不同鳞片层羊毛纤维的吸湿性能

孟沙沙，张佩华，杨启东

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620； 2.纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620； 3.上海嘉麟杰纺织品股份有限公司，上海 201504)

在一定条件下，纤维的吸放湿是一种动态的平衡过程，一般以标准大气条件下的平衡回潮率表示。作为一项重要的性能指标，纺织纤维的吸湿性不但影响着纤维的性能，还关系着纺织品的加工工艺以及服用舒适性[1-2]。羊毛纤维是一种天然蛋白质纤维，具有良好的吸湿性，是高档纺织品的重要原料之一，而鳞片作为羊毛纤维特有的结构，鳞片的改变必然引起纤维及织物性能的改变[3]。近年来出现对羊毛纤维进行剥鳞片改性处理的研究，使纤维变细，改善纤维的防毡缩性、柔软性和吸湿性等，拓宽了羊毛纤维的服用领域；此外使用不同化学处理方法(氯氧化法、高锰酸钾法和酶处理法等)将羊毛纤维表面鳞片呈现不同程度的剥离，随着剥离程度的增加，羊毛纤维摩擦因数降低，织物抗起毛起球性增强，刺痒感减弱，同时随着鳞片的剥离，织物透气、吸湿性能也有所提高，这些均是毛纺行业研究的热点[4-6]。若深入研究羊毛纤维鳞片层不同剥离程度与纤维亲水性及吸湿、放湿性能的关系，将更便于设计开发吸湿凉爽、导湿快干的高档春夏季含羊毛类针织服装。本文通过测试鳞片层不同剥离程度的普通、防缩和丝光羊毛纤维的亲水性与吸湿、放湿性能，分析了羊毛纤维表面形态与吸湿性能的关系。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：普通羊毛纤维(江苏丹毛纺织股份有限公司)、防缩羊毛纤维和丝光羊毛纤维(浙江新澳纺织股份有限公司)。3种纤维的线密度均为14.3 tex(直径为18.5 μm)。

仪器：场发射扫描电镜(SEM)SU8010(日本日立公司)，Y802 N型八篮恒温烘箱、YG601H型透湿仪(温州方圆仪器有限公司)，FA-1004型电子天平(上海菁海仪器有限公司，精确度为0.000 1 g)。

1.2 实验方法

1.2.1 形态结构观察

将3种羊毛纤维试样经真空喷金后，采用SEM观察羊毛纤维表面鳞片的形貌。

1.2.2 表面接触角测试

采用德国OCA15EC型光学接触角测试仪，运用气泡捕捉测试方法，将分别经过无水乙醇清洗过的纤维梳理整理，沿玻璃片宽度方向铺成均匀、紧密、表面平整的纤维层，用双面胶将试样黏贴在76 mm×26 mm玻璃片的中间，且将纤维长度方向多余出来的试样翻转上去并用透明胶带黏好，测试面朝上，试样大小45 mm×6 mm。每种纤维测试3次，取平均值。

1.2.3 吸放湿性能测试

参照GB/T 6529—2008《纺织品的调湿和试验用标准大气》，将纤维在标准大气下进行预调湿，测试纤维的回潮率。

1.2.3.1吸湿实验

分别将质量约1 g的羊毛纤维在105 ℃烘箱中烘干称量，记为干质量；然后迅速取出移至温度为(20±2) ℃、相对湿度为65%±3%的标准大气条件下，称取初始质量；使纤维尽量保持蓬松的状态进行吸湿实验，每隔5 min记录1次纤维质量，直至纤维在标准状态下达到吸湿平衡，计算回潮率。每种纤维测试5组，取平均值，得到纤维的吸湿曲线。

1.2.3.2放湿实验

分别将质量约1 g的羊毛纤维放在相对湿度为100%的透湿仪中24 h，使纤维达到吸湿饱和状态，迅速取出移至标准大气条件下并称取初始质量；尽量使纤维保持蓬松的状态进行放湿实验，每隔5 min称取记录1次纤维质量，直至纤维在标准状态下达到放湿平衡；将纤维放至105 ℃八篮恒温烘箱中烘干，称取干质量，计算各个时间点的回潮率。每种纤维测试5组，取平均值，得到纤维的放湿曲线。

2 结果与讨论

2.1 表观鳞片形态

图1 不同鳞片剥离程度的3种羊毛纤维的SEM 照片(×1 000)

