牦牛绒纤维形态结构与拉伸测试评价

2022-04-27王玉珠朱涵祺樊翔宇徐广标王府梅

纺织科学与工程学报 2022年2期

王玉珠，朱涵祺，罗浩，樊翔宇，徐广标，王府梅

(1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.雅莹集团股份有限公司，浙江嘉兴 314011)

牦牛是生活在我国高海拔高寒地区的特种畜种，青藏高原、青海、四川西北部、新疆等地是主要畜牧地[1]。牦牛绒是牦牛为了抵御高寒地区以寒冷为主的恶劣生存环境，在牦牛毛底部长出的一层细密绒毛。中国的牦牛绒产量占世界产量的90%以上，在牦牛绒原料上有资源优势。牦牛绒具有天然色泽，且手感滑糯、蓬松柔软、保暖性强、吸湿性透气性较好；牦牛绒耐磨性和抗起毛起球性优良，这种天然纺织原料在高档纺织品的应用上有较大潜力[2－3]。

牦牛绒纤维与羊毛纤维类似，表面存在角质层，即鳞片包覆的那层，主要起到保护纤维的作用，避免因外界物理、化学影响造成的内层组织损伤。同时由于牦牛绒纤维表面有鳞片，当受到外力作用时，方向性摩擦效应会导致缩绒现象[4－5]。纤维强度是评定毛绒纤维性能的重要指标之一，纤维断裂强力关系到生产工艺的具体应用，同时也会影响牦牛绒成品的质量[6]；同时拉伸性能也会影响牦牛绒纤维的可纺性，拉伸性能越好，则可纺性越高[7]。目前有关于牦牛绒纤维的文献研究主要集中在不同产地性别年龄部位对牦牛绒品质特性的影响[4，8，9]，牦牛绒纤维脱色工艺[2，10]，与其他纤维混纺对性能的改善[3，11]等方向，对不同颜色牦牛绒拉伸性能没有系统的评价。

本文针对三种不同色颜色牦牛绒及对比样(兔绒、骆驼绒、羊毛)，测试它们的形态结构及拉伸性能，为牦牛绒纤维特性及高档化应用提供数据支撑。

1 试验

1.1 试样

采用的样品是企业提供的三种牦牛绒，及对比样兔绒、骆驼绒、羊毛，具体规格如下表1所示:

表1 纤维试样规格参照表

1.2 测试指标与方法

1.2.1 扫描电镜(SEM)测试

采用TM3000型扫描电镜对牦牛绒纤维及对比样形态结构进行测量，样品用Y171B型纤维切断器处理至长1cm，通过导电胶粘到电镜台上经喷金处理后，放于电镜下测试。

沿轴向鳞片距离采用图像处理软件Photoshop对纤维电镜图片进行测量，用软件中标尺工具和信息面板测量记录。选取每种纤维中沿轴向鳞片与鳞片间相对均匀的地方，测量四组数据取平均值，再根据SEM图左下角给定的比例尺换算出每种样品纤维的沿轴向鳞片距离，单位用微米(μm)表示。如图1所示:

图1 软件测量示例

1.2.2 拉伸性能测试

采用XQ－2型纤维强伸度仪，参照GB/T 13835.5－2009«兔毛纤维试验方法第5部分:单纤维断裂强度和断裂伸长率»[12]。

环境条件:温度20℃±4℃，湿度65%±5%。

2 结果与讨论

2.1 形态结构

几种纤维SEM照片如图2(a)—2(f)所示。

从图2可以看出，三种牦牛绒纤维以及兔绒、骆驼绒、羊毛表面都有鳞片结构，且均附着在纤维表面，但根据动物毛绒种类的不同存在很大差异。紫绒鳞片较大，与羊毛类似，白绒鳞片较细密。牦牛绒纤维的鳞片边缘呈锯齿状，服帖于条干，鳞片翘角较小。

图2 纤维形态SEM图

采用Photoshop软件读取纤维沿轴向鳞片距离，经换算得出:牦牛绒(紫)为11.60μm，牦牛绒(青)为12.67μm，牦牛绒(白)为11.02μm，兔绒为7.58μm，骆驼绒为16.87μm，羊毛为12.87μm。牦牛绒的鳞片间距与羊毛近似且略小于羊毛，是兔绒的约1.6倍、骆驼绒的约0.7倍。三种牦牛绒纤维中，鳞片间距白牦牛绒<紫牦牛绒<青牦牛绒。

