生物質(zhì)纖維/菠蘿葉纖維多組分混紡紗線的品質(zhì)與性能

閔小豹， 潘志娟

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021； 2. 現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室(蘇州)， 江蘇 蘇州 215123)

新型植物纖維的開發(fā)既可豐富紡織纖維的種類，也能更好應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境惡化問題，與綠色纖維發(fā)展理念相契合，為新時(shí)代下紡織行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量[1]。我國是菠蘿種植大國，菠蘿葉資源豐富，然而葉片多被焚燒或肥田，造成大量資源浪費(fèi)及環(huán)境污染[2]。菠蘿葉中含有豐富的葉脈纖維，也稱菠蘿麻，不同于普通麻纖維的風(fēng)格和性能，其還具有天然殺菌特性，是一種較為理想的紡織纖維原料[3]。菠蘿葉纖維的提取是其投入使用的重要步驟，目前提取方法主要有機(jī)械剝離和物理生物聯(lián)合脫膠提取法[4-5]，如歐忠慶[6]團(tuán)隊(duì)研制的菠蘿葉和纖維提取聯(lián)合收割機(jī)能夠完成菠蘿葉收割、纖維葉渣分離等工作，汪樂等[7]采用物理生物聯(lián)合脫膠的方法提取可紡性菠蘿葉纖維。在紗線和織物開發(fā)方面，徐穎等[8]采用菠蘿葉纖維、納米銀抗菌滌綸混合成條，經(jīng)預(yù)并條后條混的方法，制備菠蘿葉纖維混紡紗線，劉德駒等[9]采用菠蘿葉纖維、Tefra-Channel聚酯纖維和大豆蛋白復(fù)合纖維進(jìn)行混紡并開發(fā)戶外運(yùn)動(dòng)服裝面料。此外，顧東雅等[10]使用雅格素NF系列活性染料對菠蘿葉纖維/棉混紡針織物進(jìn)行無鹽、無堿清潔化染色。

本文研究以菠蘿葉纖維為主要原料，采用絹紡工藝將菠蘿葉纖維與絹絲、羊毛、Lyocell纖維、聚乳酸纖維和殼聚糖纖維等多種生物質(zhì)纖維混紡，制備兩組分及三組分單紗，再經(jīng)熱定形、單紗合股加捻、燒毛和電清工藝等制得混紡質(zhì)量比為85∶15的16.7 tex×2兩組分股線以及混紡質(zhì)量比為50∶30∶20的14.3 tex×2的三組分股線，測定與分析了紗線的毛羽、條干均勻度等紗線品質(zhì)指標(biāo)以及力學(xué)性能、吸濕性能等，以期為菠蘿葉纖維混紡紗及其面料的開發(fā)提供一定的技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料來源與規(guī)格

菠蘿葉纖維購自義烏禾維科技有限公司，羊毛、絹絲和Lyocell纖維購自嘉興市華益絲絹股份有限公司，聚乳酸(PLA)纖維購自嘉興艾普纖維科技有限公司，殼聚糖纖維購自青島即發(fā)集團(tuán)股份有限公司。表1示出各纖維物理性能指標(biāo)。

表1 纖維物理性能指標(biāo)Tab.1 Fiber physical performance index

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

GL2241-1SCN 型電子精密天平(賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司),Y171型纖維切斷器(溫州方圓儀器有限公司),TM 3030PLUS 型臺式電鏡(日本日立公司)，YG086C型縷紗測長機(jī)(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，YG155A型紗線捻度儀(常州天榮儀器設(shè)備有限公司)，Y802N型八籃恒溫烘箱(寧波紡織儀器制造廠)，5976型INSTRON萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國Instron公司)，ME-100型USTER條干測量儀(瑞士烏斯特技術(shù)公司)。

