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棉织物柔软后整理的研究新进展

2021-02-22 陆超琪 刘耀乾 冯雪凌 隋晓锋 顾义师 钱海洪

         棉织物柔软后整理的研究新进

摘要:棉织物作为最常见的天然面料,对其进行柔软整理一直是一大研究热点。介绍了棉织物后整理中的一系列柔软整理方法,包括超强热气流整理、超声整理、液氨整理、生物酶整理、柔软剂整理等,并比较了其各自的优缺点。在将来,希望能通过多种工艺的联合,如生物酶整理+柔软剂整理,或是热气流整理+生物酶整理等,进一步提高整理效率。

关键词:柔软整理  气流整理  生物酶  液氨  硅油  棉织物

0 前言

棉织物的柔软性能是消费者最注重的品质之一。提升棉纺织产品的柔软性不仅可以提高产品竞争力,而且能增加其附加值,提高产品利润。柔软是织物的综合触感感受,包括一定的轻、滑和细腻的触感,以及面料受外力作用后易改变形状的程度。织物柔软度评估分为主观评估和客观评估。主观评价又可分为秩位法(按柔软程度排序)和相对法(与相对标准样比对)等由于主观评估受主观想法的制约,往往会出现较大的偏差。因此,为了更准确地评估柔软度,还需要引入客观评估体系,即对织物的拉伸性能、弯曲性能、摩擦性能、压缩性能等进行评价。生产实践中通常可以借助纺织品手感参数仪(Fabric Touch TesterFTT)川端组合测试系统[Kawabata Evaluation System- Fabrics(KES-F)]和法宝仪(PhabrOmeter)等进行测试。

棉织物的主要成分为纤维素,纤维素的分子结构是影响棉织物柔软性的内在因素之一。纤维素的重复单元是3-D-吡喃葡萄糖,重复单元之间以β-糖苷键连接。结构的简单均一使其分子表面较为平整,同时其侧基为羟基,使得分子间或者分子能够形成大量的氢键形成结晶性的原纤结构成熟棉中含有4~5nm的核-壳(core-shell)结构纤维素微纤维,这些微纤维占总纤维含量的10%左同时具有60%以上的结晶度从天然棉纤维到成棉织物会经历纺丝纺纱织造染色和后整理等工序,这些都会对棉织物的柔软性产生一定影响。本文对后整理工序中的棉织物柔软整理的方法进行讨论。

1 超强热气流整理

由于天然棉纤维表面存在较多的棉短绒,使得织物在纺织过程中会产生一定的内应力。超强气流整理通过超强热气流对织物进行全方位反复的拍打和揉搓,使织物受到较大的机械冲击,能在一定程度上消除织物内应力获得柔软蓬松的手感

王雅琴等使用意大利白卡拉尼公司(BIAN-CALANI)开发的艾瑞松(AIRO1000)柔软机对纯棉灯芯绒等织物进行柔软整理。该方法的主要工艺为:先低速运行机器,当布前端运行到机器前端时,缝合前后布端,再将转速调到400m/min,并维持100℃处理30min,随后温度快速降至40℃,维持10 min后关机开幅取布。经整理,织物机械强度下10%折皱回复角增大56.6%弯曲刚度降低峰幅为50.3%,弯曲滞后矩降低峰幅为44.2%,对织物的手感有所改善。

  除了AIR01000柔软机之外,目前比较常见的还有意大利磐钛(PENTEK)公司开发的爱能极(EnARgy)柔软机。该柔软机可通过调整设备内风道侧板,使机器在绳状、平幅状态的工作模式间切换使用,同时处理过程中可以让织物在风道内松弛振荡飘浮一定时间,使得柔软整理的效果更加显著。此外,该设备还具有低能耗、易操作等优势。

  此外,市场上还存在不同类型的国产柔软整理设备。刘盛等报道了一款新型平幅气流烘燥机。该设备处理面料时,面料在交替变向的热气流整理通道中低速双向运动,并受到多点的反复拍打,在尽可能减少面料损伤的同时,赋予面料柔软而蓬松的手感。李家全等报道了一款DQL2400间歇型气流柔软整理设备。该设备不仅适合多种面料,而且能在一定速度和温度的气流介质的柔性作用下,按照特定的工艺参数,赋予织物均匀、无不当损伤的柔软整理效果。

2 超声整理

超声波也是机械能的一种形式,而声波空化效应是超声波能量的集中体现。由于超声波的特殊性,将其用于棉织物的柔软整理中,可以达到和强热气流处理类似的效果。此外,超声波还可能存在增加反应物接触面积、加快反应速率等作用。

