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    棉纖維形成折皺原理、經物理整理后強度下降原因
    http://www.hhlqw.cn 2020-04-27 09:04:51 印染人

      天然纖維織物,特別是棉織物具有手感自然、吸濕透氣、抗靜電、穿著舒適、經濟實惠等優點,所以深受人們的喜愛。在織物纖維中,以棉纖維的產量最大、應用最廣,不過純棉織物有彈性差、易起皺、洗后需熨燙,而且易受微生物的侵襲導致纖維霉變和脆損的缺點。為提高織物的抗皺性,在染整加工中,要進行抗皺整理[1]。近年來,人們崇尚自然,棉纖維織物又普遍流行,而隨著人們生活水平的提高和生活節奏的加快,人們對服裝不僅要求穿著舒適,對保持平整外觀、料理簡便也提出了更高要求,因此,抗皺和耐久壓燙整理再一次成為研究的熱點。

      01棉抗皺差的原因

      棉纖維屬于纖維素纖維,而纖維素纖維是由失水葡萄糖單元組成的高聚物。一個纖維素分子是6000~7000個單元組成的長鏈。這些纖維素長鏈分子,在一些區域內相互平行排列,并相互形成氫鍵和范德華引力,這樣的區域稱為晶區。在這些區域內,纖維素鏈緊密牢固地與相鄰分子鏈結合在一起??梢韵嘈?,在晶區內,纖維素分子間是沒有空間可讓水分子和樹脂分子進去的。另外,由于相鄰纖維素鏈問的強力很強,所以纖維素鏈的相對運動是很困難的,即使產生分子的相對位移,待應力消除,其結合力就立刻使位移分子回復到原來位置。所以可以認為結晶區是用來防皺的。

      現代理論認為,在纖維素分子鏈的結晶區之問,存在著序列較差的無定形區。因為在這個區域內,纖維素分子不是排列的非常有序。在無定型區,纖維鏈間的問隔較大,相鄰鏈問的引力也低于晶區,所以在無定形區的纖維素鏈間,水分子、樹脂分子和染料分子都可滲入。由于纖維相鄰鏈問引力較低,折皺引起的應力可以使纖維素鏈產生相對位移,一旦應力去除,也因為沒有足夠的約束力能使纖維素分子回到其原來的位置,這樣就使織物產生折皺,所以折皺可認為是在無定型區產生的。

      為了使纖維或織物具有防皺性能,就必須在無定形區緊鄰的纖維素分子問增添一些連接。處理時,織物要保持所需要的形狀。這樣引入的分子,至少應具有兩個以上能與纖維素發生反應的基團。在適當的催化劑條件下,這樣分子通常被稱為紡織樹脂,實際上被稱為“預縮體”較為合適。

      纖維素鏈的交鍵必須考慮其它兩個因素。第一,引入的交鍵必須處于拉緊狀態。如果要提高纖維和織物在正常使用條件下的抗皺性或褶裥穩定性,則處理時也要保持這種條件。第二,纖維素吸收水分之后就會溶脹,不管是在標準狀態下吸收水分,還是浸入水中或水溶液中,溶脹是因為水分子進入無定型區的纖維素鏈問,強制將鏈推開的結果。

      如果纖維素纖維交鏈是在高度溶脹狀態下進行的,例如,用無機酸和甲醛水溶液處理纖維素織物。當烘干時,纖維素就癟縮,這樣交鍵就松弛了。在干癟條件下,由于折皺而引起纖維素分子的相對運動,這樣使松弛的交鍵僅僅拉直而己。由于交鍵被部分拉直,所引起的應力將使位移分子復原到原來位置。但是,交鍵中原子繞價鍵的轉移將抵消上述回復力,使形變保持最小位罱。事實上,松弛的交鍵沒有干態抗皺性。

      綜上所述,在濕態或其他非水介質中,在高度溶脹狀下進行共價鍵合,其結果具有濕態防皺性和褶裥保持性,但干態防皺性和褶裥保持性很小。如在高濕下。

      干態烘焙形成共價鍵合,其結果是具有干態抗皺性和褶裥保持性,同樣也具有一定程度的濕態抗皺性和褶裥保持性。此外,干態烘焙交鍵會降低纖維素的吸水和溶脹能力。在纖維素中引入交鍵,不僅能獲得所需的結果,即抗皺性、褶裥保持性和易于性,也能帶來嚴重缺點,即降低了物理強度。

      纖維素纖維織物的抗皺作用主要是依靠纖維素分子上大量的反應性基團與整理劑交聯,限制了結構單元之問的相對位移得到的。

      02棉纖維折皺形成原因

      一般認為是由于受到較大外力作用后,纖維超分子結構內各區域受到應力作用而產生不同程度的形變,纖維基本結構單元之間發生了相對位移,導致原來的氫鍵斷裂,并在新的位置重新建立起難以回復的新的氫鍵系統,使纖維或織物的形變得不到恢復而造成的。因此關于纖維素纖維的抗皺機理,一般認為抗皺(免燙)整理液中,整理劑的作用有兩個方面,一方面,由于整理劑與纖維分子的反應性基團發生交聯反應后產生的束縛作用,使得纖維結構單元的相對位移受到了限制:另一方面,由于整理劑與纖維分子發生了反應而引入了高能量的交聯鍵,增加了纖維結構單元之問的彈性,即增加了各結構單元側產生相對位移后回復到原來位置的能力,從而增加了纖維的回復彈性,因此,織物的抗皺性能得到了提高。

      而棉纖維由β-D葡萄糖通過1,4-甙鍵聯接起來的纖維素大分子組成的,在纖維素分子中每個葡萄糖環上都保留三個可以形成氫鍵的自由羥基。所以棉織物抗皺作用主要是依靠纖維素分子上大量的反應性基團與整理劑交聯,限制了結構單元之問的相對位移得到的。

