前處理工藝對純棉紗潤濕性能的影響

楊 倩， 沈艷琴*， 武海良

（西安工程大學 紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048）

傳統的經紗上漿是將卷繞在經軸上的經紗退解后，經引紗輥、浸沒輥引入漿槽吸漿，由上漿輥和壓漿輥浸漿、壓漿實現經紗上漿[1]。毛巾織物毛經紗的上漿只要達到開口清晰、便于織造即可[2]。一方面很多毛巾廠無漿紗機，同時由于毛經紗上漿率很小，使用漿紗機對毛紗上漿既增加了生產成本又使漿紗工藝變得復雜?；谏鲜銮闆r，利用筒紗染色機進行筒紗上漿的技術應運而生[3-4]。筒紗上漿是將紗線按照一定的要求均勻卷繞在具有網眼筒管上，并將其套裝在染色機內載紗器的染柱上，放入筒子染色機內，漿液在泵壓作用下在紗線或纖維之間穿透循環，實現上漿[5]。筒紗上漿與漿紗機上漿方式不同，漿紗機依靠浸沒輥和壓漿輥使漿液充分浸透于紗線中，而筒紗上漿時無壓漿輥，主要是依靠紗線本身的芯吸效應使得漿液浸透紗線。因此，上漿之前提高筒紗的芯吸效應以便于吸附漿液就成為重要的工序[6-7]。

棉纖維含有許多天然共生物，如棉蠟、果膠、含氮物質、灰分以及紡紗過程中的油劑或油污等[8]，這些雜質如不去除會影響漿液在紗線中的滲透和吸濕性能，造成上漿不勻[9-10]。傳統的棉紗前處理工藝有堿氧一步一浴法和生化法。前者是在高溫強堿的狀態下對紗線進行處理，能耗大而且會增加纖維的溶脹，影響紗線性能。后者以酶作為前處理劑，雖然降低了前處理溫度和生產能耗，但是由于酶自身的使用范圍和專一性，也讓這種前處理工藝的應用受到了一定的限制。本文的前處理工藝創新性的利用燒堿與滲透劑的協同作用，適當的降低了前處理溫度和燒堿濃度，破壞了紗線表面的天然共生物分布的連續性，從而提高了棉紗的潤濕和滲透性。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

18.25 tex精梳棉紗（海鹽金溢絹紡有限責任公司），滲透劑JFC（化學純，海安石油化工廠），NaOH（分析純，海安石油化工廠），重鉻酸鉀（分析純，海安石油化工廠）。

JA2003型電子天平（上海良平儀器儀表有限公司），DK-98-11A型電熱恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司），HD021N型電子單紗強力儀（常州銳品精密儀器有限公司），全自動單一纖維接觸角測試儀（德國dataphysics公司），YG（B）871型毛細管效應測定儀（溫州際高檢測儀器有限公司），Quanta-450-FEG場發射掃描電鏡（美國FEI公司）。

1.2 實驗方法

1）清水煮工藝：稱取一定量的棉紗，在90℃熱水中處理30 min后取出，清洗雜質后，在常溫下晾干備用。

2）堿處理工藝：稱取一定量的棉紗，按照浴比為 1∶8，配制一定質量濃度的氫氧化鈉溶液和 3 g/L的JFC溶液加入三頸瓶中，將三頸瓶放入水浴鍋中加熱，當溫度上升至90℃時，將稱量好的紗線放入瓶中處理一定時間，取出后用清水洗滌至中性，常溫下晾干備用。

1.3 棉紗形態表征

采用Quanta250型掃描電子顯微鏡觀察棉紗的縱向形態。

1.4 紗線接觸角測試

采用全自動單一纖維接觸角測試儀對紗線的接觸角進行測試。

1.5 紗線毛細效應測試

根據FZ/T01071-2008《紡織品毛細效應測定方法》、采用YG（B）871型毛細管效應測定儀測定試樣的芯吸高度。

2 結果與討論

2.1 理論分析

紗線潤濕性能是漿液吸附的前提[11]，紗線的潤濕性能可通過芯吸效應和接觸角綜合評定。紗線中纖維與纖維之間形成許多通道，這些通道使紗線具有芯吸效應，液體沿著這些通道在沒有外力場的作用下流動，纖維與纖維之間形成的通道的芯吸效應模型如圖1所示。

