織物緊度和抗皺整理工藝對(duì)純棉機(jī)織物折皺回復(fù)性的影響

侯文雙， 閔 潔， 紀(jì) 峰， 張建祥， 蘇 夢(mèng)， 何瑞嫻

(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院， 上海 201620； 3. 魯泰紡織股份有限公司， 山東 淄博 255100)

純棉織物因其良好的吸濕性，觸膚柔軟度和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，一直以來是服用紡織品的常用材料；然而純棉織物較其他織物更容易起皺，生活中穿著、洗滌、折疊、久置等都會(huì)使其產(chǎn)生折皺，直接影響織物的服用性和美觀度。純棉織物的抗皺性能被消費(fèi)者、面料生產(chǎn)企業(yè)和科研人員所關(guān)注[1],提高純棉織物的折皺回復(fù)性成為了提高其產(chǎn)品品質(zhì)和附加值的重要內(nèi)容。

通常從織物組織結(jié)構(gòu)和后整理工藝2個(gè)方面來改善純棉織物折皺回復(fù)性。從結(jié)構(gòu)方面改善折皺回復(fù)性大都集中于調(diào)整紗線線密度、紗線捻度、織物組織結(jié)構(gòu)、組織密度等方法[2-4]，也有文獻(xiàn)采用新型結(jié)構(gòu)的紗線來提高面料折皺回復(fù)性[5]；在織物后整理方面，文獻(xiàn)集中于研究整理劑種類、整理劑質(zhì)量濃度、烘焙時(shí)間等工藝條件對(duì)折皺回復(fù)性的影響[6-8]。

常用的純棉抗皺整理劑有樹脂類、多元羧酸類、乙二醛系列等[9-11]，從抗皺效果和成本等方面更多為科研人員和企業(yè)所接受的是2D樹脂整理劑[12]。樹脂整理劑中應(yīng)用最早的二羥甲基二羥基乙烯脲樹脂(2D樹脂)雖有較好的抗皺效果，但因其會(huì)釋放甲醛而逐步減少使用[13]；目前無甲醛抗皺整理劑的抗皺效果低于2D樹脂[14]。而經(jīng)低醛2D樹脂整理后織物既可獲得良好的折皺回復(fù)性，又能滿足環(huán)保要求，是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。上述從結(jié)構(gòu)和整理工藝2個(gè)方面的研究各自取得明顯成效，然而對(duì)于結(jié)構(gòu)和整理工藝的協(xié)同作用對(duì)織物折皺回復(fù)性的影響效果尚未獲得關(guān)注。理論上來說，后整理方法一方面直接作用于纖維原料，通過提高纖維的彎曲回彈性能來達(dá)到抗皺效果；另一方面作用于織物結(jié)構(gòu)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化達(dá)到目標(biāo)效果。因此，研究組織結(jié)構(gòu)和后整理工藝的協(xié)同效果對(duì)棉織物折皺回復(fù)性的作用有助于探索織物抗皺的內(nèi)在機(jī)制，同時(shí)可對(duì)棉織物抗皺整理提供更為切實(shí)的理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)參考。

本文研究了織物緊度和后整理工藝對(duì)純棉織物折皺回復(fù)性的影響機(jī)制。采用急彈回復(fù)角、延遲回復(fù)角分別代表折皺回復(fù)角的快速?gòu)椥曰貜?fù)部分和延遲彈性回復(fù)部分。首先分別研究純棉織物緊度、后整理工藝對(duì)其折皺回復(fù)性的作用關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，研究了織物結(jié)構(gòu)與整理工藝的協(xié)同作用對(duì)其折皺回復(fù)性的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣準(zhǔn)備

本文選用2組不同規(guī)格的純棉機(jī)織物試樣，分別為斜紋組織和平紋組織，各試樣的基本組織結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 織物規(guī)格參數(shù)表

1.2 整理工藝

抗皺整理工藝流程為：二浸二軋(軋余率為60%)→烘干(70 ℃)→焙烘(110 ℃，3 min)。對(duì)表1所述8種不同規(guī)格的織物分別在40, 60, 80, 100, 120 g/L的低醛二維樹脂(改性二羥甲基二羥基亞乙基脲)質(zhì)量濃度條件下進(jìn)行抗皺整理。選用催化劑NKC質(zhì)量濃度為7 g/L?？椢镎碓O(shè)備：Rapid臥式電動(dòng)軋車、Y802 N八籃恒溫烘箱。

