接枝淀粉浆纱性能的研究

王建坤，郭 晶，郑 帼，张 昊

(天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387)

0 前言

浆纱是织前准备的一道重要工序，浆纱质量的好坏直接影响了织造的速度、坯布的质量。随着织机高速化的发展，织机对浆纱质量的要求越来越高，特别是高支纱线。高支纱原纱一般强力低、毛羽多、耐磨性能差，织造过程中经纱断头率高、开口不清，严重影响了织造的进程[1-2]。

PVA因为其优良的成膜性能和对疏水纤维良好的粘附性，曾经被认为是理想的浆料[1]。但是经过几十年的使用，其环境影响越来越明显，在日益关注环境保护的今天，全球范围内对无PVA上浆已经达成共识，绿色无污染浆料必将取代PVA而成为主流浆料。绿色浆料已经成为国内外淀粉浆料研究的重点。淀粉经过合理地接上一些单体后，不仅对亲水性纤维有良好的上浆性能，还可以在很多的程度上满足对疏水性纤维的上浆要求[2-3]。同时，接枝淀粉的生物降解性能好，对环境的污染少。因此，接枝淀粉研究成为实验室绿色浆料研究的重中之重[4]。

本论文从浆液粘度、粗纱粘附力，断裂伸长率、减伸率、毛羽降低率、耐磨增强率等方面研究微波法工艺制得的接枝淀粉的上浆浆纱性能，通过多次实验和PVA的配方对比，选出合适的上浆配方。

1 实验部分

1.1 涤/棉纱的各项性能

实验所用的纱线是通过环锭纺制得的 13tex 的涤/棉混纺纱，T/C比值为65/35。原纱的断裂伸长及毛羽指标分别如表1、表2。

表1 原纱的拉伸性能

表2 纱线毛羽情况

此外，原纱的平均耐磨次数为194.5次。

1.2 浆料的选用

涤/棉纱线的毛羽多，吸浆性能差[5]，织造时的摩擦易产生静电，使毛羽增多，互相缠绕；纤维表面光滑，毛羽贴伏困难，不易粘附浆料，浆膜易脱落。此外涤/棉纱线的滑移性较大。涤纶纤维表面光滑，受张力后易产生纤维间滑移，单纱细节增多，强力CV增大。

本文所选用的纱线为涤/棉混纺纱，根据相似相容原理来选用浆料。棉纤维含有亲水性基团羟基，具有很好的亲水性，涤纶含有疏水性基团酯基。因此，一般浆料很难同时保证亲水和疏水。本文采用的接枝淀粉，经过在原淀粉上接枝聚合丙烯酸(亲水性基团)，甲基丙烯酸丁酯(疏水性基团)，来满足涤/棉混纺纱上浆的要求。另外，醋酸酯淀粉浆料浆液粘度低且粘度稳定性好，分散性好，浆膜较柔韧，对涤纶、棉纤维都具有良好的亲和力。丙烯酸类浆料与淀粉、PVA等浆料有良好的混溶性，粘附力强，有利于提高纤维间的抱合力，提高浆纱强力。所以选用接枝淀粉、醋酸酯淀粉和丙烯酸浆料为主浆料。为了降低粘着剂分子间的聚合力，使浆膜平滑、柔软，保持原纱伸长性能，从而有利于分绞，加入适当的平滑剂。同时，为了使浆纱表面平滑，减小纱线摩擦系数，加入适当的减磨剂。

本文所采用的试剂有：PVA205、接枝淀粉(自制，六种，接枝率不同)、醋酸酯淀粉、立明-98(丙烯酸类浆料)、蜡片(平滑剂)、SLMO-02(减磨剂)。

1.3 浆料配方

1.3.1 PVA浆料配方

目的：探索PVA浆料浆纱配方，找出最优方案，为接枝淀粉浆纱作准备。

方法：在浆料中混入不同比例的PVA，调浆、浆纱，测试各配方浆纱性能，通过对比，选出最优方案。PVA浆纱各成分及比例如表3所示，并按以上配方加水500mL，调浆，煮浆，配制成含固率11.50%的浆液备用。

表3 PVA浆料配方各成分比例

1.3.2 接枝淀粉浆料配方

根据PVA浆纱数据分析的结果，认为3#配方为最优配方(即PVA相对与醋酸酯淀粉的含量为100份)，则接枝淀粉的配方如表4所示，各接枝淀粉的接枝率如表5所示。按表4配方，加水500mL，调浆，煮浆，配制成含固率11.50%的浆液备用。

表4 PVA浆料配方各成分比例

表5 接枝淀粉接枝率

1.4 煮浆

在磁力旋转恒温热水浴中煮浆，于调浆锅中加入500mL的水，当调浆锅中水温升至50℃时加入除SLMO-02以外的浆料(50℃时，各种浆料的溶解性最好，而且不会影响各浆料的性能)，搅拌15分钟后，升温至95℃时加入减磨剂SLMO-02，搅拌15分钟，继续加热到98℃，并保持。调浆装置示意图如图1所示。

图1 调浆装置示意图

(1-磁力旋转恒温热水浴；2-磁力棒；3-调浆锅；4-浆液；5-水浴水)

