濕熱處理對(duì)蠶絲/PLA復(fù)合紗線結(jié)構(gòu)與性能影響

張洸睿，徐廣標(biāo)，沈 華，溫 潤(rùn)，王文元

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.江蘇明源紡織有限公司，江蘇 東臺(tái) 224200)

蠶絲作為一種高檔的紡織原料，其纖維特性賦予絲綢面料手感滑糯、吸濕透氣、柔軟舒適、光澤柔和和輕薄飄逸的特征[1]，但蠶絲產(chǎn)量受到自然條件等因素的限制，在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要與其他纖維進(jìn)行復(fù)合，以滿(mǎn)足更多的市場(chǎng)需求[2]。聚乳酸纖維(Polylactic Acid，PLA)手感柔軟質(zhì)地輕盈，因其優(yōu)良的纖維特性和可降解性而受到廣泛關(guān)注[3]。已有文獻(xiàn)中對(duì)于蠶絲的研究主要集中在纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和性能方面[4]，而關(guān)于PLA的研究集中在PLA的制備[5]、染色工藝[6－8]等方面。關(guān)于蠶絲與PLA產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，研究了關(guān)于蠶絲與PLA復(fù)合[9－10]，蠶絲與PLA織物性能評(píng)價(jià)等[11]。由于PLA與蠶絲存在較大的性能差異，在后整理工藝中濕熱條件對(duì)織物制備有重要的影響，這方面目前還沒(méi)有系統(tǒng)的研究。因此，本論文探討不同溫度時(shí)間條件下，濕熱處理對(duì)蠶絲/PLA復(fù)合紗線的結(jié)構(gòu)與性能的影響，為其生產(chǎn)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試樣由某企業(yè)提供蠶絲(22D)/PLA(21D/22F)S捻和Z捻復(fù)合紗線，以及規(guī)格為22D蠶絲和21D/22F PLA長(zhǎng)絲。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

已有文獻(xiàn)以及實(shí)際染色后整理發(fā)現(xiàn)，PLA對(duì)溫度較為敏感，在實(shí)際的染色過(guò)程中設(shè)置的溫度較低，因此根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)三個(gè)處理溫度和時(shí)間，如表1所示。

1.3 表征指標(biāo)與方法

1.3.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用TM3000臺(tái)式掃描電子顯微鏡，按照操作規(guī)范進(jìn)行掃描電子顯微鏡，觀察其橫縱結(jié)構(gòu)形態(tài)。

1.3.2 熱收縮率

參照GB/T 6505－2017?化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲熱收縮率試驗(yàn)方法(處理后)?，隨機(jī)抽10束樣品，放入網(wǎng)袋中進(jìn)行水浴試驗(yàn)，水浴至規(guī)定時(shí)間，用鑷子取出，測(cè)量其長(zhǎng)度，計(jì)算每一束樣品的收縮率，并求出平均值，計(jì)算公式如下:

式中:S為熱收縮率(%)；L1為熱收縮處理前的長(zhǎng)度，mm；L2為熱收縮處理后的長(zhǎng)度，mm。

1.3.3 彈性回復(fù)率

采用定伸長(zhǎng)試驗(yàn)，儀器為YG061F電子單紗強(qiáng)力儀，定伸長(zhǎng)為50mm，反復(fù)拉伸次數(shù)為5，停頓10s，預(yù)加張力2N。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)取樣，進(jìn)行5次試驗(yàn)，計(jì)算得到其平均彈性回復(fù)率。

1.3.4 力學(xué)性能

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(zhǎng)率的測(cè)定?，采用YG061F電子單紗強(qiáng)力儀，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紗線進(jìn)行5次試驗(yàn)，計(jì)算得到其平均斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

由TM3000臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀察到不同熱處理?xiàng)l件下的紗線外觀形貌，以蠶絲/PLA復(fù)合紗線(S捻)為例，熱處理前后紗線外觀形態(tài)如圖1和圖2所示。

圖1 蠶絲/PLA復(fù)合紗線(S捻)外觀形貌

圖2 不同熱處理?xiàng)l件下蠶絲/PLA復(fù)合紗線(S捻)的外觀形貌

如上頁(yè)圖1、圖2所示，未處理狀態(tài)下的濕熱處理后S捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線的形貌較為規(guī)整。濕熱處理后S捻和Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線出現(xiàn)解捻的現(xiàn)象，由原來(lái)規(guī)整的形貌變成松散、蓬松的狀態(tài)，而且從隨著溫度和處理時(shí)間紗線內(nèi)部的松散現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。

2.2 熱收縮率

S捻和Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線，以及22D蠶絲和21D/22F PLA長(zhǎng)絲熱收縮率如圖3所示。

圖3 不同濕熱處理?xiàng)l件下試樣熱收縮

如圖3所示，蠶絲/PLA復(fù)合紗線濕熱收縮主要來(lái)自于蠶絲和PLA熱收縮共同作用，比較而言相同條件下蠶絲熱縮率很小，而PLA在濕熱條件下熱收縮率較為明顯，蠶絲/PLA復(fù)合紗線熱收縮率介于蠶絲和PLA長(zhǎng)絲之間。隨著時(shí)間及溫度的增加，蠶絲/PLA復(fù)合紗線的熱收縮率整體呈上升趨勢(shì)，但S捻Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗在相同條件下濕熱收縮存在較大的差異，說(shuō)明加工方式對(duì)復(fù)合紗熱收縮會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2.3 彈性回復(fù)率