圖1 芯吸高度模型

對于均勻的毛細孔體系，潤濕就是液體在毛細孔中的上升，液面的上升高度與曲面的附加壓力有關。附加張力即為表面張力作用使得彎曲液面產生的壓力差，它總是指向彎曲液面曲率半徑的中心，因而液體凹面的壓力總是大于凸面的壓力。因此會產生毛細效應的液面總呈現為凹液面。附加壓力P根據Laplace方程[12]可得：

接觸角θ是指液體與固體之間的界面和液體表面切線的夾角，如圖2所示。

圖2 液體在固體表面的接觸角

當液體沒有完全潤濕毛細管，即接觸角不為0°時，由圖1可得：

式（2）中：θ為固液界面接觸角，°；r為毛細管半徑，m。

此時，方程（1）可以轉化為：

當液體在毛細管內不再上升時，液柱的靜壓力即毛細管內液體重力與液體在毛細管所產生的附加壓力Ps保持平衡，則有式（4）：

式中：ρ為液體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

由式（4）得到式（5）：

由式（5）可知，θ值是決定紗線潤濕性能好壞的主要因素。若紗線的線密度相同時，當液體和紗線之間的接觸角θ越小，液體在毛細管內上升的高度H就會越大，紗線的芯吸效應越顯著，即紗線本身的潤濕性能也就越好。

從上面的分析可知，為了提高紗線的潤濕性，需要去除棉紗表面的天然共生物，減小液體與紗線的接觸角。

2.2 不同前處理工藝對棉紗形態的影響

分別將棉紗經清水煮工藝和堿處理工藝處理后，采用掃描電鏡觀察棉纖維表面形態，如圖3所示。棉纖維的外層是纖維細胞的初生部分即初生層，初生層的外皮由蠟質、脂肪和果膠的混合物組成[13]。纖維表面布滿連續的細絲狀皺紋，具有防水和潤滑作用，不利于纖維的潤濕，如圖3a所示；經過90 ℃熱水處理30 min后，由蠟質、脂肪、果膠以及其他各種雜質組成的疏水性表皮會發生部分溶解，且棉蠟同水的接觸角大于90°，具有很強的疏水性，在表面張力的作用下，形成微滴分布在纖維表面，如圖3b所示；經過堿處理工藝處理過的纖維變得較為圓潤、飽滿，表面變得粗糙，細絲狀皺紋大大減少，纖維表面分布著大量不連續的微滴狀物質，破壞了棉纖維原本連續分布的疏水性屏障，提高了棉紗的潤濕性能，如圖3c所示。這是因為棉纖維表面的天然共生物在堿液和滲透劑的乳化分散作用下大量溶解的緣故。

圖3 棉紗經過處理的掃描電鏡圖（a. 原紗；b. 90℃熱水；c. 堿處理工藝）

2.3 不同處理工藝對紗線接觸角的影響

表1 不同工藝處理后棉紗的接觸角

圖4 不同工藝處理后棉紗的接觸角

分別對棉紗和清水處理、堿處理過的棉紗進行了接觸角測試，結果如表1和圖4所示。棉紗的接觸角為89.4°，親水性很差，因為棉紗表面附著的棉蠟、果膠以及其他各種物質形成了一道疏水屏障，阻止了水分子向紗線內部的滲透，使得棉紗的潤濕性能大大降低。經過90℃熱水處理后，提高了紗線的表面張力γSG，紗線潤濕效果有所改善。而經過堿處理后，紗線的接觸角達到了57.1°，這是因為堿處理不僅去除了棉纖維表面的天然共生物，提高了紗線的表面張力；同時，由于堿處理過程中加入了表面活性劑JFC，使精煉液的表面張力 γLG極大降低，由于表面活性劑在界面的吸附作用，大大降低了液體和纖維間的界面張力，使潤濕較容易進行。

