微波輻射對(duì)桑蠶絲結(jié)構(gòu)和性能的影響分析

李雨沛，趙 雪,b，展義臻

(1.紹興文理學(xué)院 a.紡織服裝學(xué)院；b.浙江省清潔染整技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興312000；2.杭州新生印染有限公司，杭州 311221)

蠶絲織物具有吸濕、透氣和舒適等功能，對(duì)蠶絲織物進(jìn)行改性處理可以更好地改進(jìn)蠶絲的性能并賦予其更多功能性，同時(shí)也為微波在蠶絲織物功能整理改性中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的化學(xué)改性處理方法具有加熱處理時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、污染環(huán)境等問(wèn)題[1-2]，且改性加熱方式是采用熱傳導(dǎo)的加熱方式，物品表面先受熱，然后熱量傳入物體的內(nèi)部，內(nèi)部的溫度總比表面溫度低，可能導(dǎo)致加熱處理不均勻。

微波具有很強(qiáng)的選擇性，對(duì)織物進(jìn)行微波改性加熱處理，極性分子在微波的作用下可以高速運(yùn)動(dòng)，分子間相互碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱效應(yīng)[3]。采用微波改性加熱處理織物，具有時(shí)間短、能耗少、環(huán)保和處理均勻等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，國(guó)內(nèi)外很多研究都采用微波對(duì)蠶絲進(jìn)行改性處理[6-8]，如用微波對(duì)蠶絲進(jìn)行精煉處理，使蠶絲纖維本身產(chǎn)生熱量，溶解蠶絲中的絲膠等不純物以去除絲膠而獲得好的精煉效果。本文采用微波輻射技術(shù)對(duì)蠶絲織物進(jìn)行改性處理，研究不同的微波輻射功率、輻射時(shí)間對(duì)蠶絲織物結(jié)構(gòu)和性能的影響，分析不同的微波輻射條件與蠶絲織物化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)和物理機(jī)械性能之間的變化規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

桑蠶絲織物：56根/cm×56根/cm，72 g/m2(杭州新生印染有限公司)。

1.2 儀器及設(shè)備

儀器：MAS型頻率為2 450 MHz微波加熱系統(tǒng)(上海新儀微波化學(xué)科技有限公司)，IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀(日本島津株式會(huì)社)，Empyrean X射線衍射儀(荷蘭帕納科)，SNG-3000掃描電子顯微鏡(韓國(guó)賽科有限公司)，H10K-L萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)Tinius Olsen公司)，WSB-3A智能式數(shù)字白度儀(溫州方圓儀器有限公司)。

1.3 改性方法

常態(tài)蠶絲織物用對(duì)微波基本無(wú)吸收的聚乙烯薄膜袋封裝密封后放入微波裝置內(nèi)處理，分別在五種不同的輸出功率(119、280、462、595、700 W)下處理(5、10、15、20、30、60 s)，然后將織物從微波裝置慢慢移除，冷卻。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)

采用IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)未經(jīng)改性和經(jīng)微波改性處理的蠶絲纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，掃描波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，光譜分辨率為0.5 cm-1。

1.4.2 纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用SNG-3000掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理，加速電壓為30 kV,對(duì)未經(jīng)改性和經(jīng)微波改性處理的蠶絲纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

1.4.3 纖維微結(jié)構(gòu)

采用Empyrean X射線衍射儀靶材為Cu，掃描范圍5°～60°，對(duì)未經(jīng)改性和經(jīng)微波改性處理的蠶絲纖維結(jié)晶度進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)X射線衍射圖和下式計(jì)算結(jié)晶度：

(1)

1.4.4 斷裂強(qiáng)力測(cè)試

采用GB/T 3923.1—2013《織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》對(duì)未經(jīng)改性和經(jīng)微波改性處理的蠶絲織物的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)試,樣品尺寸250 mm×50 mm，拉伸速度100 mm/min。

1.4.5 白度測(cè)試

采用WSB-3A智能式數(shù)字白度儀，標(biāo)準(zhǔn)照明體光源D65，測(cè)量孔φ32 mm，對(duì)未經(jīng)改性和經(jīng)微波改性處理的蠶絲織物白度進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波輻射對(duì)蠶絲織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

參照1.3改性方法選用不同的微波輻射功率(119、280、462、595、700 W)和輻射時(shí)間(5、10、15、20、30、60 s)對(duì)蠶絲織物進(jìn)行改性處理。研究不同的微波輻射功率、輻射時(shí)間對(duì)蠶絲織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的影響，強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率保持率的結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

注：原布經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為536.16 N。圖1 微波輻射對(duì)蠶絲織物斷裂強(qiáng)力的影響Fig.1 Effect of microwave radiation on the breaking strength of silk fabric

注：原布經(jīng)向斷裂伸長(zhǎng)率為40.85%。圖2 微波輻射對(duì)蠶絲織物斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.2 Effect of microwave radiation on the elongation at break of silk fabric

