壳聚糖纤维/棉混纺纱的浆纱配方及其上浆性能

壳聚糖纤维/棉混纺纱的浆纱配方及其上浆性能

闫红芹，张寻，郑文，朱纯平

(安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000)

摘要：针对壳聚糖纤维/棉(20/80)混纺纱毛羽多、耐磨性差的缺点，选择氧化淀粉为主要浆料，制定了两种浆纱方案,一种为含有PVA的浆料配方，另一种为含有少量乙醇胺的浆料配方,讨论了两种浆纱工艺条件对混纺纱性能的影响.结果表明，含PVA的配方中，较高的PVA含量与含固率有利于浆纱性能的改善，但当PVA含量过高时，再生毛羽增加、耐磨性降低；不含PVA的配方中，随着乙醇胺含量的增加，浆纱毛羽指数和减伸率先变小后增大，含固率增加，上浆各项性能指标提高，但当含固率增加至12%时，上浆性能降低，该方案的上浆效果稍差，但可满足织造要求.故壳聚糖纤维/棉混纺纱上浆配方中无PVA是可行的，当其含固率为10%、乙醇胺占氧化淀粉的质量分数为6%时上浆效果最好.

关键词：壳聚糖纤维；混纺纱；浆纱配方；乙醇胺；上浆性能

中图分类号：TS102.2文献标志码：A

收稿日期：2015-05-26

基金项目：安徽省大学生创新创业训练项目(AH201410363203)

作者简介：闫红芹(1978-)，女，新疆昌吉人，讲师，主要从事新型纺织材料与纺纱技术的研究.

壳聚糖又称甲壳胺、聚氨基葡萄糖，是甲壳素脱乙酰化后得到的直链状高分子化合物，由D-氨基葡萄糖单体相互间以β-1,4-苷键连接而成[1].壳聚糖纤维是以壳聚糖为原料通过湿法纺丝制备而成，具有优良的广谱抗菌、消臭、保湿、生物相容和可降解性，在纺织、生物医学等领域具有广阔的应用前景[2-4].用壳聚糖纤维织造抗菌纺织品具有独特的优势，但纯壳聚糖纤维纤度细、强度低、表面摩擦系数小、价格贵、纯纺加工困难且生产成本高[5]，故一般将壳聚糖纤维与其他纤维混纺.但是壳聚糖纤维/棉混纺纱存在毛羽多、耐磨性差的缺点，为降低织造断头率、提高产品质量，经纱必须经过浆纱处理.

工厂一般采用以淀粉和PVA为主的浆料配方进行浆纱处理，但PVA的水溶性和生物降解性差、对环境污染严重，所以尽量少用或不用PVA上浆是浆纱发展的方向[6].众所周知，淀粉具有易降解、环境污染小、价格低廉等优势，但淀粉成膜性不好、浆膜脆硬[7-8]，故纯淀粉上浆不能满足织造要求.合适的增塑剂可以改善淀粉浆膜的性能，提升上浆效果.用于淀粉的增塑剂有很多，本研究选用的是氨基增塑剂中的乙醇胺[9-10].用乙醇胺增塑氧化淀粉对壳聚糖纤维/棉混纺纱上浆，通过与含PVA传统浆料上浆效果的对比，考察壳聚糖纤维/棉混纺纱无PVA上浆的可行性并确定最佳浆纱配方.

1壳聚糖纤维、混纺纱特性及浆料配方

纤维的形态结构是上浆必须要考虑的，将壳聚糖纤维固定在试样台上，用DM2000型表面处理机对纤维表面进行镀金处理，用日立公司生产的S-4800型扫描电子显微镜进行纤维形貌的观察并拍照，图1是放大倍数分别为8 000和3 000时壳聚糖纤维的形态.可看出壳聚糖纤维表面较光滑，纵向有较浅的沟槽，横截面为不规则椭圆形，有微小的孔洞和缝隙，这是湿法纺丝造成的[11].这种结构使壳聚糖纤维有较强的毛细效应，加上大分子中含有大量的亲水性基团羟基(—OH)和氨基(—NH2)，有利于吸浆速度和吸浆量的提高.