2.4 不同前處理工藝對棉紗芯吸效應的影響

分別將經過 90℃熱水和堿處理后的棉紗進行芯吸效應測試，處理前后紗線的芯吸高度變化如圖5所示。

由圖5可知，棉紗的潤濕性能很差，芯吸高度最高只到達2 cm，這是由于棉纖維表面存在著大量連續分布的蠟質和果膠等疏水性物質。經過90℃熱水處理后，紗線表面的天然共生物有少量的溶解，同時高溫破壞了蠟質的連續分布形式，使得紗線的潤濕性提高。由于棉脂棉蠟在堿性的條件下更易溶解，破壞了棉脂棉蠟在棉纖維表面的存在形式，堿處理后棉紗的親水性大幅度提高；利用滲透劑的乳化和分散作用，可以大大降低棉纖維的表面張力，紗線芯吸高度達到了9 cm。

圖5 不同工藝處理后棉紗的芯吸高度變化

2.5 不同前處理工藝對紗線拉伸性能的影響

分別將原紗和經過不同工藝處理過的棉紗進行單紗強力測試，每組測量30次后取平均值，結果如表2所示。

表2 不同工藝處理前后棉紗的拉伸性能測試結果

經過90℃熱水工藝處理后，棉紗的斷裂強力稍有減小，斷裂伸長率略微增大，這是由于水分子很難破壞纖維的結晶區域，同時水分子不會使得纖維的大分子鏈段斷裂。因此，熱水煮煉后棉紗的拉伸性變化很小。經過堿處理后，棉紗的斷裂強度和斷裂伸長率均有所增加，這是因為棉纖維發生溶脹，表面不勻降低，會降低纖維弱環，減少因為應力集中引起的斷裂；另一方面，使纖維內部結構得到改善，大分子鏈的取向度提高，會增加纖維長度方向的協同作用；同時，纖維之間由于溶脹作用使抱合力增加，不易發生滑移，當紗線受到外力作用時，纖維以及纖維中的大分子能夠均勻地分擔外力[14]。

圖6為不同工藝處理后棉紗的應力應變曲線，橫坐標表示紗線在拉伸時單位面積上的內力即應力，縱坐標表示紗線的伸長率即應變。

應變曲線起始一段較直部分伸直延長線上的應力應變之比為紗線的初始模量，它可以反映紗線在受到很小的應力作用下時的彈性或剛性，當紗線的初始模量大時，表明紗線剛度大；反之則初始模量小，紗線較柔軟[15]。由圖6可知，未經處理過的棉紗初始模量較大，經過熱水和堿處理過后，紗線的初始模量都有不同程度的減小。

圖6 不同工藝處理后棉紗應力應變曲線

圖7 NaOH濃度對紗線芯吸高度、接觸角和強力的影響

2.6 NaOH 處理工藝影響因素分析

2.6.1 NaOH 用量對棉紗芯吸高度、接觸角和強力的影響

通過前期試驗，將前處理工藝的參數設為處理溫度90℃，滲透劑JFC濃度3 g/L、處理時間30 min、浴比為1∶8。分別選取NaOH濃度為0、2、4、6、8 g/L，測試紗線的芯吸高度、接觸角及紗線強力。NaOH用量對于棉紗潤濕性和強力的影響結果如圖7所示。

由圖7可以看出，棉紗的芯吸高度隨著NaOH濃度的增加而增加，當NaOH濃度在0～4 g/L時，棉紗的芯吸高度達到最高；當其濃度大于4 g/L時，增長趨于平緩。棉紗的接觸角隨著NaOH濃度的增加而迅速減小，當濃度大于4 g/L時，接觸角減小緩慢。而經過不同濃度的NaOH處理后，紗線的強力呈現出先增大后減小的趨勢。