  汪澜等探究了超声波处理对棉纤维结构与性能的影响他们使用功率为0.33 W/cmz频率为28 kHz的超声波,在50℃的条件下对棉布进行处整理后发现棉纤维的天然扭曲消失(图1)同时结晶度有轻微的下降说明超声波整理能使棉纤维变得光滑柔顺证明了使用超声波对棉织物进行柔软整理的可行性。

 

1 超声整理后的棉纤维SEM

3 液氨整理

天然纤维素经过液氨处理后,会变成III型结构。该结构的形成有一定的消晶作用,即纤维素的结晶度和分子排列的有序性会有所下降。根据BELLESIA G等的报道,液氨分子作用于纤维素结晶区主要经历以下三个过程:首先,氨分子与晶区表面形成氢键;其次,羟甲基发生构象旋转,产生一种过渡态结构,分子链之间形成阶梯型“分子通道”;最后液氨分子通过这些通道进入到结晶区内部,将分子链之间的氢键取代成氨分子与链之间的氢键,使晶区溶胀,从而达到消晶的目的。而棉纤维在液氨的作用下,会发生一定程度的溶胀天然扭曲减少纤维横截面饱满化表面趋于光滑,使棉纤维内部应力趋于均一,棉布的柔软性得到一定的提升。

王晶晶对液氨整理后棉织物的纤维形态和外观进行了表征并对整理后织物的悬垂性折皱性等服用性能指标进行了测试。扫描电镜图显示棉纤维经液氨整理后天然扭曲减少纤维得平滑顺直XRD衍射结果显示与原棉相比液氨棉的衍射角20º12.04º20.86º处出现新的衍射峰说明纤维素的晶型发生了改变根据特征峰出现的位置可以得出纤维素的晶型部分由I型变成了III型部分结晶区发生了去结晶化同时折皱回复角由75º增加到了162º服用性能也有很大的提升,证明液氨整理的可行性。


   蔡涛等使用FTT仪对液氨整理纯棉衬衫面料进行了表征。面料的液氨整理工艺为车速40m/min.拉伸强度2N/cm,氨最大循环量600~1000kg/h。随后用FTT仪测试恒温恒湿处理后织物的各项性能,发现面料表面趋于光滑,柔软性、抗皱性、弹性均有所增强,手感明显得到提升,证明液氨可用于面料的后整理工艺。

  季莉报道了一种针对高级棉织物的面料整理工艺,其中涉及液氨整理的工艺为:保持车速40~50m/min,棉布经过水洗、预烘后,使用液氨浸渍,再用(95±5)℃的蒸汽进行汽蒸后,水洗烘干。经过整套工艺整理之后,面料的光泽和手感得到改善,弹性和平整度增加。

  要实现液氨整理的可控连续化工业生产,还需要牢靠的设备作为支持。LEE等报道了韩国高技术纺织研究所(KOTERI)和意大利拉法机器制造公司( Lafer SPA)合作开发的一台针织面料用新型液氨整理设备。该设备生产速度为18 m/min,面料先经过预干燥压实设备处理后冷却,进入密封区域后经历液氨浸渍、两次蒸发,随后再经历130℃的干燥区和120℃的蒸制区,使面料上的氨蒸发完毕即可得到柔软的织物成品。经过该设备整理后的棉针织物抗拉伸强度提高了90N,收缩率下降明显,抗弯曲强度轻微上升,织物的手感总体上有所改善。

  虽然液氨整理能改善织物的手感和柔软性,但该工艺也存在一定的危险性。由于液氨的超低沸点,该工艺往往需要在加压或超低温条件下实施,对设备要求很高。另外氨气比较危险,会灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的黏膜,人吸入过多,会引起肺肿胀,甚至死亡。

4 生物酶整理

生物酶一直被认为是绿色高效的催化剂,将其运用于柔软整理符合绿色染整的要求。一般纤维素酶包含三种组分:内切-β-葡聚糖酶(Cx酶、外切-β-葡聚糖酶(C1酶)和纤维二糖酶(C2酶)。Cx酶能将结晶区打碎为无定形纤维素或低聚糖,接着C1酶和C2酶对C酶的分解产物进一步水解,成为可溶性小分子。

棉织物的生物酶柔软整理,主要是去除棉布表面突出的纤维和枝节,以及破坏纤维内部的结晶区。生物酶整理不仅能提高棉布的柔软性和光滑性,而且还可能改善织物的其他一些性能(如染色性能)。

徐宏世使用工业用纤维素酶,对纤维素织物进行柔软整理,得到酶处理效率较高的工艺条件pH=4.5~5.545~55℃处理40~60min棉织物经过处理后蓬松度由2.30cm2/g提高到2.47cm2/g折皱回复角由134.3º提高到195.6º,可见柔软性有了很大的提升。