不同條件下濕熱處理的S捻和Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線、22D蠶絲和21D/22F PLA長(zhǎng)絲的彈性回復(fù)率如圖4所示。

如圖4所示，蠶絲/PLA復(fù)合紗線彈性回復(fù)率受蠶絲和PLA長(zhǎng)絲彈性回復(fù)率的綜合作用，濕熱處理使其彈性回復(fù)率整體增加，幅度隨著時(shí)間增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在溫度為80℃時(shí)，紗線彈性回復(fù)率的增幅最大。這是因?yàn)閺?fù)合紗線彈性回復(fù)性能來(lái)源兩個(gè)方面的共同作用，在濕熱條件下有利于紗線內(nèi)部的應(yīng)力消除，同時(shí)對(duì)于纖維來(lái)講，蠶絲經(jīng)過(guò)濕熱處理后試樣的取向度會(huì)有所提高，根據(jù)已有的文獻(xiàn)，當(dāng)水溫達(dá)到85℃和100℃時(shí)纖維會(huì)潤(rùn)濕膨化，使復(fù)合紗線的彈性增大[12]，而PLA的玻璃化溫度約為57℃，與PET相近，因此在60℃左右的溫度下，纖維內(nèi)部的大分子鏈段開(kāi)始移動(dòng)，導(dǎo)致長(zhǎng)絲的彈性有所增加。而隨著溫度的繼續(xù)升高，纖維表面形態(tài)發(fā)生不同程度的損傷，其彈性回復(fù)性能受損。

圖4 不同條件下濕熱處理的試樣彈性回復(fù)率

2.4 力學(xué)性能

不同條件下濕熱處理的S捻和Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線、22D蠶絲和21D/22F PLA長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率如圖5和下頁(yè)圖6所示。

圖5 不同條件下濕熱處理的試樣斷裂強(qiáng)力

圖6 不同條件下濕熱處理的試樣斷裂伸長(zhǎng)率

如圖5和圖6所示，S捻和Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線的斷裂強(qiáng)力表現(xiàn)不同的規(guī)律，在未處理?xiàng)l件下，S捻復(fù)合紗線的強(qiáng)力大于Z捻復(fù)合紗線。對(duì)于S捻復(fù)合紗線來(lái)說(shuō)，其斷裂強(qiáng)力在不同的溫度下呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，在溫度為60℃時(shí)呈先增大后減小的趨勢(shì)，在溫度為80℃時(shí)表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，而在100℃時(shí)表現(xiàn)出先減小再增大的趨勢(shì)。對(duì)比Z捻復(fù)合紗線而言，隨著時(shí)間的增加斷裂強(qiáng)力整體呈逐漸增大的趨勢(shì)。蠶絲/PLA復(fù)合紗線斷裂強(qiáng)力的變化趨勢(shì)主要來(lái)源于長(zhǎng)絲和紗線結(jié)構(gòu)的共同作用，但S捻復(fù)合紗線受到的影響規(guī)律與Z捻復(fù)合紗線有所不同，從上頁(yè)圖5的(c)和(d)可看出，S捻復(fù)合紗線整體的變化趨勢(shì)與單絲基本一致，Z捻復(fù)合紗線受共同作用的影響而表現(xiàn)出斷裂強(qiáng)力增大的趨勢(shì)。

S捻和Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線的斷裂伸長(zhǎng)率整體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。但在溫度為60℃時(shí)，兩種捻度復(fù)合紗線的斷裂伸長(zhǎng)率表現(xiàn)出不同的規(guī)律，60℃相對(duì)于80℃、100℃時(shí)其斷裂伸長(zhǎng)率隨時(shí)間變化有較大的差異。從圖6(c)和(d)可看出，在處理?xiàng)l件為60℃、30min時(shí)，S捻復(fù)合紗線的斷裂伸長(zhǎng)率和單絲的變化趨勢(shì)整體上一致；當(dāng)溫度增加到80℃、100℃時(shí)，其斷裂伸長(zhǎng)率在長(zhǎng)絲和紗線結(jié)構(gòu)的共同作用下整體呈下降的趨勢(shì)。Z捻復(fù)合紗線受到的影響規(guī)律與S捻不同，濕熱處理使其力學(xué)性能得到改善[13]，而隨著溫度的增加PLA長(zhǎng)絲的力學(xué)性能受損[14－15]，Z捻復(fù)合紗線的斷裂伸長(zhǎng)率整體上也呈減小的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

蠶絲/PLA復(fù)合紗線濕熱處理后其形貌得蓬松；在溫度為60℃~100℃、時(shí)間為30min~90min的條件下，蠶絲/PLA復(fù)合紗線的熱收縮率在1%~4.5%之間，隨著處理溫度的增加S捻和Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線表現(xiàn)出不同的規(guī)律；S捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線的彈性回復(fù)率為40%~70%，Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線的彈性回復(fù)率為45%~62%，蠶絲/PLA復(fù)合紗線的彈性回復(fù)率隨著溫度和時(shí)間的增大整體呈上升趨勢(shì)；對(duì)于S捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線來(lái)說(shuō)，其初始斷裂強(qiáng)力為108.9cN，隨著溫度和時(shí)間的變化表現(xiàn)出不同的規(guī)律；Z捻蠶絲/PLA復(fù)合紗線的初始斷裂強(qiáng)力只有60.3cN，隨著溫度和時(shí)間的增加而逐漸上升；S捻和Z捻復(fù)合紗線的初始斷裂伸長(zhǎng)率分別為26.4%和23.3%，隨著溫度和時(shí)間的增加整體上都表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。