1.3 菠蘿葉纖維性能

圖1所示為菠蘿葉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)。截面近似橢圓且有中腔，有孔洞和縫隙，表面粗糙，有枝節(jié)，縱向較為平直，單獨(dú)成紗質(zhì)量較差，因而將其與羊毛、絹絲、Lyocell、PLA、殼聚糖等多種生物質(zhì)纖維混紡，在改善菠蘿葉纖維可紡性的同時(shí)，開發(fā)兼具多種生物質(zhì)纖維性能優(yōu)勢的產(chǎn)品。羊毛纖維有一定的卷曲度、柔軟而具有彈性，吸濕性和保暖性好，可紡性好；絹絲手感柔軟、光澤柔和、表面光滑、吸濕性好；Lyocell纖維力學(xué)性能好，吸濕性好，光澤優(yōu)良，親膚性好[11]；PLA纖維柔軟舒適，具有較好的力學(xué)特性、良好的抗紫外線性能和生物降解性能[12]；殼聚糖纖維吸附能力強(qiáng)、染色性能好、具有抗菌防臭能力和生物可降解性[13]。

圖1 菠蘿葉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.1 Morphological structure of pineapple fiber.(a)Cross-sectional shape(×1 500);(b)Surface morphology(×500)

1.4 紗線規(guī)格及工藝

1.4.1 菠蘿葉纖維混紡紗規(guī)格

為保留并突出菠蘿葉纖維的特性，使菠蘿葉纖維在混紡紗中起主要作用，同時(shí)充分體現(xiàn)其他纖維的優(yōu)勢，將菠蘿葉纖維的質(zhì)量占比控制在50%以上，兩組分紗線混紡質(zhì)量比為85∶15(菠蘿葉纖維/組分2)、線密度為16.7 tex×2，三組分紗線混紡質(zhì)量比為50∶30∶20(菠蘿葉纖維/組分2/組分3)、線密度為14.3 tex×2。紗線的原料組成及規(guī)格如表2所示。

表2 菠蘿葉纖維混紡紗規(guī)格設(shè)計(jì)Tab.2 Specification design of pineapple leaffiber blended yarn

1.4.2 紡紗工藝流程

為保證菠蘿葉纖維與其他纖維混合均勻，更好地控制混紡比例，采用條混方式，先將不同纖維加工成條。使用棉紡系統(tǒng)的開松機(jī)和梳棉機(jī)制得殼聚糖纖維生條和Lyocell纖維生條；使用絹紡系統(tǒng)制得不同定量菠蘿葉纖維生條、絹絲生條、羊毛生條和PLA纖維生條。為了進(jìn)一步精確混紡比，在絹紡系統(tǒng)中將不同纖維生條預(yù)并，進(jìn)而在絹紡系統(tǒng)頭并工序中將不同纖維預(yù)并條稱量混合，制得混合熟條。具體紡紗工藝流程如下：

1)絹紡系統(tǒng)：預(yù)并條→頭道并條→二道并條→末道并條→末道并條拉細(xì)、分散短纖維(DJ431延絞機(jī))→粗紗(DJ441粗紗機(jī))→細(xì)紗(FK501細(xì)紗機(jī))；

2)后道處理：熱定型→單紗絡(luò)筒(單紗絡(luò)筒)→2根單紗并合(RF231C并紗機(jī))→并合單紗加捻(TDN-128B倍捻機(jī))→去除紗線表面毛羽(FK822燒毛機(jī))→進(jìn)一步去除毛羽(USTER RQUANTUM3電子清紗機(jī))。

1.5 紗線品質(zhì)與性能測試方法

1.5.1 線密度測試

使用縷紗測長機(jī)，參照GB/T 4743—2009《紡織品 卷裝紗 絞紗法線密度的測定》測試紗線線密度。將紗線置于溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%的恒溫恒濕間預(yù)調(diào)濕24 h，測試長度100 m，測試5次，取平均值。

1.5.2 捻度測試

使用紗線捻度儀，參照GB/T 2543.1—2001 《紡織品 紗線捻度的測定 第1部分:直接計(jì)數(shù)法》測試股線捻度。測試環(huán)境：溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%，設(shè)定隔距長度為500 mm，預(yù)加張力為0.5 cN/dtex，測試5次，取平均值。

1.5.3 條干均勻度及毛羽測試

使用條干測試儀，參照GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗條條干不勻試驗(yàn)方法 第1部分：電容法》測試紗線條干均勻度及毛羽。測試條件為：速度200 m/min，測試時(shí)間1 min，溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%，測試次數(shù)5次，取平均值。

