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《东华大学》 2012年
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基于木棉纤维结构性能的后处理技术及产品性能研究

刘杰  
【摘要】:木棉纤维是天然纤维素纤维,独特的结构、性能和低碳环保特色使其应用日渐广泛,目前应用范围逐渐由传统的浮力材料、吸油材料和絮料向服用、装饰领域扩展,但是,有关该类纤维在此领域后加工技术方面的研究很少,后整理加工技术能提升木棉纤维面料的服用性能,提高附加值。因此,本论文在深入研究木棉纤维微观结构和表面性能,明确其特点和优势基础上,集中研究了木棉产品在后整理工序的处理技术及其产品性能,主要内容和结论如下:1、系统测试了木棉纤维和对比样棉纤维的微形态结构与表面性能。测试研究发现,木棉纤维不但具有皮薄、大中腔结构,而且其细胞壁上的孔径分布较复杂,与棉纤维相比,木棉纤维的孔隙尺寸变化范围大。木棉纤维细胞壁的比表面积为13.124 m2/g,大于棉纤维的0.6581 m2/g;孔隙率也大于棉纤维。因此,木棉纤维细胞壁结构较棉纤维疏松。木棉纤维具有与棉纤维相同的纤维素特征红外吸收光谱带,与棉纤维不同的是存在木质素的特征谱峰;木棉纤维结晶度低于棉纤维;热稳定性较棉纤维略差。未经处理的木棉及棉纤维拒水性能极好,属于低能表面,木棉纤维极性分量较棉纤维极性分量更小。2、首次研究了碱液处理对含木棉纤维产品微观结构和性能的影响。借助于扫描电镜、红外光谱仪、X-射线衍射仪、视频光学接触角测量仪等,测试了木棉混纺纱及织物经不同浓度的碱煮炼、碱丝光处理前后微观结构、性能的变化及木棉混纺纱的染色性能。纱线经碱煮后的研究发现,适当浓度碱煮后木棉混纺纱失重率、芯吸高度、纱线强度均出现不同程度的增大;随木棉纤维混纺比的逐渐增大,纱线的失重率、芯吸高度显著增大,断裂强度略有提高;碱煮后木棉混纺织物对水的静态接触角降低,润湿性提高,并且好于全棉织物,织物表面自由能中的极性分量提高。纱线经碱丝光处理后的研究发现,适当浓度的碱丝光处理,随碱浓度的增大,纱线断裂强度逐渐增加,但强度提高的幅度随纱中木棉纤维含量的增大而减小,并且木棉纤维形态结构发生变化,纱线中的纤维由扁平恢复到圆中空结构;但过高浓度的碱丝光处理使木棉纤维表面出现明显的螺旋状腐蚀裂痕,纤维断裂强度明显下降,木棉纤维耐碱性不及棉纤维。适当浓度碱丝光后木棉混纺纱的纤维素所特有的红外特征峰位置没有变化,但游离羟基数量增多,木质素骨架特征苯环基本消失,部分纤维素Ⅰ转化成纤维素Ⅱ,结晶度降低。采用直接染料对碱丝光后的木棉混纺纱进行染色发现,随木棉纤维含量的增加,纱线上染百分率降低;木棉含量高,纱线表观得色量低、表观色泽浅、匀染性差。3、首次测试分析了含木棉织物、棉织物阻燃整理的吸附机理,得到织物吸附模型,确定了吸附因子,分析了纤维结构对固-液界面吸附性能的影响。通过测试与分析织物磷吸附量随时间变化的规律发现,含木棉织物、棉织物对阻燃剂中磷的吸附均表现为初始阶段速度较快,随后较慢的吸附过程,且含木棉织物初始阶段吸附速度较棉织物更快,饱和吸附量也较棉织物大。通过织物磷吸附动力学实验与三种模型的拟合对比发现,拟二级反应模型更适合描述含木棉织物和棉织物的吸附速率特征,含木棉混纺织物的拟二级反应模型为dqt/dt=0.0202(4.63-qt)2, 棉织物拟二级反应模型为dqt/dt=0.0169(3.67-qt)2。通过织物磷吸附热力学实验与三种模型的拟合对比进一步证实,含木棉织物磷吸附量较棉织物大。含木棉织物和棉织物的吸附等温线符合Langmuir-Nemst模型。含木棉织物的Langmuir-Nemst 模型为 qe=0.0324ce +0.328ce/1+0.3794ce,棉织物为qe=0 0244ce+03776ce/1+0.4353ce。在织物的二元吸附机制中,以物理吸附为主。两种织物的Langmuir吸附量差异小;Nernst吸附对含木棉织物吸附磷的贡献大于棉织物,造成了两种织物吸附总量的差异,导致差别的原因主要与纤维的微形态结构有关。