2.2 拉伸性能

2.2.1 拉伸曲线

为了更直观的表示三种牦牛绒纤维及对比样品的拉伸性能，采用单根曲线代表法[13]选取具有代表性的曲线来表征这六种纤维的拉伸过程。如图3所示:

图3 代表性拉伸过程曲线

从图3可以看出，三种牦牛绒纤维与兔绒、骆驼绒、羊毛纤维拉伸过程的曲线相似，且这6条曲线都有明显的屈服点(纤维拉伸曲线上，弹性区和屈服区的转变点称为屈服点[14])。作用于纤维上的负荷在0cN~3cN时，这六种纤维的伸长率大小没有明显的差异；随着负荷继续增大，羊毛和兔绒纤维出现屈服点，随后这两种纤维的伸长率急剧增加；负荷作用在7cN~8cN时，青牦牛绒、白牦牛绒、骆驼绒拉伸曲线有了转折点，随后这三种纤维伸长率也急剧增加；紫牦牛绒拉伸曲线的屈服点出现在作用负荷为9.5cN时，是六种纤维中最大的。

2.2.2 结果分析

拉伸性能测试数据经整理得到几种纤维拉伸性能测试结果，如表2所示:

表2 拉伸性能测试统计表

从表2的断裂强力数据中可以看出，这六种纤维断裂强力变异系数(CV值)都较大，表明这几种纤维断裂强力的离散性都较大；紫牦牛绒和青牦牛绒的CV值是这六种样品中相对较小的，比羊毛小，白牦牛绒的CV值比羊毛大，骆驼绒是最大的；牦牛绒断裂强力的均值在10.19cN~11.85cN，与骆驼绒断裂强力均值类似，是羊毛的接近2倍，三种牦牛绒纤维中断裂强力按顺序排列为:白牦牛绒10.19cN<青牦牛绒11.85cN<紫牦牛绒13.77cN。

从表2的断裂伸长率数据中可以看出，这六种纤维断裂伸长率的均值相差不大，都在30%左右；其中白牦牛绒断裂伸长率均值相对偏小约为28.13%，但CV值非常大，这说明白牦牛绒单纤维之间拉伸性能差异较大，离散性大；三种牦牛绒纤维断裂伸长率按顺序排列为:白牦牛绒28.13%<紫牦牛绒33.28%<青牦牛绒35.41%。

2.2.3 拉伸性能分布

为了更深入了解牦牛绒纤维断裂强力和断裂伸长率的分布情况，应用分组绘制直方图的方法，把牦牛绒纤维及对比样的断裂强力及断裂伸长率的分布情况表达出来，如图4和图5所示。

图5 几种纤维断裂伸长率分布

从图4中的(a)—(f)可以看出，几种纤维断裂强力分布都呈偏正态分布，其中牦牛绒的分布比较分散，而羊毛、兔绒、骆驼绒的强力分布比较集中，其中羊毛尤甚。紫牦牛绒强力分布在4cN~28cN，主要集中在8cN~16cN，约占64.65%；青牦牛绒强力分布在4cN~28cN，主要集中在6cN~12cN，约占50.52%；白牦牛绒强力分布在2cN~30cN，主要集中在4cN~10cN，约占69.70%；兔绒强力分布在2cN~22cN，主要集中在4cN~8cN，约占69.61%；骆驼绒强力分布在2cN~40cN，主要集中在5cN~10cN，约占37.00%；羊毛强力分布在2cN~24cN，主要集中在4cN~6cN，约占42.71%。

图4 几种纤维断裂强力分布

从图5中的(a)—(f)可以看出，几种纤维断裂伸长率变化规律比断裂强力复杂，变化范围更大且规律不明显，紫牦牛绒、青牦牛绒、兔绒和骆驼绒纤维伸长率分布有一个峰，而白牦牛绒和羊毛纤维伸长率分布有两个峰，造成这种结果的原因可能是有绒毛本身差异导致。另外，几种纤维本身离散性较大，单纤维测试要求的根数需进一步丰富。