邹健敏等在纤维素酶整理的基础上加入了果胶酶,得到最佳的工艺参数为:在pH=5.0、温度50℃、浴比1:20的条件下,使用2.5 g/L果胶酶和0.7%(omf)纤维素酶对棉织物处理1h。整理后,棉织物失重率在2%左右,硬挺度降低1.05%左右。而单纯使用纤维素酶整理硬挺度下降达不到1%可见果胶酶和纤维素酶混用能提高酶整理织物的柔软效果。

  曹静等报道了使用超声波协同纤维素酶的整理方法。其主要的工艺参数为:在温度40℃、酶2.5% (omf)、pH=4.5的条件下,用超声协同处理棉织物50 min。整理后,弯曲刚度比未整理织物下降44.8%,折皱回复角增加79.2%,说明该整理方法极大地改善了柔软性。同时,利用超声的机械作用,使纤维排列变得松散,增大了纤维与酶的接触面积,一定程度上缩短了处理时间,实现了高效目标。

  王海英提出了棉织物超柔整理的生物化学先在pH=5浴比为1:20的条件下使用3% (omf) Cellusoft L型纤维素酶,维持50℃对棉布处理50min;再使用3% (omf)的柔软剂对织物进行柔软整理。以阳离子型“恒星一号”柔软剂整理为例,整理后棉织物硬挺度下降15%左右,手感达到3-4级。经过酶处理之后,纤维变细,纤维间距变大,使得柔软剂与纤维的接触面积增加,从而提高了柔软剂的附着效率,使得整理效果有一定的提升。

   IBRAHIM等开发了用酸性纤维素酶整理纤维素织物的方法。先将织物浸润于含有20 g/L酸性纤维素酶和2g/L非离子表面活性剂的混合溶液中,待吸湿率达到80%,维持50℃反应18 h。随后升温至25℃,调节pH至9,浴比1:20,在28r/min的转速下机械搅拌洗30min,烘干。通过SEM图片可以看到,处理后的棉织物纤维比未处理的更加光滑、柔顺。以普通的漂白棉织物为例,处理后粗糙度降低28.9%折皱回复角增加25.71%拉伸强度仅下降2.3%,说明该方法在赋予棉织物更好的柔软度的同时对织物的强力损伤相对较小

随着近年来循环经济、绿色经济的兴起,酶的回收再利用越来越受到重视。YU等报道了一种固定化酶处理棉织物的方法。将纤维素酶通过静电吸附的形式固定在甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯的共聚物[Eudragit S-100 (ES)、Eudragit l-100 (EL)]上,固定化后酶的活性下降约20%。由于载体具有类似“碱溶酸析”的性质,在pH=5时,溶解度变化特别大,可以通过控制pH值来实现酶的使用和回收。相比于游离酶处理,固定化酶处理后棉织物的质量损失小2%,拉伸强度大60N,折皱回复角仅低6º。可见,这种固定化酶整理在获得良好的柔软整理效果的同时,还降低了对棉织物的机械损伤(图2)。

 

2 不同工艺处理棉织物的SEM照片

另外,针对酶活性的改良也是有效提高柔软整理效果的方法。JABASINGH等报道了一种高活性纤维素酶的生产方法。在保持pH=6的条件下,使用0.75 mg/L的KH2P041.5 mg/L的NH4NO30.01mg/L的盐酸硫胺和2.15 g/L的羧甲基纤维素(CMC)的最优配方来培育构巢曲霉菌(Aspergillus nidulans)生产纤维素酶,这种酶的活性高达60.54 U/mL。使用pH=5的15%该酶溶液,对棉布处理16h后,棉织物减重0.38%,同时棉布表面变得光滑,手感有所提高,而纤维的机械性能受到的影响很小。物酶整理是一种环保高效的整理方式,但是需要较严格的工艺条件,在确保酶高活性的同时,还须避免对纤维的过度刻蚀,以免影响纤维的机械强力和服用性能。

5 柔软剂整理

柔软剂主要作用在纤维的表面,其机理是在纤维表面形成一层润滑膜,以降低纤维间摩擦。此,还有少部分相对分子质量小的柔软剂能渗入纤内部,使得纤维的玻璃化温度降低而起到增塑作用。IGARASHI等对柔软剂的软化机理作了深入的阐述(图6)。在自然状态下干燥的棉织物,往会含有一定量的结晶水,这些结晶水形成时容与纤维之间形成氢键,相当于这些结晶水充当了理交联剂的作用,使得棉织物的手感变差,而柔剂能够铺展在纤维表面,阻断水分子与棉纤维之间的交联,从而改善织物的手感。同时,OIKONO-MOU等使用双尾阳离子柔软剂与纤维素纳米晶相互作用,发现柔软剂分子通过强静电吸附作用在纤维素表面自组装形成单层或多层微米级囊泡,证

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