壳聚糖纤维/棉混纺纱毛羽多，耐磨性差，断裂强力较高，伸长率适中.在保证混纺纱适当强伸性能的条件下，上浆的重点是较好地伏贴毛羽且浆膜与纤维要有良好的黏附性.因此，壳聚糖纤维/棉混纺纱上浆以披覆为主、适当的浸透为辅，以达到伏贴毛羽、增加耐磨性、保证伸长率的目的.壳聚糖纤维和棉纤维吸湿性好，浆料易于渗透，故工艺上宜选用稍低的浆槽温度和压浆力，以达到适当的披覆和浸透.

图1　壳聚糖纤维的形态结构 Fig.1　Morphological structure of chitosan fiber

壳聚糖纤维的活性基团主要是羟基和氨基，棉纤维的活性基团为羟基，浆料的选择应以淀粉类为主.根据壳聚糖纤维/棉混纺纱的特点，选择对纤维黏附性大并且具有较好浸透性的氧化淀粉为主浆料.氧化淀粉成浆后具有黏度稳定、流动性和黏着性良好、易退浆且无污染的特点.PVA具有优异的成膜性和黏附性，适当使用能增加纱线的耐磨性，而少量的丙烯酸能使脆硬的浆膜得到改善，使纱身柔软滑爽，改善上浆质量.

但含PVA的浆料退浆困难，会造成产品染色不匀.另外，PVA无法降解，严重污染环境.氧化淀粉的浆膜较脆硬，浆纱性能不好，小分子有机物乙醇胺能进入氧化淀粉分子间拆开分子链上的氢键.另外，乙醇胺含有大量的羟基和氨基，能与淀粉分子形成新的氢键，使淀粉分子间距离增大、作用力减弱.因此，淀粉浆膜脆性下降、韧性提高，上浆效果得到了改善[12].

制定了两种浆纱方案：一种为含有PVA(PVA-1799)的浆料配方，影响因素为浆料含固率及氧化淀粉与PVA的质量比；另一种为含有少量乙醇胺的浆料配方，影响因素为浆料含固率及乙醇胺占氧化淀粉的质量分数.其中，在含PVA的浆料配方中，丙烯酸的质量分数为20%，与浆料固体的质量比为10%.

2实验

2.1实验材料及设备

实验用的氧化淀粉由山东福洋生物科技有限公司提供，设备为HD021型电子单纱强力仪、YG172型纱线毛羽测试仪、Y731型抱合力机、501型超级恒温器、HJ-5多功能恒温搅拌器和GA391B单纱浆纱机.

本课题所用的14.5 tex壳聚糖纤维/棉(20/80)混纺纱由山东海斯摩尔公司提供，壳聚糖纤维脱乙酰度为96%，混纺纱平均断裂强力为297.1 cN，断裂伸长率为4.4%，耐磨次数为8.2.另外，1 mm毛羽指数为1 543.5 根/m，2 mm毛羽指数为495 根/m，3 mm毛羽指数为176.2根/m，4 mm毛羽指数为73.6 根/m，5 mm毛羽指数为28.9 根/m.

2.2浆液制备及上浆工艺

取含固率为8%～12%的浆液1 000 g，煮浆温度控制在(98±1)℃，浆液pH值为7.0左右，用搅拌机以120 r/min的速度进行搅拌且边搅拌边加热，煮浆2 h.在GA391B型单纱浆纱机上对混纺纱上浆，单浸单轧，浆槽温度为(85±1)℃，烘燥温度为60 ℃，车速为3 m/min.

2.3浆纱性能测试

纱线试样调湿平衡24 h，实验条件控制在标准状态下，温度为(20±2)℃，相对湿度为(65±3)%.