不同鳞片剥离程度的3种羊毛纤维的表面形貌如图1所示。可以看出：普通羊毛纤维表面鳞片未被剥离，鳞片厚度厚且密度较大(图1(a))；防缩羊毛纤维的鳞片部分被破坏，棱角变钝，厚度稍变薄，密度变化不明显(图1(b))；丝光羊毛纤维的鳞片被大量破坏，棱角基本消失，厚度变薄，密度明显变小，表面接近平滑(图1(c))[7]；但相较于普通羊毛纤维，防缩、丝光羊毛纤维鳞片的剥离程度均很明显，丝光羊毛纤维表面鳞片比防缩羊毛纤维剥离更彻底，且防缩羊毛纤维鳞片厚薄不一，表面较粗糙，有更大的表面积。

2.2 亲水性能

表1是3种羊毛纤维接触角测试结果。可知：普通、防缩和丝光羊毛纤维接触角分别为53.95°、47.53°和45.47°；相较于普通羊毛纤维，防缩羊毛纤维和丝光羊毛纤维接触角降低百分率分别为11.90%和15.72%。由此可知，随着鳞片剥离程度的增加，接触角越来越小，主要是由于纤维表面鳞片的剥离，使类脂物减少，改变了纤维表面蛋白的结构，亲水基团增多，提高了纤维的亲水性[8]。

表1 3种羊毛纤维接触角测试结果 (°)

2.3 吸放湿回潮率

丝光羊毛纤维、防缩羊毛纤维和普通羊毛纤维的吸湿曲线和放湿曲线如图2、3所示。

图2 3种羊毛纤维的吸湿曲线

图3 3种羊毛纤维的放湿曲线

由图2可知，3种羊毛纤维的吸湿曲线基本一致，吸湿速率都呈现出先快后慢的状态。在初始阶段，纤维的吸湿曲线斜率都较大，吸湿速率较快，但在吸湿起始时刻，随着鳞片剥离程度的增加，纤维表面亲水性增加，从而丝光羊毛纤维的起始点回潮率最大，防缩羊毛纤维居中，普通羊毛纤维最小；在中、后期阶段，3种羊毛纤维的吸湿回潮率都快速增加，随后大约在40 min左右，吸湿回潮率开始放缓，曲线趋于平直，吸湿速率减小；随着吸湿时间的延长，3种羊毛纤维在不同时间达到吸湿平衡，平衡时间点依次为：普通羊毛纤维70 min<丝光羊毛纤维80 min<防缩羊毛纤维85 min，平衡回潮率分别为：丝光羊毛纤维约16.3%，防缩羊毛纤维约15.4%，普通羊毛纤维约10.25%。但在整个吸湿平衡过程中，普通羊毛纤维的吸湿回潮率明显小于另外 2种羊毛纤维。

由图3可知，3种羊毛纤维的放湿曲线也极相似，都有先快后慢的特点。在放湿初期，防缩羊毛纤维回潮率大于丝光羊毛纤维，这主要由于防缩羊毛纤维表面鳞片厚薄不一，表面积较大，当纤维处在100%的相对湿度下充分吸湿，防缩羊毛纤维表面结合更多的游离水，放湿回潮率较大[9]；从纤维放湿中、后期曲线可以看出，防缩羊毛纤维和丝光羊毛纤维在130 min出现重合点，之后丝光羊毛纤维回潮率高于防缩羊毛纤维；随着放湿时间的增加，3种羊毛纤维放湿速率逐渐减小，先后趋于平衡，平衡时间依次为：普通羊毛纤维100 min<丝光羊毛纤维130 min<防缩羊毛纤维135 min；达到动态平衡时，普通羊毛纤维的平衡回潮率为13.2%，丝光羊毛纤维的回潮率稳定在18.35%，防缩羊毛纤维平衡回潮率为18.2%。在整个放湿过程，丝光羊毛纤维和防缩羊毛纤维的回潮率都远大于普通羊毛纤维。结合图2、3可知，羊毛纤维的吸放湿平衡回潮率均随着鳞片剥离程度的增加而增加，羊毛纤维剥离鳞片层后，胱氨酸含量减少，亲水基团增加，表面更具有亲水性；同时纤维的结晶度下降，无定形区增加，导致其储水能力增强，羊毛纤维的吸湿回潮率增加[10]。此外，随着羊毛纤维表面鳞片剥离程度的增加，达到吸放湿平衡的时间有所增加，这主要是因为普通羊毛纤维表面含有大量的类脂物，具有很好的疏水性，纤维中的水分大多是间接吸收水，结合力较弱，达到吸放湿平衡的时间较短；而丝光羊毛纤维和防缩羊毛纤维随着鳞片的剥离，表面蛋白结构被改变，类脂物减少，主要是亲水基团吸收水，结合力强，二者达到吸放湿平衡的时间增加。

