing process on the cohesive force.The result shows that the cohesive force of cotton fiber increases markedly with the increasing of major length of the fiber and environment temperature while dyeing will decrease the cohesive force.

cotton fiber;cohesive property;cohesive force;major length

TS111

A

1674-2346(2015)04-0005-04

（責任編輯：田 犇）

10.3969/j.issn.1674-2346.2015.04.002

2015－09－28

寧波市科技創(chuàng)新團隊項目 [編號：2012B82014]

關(guān)立平，男，副教授，博士。研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計