棉纤维抱合性探讨

关立平 董哲英

（1.宁波市先进纺织技术与服装CAD重点实验室，浙江 宁波315211; 2.浙江纺织服装职业技术学院，浙江 宁波315211）

棉纤维抱合性探讨

关立平1,2董哲英2

（1.宁波市先进纺织技术与服装CAD重点实验室，浙江 宁波315211; 2.浙江纺织服装职业技术学院，浙江 宁波315211）

以纤维层的断裂强度为棉纤维的抱合力指标，对棉纤维的抱合性能进行了探讨，分析了棉纤维主体长度、环境温度、环境湿度及染色工序对棉纤维抱合力的影响。结果表明，棉纤维的抱合力随纤维主体长度、环境湿度的增大而显著提高，染色会使棉纤维的抱合力下降。

棉纤维；抱合性；抱合力；主体长度

纤维的抱合性是衡量纤维可纺性的一项综合指标，它与纤维的外观形态、纤维长度、线密度、表面摩擦等有关[1]。由于拥有天然转曲，使得棉纤维具有良好的抱合性[2]，其散纤维极易抱和成团，难以完全分散而形成单根独立的纤维。为了系统地探讨棉纤维的抱和性，本文以棉纤维层的断裂强度为棉纤维的抱合力指标，探讨了棉纤维主体长度、环境温度和湿度与棉纤维抱合力的关系，分析了染色等对棉纤维抱合力的影响。

1 实验材料

原色精梳棉条:4.6g，纤维主体长度30.14mm；染色棉是该精梳棉条通过KN型活性染料采用棉条染色工艺[3]染制而成（表1）；不同主体长度的棉纤维通过纤维切断器切断精梳棉条而成。

表1 染色纤维试样编号

2 实验设备、内容与方法

图1 纤维抱合力测试装置示意图

2.1 实验设备

Y(B)171型纤维切断器，Y111型罗拉式纤维长度仪，JN-B型精密扭力天平，YG(B)003A型电子单纤维强力机，Y151型纤维摩擦因数仪，XH-6002万能强力机，DHUA201型小样清梳联合机，BSA220.4电子天平，XSP-2CXSP-3C生物显微镜，自制纤维抱合力测试装置（图1）。图1中，G形夹固定于万能强力机的下夹持器所处平面，纤维层水平无张力地夹持于G形夹上，鞍形夹下部置于纤维层的下底中部，上部与万能强力机的上夹持器联接，万能强力机上夹持器上升，带动纤维层中部被拉起，直至纤维层完全断裂，万能强力机所测强力与鞍形夹重量及纤维层自重之差即为纤维层的断裂强力。

2.2 实验内容与方法

2.2.1 棉纤维主体长度（L）的测试

用纤维切断器取不同长度切断精梳棉条，按照标准 GB/T 6098.1-2006《棉纤维长度试验方法第一部分：罗拉式分析仪法》,测试并计算不同长度棉纤维的主体长度。

2.2.2 棉纤维拉伸性能的测试

先将试样在标准状态下进行预调湿和调湿，至达到吸湿平衡，按照标准FZ/T98009-2011在电子单纤维强力机上进行棉纤维拉伸性能测试。选择隔距长度为10mm，拉伸速度10mm/min，预加张力棉纤维为0.2cN/tex，测试次数为50次。

2.2.3 棉纤维摩擦系数的测试

采用绞盘法[4]在纤维摩擦因数仪上测试棉纤维的摩擦性能。将纤维净化处理后，在标准状态下预调湿，达到平衡后进行测试。张力钳质量为200mg，转速采用30r/min，每根纤维测2次。最后，按照欧拉公式（1）计算纤维动摩擦系数。

式中： ——纤维间的包角；

m——扭力天平读数；

f1——张力钳质量，mg；

f2——张力钳质量与m之差，mg。

2.2.4 棉纤维抱合力测试

抱合力是在纤维间的正压力为0时,纤维间的相对移动的阻力[5]，可以通过纤维层的断裂强度（）来定量表征。先将棉纤维在小样清梳联合机上制成一定规格的纤维层（纤维层克重为 3g，规格为22cm×20cm），采用抱合力测试装置在万能强力机上测试，通过测量该段梳理纤维层的断裂负荷除以该段的质量得到的断裂强度来表征纤维抱合力。当纤维层垂直于纤维取向断裂时，纤维间抱合力最大[6]。纤维层的断裂强度计算方法如公式（2）所示。