纱线断裂强度和伸长率在HD021型电子单纱强力仪上测试，测试方法依据GB/T 3916—1997《纺织品 卷装纱单根纱线断裂强力和断裂伸长测定方法》[13],夹持长度为500 mm，拉伸速度为500 mm/min，预加张力为12 cN，每个样品随机测试30次.纱线毛羽在YG172型纱线毛羽测试仪上测试，测试方法依据FZ/T 01086—2000《纺织品 纱线毛羽测定方法投影计数法》[14]，速度为30 m/min，片段长度为10 m，每个样品测试30次.耐磨次数在Y731型抱合力机上测试，每个样品测试20次.

3结果与分析

含PVA浆料配方及含乙醇胺浆料配方对壳聚糖纤维/棉混纺纱上浆后的浆纱性能见表1和表2.增强率和减伸率是工厂常规的检测项目，用来评定浆纱可织性的主要指标，但实际织造过程中的断头率与强伸指标关系不大，随着无梭织机的推广，现在经纱的耐磨性和毛羽指数对织造的影响更大.另外，壳聚糖纤维/棉混纺纱强力较大，增强不是浆纱的主要任务，所以本研究将增强率和减伸率作为浆纱的辅助指标，将耐磨性与毛羽指数作为主要评价指标进行分析.由于3 mm以上的毛羽在织造时易使相邻经纱绞缠在一起，为危害毛羽，故只分析长度为3 mm的毛羽指数.

表1　含PVA浆料配方的浆纱性能

表2　含乙醇胺浆料配方的浆纱性能

3.1含PVA浆料配方的实验结果与分析

由表1可知,含PVA的浆料配方上浆后贴伏毛羽、改善耐磨性的效果非常明显.经过上浆处理，混纺纱的毛羽指数大幅度降低，尤其是3 mm以上的毛羽.上浆后，3 mm毛羽指数除含固率8%、氧化淀粉与PVA质量比为6∶4的配方外，其余均在0.3~1.5 根/m.浆纱后，耐磨次数增加的幅度较大，最高达到了283次.上浆后，混纺纱的强力增加而伸长率有所降低，强力增加的程度用增强率衡量，增强率是浆纱后强力增加值与原纱强力的比值.伸长率的降低用减伸率来衡量，可表征浆纱弹性的变化，数值上等于浆纱伸长率减少值与原纱伸长率的比值，减伸率小说明浆纱弹性降低少，上浆后混纺纱的增强率最小为27.2%，减伸率最大为19.8%.

对增强率、减伸率、耐磨次数及毛羽指数分别做方差分析，给定显著性水平5%，两个影响因素中氧化淀粉与PVA的质量比对毛羽指数与强伸性能影响显著.当淀粉与PVA的质量比由8∶2降至7∶3时，浆纱强力增加；当降至6∶4时，强力反而降低，此时毛羽最多.PVA含量的增加对浸透有利，故浆纱强力增加，此时伸长率损失较大，弹性变差.但当PVA含量过大时，浆膜内聚力大于浆膜与经纱的黏附力，分纱时会出现劈纱现象，破坏浆膜的完整性，会导致再生毛羽的增加.

含固率对耐磨性的影响较显著，当含固率为8%时浆液的黏度较小，浆液具有较好的浸透性，使披覆作用减弱，试样的减伸率变大，浆纱弹性较差，毛羽的伏贴和耐磨性也不好.随着含固率的增加，浆液的黏度变大，对纱线的浸透作用减弱，披覆作用增强，表现为浆纱的耐磨性改善、毛羽指数减少、减伸率降低.由表1可知，当含固率为12%时，浆纱的各项性能均改善较好，弹性损失小.

综合各项性能指标，确定含PVA浆料配方中当含固率为12%、氧化淀粉与PVA-1799的质量比为7∶3时，浆纱效果最佳.

3.2含乙醇胺的浆料配方实验结果与分析

从表2可以看出，乙醇胺增塑氧化淀粉上浆后，混纺纱的各项性能均有改善，3 mm毛羽指数最低为1.4 根/m，耐磨次数为14.2~39.1，增强率为6.4%~34.4%，减伸率最小为4.5%.