1.5.4 力學(xué)性能測試

使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，參考GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》測試紗線力學(xué)性能。將紗線在溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%的恒溫恒濕間預(yù)調(diào)濕24 h，設(shè)置夾持距離500 mm，預(yù)加張力0.5 cN/tex，拉伸速度500 mm/min，測試20次，取平均值。

1.5.5 吸濕性測試

使用八籃恒溫烘箱，參照GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》測定并計(jì)算混紡紗的實(shí)際回潮率，同時(shí)計(jì)算混紡紗線的公定回潮率。

式中:W1為實(shí)際回潮率,%；G為紗線濕態(tài)質(zhì)量，g；G0為紗線干態(tài)質(zhì)量,g；Wk為混紡后紗線理論回潮率,%；bi為混紡比；Wi為纖維公定回潮率，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 紗線線密度與捻度分析

菠蘿葉纖維混紡紗實(shí)際線密度、百米質(zhì)量偏差及捻度的測試結(jié)果如表3所示。

表3 菠蘿葉纖維混紡紗線密度及捻度Tab.3 Density and twist of pineapple leaf fiber blended yarn

菠蘿葉纖維混紡紗的實(shí)際線密度略低于設(shè)計(jì)值，主要由于細(xì)紗等環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生纖維掉落現(xiàn)象，燒毛和電子清紗工藝也會(huì)導(dǎo)致紗線質(zhì)量略微降低，所紡紗線百米質(zhì)量偏差均在±3%以內(nèi)，在FZ/T 32005—2006《苧麻棉混紡本色紗線》要求范圍內(nèi)。加捻可使單紗偏細(xì)部位抱合，進(jìn)而降低單紗條干不勻，減少弱節(jié)，增加紗線強(qiáng)力以及耐磨性，設(shè)計(jì)股線的捻度為540捻/m，所紡紗線實(shí)際捻度比設(shè)計(jì)捻度低，這可能是由于倍捻機(jī)的引紗速度快，以及測試時(shí)股線退捻不充分，導(dǎo)致股線實(shí)際測試捻度偏低。

2.2 紗線條干均勻度分析

圖2示出菠蘿葉纖維混紡紗條干變異系數(shù)(CV值)測試結(jié)果?？煽闯鋈M分紗線條干均勻度整體優(yōu)于兩組分紗線。由于兩組分紗線中菠蘿葉纖維含量高于三組分紗線，且菠蘿葉纖維手感粗糙、粗且長，表面有枝節(jié)不光滑，這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定的粗節(jié)和細(xì)節(jié)產(chǎn)生，進(jìn)而引起紗體條干不勻，其含量越高紗線條干均勻度越差。兩組分紗線在生產(chǎn)工藝和原料配比基本相同的情況下，CV值大小依次為：P/W、P/P、P/C、P/L、P/S，由于絹絲相對較細(xì)，在相同線密度的紗線截面內(nèi)纖維根數(shù)多，且P/S的百米質(zhì)量偏差最小，故其條干均勻度最好。三組分紗線CV值大小依次為：P/W/P、P/W/L、P/S/P、P/S/L，P/S/L的百米質(zhì)量偏差最小，且在后道工序中，P/S/L混紡熟條在三組分中成條性最好，條子粗細(xì)最均勻，使得P/S/L條干均勻度較好。