1.3 表征與測(cè)試

1.3.1 織物折皺回復(fù)角

采用折皺回復(fù)角表征織物的折皺回復(fù)性，凸形試樣在10 N外壓下折疊保持5 min，卸除負(fù)荷后經(jīng)一定時(shí)間回復(fù)，測(cè)量2個(gè)對(duì)折面形成的角度即為折皺回復(fù)角。

參照GB/T 3291.3—1997《紡織 紡織材料性能和試驗(yàn)術(shù)語 第3部分:通用》中對(duì)急彈性變形、緩彈性變形以及彈性變形的定義，本文將折皺回復(fù)角視為可回復(fù)的彈性變形，分成2個(gè)部分：瞬時(shí)回彈的部分用急彈回復(fù)角表示，延遲回復(fù)的部分用延遲回復(fù)角表示。急彈回復(fù)角和延遲回復(fù)角之和為總回復(fù)角，用以定量描述織物在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)的折痕快速回復(fù)和延時(shí)回復(fù)行為特征，并有助于研究織物折皺回復(fù)性的內(nèi)在機(jī)制。

在試驗(yàn)中，取外壓卸除后15 s時(shí)測(cè)量得到的回復(fù)角為急彈回復(fù)角；5 min時(shí)測(cè)量得到總回復(fù)角；總回復(fù)角減去急彈回復(fù)角得到延遲回復(fù)角。本文中所指折皺回復(fù)角為總回復(fù)角。

按照GB/T 3819—1997《紡織品 織物折痕回復(fù)性的測(cè)定 回復(fù)角法》要求，測(cè)試未經(jīng)整理和經(jīng)不同質(zhì)量濃度樹脂整理劑整理后試樣的急彈回復(fù)角、延遲回復(fù)角和總回復(fù)角。計(jì)算每次試驗(yàn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.2 織物表面形貌測(cè)試

采用DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡觀察未經(jīng)整理和經(jīng)不同質(zhì)量濃度樹脂整理劑整理后織物試樣表面的形貌。試驗(yàn)前織物表面經(jīng)噴金處理，選用15 mA濺射電流，噴金150 s。

1.3.3 織物化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用Spectrum Two型傅里葉紅外光譜儀測(cè)試織物試樣整理前后的化學(xué)結(jié)構(gòu)。掃描范圍為4 000～400 cm-1，溫度為21 ℃，相對(duì)濕度為65%。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物緊度與折皺回復(fù)性的關(guān)系

對(duì)棉織物來說，在纖維原料和織物組織結(jié)構(gòu)確定的情況下，織物緊度能夠有效代表織物的組織結(jié)構(gòu)特征[15]。本文選用織物總緊度作為棉織物結(jié)構(gòu)特征的代表參量，文中織物總緊度稱為織物緊度。

表2示出2組純棉試樣原樣(未經(jīng)抗皺整理)的總緊度和折皺回復(fù)角測(cè)量數(shù)據(jù)。斜紋織物試樣A1～A4的總緊度接近和超過90%；平紋試樣B1～B4的總緊度相對(duì)較小。由表1、2可看到：隨著總緊度的增加，4種斜紋試樣之間的折皺回復(fù)角差異小，變異系數(shù)僅為0.74%；而總緊度相對(duì)較小的平紋試樣，隨試樣總緊度的增加，回復(fù)角增大的趨勢(shì)較為明顯。

對(duì)于緊度較低的織物，緊度的增大使折皺發(fā)生時(shí)紗線間的相對(duì)靜摩擦力和擠壓彈性勢(shì)能增加，外力去除后表現(xiàn)出明顯增大的回復(fù)性。當(dāng)織物總緊度達(dá)到和超過90%時(shí)，外力壓折使纖維張力增加，織物內(nèi)部的纖維和紗線在較大擠壓和牽伸作用下克服靜摩擦力發(fā)生相對(duì)滑移，消耗機(jī)械勢(shì)能，外力撤去后織物整體的變形回復(fù)能力被削弱。

表2 織物總緊度與折皺回復(fù)角測(cè)量數(shù)據(jù)

斜紋和平紋2組試樣的織物總緊度與急彈回復(fù)角、延遲回復(fù)角的關(guān)系如圖1所示。

圖1 織物總緊度與急彈回復(fù)角、延遲回復(fù)角的關(guān)系

由圖1可看出，對(duì)于所選用的純棉機(jī)織斜紋試樣(總緊度在80%～100%范圍)和純棉機(jī)織平紋試樣(總緊度在70%～95%范圍)，試樣的急彈回復(fù)角都明顯高于延遲回復(fù)角，急彈回復(fù)角占總回復(fù)角的主體部分，說明試樣經(jīng)外力壓折后都表現(xiàn)為以瞬時(shí)回復(fù)形變?yōu)橹鞯淖冃翁卣鳌?/p>