1.5 浆纱

如下页图2所示，所用的上浆槽为自制。纱线从纱管上退绕下来，经过导纱辊然后进入浆槽，绕过浸没辊而浸入浆液中。经过浸透的纱线受上浆辊和压浆辊的拖引继续前进，浆液温度为95℃，浆纱速度约为10m/min，浆液含固量为11.5%。

图2 上浆工艺图

1.6 纱线性能测试

1.6.1 纱线拉伸性能测试[6]

标准：GB/T3916、ISO2062《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和伸长率的测定》

取样：浆纱后纱线各取50个试样进行检测。

仪器：YG061F行电子单纱强力仪

测试参数：牵引速度：500mm/min；距离：500mm

1.6.2 纱线毛羽测试[7]

标准：FZ/T01086《纺织品 纱线毛羽测定方法 投影计数法》

取样：浆纱后的纺纱线各取一组，每组进行五次测试

仪器与用具：YG172A型纱线毛羽测试仪

测试参数：片断长度10m；测试速度30m/min；测试管数5次

1.6.3 纱线耐磨性能测试

标准：FZ/T 01058-1999《纱线耐磨试验方法》

取样：浆纱后纱线各取10个试样进行检测。

仪器：A-2017.TM式系抱合力试验机

测试参数：频率：50Hz；重锤：100g

1.7 纱线的表面形态测试

利用40倍(10×4)生物光学显微镜，观察原纱、PVA3#浆纱、接枝3#浆纱的表面毛羽状态以及浆纱纱线经不同摩擦次数后的表面形态。

1.8 浆液粘附力测试

按照接枝淀粉或PVA相对醋酸酯淀粉含量为100份配制浓度为6%的浆液，使浆液升温至95℃，保温1h，然后加热水稀释至浓度为1%的浆液，置于95℃恒温水浴中待用。选取精梳涤/棉(65/35)粗纱，轻轻将其缠绕在铝合金框架上，待用。

将准备好的粗纱浸入95℃、浓度为1%的浆液，浸满5min立即将纱框架提出，使粗纱呈垂直状态，晾干，在标准环境下平衡24h。在织物强力机上测试粗纱的断裂强力(N)。测试条件：夹持距离100mm，拉伸速度50mm/min。

2 结果与分析

2.1 不同用量PVA浆纱性能

混入不同比例PVA浆料浆纱纱线的拉伸性能、毛羽指数以及纱线耐磨次数分别如表6、表7、表8所示。

表6 PVA浆纱纱线拉伸性能

表7 PVA浆纱纱线毛羽指数

表8 PVA浆纱纱线耐磨次数

与原纱各项性能指标进行对比，PVA浆纱断裂增强率，断裂伸长减伸率，耐磨增强率，毛羽降低率如表9所示。其中，浆纱增强率=( P2-P1) /P1×100%，P1、P2分别为原纱、浆纱的平均断裂强力，cN；断裂伸长减伸率=(1-2) /1×100%，1、2分别为原纱、浆纱的平均断裂伸长率，%；耐磨增强率=(N2-N1) /N1×100%，N1、N2分别为原纱、浆纱的平均耐磨次数；浆纱毛羽降低率=(n2-n1) /n1×100%，n1、n2分别为原纱、浆纱的≥3mm毛羽指数平均值，根/m。

表9 PVA浆纱纱线各质量指标变化

由表6可知，1#～5#纱线，随着PVA含量的增加，断裂强力基本上沿着先增大后减小的趋势变化，断裂伸长率先减小后增大，在4#纱(即PVA相对醋酸酯淀粉含量为120%)上断裂增强率达到最大，此时，断裂伸长减伸率达到最小值。由表7、表8可知，1#～5#纱线的耐磨性能随着PVA的增加先增大后减小，耐磨增强率在3#纱(PVA相对醋酸酯含量为100%)上达到极值，不小于3mm毛羽也随着PVA的增大，先增大后减小，在4#纱上达到最大。

考虑到本课题所用的纱线为细特纱，上浆的目的以增强、增磨为主。3#与4#浆纱在断裂增强率，断裂伸长率以及毛羽降低率方面差异不大，而3#耐磨性能远优于4#纱。又有涤纶纤维表面光滑，受张力后易产生纤维间滑移，所以，涤/棉混纺纱细节较多，强力CV较大。3#纱断裂强力CV值为10.32%，断裂伸长CV值为13.93%，分别小于4#纱断裂强力CV值和断裂伸长CV值(分别为11.39%和16.52%)，即3#纱所用浆液渗透性优于4#纱，更适合降低涤/棉纱的强力不匀。综上所述，选取3#浆纱配方为PVA浆纱的最优配方。