圖2 菠蘿葉纖維混紡紗條干變異系數(shù)Fig.2 Unevenness of pineapple leaf fiber blended yarn

表4示出紗線常發(fā)性紗疵的各項(xiàng)指標(biāo)。兩組分紗線中P/S細(xì)節(jié)和粗節(jié)較少，P/W細(xì)節(jié)和粗節(jié)較多；三組分紗線中P/S/L細(xì)節(jié)和粗節(jié)最少，P/W/P的最多。由于絹絲經(jīng)多道梳理并合后長度整齊度較好，游離纖維少，能很好地被包覆于紗體內(nèi)，故P/S細(xì)節(jié)和粗節(jié)較少。羊毛纖維短絨率高，在紡紗過程中這部分纖維不能很好地抱合，分配到紗線不同部位也會(huì)導(dǎo)致紗線粗細(xì)不勻，是導(dǎo)致P/W和P/W/P細(xì)節(jié)和粗節(jié)的主要原因，粗紗或細(xì)紗某一部位的意外牽伸也會(huì)引起粗節(jié)或細(xì)節(jié)產(chǎn)生。兩組分紗線+200%棉結(jié)在220～740個(gè)/km之間，三組分紗線+200%棉結(jié)在120～466.7個(gè)/km之間，棉結(jié)大多是由于纖維原料本身含有雜質(zhì)或者梳理不充分導(dǎo)致，菠蘿葉纖維表面含有枝節(jié)，會(huì)造成少量棉結(jié)產(chǎn)生，絹絲本身含有疵點(diǎn)，因而兩組分紗線中P/S棉結(jié)最多，三組分紗線中P/W/P棉結(jié)最多，主要由于羊毛纖維卷曲度高，與粗、硬、直的菠蘿葉纖維混合梳理時(shí)伸直平行度較低并容易與另外2種纖維纏結(jié)形成棉結(jié)。

表4 菠蘿葉纖維混紡紗常發(fā)性紗疵Tab.4 Density and twist of pineapple leaf fiber blended yarn

2.3 紗線表面毛羽分析

采用 USTER系統(tǒng)推出的毛羽測試方法，得到毛羽值和毛羽標(biāo)準(zhǔn)差，分別表示1 cm長度股線表面上的毛羽累計(jì)長度平均值和毛羽離散程度，這2個(gè)指標(biāo)越大，紗線毛羽越多，紗線質(zhì)量相對越差。圖3所示為菠蘿葉纖維混紡紗的毛羽指標(biāo)。

圖3 菠蘿葉纖維混紡紗毛羽指標(biāo)Fig.3 Hairiness index of pineapple leaf fiber blended yarn.(a) Hairiness; (b) Hairiness standard deviation

菠蘿葉纖維含量對混紡紗線的毛羽值和毛羽均勻性有著重要影響，纖維表面的少量枝節(jié)在成紗時(shí)不能卷入紗體內(nèi)，其含量越高，紗線表面毛羽越多，因此兩組分紗線的表面毛羽普遍高于三組分紗線。兩組分紗線中，P/L毛羽值最低，P/W最高，主要由于Lyocell纖維整齊度好，且相對較粗，紗線線密度相近時(shí)，單位截面內(nèi)纖維越少，纖維暴露在紗體外的概率會(huì)較小，故P/L表面毛羽最少；羊毛具有周期性卷曲，難以伸直平行，在加捻時(shí)，纖維暴露在紗體表面容易形成毛羽，故P/W毛羽值最高。三組分紗線中，P/S/L毛羽值最小，P/W/L毛羽值高，由于絹絲平均長度大于羊毛，一定紗線長度內(nèi)絹絲根數(shù)最少，絹絲暴露在紗線表面的概率低，且P/S/L實(shí)際捻度大于P/W/L會(huì)使纖維排列更加緊密，不易滑脫，因此P/S/L表面毛羽最少，P/W/L則最多。

2.4 紗線力學(xué)性能分析

紗線的力學(xué)性能與成紗品質(zhì)密切相關(guān)，影響混紡紗力學(xué)性能的主要因素有纖維的力學(xué)性能、紗線捻度和條干均勻度等。由表5紗線力學(xué)性能的測試結(jié)果可知，兩組分紗線的斷裂強(qiáng)度大小依次為：P/L、P/S、P/C、P/P、P/W，由于Lyocell纖維斷裂強(qiáng)度相對較高，P/L條干均勻度僅次于P/S，且P/L實(shí)際捻度最大，故P/L斷裂強(qiáng)度最大；P/W條干均勻度最差，實(shí)際捻度相對較小，羊毛纖維的強(qiáng)度較小，故其斷裂強(qiáng)度最小。三組分紗線的斷裂強(qiáng)度由大到小依次為：P/S/L、P/S/P、P/W/L、P/W/P，P/S/L條干均勻度最好，且捻度最大，Lyocell纖維斷裂強(qiáng)度高，其斷裂強(qiáng)度最大；P/W/P條干均勻度最差，且捻度較小，斷裂強(qiáng)度最小。由于菠蘿葉纖維剛性較大，斷裂伸長率僅為4.4%，在所紡紗線中占比較高，導(dǎo)致紗線斷裂伸長率都偏低，小于5%。兩組分紗線中，P/W斷裂伸長率最高，三組分紗線中P/S/L最高，整體來看所紡紗線力學(xué)性能能滿足后續(xù)織造需求。

