湿热处理对蚕丝/PLA复合纱线结构与性能影响

张洸睿，徐广标，沈 华，温 润，王文元

(1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.江苏明源纺织有限公司，江苏 东台 224200)

蚕丝作为一种高档的纺织原料，其纤维特性赋予丝绸面料手感滑糯、吸湿透气、柔软舒适、光泽柔和和轻薄飘逸的特征[1]，但蚕丝产量受到自然条件等因素的限制，在实际的产品开发过程中需要与其他纤维进行复合，以满足更多的市场需求[2]。聚乳酸纤维(Polylactic Acid，PLA)手感柔软质地轻盈，因其优良的纤维特性和可降解性而受到广泛关注[3]。已有文献中对于蚕丝的研究主要集中在纤维的形态结构和性能方面[4]，而关于PLA的研究集中在PLA的制备[5]、染色工艺[6－8]等方面。关于蚕丝与PLA产品开发方面，研究了关于蚕丝与PLA复合[9－10]，蚕丝与PLA织物性能评价等[11]。由于PLA与蚕丝存在较大的性能差异，在后整理工艺中湿热条件对织物制备有重要的影响，这方面目前还没有系统的研究。因此，本论文探讨不同温度时间条件下，湿热处理对蚕丝/PLA复合纱线的结构与性能的影响，为其生产应用提供参考依据。

1 试验

1.1 试样

试样由某企业提供蚕丝(22D)/PLA(21D/22F)S捻和Z捻复合纱线，以及规格为22D蚕丝和21D/22F PLA长丝。

1.2 试验设计

已有文献以及实际染色后整理发现，PLA对温度较为敏感，在实际的染色过程中设置的温度较低，因此根据实际情况，设计三个处理温度和时间，如表1所示。

1.3 表征指标与方法

1.3.1 形态结构

采用TM3000台式扫描电子显微镜，按照操作规范进行扫描电子显微镜，观察其横纵结构形态。

1.3.2 热收缩率

参照GB/T 6505－2017«化学纤维 长丝热收缩率试验方法(处理后)»，随机抽10束样品，放入网袋中进行水浴试验，水浴至规定时间，用镊子取出，测量其长度，计算每一束样品的收缩率，并求出平均值，计算公式如下:

式中:S为热收缩率(%)；L1为热收缩处理前的长度，mm；L2为热收缩处理后的长度，mm。

1.3.3 弹性回复率

采用定伸长试验，仪器为YG061F电子单纱强力仪，定伸长为50mm，反复拉伸次数为5，停顿10s，预加张力2N。根据试验标准取样，进行5次试验，计算得到其平均弹性回复率。

1.3.4 力学性能

参考GB/T 3916－2013«纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定»，采用YG061F电子单纱强力仪，根据标准对纱线进行5次试验，计算得到其平均断裂强力和断裂伸长率。

2 结果与讨论

2.1 形态结构

由TM3000台式扫描电子显微镜观察到不同热处理条件下的纱线外观形貌，以蚕丝/PLA复合纱线(S捻)为例，热处理前后纱线外观形态如图1和图2所示。

图1 蚕丝/PLA复合纱线(S捻)外观形貌

图2 不同热处理条件下蚕丝/PLA复合纱线(S捻)的外观形貌

如上页图1、图2所示，未处理状态下的湿热处理后S捻蚕丝/PLA复合纱线的形貌较为规整。湿热处理后S捻和Z捻蚕丝/PLA复合纱线出现解捻的现象，由原来规整的形貌变成松散、蓬松的状态，而且从随着温度和处理时间纱线内部的松散现象越来越严重。

2.2 热收缩率

S捻和Z捻蚕丝/PLA复合纱线，以及22D蚕丝和21D/22F PLA长丝热收缩率如图3所示。

图3 不同湿热处理条件下试样热收缩

如图3所示，蚕丝/PLA复合纱线湿热收缩主要来自于蚕丝和PLA热收缩共同作用，比较而言相同条件下蚕丝热缩率很小，而PLA在湿热条件下热收缩率较为明显，蚕丝/PLA复合纱线热收缩率介于蚕丝和PLA长丝之间。随着时间及温度的增加，蚕丝/PLA复合纱线的热收缩率整体呈上升趋势，但S捻Z捻蚕丝/PLA复合纱在相同条件下湿热收缩存在较大的差异，说明加工方式对复合纱热收缩会产生一定的影响。