纤维层的断裂强度越大，则表示纤维的抱合力越大。

实验过程中，在恒温恒湿实验室，温度、湿度按要求调节好，然后将梳理好的棉纤维层放于实验室里预置24小时，再用抱合力测试装置测算纤维层的断裂强度。

3 结果与讨论

3.1 棉纤维主体长度对纤维抱合性的影响

原色棉纤维的纤维层断裂强度与主体长度的关系如图2所示，测试温度为20℃，相对湿度为65%。

从图2可以看出，纤维层的断裂强度随着棉纤维的主体长度的增大而增大。这主要因为，纤维的主体长度越大，在纤维层中每根棉纤维与其它纤维发生接触的机会越多，拉伸时所产生的摩擦力越大。同时，对同一批次的纤维来说，纤维的主体长度越大，则棉纤维的天然转曲数量越多，纤维在纤维层中的形态会变得更不规则，纤维之间发生纠缠的可能性增大，在集合体中纤维与纤维间的接触点会增多。当纤维与纤维间相对滑移时，相互之间的摩擦阻力增大，纤维层的断裂强度也随之增大，表明纤维间抱合力越大。

纤维层的断裂强度与棉纤维主体长度之间呈现二次曲线的关系，通过曲线拟合可得其关系式如公式（3）所示。

3.2 湿度对纤维抱合性的影响

棉纤维具有良好的吸湿性，当水分子进入纤维无定形区时，它增大了纤维素大分子的分子间距，使纤维横向变粗，从而改变了棉纤维的表面状况，最终影响纤维的抱合力。原色棉纤维的纤维层断裂强度与环境相对湿度（R.H.）的关系曲线如图3所示，测试温度为20℃。

图2 纤维层断裂强度与主体长度关系

图3 纤维层断裂强度与相对湿度关系

从图3可以看出，在温度一定的情况下，随着环境相对湿度的增大，纤维层的断裂强度也不断增大。这是因为，环境相对湿度增大时，棉纤维的回潮率增大，纤维所含的水分子增多，使得亲水性的纤维素大分子的移动性增强，导致纤维变得更柔软，纤维更易弯曲和纠缠。因此，增大环境的相对湿度，会使纤维间接触点增多，接触面积增大，纤维间的摩擦力也随之变大。当纤维层受力时，纤维客服纤维间的摩擦阻力而发生相对移动，直至纤维层发生断裂。因此，若棉纤维所处环境的相对湿度增大，则纤维的含水量增大，最终导致纤维层的断裂强度增大，从而反映出纤维间的抱合力增大。原色棉纤维层的断裂强度与环境相对湿度的关系曲线呈现出负指数的关系，其拟合方程如方程（4）所示。

图4 温度与纤维层断裂强度的关系

3.3 温度对纤维抱合性的影响

图4是原色棉纤维层的断裂强度与测试温度（t）之间的关系图，其中环境相对湿度为65%。

从图4可以发现，在环境相对湿度一定的情况下，原色棉纤维层的断裂强度受环境温度的影响较小，随着环境温度的升高，纤维层的断裂强度略微下降。说明温度对纤网断裂强度的影响不显著。这可能是由于在相对湿度恒定的情况下，环境温度升高时，纤维所吸收的水分子运动加剧，纤维内、外部水分子交换更频繁，使纤维与纤维之间的含水量增大，从而对纤维表面的动摩擦系数略微下降，最终导致纤维层的断裂强度小幅下降。原色棉纤维层的断裂强度与环境温度呈现负指数关系，拟合方程如公式（5）所示。

3.4 染色对纤维抱合性的影响

棉条在染色过程中，纤维要经历受力、碱煮等物理、化学工艺流程，这会使得棉纤维表面发生一定程度的变化，而染料分子的上染还会使纤维的内部结构产生一定的变化，最终会对纤维的抱合性能产生一定的影响。