2.2 接枝淀粉浆纱性能

不同接枝率接枝淀粉浆料浆纱纱线的拉伸性能、毛羽指数以及纱线耐磨次数分别如表10、表11、表12所示。

表10 接枝淀粉浆纱纱线拉伸性能

表12 接枝淀粉浆纱纱线耐磨次数

与原纱相比，接枝淀粉浆纱断裂增强率、断裂伸长减伸率、耐磨增强率、毛羽降低率如表13所示。

表13 PVA浆纱纱线各质量指标变化

由表11～表13可知，在一定的范围内，随着接枝率的增加，浆纱的断裂先增大后减小，断裂伸长率则随着接枝率的增大而增大；毛羽波动并不大，随着接枝率的增大，毛羽降低率先增大，后减小；耐磨增强率先增大后减小，接枝率在17.96%达到耐磨性能最好。

由此可知，接枝率也不是越大越好，当接枝率增大时，浆纱的断裂强力、毛羽降低率都有着先上升后下降趋势。虽然随接枝率的增加，可以改善接枝淀粉对涤/棉纤维的粘附性，但接枝率超过一定值后，大分子链上有效活性部分已被占据，接枝支链必然过大，过大的支链柔顺性变和灵活性变大，分子扩散困难，不利于粘附性的提高，支链中酯基的疏水性也会突显，接枝淀粉浆料水溶性变差，耐磨和毛羽、强力等效果变差。

综合考虑，当接枝率为18%左右时，浆纱效果最好，本实验选接枝率为17.96%的接枝3#纱的效果为最优方案。

2.3 接枝淀粉与PVA浆纱性能的比较

2.3.1 浆纱表面形态

未经摩擦的原纱、PVA3#浆纱、接枝3#浆纱的表面形态如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示。

(a)原纱

(b)接枝3#

(c)PVA3#

由图可知，原纱表面纤维比较松散，毛羽较多，且杂乱无章。浆纱毛羽少，纱线周围包裹了一层膜，使纱线表面纤维紧密贴伏于纱线主干上。与PVA浆纱相比，接枝淀粉浆纱表面更光滑，平整，毛羽最少，毛羽贴附效果明显减羽效果最为显著。

接枝3#与PVA3#浆纱经摩擦后的表面形态如图4所示。

G(50)

G(100)

G(150)

G(200)

G(250)

P(50)

P(100)

P(150)

P(200)

P(250)

(G-接枝3#浆纱纱；P-PVA3#浆纱；括号中数值-摩擦次数)

从图4可得，随着摩擦次数的增加，浆纱表面毛羽越来越多，毛羽长度也在增加。耐磨次数低于200时，两者相比，毛羽情况相差不，只是表面浆膜在承受大多数的摩擦。耐磨次数超过200，PVA浆纱和接枝浆纱的毛羽突然增加，这是因为包裹纱干的浆膜遭到完全破坏，纤维从贴附状态被扯出纱线主干。当耐磨次数为250次的时候，接枝3#与PVA3#浆纱表面毛羽形态与原纱线表面状况相似(见图3a)，因此，接枝淀粉与PVA浆纱都已经失去了对毛羽的帖服作用，这时的毛羽比较已经毫无意义，250次以后，是对浆纱强力与摩擦的比较。

从G(250)、P(250) 的比较可知，接枝3#内层纤维依然紧密贴伏在主干上，PVA3#纱线的纤维则有松散的趋势， 表明，在内聚力上，接枝3#优于PVA浆纱，即，在经受大量摩擦后，接枝淀粉浆纱比PVA浆纱更能够承受冲击力。

2.3.2 粘附力比较

3#接枝淀粉和PVA浆液的粗纱粘附力实验结果如表14所示。

表14 粗纱粘附力实验结果

由表14可知，接枝淀粉的粘附力大于PVA浆料的粘附力，这是因为淀粉大分子接入了丙烯酸和甲基丙烯酸丁酯，大大改进了玉米淀粉分子对棉纤维、涤纶纤维的粘附力。同时，可以看到接枝淀粉浸浆的粗纱断裂伸长率大于PVA浸浆粗纱，这是因为接枝支链的柔顺性、灵活性较好，所以，粗纱的弹性也较大。

2.3.3 接枝淀粉与PVA浆纱效果比较

3#接枝淀粉与PVA浆纱各指标对比如表15所示。

表15 3#接枝淀粉与PVA浆纱性能对比列表

由表15可知，接枝淀粉浆纱在毛羽降低率和断裂伸长方面优于PVA浆纱，但就断裂强力和耐磨性能而言，与PVA浆纱还是有着一定的差距。

3 结论

(1)通过用不同比例的PVA(60、80、100、120、140)对13tex涤/棉(65/35)纱进行上浆，通过浆纱性能的对比，得出PVA相对含量为100份的3#浆纱整体效果最好。

(2)根据3#PVA浆液配方，调制接枝率不同接枝淀粉(接枝支链为丙烯酸、甲基丙烯酸丁酯)浆液，含固量为11.5%，对13tex涤/棉(65/35)纱进行上浆，对浆纱性能测试，得出结论并不是接枝率越大越好，随着接枝率的提高，接枝淀粉浆纱性能先增加后减小。当接枝率在18%左右时，浆纱的耐磨、毛羽、强力效果都较好，浆纱总体效果最好。

(3)通过PVA、接枝淀粉两者浆纱性能、粗纱粘附力的对比、数据分析，得出：接枝淀粉在贴附毛羽、保持纱线弹性、对纤维粘附力方面，优于PVA浆料。