2.3 弹性回复率

不同条件下湿热处理的S捻和Z捻蚕丝/PLA复合纱线、22D蚕丝和21D/22F PLA长丝的弹性回复率如图4所示。

如图4所示，蚕丝/PLA复合纱线弹性回复率受蚕丝和PLA长丝弹性回复率的综合作用，湿热处理使其弹性回复率整体增加，幅度随着时间增加呈现先增大后减小的趋势，在温度为80℃时，纱线弹性回复率的增幅最大。这是因为复合纱线弹性回复性能来源两个方面的共同作用，在湿热条件下有利于纱线内部的应力消除，同时对于纤维来讲，蚕丝经过湿热处理后试样的取向度会有所提高，根据已有的文献，当水温达到85℃和100℃时纤维会润湿膨化，使复合纱线的弹性增大[12]，而PLA的玻璃化温度约为57℃，与PET相近，因此在60℃左右的温度下，纤维内部的大分子链段开始移动，导致长丝的弹性有所增加。而随着温度的继续升高，纤维表面形态发生不同程度的损伤，其弹性回复性能受损。

图4 不同条件下湿热处理的试样弹性回复率

2.4 力学性能

不同条件下湿热处理的S捻和Z捻蚕丝/PLA复合纱线、22D蚕丝和21D/22F PLA长丝的断裂强力、断裂伸长率如图5和下页图6所示。

图5 不同条件下湿热处理的试样断裂强力

图6 不同条件下湿热处理的试样断裂伸长率

如图5和图6所示，S捻和Z捻蚕丝/PLA复合纱线的断裂强力表现不同的规律，在未处理条件下，S捻复合纱线的强力大于Z捻复合纱线。对于S捻复合纱线来说，其断裂强力在不同的温度下呈现不同的变化趋势，在温度为60℃时呈先增大后减小的趋势，在温度为80℃时表现出逐渐减小的趋势，而在100℃时表现出先减小再增大的趋势。对比Z捻复合纱线而言，随着时间的增加断裂强力整体呈逐渐增大的趋势。蚕丝/PLA复合纱线断裂强力的变化趋势主要来源于长丝和纱线结构的共同作用，但S捻复合纱线受到的影响规律与Z捻复合纱线有所不同，从上页图5的(c)和(d)可看出，S捻复合纱线整体的变化趋势与单丝基本一致，Z捻复合纱线受共同作用的影响而表现出断裂强力增大的趋势。

S捻和Z捻蚕丝/PLA复合纱线的断裂伸长率整体表现出下降的趋势。但在温度为60℃时，两种捻度复合纱线的断裂伸长率表现出不同的规律，60℃相对于80℃、100℃时其断裂伸长率随时间变化有较大的差异。从图6(c)和(d)可看出，在处理条件为60℃、30min时，S捻复合纱线的断裂伸长率和单丝的变化趋势整体上一致；当温度增加到80℃、100℃时，其断裂伸长率在长丝和纱线结构的共同作用下整体呈下降的趋势。Z捻复合纱线受到的影响规律与S捻不同，湿热处理使其力学性能得到改善[13]，而随着温度的增加PLA长丝的力学性能受损[14－15]，Z捻复合纱线的断裂伸长率整体上也呈减小的趋势。

3 结论

蚕丝/PLA复合纱线湿热处理后其形貌得蓬松；在温度为60℃~100℃、时间为30min~90min的条件下，蚕丝/PLA复合纱线的热收缩率在1%~4.5%之间，随着处理温度的增加S捻和Z捻蚕丝/PLA复合纱线表现出不同的规律；S捻蚕丝/PLA复合纱线的弹性回复率为40%~70%，Z捻蚕丝/PLA复合纱线的弹性回复率为45%~62%，蚕丝/PLA复合纱线的弹性回复率随着温度和时间的增大整体呈上升趋势；对于S捻蚕丝/PLA复合纱线来说，其初始断裂强力为108.9cN，随着温度和时间的变化表现出不同的规律；Z捻蚕丝/PLA复合纱线的初始断裂强力只有60.3cN，随着温度和时间的增加而逐渐上升；S捻和Z捻复合纱线的初始断裂伸长率分别为26.4%和23.3%，随着温度和时间的增加整体上都表现出下降的趋势。