表2是原色棉条在染色前、后棉纤维的性能参数与纤维层断裂强度的测试结果。测试环境条件为：温度20℃，相对湿度65%。

表2 棉纤维的性能参数及纤维层的断裂强度

由表2可知，棉纤维经过染色工艺后，纤维的线密度和主体长度略微下降。这表明，纤维在棉条染色工艺过程中的物理及化学加工工艺，使一小部分纤维发生破坏，使纤维的线密度下降，纤维的主体长度有所减小。由于棉条在染色时一般要经历较长时间的高温水溶液处理阶段，此时纤维中大分子的热运动增强，使纤维素大分子链的柔性增大，分子间作用力降低，纤维大分子的聚合度和取向度降低，故而纤维的断裂强度下降，断裂伸长率增大。

图5是棉条染色前、后棉纤维的纵向外观照片。它表明，棉纤维在染色后，其纵向外观依然成带状转曲，但天然转曲数明显减少，这会使纤维表面的摩擦系数下降，从而降低纤维间的抱合力。表2的数据显示，棉纤维在染色后，其摩擦系数和纤维层的断裂强度出现显著下降。这主要是棉纤维在染色后，纤维主体长度的下降与纤维天然转曲的减小共同作用的结果。因此，棉纤维在染色后，纤维间的抱合力明显小于染色前。

图5 棉纤维染色前、后的纵向形态

4 结论

本文以纤维层的断裂强度为棉纤维的抱合力参数，探讨了棉纤维主体长度、环境温湿度及染色工序对棉纤维抱合力的影响，得出了如下结论：

1）棉纤维的抱合力与棉纤维的主体长度呈二次曲线关系，棉纤维的主体长度越大，其抱合力越大；

2）环境温度一定条件下，棉纤维的抱合力随着环境湿度的增加而增大，且呈负指数曲线关系；

3）一定相对湿度的条件下，环境温度对棉纤维的抱合力的影响不太显著，随着温度的升高，棉纤维的抱合力随之缓慢下降。

4）在经棉条染色工艺染色后，棉纤维的表面转曲减少，主体长度下降，使得其表面摩擦系数和抱合力显著下降。

[1]李栋高.纤维材料学[M].北京：中国纺织出版社，2006：66-68.

[2]于伟东.纺织材料学[M].北京：中国纺织出版社，2006：127-132.

[3]周凉仙,吴圳燚,吴金石.长绒棉条散染的工艺设定及其可纺性分析[J].现代纺织技术，2007(5)：33-35.

[4]傅燕.粘胶短纤维摩擦系数测定方法[J].纺织科学研究，2014(6)：23-24.

[5]郑帼,魏俊富,姜虹.棉型干法腈纶纺丝油剂抱合性的研究[J].中国纺织大学学报,1999(3):76-79.

[6]孙常山.干法腈纶纤维抱合力控制[J].齐鲁石油化工,2007(4):271-274.

Discussion on the Cohesive Properties of Cotton Fiber

GUAN Li-ping1,2DONG Zhe-ying2
(1.Ningbo Key Lab of Advanced Textile Technology and Clothing CAD,Ningbo Zhejiang 315211,China；2.Zhejiang Fashion Institute of Technology,Ningbo Zhejiang 315211,China)

This paper discusses the cohesive properties of the cotton fiber with the breaking strength of thefiber layer as the cohesion index and analyzes the effects of the major length of the cotton fiber,the environment temperature,the humidity and the dyeing process on the cohesive force.The result shows that the cohesive force of cotton fiber increases markedly with the increasing of major length of the fiber and environment temperature while dyeing will decrease the cohesive force.

cotton fiber;cohesive property;cohesive force;major length

TS111

A

1674-2346(2015)04-0005-04

（责任编辑：田 犇）

10.3969/j.issn.1674-2346.2015.04.002

2015－09－28

宁波市科技创新团队项目 [编号：2012B82014]

关立平，男，副教授，博士。研究方向：纺织材料与纺织品设计