对浆纱各项性能指标分别做方差分析，给定显著性水平5%，两个影响因素中乙醇胺占氧化淀粉的质量分数对浆纱性能影响显著.随着乙醇胺占氧化淀粉质量分数的增加，浆液的黏度降低，浆液与纤维的黏附性先增大后变小，使得浸透性提高而披覆减弱，浆纱毛羽指数和减伸率先变小后增大.当浆料含固率为8%、乙醇胺占氧化淀粉的质量分数为8%时，浆纱的效果最差，此时浆液黏度最小、浸透过高、浆纱脆硬，同时浆液与纤维的黏附性小，浆膜与纤维间结合弱，所以强力增加少、耐磨性差、毛羽伏贴差、伸长损失最大，使织造断头率大幅增加.

另外，当乙醇胺占氧化淀粉的质量分数为4%、浆料含固率为10%和12%时，浆纱毛羽伏贴不好、耐磨性差、减伸率较大.这是由于浆料的黏度较大、浸透小，此时浆料和纤维的黏附作用弱，造成表面上浆且浆膜披覆不可靠.综合各项性能指标，当乙醇胺占氧化淀粉的质量分数为6%时浆纱效果较好，其中当含固率为10%、乙醇胺占氧化淀粉质量分数为6%时浆纱效果最好，和原纱3 mm毛羽指数176.2 根/m相比，毛羽伏贴率达99.2%.

3.3含PVA浆料和含乙醇胺浆料的上浆效果比较

由表1和表2可看出，含乙醇胺浆料配方的上浆性能不如含PVA的浆料配方，但含乙醇胺浆料配方中最佳方案的浆纱强力和耐磨性都有大幅度提高,毛羽伏贴率达99.2%，纱线伸长率减少12%，基本保持了原纱的弹性，完全可以满足织造要求，故可用乙醇胺增塑剂取代PVA对壳聚糖纤维/棉混纺纱上浆.

4结论

(1)在含PVA的浆料配方中，当浆料含固率为12%、氧化淀粉与PVA-1799的质量比为7∶3时，上浆效果最好.PVA的含量增加，浆纱的耐磨性和毛羽伏贴较好且强力增加，但当PVA的含量过大时，再生毛羽增加，耐磨性反而降低.浆料含固率的增加有利于浆纱性能改善.

(2)在含乙醇胺浆料配方中，当浆料含固率为10%、乙醇胺占氧化淀粉的质量分数为6%时，上浆效果最好.乙醇胺占氧化淀粉质量分数增加，浆纱毛羽伏贴和减伸率先变小后增大.随着浆料含固率的增加，浆纱性能逐渐改善，但当含固率增加至12%时，浆纱性能反而降低.

(3)含乙醇胺浆料配方的上浆效果不如含PVA的浆料配方，但上浆性能可满足织造要求.因此，壳聚糖纤维/棉混纺纱上浆配方中无PVA是可行的.

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Sizing formulations and sizing performance of chitosan fiber/

cotton blended yarn

YAN Hongqin, ZHANG Xun, ZHEN Wen, ZHU Chunping

(InstituteofTextileandGarment,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000,China)

Abstract:To resolve the problems of chitosan fiber /cotton (20/80) blended yarn such as greater hairiness and poor wear resistance，select oxidized starch as main sizing composition and two sizing formulations were designed. The one contains PVA，the other one contains little ethanolamine. The influences of sizing process on blended yarn performance of two sizing formulations were analyzed. The results showed that increasing solid content of sizing and the content of PVA helps the improvement of performance of sized yarns in sizing formulations with PVA, and high content of PVA will cause the increase of reborn hairiness and the decrease of wear resistance. In sizing formulations without PVA, hairiness index and elongation reduction rate of the sized yarns decrease first and then increase with the increase of ethanolamine, and adding a small amount of the solid content benefits the improvement of the quality of the sized yarns. When of the solid content reaches to 12% the sizing quality degenerates, the sizing performance of this formulation is a bit poor, meeting the requirements of weaving process. It is feasible to size chitosan fiber/cotton blended yarn without PVA, and sizing has the best properties when the solid content is 10% and the content of ethanolamine based on weight of oxidized starch is 6%.

Key words: chitosan fiber; blended yarn; sizing formulation; ethanolamine; sizing performance