外力壓折作用使纖維、紗線發(fā)生彎折變形和局部伸縮變形，紗線間、織物交織點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)擠壓和靜摩擦，大部分以彈性勢(shì)能的形式存儲(chǔ)于織物結(jié)構(gòu)體內(nèi)部；外力卸除后彈性勢(shì)能迅速釋放使折皺變形回復(fù)，對(duì)應(yīng)急彈回復(fù)角部分。

外力作用同時(shí)會(huì)在織物結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生纖維、紗線間的相對(duì)摩擦和滑移，原纖維間的相對(duì)糾纏減弱或發(fā)生新位置下的勾接，甚至局部產(chǎn)生塑性變形。上述形變狀態(tài)以黏彈機(jī)械能的形式存儲(chǔ)于織物結(jié)構(gòu)體，或以熱能形式消耗掉。外力卸除后，黏彈機(jī)械能通過結(jié)構(gòu)內(nèi)的自調(diào)整逐步釋放，對(duì)應(yīng)延遲回復(fù)角，不能完全回復(fù)的彎折變形為塑性變形。

為更清晰反映急彈回復(fù)角和延遲回復(fù)角隨總緊度的變化趨勢(shì)，選用二次多項(xiàng)式分別對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合曲線和擬合公式，如圖1所示。總緊度-急彈回復(fù)角、總緊度-延遲回復(fù)角擬合曲線的判定系數(shù)分別為0.68, 0.90，說明對(duì)于該部分試樣，用二次多項(xiàng)式能夠較好反映急彈回復(fù)角、延遲回復(fù)角與總緊度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

圖1中，斜紋和平紋試樣的總緊度與急彈、延遲回復(fù)角擬合曲線分別經(jīng)各自拐點(diǎn)后，隨總緊度的繼續(xù)增加，急彈回復(fù)角多呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而延遲回復(fù)角數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可認(rèn)為在相應(yīng)的緊度范圍內(nèi)，織物緊度的增加為產(chǎn)生擠壓、彎彈、伸縮等急彈性變形提供了條件，同時(shí)降低了紗線間相對(duì)摩擦、滑移等黏彈性變形發(fā)生的機(jī)會(huì)。

由此可知，織物緊度的變化對(duì)折痕的瞬時(shí)回復(fù)、延時(shí)回復(fù)和不可回復(fù)(塑性變形)都有明顯影響。

2.2 整理工藝對(duì)織物的作用效果

本文選用低甲醛2D樹脂作為主要抗皺整理劑，采用5個(gè)不同的樹脂質(zhì)量濃度按照1.2節(jié)所述工藝對(duì)織物進(jìn)行整理，并測(cè)定整理后織物的折皺回復(fù)效果。

2.2.1 整理前后純棉織物的表面形貌分析

未經(jīng)整理織物試樣A4和經(jīng)不同質(zhì)量濃度低醛樹脂整理后的試樣A4的掃描電鏡照片如圖2所示。與原織物對(duì)比，經(jīng)樹脂整理后的棉纖維表面有糊狀黏著物。隨著低醛2D樹脂質(zhì)量濃度的增大，黏著物的面積和厚度增加，在質(zhì)量濃度最高時(shí)(見圖2(d))，黏著物呈現(xiàn)梯田狀的層次感。同時(shí)看到，覆于纖維表面的黏著物一定程度上也填充了纖維表面的溝壑，使纖維表面趨于光滑，從而提高了纖維結(jié)構(gòu)的規(guī)整性。

圖2 織物試樣A4抗皺整理前后掃描電鏡照片

2.2.2 整理前后純棉織物的紅外光譜分析

圖3 整理前后試樣A4的紅外光譜圖

2.2.3 低醛2D樹脂質(zhì)量濃度與織物回復(fù)角關(guān)系

根據(jù)1.3.1節(jié)的試驗(yàn)方法測(cè)量未經(jīng)整理和經(jīng)不同質(zhì)量濃度樹脂整理劑整理后試樣的回復(fù)角，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 經(jīng)不同質(zhì)量濃度低醛2D樹脂整理前后各試樣回復(fù)角

由表3可看出：試樣經(jīng)低醛(2D)樹脂處理，回復(fù)角都有不同程度的增加；隨樹脂質(zhì)量濃度在40～120 g/L范圍內(nèi)增加，回復(fù)角相應(yīng)增大。