由于純棉紗前處理過程首先是在非離子表面活性劑JFC的作用下，堿液向棉纖維內部滲透，致使棉纖維和其表面雜質膨化；然后當棉纖維經充分潤濕后，其所含的天然雜質經過熱和滲透劑的皂化、乳化、萃取、分散等而被洗凈去除。當NaOH濃度達到一定值時，棉紗表面的連續性疏水蠟質層部分溶解，棉蠟的分布形式發生改變，紗線的表面張力 γSG變大；同時，由于表面活性劑的加入，使得精煉液和紗線之間的表面張力γLS減小，由楊氏方程可知，cosθ值變大，接觸角θ減小，再由式（5）可得紗線的芯吸高度H增加。另一方面，由于一定濃度的堿液處理后，棉纖維發生溶脹，紗線表面的不勻降低，減少了因為應力集中引起的斷裂，紗線的強力增大。但非離子表面活性劑靠氧乙烯鏈段與水形成氫鍵而溶于水，當燒堿濃度過大時，滲透劑溶解度下降很大，使得堿液對棉紗的作用力減弱，紗線的芯吸高度、接觸角、斷裂強力變化均趨于平緩。因此，綜合三者的共同影響，得出合理的NaOH濃度為4 g/L。

2.6.2 處理時間對棉紗芯吸高度、接觸角和強力的影響

以NaOH濃度為4 g/L、滲透劑JFC濃度為3 g/L、前處理溫度90℃、浴比為1∶8對棉紗以不同時間前處理。前處理時間對于棉紗潤濕性和強力的影響結果如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著處理時間的增加紗線的芯吸高度最高達到了9 cm，并呈現增長趨勢。其中，芯吸高度在30 min之前增長迅速，超過30 min后增長趨于平緩。棉紗的接觸角隨著處理時間的增大而減小，最小值為56.9°。而紗線的斷裂強力呈現出先增大后減小的趨勢，其中，在30 min達到最大值244 cN。堿液和滲透劑對棉纖維表面雜質溶脹作用是一個過程，如果處理時間太短，堿液滲透不充分沒有將纖維表面的蠟質溶解，不利于紗線潤濕性能的提高；若處理時間太長，紗線表面的雜質大量去除，會使紗線細度變小，對紗線的強力損失很大，根據這三者的共同影響，最終得出合理處理時間為30 min。

圖8 處理時間對紗線芯吸高度、接觸角和強力的影響

圖9 處理溫度對紗線芯吸高度、接觸角和強力的影響

2.6.3 處理溫度對棉紗芯吸高度、接觸角和強力的影響

固定NaOH濃度為4 g/L，滲透劑JFC濃度為3 g/L，作用時間30 min，浴比為1∶8。前處理溫度對于棉紗潤濕性和強力的影響結果如圖9所示。

由圖9可以看出，處理溫度對紗線芯吸高度的影響是迅速增長，在90℃之后增長趨于平緩。紗線的接觸角則是隨著處理溫度的增加而減小，在60～80℃之間迅速減小，當大于80℃時，接觸角減小趨于平緩。而處理溫度對紗線對紗線強力的影響比較復雜，在 60～80℃之間，紗線斷裂強力迅速增加，當溫度大于80℃時，斷裂強力緩慢減小，當溫度大于90℃時，紗線強力則迅速下降。

雖然棉纖維中的雜質可在高溫堿液的作用下發生溶脹，然后利用滲透劑的乳化分散作用將棉紗表面的天然共生物洗凈除去。但非離子表面活性劑JFC存在濁點，它使用時受到溫度的限制[16]，當處理溫度超過濁點時，分子的熱運動加劇，結合在氧原子上的水分子脫落，形成的氫鍵遭到破壞，親水性降低，滲透劑的溶解度和活性會隨著溫度的升高而降低。所以當處理溫度過高時，紗線芯吸高度、接觸角的變化將趨于平緩。同時，高溫對紗線強力損失也很大，因此，綜合三者考慮，處理溫度以90℃為宜。

3 結論

1）前處理工藝對棉紗芯吸高度、接觸角及強力影響實驗表明，堿處理工藝能有效提高棉紗的潤濕性能，棉紗強力無明顯變化。合理的前處理工藝參數為：NaOH濃度4 g/L、滲透劑JFC濃度3 g/L、溫度90℃、時間30 min。

2）通過掃描電鏡分析，經過堿處理工藝后，棉紗表面的纖維素共生物溶解，提高了紗線的潤濕性能。

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