      03棉抗皺形成原理

      棉纖維是由β-2D葡萄糖?;ㄟ^1,4甙鍵聯接起來的纖維素大分子組成的。在纖維素分子中每個葡萄糖環上都保留有3個可以形成氫鍵的自由羥基。當纖維受到外力時,在規整度高的結晶區,分子鏈排列整齊,形成的氫鍵較多,而且能共同承受外力的作用。所以,在不超過彈性極限的外力作用下,一般只發生較小的可逆形變,即普彈形變。在規整度較低的無定形區,羥基大多處于游離狀態,形成的氫鍵較少,在洗滌或穿著過程中經受外力作用時,纖維素分子沿著外力的方向發生一定的形變,基本結構單元相對滑移,羥基在新的位置又會產生新的氫鍵重新排列。當外力去除后,系統發生蠕變回復,若新形成的氫鍵產生的阻力大于回復力,使系統形變不能恢復,便出現了永久形變。由于氫鍵排列的多樣性而產生多種形態變化,這種不均一而且不可逆形變的宏觀表現就是織物的折皺。

      另外,棉纖維在水中溶脹時橫截面的面積增大40%以上,而長度變化不大,由于經緯紗交織而表現為不均勻收縮和干燥時不均勻恢復,也是褶皺形成的原因之一。

      04抗皺機理

      織物的抗皺整理主要有共價交聯和樹脂固定兩種機理。

      共價交聯是采用含有兩個或兩個以上官能團的多官能化合物作為交聯劑,與纖維中相鄰分子鏈上的羥基發生反應形成橋聯共價結合,交聯反應往往需要催化劑。而樹脂固定則是將高分子材料包覆在纖維素分子周圍或沉積在纖維分子之間,從而限制分子鏈的變形或分子鏈間的相對滑移。這樣,當體系受到外力作用時,由于共價交聯或樹脂的固定,不僅可減少纖維素大分子的形變,更主要的是穩定了原有的氫鍵結構,降低了形成新氫鍵的可能性,提高了形變的恢復能力,從而達到抗皺的目的。

      由抗皺整理的機理可以看出,如果在抗皺整理操作時紡織品已形成某種形狀,則在抗皺整理后亦傾向于保持該形狀,如褲線、裙褶。因此,耐久壓燙整理的方法和機理與抗皺整理相仿。

      如果纖維素在溶脹狀態下被固定,干燥后交聯的纖維則處于松弛狀態,所以仍可出現折皺,但遇水后纖維溶脹只能達到原固定狀態而使折皺消失。這種性能即為“濕抗皺性”皺性。

      值得注意的是,纖維素的交聯不僅會使手感變差,還會導致抗張力強度降低。這是由于交聯限制了纖維素分子的移動和內旋轉,外力作用下易造成應力集中而產生斷裂。當然,抗皺整理特別是酸催化體系也會造成紡織品強度下降低纖維分子間的作用力,增加纖維的平滑柔軟性也可起到抗皺作用。有機硅和液氨處理抗皺的機理主要是這種作用。

      05棉經抗皺樹脂整理后強度下降

      棉織物經抗皺整理后,凡纖維中的樹脂含量越高,即交聯程度越高,纖維的機械物理性能變化越大,棉纖維的吸濕膨化越小,彈性回復度越高(但有一定限度,達到飽和后不再增高)。而斷裂強度、延伸度、扯破強度、耐磨強度等的下降則與交聯程度成反比。所以在樹脂整理時,不能只顧提高織物的彈性而忽視物理指標,應該兼顧而求得平衡。

      關于一些物理機械性能下降的原因,主要在于棉纖維的物理結構狀態。棉纖維的無定形部分決定纖維的柔曲性和斷裂延伸度,而樹脂恰恰主要是在無定形部分起作用。纖維的強度取決于分子鏈間的側吸附力。纖維的側吸附力除了來自少數纖維鏈的互相糾纏作用外,主要是次價鍵,特別是氫鍵的作用。纖維中的結晶分子鏈結合很緊,不易打開,而無定形部分中分子鏈結合比較松弛,所以纖維強度和無定形部分中分子鏈間的次價鍵總能力大小有很大關系,如果破壞了次價鍵,則纖維的強度下降。棉織物經樹脂整理后,纖維的無定形部分中,分子鏈的部分氫鍵被破壞,而代以共價鍵,同時有些羥基被樹脂分子封鎖,起不了氫鍵的作用,更由于有些樹脂在纖維中發生沉淀現象,把本來結晶度很高、柔曲性較差的棉纖維變得更僵硬,嚴格地限制了分子鏈的自由活動特性。一旦受到應力,就不易將負荷均勻地分配給各個纖維單元結構,結果造成負荷集中現象。所以纖維的彈性雖然提高,而斷裂強度卻下降。

      合成樹脂在纖維無定形部分產生了交鍵和沉淀,改變了纖維分子鏈的易滑動性,于是降低了纖維的斷裂延伸度。纖維的延伸特性反映了纖維的柔韌性,若纖維的延伸度較小,則脆性較大??椢锏乃浩茝姸群湍湍ザ扰c纖維的柔韌性有關。樹脂整理后,增加了紗線的摩擦阻力,限制了自由活動,當織物處于撕裂狀態時,如果纖維的延伸度小.紗線的相對滑動又受到限制,聚集到撕裂作用點的紗線數量較少,所以用較小的力量就可以將織物撕破??椢锏哪湍ザ扰c纖維的延伸度及彈性回復性的關系密切。樹脂整理后,紗線的剛性增加,自由活動能力減小,耐磨度相應下降。

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