經(jīng)低醛2D樹脂整理，樹脂整理劑與棉纖維發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，將纖維大分子鏈連接起來，阻礙了纖維大分子鏈間的相互滑移，有利于其折皺回復(fù)。除了與纖維發(fā)生共價(jià)交聯(lián)作用，進(jìn)入纖維表層和內(nèi)部的樹脂在引發(fā)劑和高溫作用下發(fā)生縮聚，在纖維中構(gòu)筑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，沉積在纖維無定形區(qū)。上述共價(jià)交聯(lián)反應(yīng)和成網(wǎng)效應(yīng)，都使纖維自身的剛性增大，抵抗彎折能力增強(qiáng)。

此外，存在于纖維之間或紗線間的樹脂在纖維間產(chǎn)生黏接作用，令相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可能性降低，結(jié)構(gòu)的整體性提高;因此，整體上織物的折皺回復(fù)性提升。

樹脂質(zhì)量濃度增加，使單位面積織物中進(jìn)入纖維表層或內(nèi)部的樹脂大分子的數(shù)量增加，參與交聯(lián)反應(yīng)、沉積反應(yīng)的樹脂大分子數(shù)量也相應(yīng)增加，同時(shí)，黏著、堆積在織物結(jié)構(gòu)孔隙中的樹脂的量也增加;因此，整理后織物的折皺回復(fù)性提升。

2.3 雙因素方差分析

2.3.1 斜紋織物

為研究織物緊度和整理劑質(zhì)量濃度對(duì)織物折皺回復(fù)性的共同作用效果，首先采用方差分析方法檢驗(yàn)織物緊度(因素A)、樹脂質(zhì)量濃度(因素B)及2因素的協(xié)同效應(yīng)對(duì)回復(fù)角作用的顯著性。織物緊度取4個(gè)水平，樹脂濃度取6個(gè)水平，每個(gè)交叉試驗(yàn)重復(fù)4次，斜紋試樣回復(fù)角的均值數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 斜紋織物試樣(A1～A4)回復(fù)角的均值

利用SPSS軟件計(jì)算檢驗(yàn)織物緊度、樹脂質(zhì)量濃度及二者協(xié)同效應(yīng)對(duì)試樣回復(fù)角作用顯著性程度的統(tǒng)計(jì)量F值。表5示出斜紋試樣的雙因素方差分析結(jié)果。

表5中，檢驗(yàn)因素A(織物緊度)的F統(tǒng)計(jì)量為FA=10.04 >F0.01(3,72)，檢驗(yàn)因素B(樹脂質(zhì)量濃度)的F統(tǒng)計(jì)量為FB=115.35>F0.01(5,72)，說明織物緊度和樹脂濃度對(duì)回復(fù)角的影響效果均為非常顯著。

此時(shí)檢驗(yàn)協(xié)同效應(yīng)的F統(tǒng)計(jì)量FAB=2.48。假設(shè)協(xié)同效應(yīng)無影響作用時(shí)，F(xiàn)AB服從自由度為(15，72)的F分布，因FAB=2.48 >F0.01(15, 72)，故拒絕原假設(shè)，即協(xié)同效應(yīng)對(duì)純棉織物折皺回復(fù)性的影響顯著。

表5 斜紋織物試樣雙因素方差分析結(jié)果

2.3.2 平紋織物

采用同樣方法檢驗(yàn)平紋織物試樣的織物緊度、樹脂質(zhì)量濃度雙因素及其協(xié)同效應(yīng)對(duì)回復(fù)角作用的顯著性。表6示出平紋試樣回復(fù)角的均值數(shù)據(jù)。

表6 平紋織物試樣(B1～B4)回復(fù)角的均值

表7示出平紋織物試樣的雙因素方差分析結(jié)果。由表可知，織物緊度和樹脂質(zhì)量濃度分別對(duì)平紋織物的回復(fù)角有顯著影響作用，并且雙因素的協(xié)同效應(yīng)也對(duì)回復(fù)角有顯著影響作用。

2.4 雙因素共同作用效果分析

總的來說，樹脂質(zhì)量濃度的增加使各試樣的回復(fù)角隨之增大,但是不同緊度的斜紋試樣，分別經(jīng)不同質(zhì)量濃度整理劑處理后，其回復(fù)角呈現(xiàn)差異性的增長(zhǎng)幅度。經(jīng)較低質(zhì)量濃度(60 g/L及以下)的樹脂處理后，各試樣間回復(fù)角的差異及回復(fù)角增幅的差異均不明顯；而經(jīng)80 g/L及以上質(zhì)量濃度整理劑處理后，低緊度試樣A1、A2的回復(fù)角不但增長(zhǎng)幅度明顯提高，在量值上也明顯接近并超過緊度較高的A3、A4試樣。