表5 菠蘿葉纖維混紡紗力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of pineapple leaf fiber blended yarn

初始模量表示紗線在較小負(fù)荷下變形的難易程度，圖4示出菠蘿葉纖維混紡紗應(yīng)力-應(yīng)變曲線。兩組分紗線中P/C初始模量最大，P/W最小，P/S、P/P、P/L初始模量在650～800 cN/tex之間。殼聚糖纖維線密度最小，且長度短，當(dāng)紗線線密度相近時(shí)，單位截面積內(nèi)殼聚糖纖維的根數(shù)最多，排列更加緊密，與菠蘿葉纖維抱合力更大，因此P/C初始模量最大；三組分紗線中初始模量大小依次為：P/S/P、P/S/P、P/W/L、P/W/P，紗線條干對初始模量的作用比纖維原料更為明顯，P/S/P、P/S/L的條干均勻度好，且細(xì)節(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于P/W/L和P/W/P，紗線疵點(diǎn)較少，更加連續(xù)均勻，在外力作用下紗線整體受力均勻，不容易發(fā)生局部斷裂，在一定程度上使初始模量提高。

圖4 菠蘿葉纖維混紡紗應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of pineapple leaf fiber blended yarn.(a)Two component; (b)Three components

2.5 紗線吸濕性能分析

紗線的吸濕性能一般用其實(shí)際回潮率來衡量，實(shí)際回潮率越大，吸濕性能越好，結(jié)果如圖5所示。

圖5 菠蘿葉纖維混紡紗回潮率Fig.5 Pineapple leaf fiber blended yarn moisture regain

兩組分紗線中，菠蘿葉纖維占比在85%左右，回潮率受其他纖維影響較小，接近菠蘿葉纖維回潮率，其中，P/S、P/W、P/C、P/L實(shí)際回潮率略大于理論回潮率，P/P則相反；在三組分混紡紗中菠蘿葉纖維含量在50%左右，紗線回潮率受另外2種纖維回潮率影響也較大，P/W/L、P/S/L實(shí)際回潮率略大于理論回潮率，P/S/P、P/W/P相反。由于在紡紗過程中，菠蘿葉纖維長度長，枝節(jié)多，在細(xì)紗和燒毛工序中比其他纖維質(zhì)量損失更多，導(dǎo)致菠蘿葉纖維在紗線中實(shí)際占比偏低，且在所用原料中，菠蘿葉纖維回潮率遠(yuǎn)高于PLA纖維，但低于其他纖維。因此兩組分混紡紗中P/P實(shí)際回潮率低于理論回潮率，而三組分混紡紗中P/S/P、P/W/P實(shí)際回潮率低于理論回潮率。

3 結(jié) 論

以菠蘿葉纖維為主要原料，通過絹紡系統(tǒng)將其與絹絲、羊毛、殼聚糖、Lyocell和聚乳酸等多種生物質(zhì)纖維復(fù)合制備了16.7 tex×2兩組分混紡紗和14.3 tex×2三組分混紡紗，研究得到如下結(jié)論：1)兩組分紗線的條干CV值在18.05%～19.21%之間，毛羽值在3.52～4.07 mm/cm之間，斷裂強(qiáng)度在20 cN/tex左右；菠蘿葉纖維/絹絲條干均勻度最好，菠蘿葉纖維/Lyocell纖維表面毛羽最少且斷裂強(qiáng)度最高。2)三組分紗線的條干CV值在14.03%～17.53%之間，毛羽值在2.81～3.26 mm/cm之間，斷裂強(qiáng)度在19.9 cN/tex左右；菠蘿葉纖維/絹絲/Lyocell纖維條干均勻度最好且表面毛羽最少、斷裂強(qiáng)度最大。綜合來看，利用絹紡系統(tǒng)可將菠蘿葉纖維與多種纖維混合紡紗，紗線具有條干均勻度好、毛羽少、斷裂強(qiáng)度高、吸濕性好的特點(diǎn)，適宜開發(fā)中高檔機(jī)織和針織面料。