由圖1可知，蠶絲織物經(jīng)微波處理后斷裂強(qiáng)度得到提高，是因?yàn)樾Q絲纖維的回潮率約為8%～14%，蠶絲纖維當(dāng)中的水分主要以結(jié)合態(tài)水的方式存在，結(jié)合態(tài)水吸收微波能量較少，熱效應(yīng)不顯著[9-10]。因此蠶絲纖維可以直接獲得較多的微波能量，而結(jié)合態(tài)水的存在有利于蠶絲纖維內(nèi)部非結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，蠶絲纖維在加工過(guò)程中積累和產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得到松弛，從而使蠶絲織物經(jīng)微波短時(shí)間處理后斷裂強(qiáng)度得以提高。

由圖2可知，蠶絲織物的斷裂伸長(zhǎng)率經(jīng)微波輻射處理后增加，斷裂伸長(zhǎng)率除了受到斷裂強(qiáng)力增加所帶來(lái)的影響，由于蠶絲纖維當(dāng)中存在結(jié)合態(tài)水分子，另外與蠶絲纖維在微波濕熱處理狀態(tài)下的熱收縮也有關(guān)系。

2.2 微波輻射對(duì)蠶絲織物白度的影響

參照1.3改性方法選用不同的微波輻射功率(119、280、462、595、700 W)和輻射時(shí)間(5、10、15、20、30、60 s)對(duì)蠶絲織物進(jìn)行改性處理。研究不同的微波輻射功率和輻射時(shí)間對(duì)蠶絲織物白度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

注：原布白度為77.6。圖3 微波輻射對(duì)蠶絲織物白度的影響Fig.3 Effect of microwave radiation on the whiteness of silk fabric

從圖3可以看出，對(duì)比未經(jīng)處理的蠶絲，經(jīng)過(guò)微波處理后蠶絲織物的白度略微下降，這主要與在微波濕熱處理下蠶絲織物的泛黃有關(guān)，蠶絲織物經(jīng)微波輻射處理后白度下降不顯著。

2.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

參照1.3改性方法選用700 W微波輻射功率，輻射時(shí)間(5、10、30、60 s)分別對(duì)蠶絲織物進(jìn)行改性處理。研究微波改性處理對(duì)蠶絲纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，未經(jīng)處理和經(jīng)微波輻射處理蠶絲纖維的紅外光譜見(jiàn)圖4。

圖4 未經(jīng)處理和經(jīng)微波輻射處理蠶絲纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.4 Chemical structure of silk fibers untreated and treated with microwave

從圖4可以看出，未經(jīng)處理的蠶絲的紅外光譜曲線與微波處理過(guò)的蠶絲相比變化不大，微波輻照對(duì)蠶絲纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒(méi)有顯著影響。

2.4 結(jié)晶度分析

參照1.3改性方法選用700 W微波輻射功率輻射時(shí)間(10、30、60 s)分別對(duì)蠶絲織物進(jìn)行改性處理。研究微波輻射處理對(duì)蠶絲纖維結(jié)晶度的影響，未經(jīng)處理和經(jīng)微波輻射處理蠶絲纖維的X射線衍射分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 未經(jīng)處理和經(jīng)微波輻射處理蠶絲纖維的結(jié)晶度Fig.5 Crystallinity of silk fibers untreated and treated with microwave

根據(jù)式(1)計(jì)算，得到的微波處理前后蠶絲纖維結(jié)晶度如圖6所示。

圖6 微波處理前后蠶絲纖維的結(jié)晶度Fig.6 Crystallinity of silk fibers before and after treatment with microwave

由圖6可知，蠶絲纖維經(jīng)微波短時(shí)間處理后結(jié)晶度有所增加，微波輻射時(shí)微波電場(chǎng)主要作用于蠶絲纖維，蠶絲纖維內(nèi)部結(jié)合態(tài)水的存在有利于纖維非結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，改變了非晶區(qū)結(jié)構(gòu)的面積，從而使結(jié)晶度有所提高。

2.5 表面形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

參照1.3改性方法選用700 W微波輻射功率，輻射時(shí)間(5、10、30、60 s)分別對(duì)蠶絲織物進(jìn)行改性處理。研究微波輻射處理對(duì)蠶絲纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，未經(jīng)處理和經(jīng)微波輻射處理蠶絲纖維的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見(jiàn)圖7。

從圖7可以看出，蠶絲纖維經(jīng)微波輻射處理5、10、30 s后表面形態(tài)結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯改變，經(jīng)微波輻射處理60 s之后表面形態(tài)結(jié)構(gòu)略變粗糙，微波輻射對(duì)蠶絲纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)有一定的影響，經(jīng)微波長(zhǎng)時(shí)間濕熱環(huán)境下處理表面形態(tài)結(jié)構(gòu)略變粗糙。

3 結(jié) 論

本文采用微波輻射技術(shù)對(duì)蠶絲織物進(jìn)行改性處理，研究了不同微波輻射功率、輻射時(shí)間對(duì)蠶絲織物結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)微波輻射處理后，蠶絲織物的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率提高，白度略微下降，蠶絲織物的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒(méi)有顯著改變，結(jié)晶度有所提高，經(jīng)微波輻射處理60 s之后表面形態(tài)結(jié)構(gòu)略變粗糙。研究微波輻射對(duì)蠶絲織物結(jié)構(gòu)和性能的影響為微波輻射技術(shù)在蠶絲織物功能整理改性中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。