4、首次试验研究了木棉混纺织物阻燃整理工艺的优化及产品结构性能。通过对影响木棉混纺织物阻燃性能的主要单因素实验确定了织物阻燃工艺配方的参数范围。在单因素分析基础上,基于四因子五水平二次通用旋转组合设计的试验方法,确定出损毁炭长Y1与整理配方中主要参数(CP整理剂X1、6MD交联剂X2、焙烘温度X3和焙烘时间X4)之间的有效回归方程为:Y1=11.53-0.5958 X1-0.1958 X2-0.1125X3-0.2875X4-0.1124X22-0.08735X32-0.1624X42+0.1313X3X4 ;织物断裂强力Y2与四参数的有效回归方程为:Y2=1023 -15.04X1-84.38 X3-17.67 X32+17.94X2X3。并对有效回归方程求解得到木棉混纺织物的阻燃整理优化工艺配方为:CP整理剂用量380g/L,6MD用量81.8g/L,温度156℃,时间4.7分钟。通过分别绘制有效回归方程中各因子间与损毁炭长及断裂强力的三维等高线图,分析了各因子对阻燃整理效果的影响程度,发现当其它因子固定不变时,阻燃剂与温度因子的交互作用对织物损毁炭长影响最大,阻燃剂对损毁炭长的影响远大于温度的作用,在实验范围内,当阻燃剂取最大值,温度最高时,损毁炭长最小;当其它因子固定不变时,阻燃剂的用量对混纺织物的断裂强力影响较小,温度对织物强力影响较大,尤其在与交联剂交互作用时,影响更为明显。通过对木棉混纺织物、棉织物微观结构和热性能的测试研究发现,与棉纤维相比,木棉纤维表面的阻燃整理膜更加均匀,阻燃处理后的木棉混纺织物红外光谱图中出现了 CP阻燃剂特有的基团特征峰,且-OH官能团的尖峰强度也大大减弱。经阻燃整理后,木棉混纺织物的热裂解温度明显降低,残炭量提高,整理后木棉混纺织物的阻燃性能较棉织物略好。5、首次对含木棉纤维织物湿传递及热湿舒适性能进行了测试分析研究。测试研究发现,木棉纤维含量高的织物芯吸高度大、织物扩散面积大,二者与木棉纤维含量有线性关系;与棉织物相比,含木棉织物干燥效率高、保水率低、具有更好的导湿快干性。借鉴植物中水的代谢机理,建立了仿生物效应的导湿织物结构模型,将织物结构分成3个层次,里层采用导湿性好、润湿性能好的纤维,中层采用吸湿和导湿性能都好的纤维,外层采用快干纤维,采用不同原料的经纬纱交织或不同纤维混纺实现各层性能要求,利用不同的密度比、不同的组织结构和不同纱线线密度配置实现各层间具有梯度的孔隙结构,采用上、下接结的方式连接各层组织,保证表、里层孔隙的直通性。依据Fick定律和差动效应分析了仿生物效应织物导湿结构的工作机理,织物中短距离液态水的运输主要依靠扩散和迁移,长距离液态水的运输主要依靠差动效应。基于仿生物效应的织物导湿结构模型,设计研制了不同松紧组织及不同接结方式、接结点数量的8种织物,通过对8种织物导湿、放湿性能的测试和多项综合值计算分析发现,同样规格、同样组织的木棉混纺织物导湿性能要较棉织物好;同样规格,不同组织的试样,表里层采用孔隙梯度结构的织物导湿性能好;同样规格,组织相同但接结方式不同时,织物的导湿能力也有所差异,接结点数目的增加有利于表里层之间液态水的传递。同时通过多项综合值计算验证了导湿结构模型的有效性,成功设计了含木棉纤维吸水快干不黏肤织物。基于灰色聚类分析评价系统对含木棉纤维织物的热湿舒适性进行了综合评价,发现含木棉纤维织物的保暖性能与棉织物相似,其接触温暖感好于棉织物;高含量木棉纤维织物在高温和低温环境下都具有较全棉织物好的热湿舒适性。木棉纤维具有巨大的中腔,细胞壁上孔隙多,比表面积大,结构疏松,独特的结构特点为其提供了良好的润湿、界面吸附性能,能够使织物具有良好的吸湿导湿性,良好的吸附性,利用木棉纤维的性能,结合织物结构设计,可用于功能性产品的设计。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TS102.212;TS195.6

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