利用Origin软件，将实验数据进行曲线拟合，得到丝光羊毛纤维、防缩羊毛纤维和普通羊毛纤维的吸湿、放湿回归方程如表2所示(式中W为回潮率，%；t为时间，min)，可以看出，其相关系数R2均大于0.994，说明3种羊毛纤维的回归方程曲线(如图4、5所示)的规律与实验结果一致。在整个吸放湿过程中，丝光羊毛纤维和防缩羊毛纤维的吸放湿回潮率均明显高于普通羊毛纤维回潮率，纤维的吸放湿回潮率不同，且吸放湿速率也在不断变化，这主要与3种羊毛纤维的表面鳞片形态结构有直接关系[11]。

表2 3种羊毛纤维的吸湿和放湿回归方程

图4 3种羊毛纤维的吸湿回归曲线

图5 3种羊毛纤维的放湿回归曲线

2.4 吸放湿速率

利用Origin软件得出3种羊毛纤维的吸放湿速率回归方程以及3种羊毛纤维的吸放湿速率回归曲线，分别如表3和图6、7所示(式中V为速率，%/min;t为时间，min)。

表3 3种羊毛纤维的吸放湿速率回归方程

图6 3种羊毛纤维的吸湿速率曲线

图7 3种羊毛纤维的放湿速率曲线

由表3和图6可知，3种羊毛纤维的吸湿速率方程均为指数函数且速率衰减趋势相近，均随着吸湿时间的延长，吸湿速率下降。丝光羊毛纤维和防缩羊毛纤维的吸湿速率趋势基本一致，略高于普通羊毛纤维。在吸湿初始阶段，防缩羊毛纤维的吸湿速率略小于丝光羊毛纤维，大约在35 min， 2种纤维出现交叉点，随后防缩羊毛吸湿速率最大，丝光羊毛纤维次之，普通羊毛纤维最小。随着吸湿时间的延长，3种羊毛纤维吸湿速率逐渐减小，约70 min后，普通羊毛纤维吸湿速率趋于零，之后丝光羊毛纤维和防缩羊毛纤维吸湿速率逐渐减小，先后趋于零，达到平衡状态。

由表3和图7可以看出，3种羊毛纤维的放湿速率方程也均为指数函数，随着放湿时间的增加，放湿速率下降，但速率衰减趋势有所差异。这是由于同属于羊毛纤维，有着相同的结构，但由于纤维鳞片的剥离程度不同，其纤维表面形态的差异使纤维吸湿速率及其速率变化存在不同，初始阶段，普通羊毛纤维的放湿速率大于防缩羊毛纤维，约35 min，普通羊毛纤维和防缩羊毛纤维放湿速率相同，随后防缩羊毛纤维放湿速率变大，高于普通羊毛纤维。丝光羊毛纤维在50 min前，放湿速率最小，之后在到达放湿动态平衡前，其放湿速率仅次于防缩羊毛纤维，高于普通羊毛纤维。随着放湿时间的延长，放湿速率逐渐减小，约100 min后，普通羊毛纤维趋于零，随后丝光毛纤维和防缩羊毛纤维放湿速率逐渐减小，先后趋于零，进入到平衡状态。

3 结 论

①普通羊毛、防缩羊毛和丝光羊毛纤维表面鳞片形态不同：与普通羊毛纤维相比，防缩羊毛纤维鳞片被部分剥离，棱角变钝，密度变小，鳞片厚薄不一，表面较粗糙；丝光羊毛纤维表面鳞片被大量剥离，厚度变薄，密度更小，表面接近平滑。

②随着鳞片层剥离程度的增加，接触角减小，3种羊毛纤维接触角大小依次为：丝光羊毛纤维<防缩羊毛纤维<普通羊毛纤维，亲水性增加。

③羊毛纤维的吸湿、放湿平衡回潮率均随着鳞片层剥离程度的增加而增加，丝光羊毛纤维吸湿、放湿平衡回潮率最高，防缩羊毛纤维居中，普通羊毛纤维最低； 3种羊毛纤维达到吸湿平衡时间均小于放湿平衡时间。

④ 3种羊毛纤维的吸放湿速率变化规律相似，即随着时间的延长，羊毛纤维的吸放湿速率均呈指数曲线衰减。丝光羊毛纤维初始吸湿速率高于防缩羊毛纤维，之后速率变小，低于防缩羊毛纤维；普通羊毛纤维吸湿速率总低于其他 2种纤维，而在放湿初始，普通羊毛纤维放湿速率最大，一段时间之后，放湿速率变最小。