與斜紋試樣的數(shù)據(jù)趨勢(shì)相似，平紋試樣的回復(fù)角隨樹脂質(zhì)量濃度的增加呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)幅度在試樣間有差異。最為顯著的是緊度最小的B1試樣，當(dāng)樹脂質(zhì)量濃度超過60 g/L時(shí)，其回復(fù)角增幅和量值都顯著高于其他試樣。初步分析原因?yàn)?，試樣B1有低線密度的紗線和低緊度的組織結(jié)構(gòu)，為樹脂整理劑充分發(fā)揮作用提供了更大空間。樹脂整理劑一方面進(jìn)入纖維表層和內(nèi)部，通過化學(xué)交聯(lián)和網(wǎng)狀化作用令纖維彎曲剛度提高;另一方面，通過填充纖維表面和織物結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙在纖維間和紗線間構(gòu)筑橋梁使結(jié)構(gòu)整體性提高。

2組試樣的數(shù)據(jù)都表明，織物緊度影響到樹脂的整理功能實(shí)施的充分程度。對(duì)織物緊度相對(duì)小的試樣，樹脂整理劑能夠更為充分地接觸單纖維并進(jìn)入纖維內(nèi)部，從而對(duì)纖維起增強(qiáng)作用；較高質(zhì)量濃度的樹脂整理劑，雖然單位體積內(nèi)樹脂分子的數(shù)量多，但由于對(duì)緊密結(jié)構(gòu)纖維集合體的浸潤(rùn)性相對(duì)降低；因此能有效進(jìn)入結(jié)構(gòu)孔隙和進(jìn)入纖維內(nèi)部的樹脂分子比例較低，影響其整理功能的充分發(fā)揮。

圖4示出經(jīng)80、120 g/L樹脂整理后各試樣的總緊度-急彈回復(fù)角與延遲回復(fù)角測(cè)量數(shù)據(jù)及相應(yīng)擬合曲線。

圖4 經(jīng)不同質(zhì)量濃度樹脂整理后試樣總緊度與急彈、延遲回復(fù)角的關(guān)系

與圖1未經(jīng)整理試樣的總緊度-急彈回復(fù)角/延遲回復(fù)角的關(guān)系一致。由圖4可看出，經(jīng)樹脂整理后，急彈回復(fù)角依然顯著高于延遲回復(fù)角，棉織物試樣的折皺回復(fù)變形仍以急彈回復(fù)部分為主體。

由于樹脂大分子對(duì)纖維和織物結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)作用，在壓折外力下織物內(nèi)部發(fā)生黏彈形變的機(jī)會(huì)降低，因此使延遲回彈的空間相應(yīng)減少。尤其當(dāng)織物緊度達(dá)到90%及以上時(shí)，紗線和織物中孔隙量明顯減少，樹脂大分子填充孔隙后，對(duì)纖維和織物結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)效果進(jìn)一步強(qiáng)化，使織物經(jīng)外力壓折后呈現(xiàn)剛性回彈效果。

3 結(jié) 論

1)分別以急彈回復(fù)角、延遲回復(fù)角代表棉織物折皺回復(fù)角的快速回復(fù)和延遲回復(fù)部分，測(cè)試了斜紋、平紋2組棉織物試樣的回復(fù)角。數(shù)據(jù)表明：急彈回復(fù)角都明顯高于延遲回復(fù)角，折皺回復(fù)性以15 s內(nèi)的快速回彈為主；經(jīng)樹脂整理劑處理后，2組試樣的急彈部分在回復(fù)角中所占的比例提升，樹脂整理對(duì)于提高棉織物折皺回復(fù)的急彈回復(fù)部分更為顯著。

2)以織物緊度作為織物結(jié)構(gòu)的代表參量，以樹脂質(zhì)量濃度作為整理工藝的代表參量，雙因素方差分析證實(shí)，織物緊度和樹脂質(zhì)量濃度2個(gè)因素的協(xié)同效應(yīng)對(duì)織物的折皺回復(fù)性有顯著影響。

3)抗皺整理能夠明顯提高棉織物的折皺回復(fù)性，但整理工藝作用的發(fā)揮程度受織物緊度的影響。緊度較小(斜紋織物90%及以下，平紋織物80%及以下)的棉織物試樣，經(jīng)高質(zhì)量濃度整理劑(斜紋織物80 g/L以上，平紋織物60 g/L以上)處理，其折皺回復(fù)角增長(zhǎng)的幅度顯著高于高緊度的棉織物。