0 引 言
为保证棉纤维制品顺滑的手感以及饱满的光泽度,市场上大量的棉纤维制品都进行了丝光整理[1].丝光处理是指对棉制品(纱线或织物)施加一定的张力,然后用浓的烧碱溶液处理一段时间,最后在张力的条件下去除烧碱的过程.目前关于纤维素纤维及其制品丝光处理的研究,王春颖等[2]探讨了全棉本白纱线的双丝光处理,通过测试不同烧碱质量浓度、处理时间和处理温度对纱线强力、K/S值等性能的影响,选出较好的双丝光工艺条件.刘杰等[3]对木棉纤维/棉混纺纱线进行了碱丝光处理,分析碱处理后纱线结构和性能的变化,得到混纺纱在经过碱丝光处理之后,纱线断裂强度明显增大,纱线吸湿性能提高,但是结晶度变小.陶丽珍等[4]研究了竹原纤维纱线的碱丝光、碱缩处理工艺,分析纱线断裂强度以及对水、染料或者其他化学试剂的吸收性能与尺寸稳定性等随着碱丝光、碱缩处理工艺的改变而产生的变化.季益萍等[5]研究了棉条的丝光处理加工技术,确定了棉条进行碱丝光处理的工艺参数.姜生[6]研究了亚麻织物的碱丝光处理工艺,对亚麻织物碱丝光处理时烧碱的质量浓度、所施加的张力以及碱丝光处理的时间进行了探讨,得到了亚麻织物的碱丝光处理实验工艺条件.汤根娣等[7]以烧碱质量浓度、处理时间和张力3个因素进行正交实验,以织物缩水率、吸附钡值和弯曲强度为评价指标,优化亚麻/棉混纺针织物的丝光处理最佳工艺.杨柳[8]采用不同捻向高捻纯棉竹节纱和丝光棉纱进行柔麻面料设计,通过原料选配、织造工艺设计和丝光工序,生产具有天然麻面料外观与细腻手感的柔麻面料.棉秆皮纤维作为一种新型纤维素纤维,目前主要研究集中在棉秆皮纤维的提取与性能方面[9, 10, 11, 12, 13, 14].本文以实验室纺制的棉秆皮纤维/棉混纺转杯纱[15]为对象,采用正交实验确定纱线丝光处理工艺,测试丝光处理后纱线性能,为棉秆皮纤维的纺织应用提供参考.
1 实 验 1.1 材料、试剂与仪器(1) 材料 实验室纺制的棉秆皮/棉转杯混纺纱(质量混纺比50%/50%),纱线密度75tex.在一定张力下进行纱线丝光处理.处理流程:纱线准备→冲洗→脱水→丝光→水洗→脱水→烘干→性能测试.
(2) 试剂 氢氧化钠(96%分析纯)(天津市红岩化学试剂厂);氢氧化钡(98%分析纯)(成都市科龙化工试剂厂);盐酸(36%分析纯)(北京化工厂);酚酞指示剂(0.5%酚酞乙醇溶液)(天津市福晨化学试剂厂)
(3) 仪器 恒温水浴锅DZKW-4(上海科析实验仪器厂);HD021N型电子单纱强力仪(南通宏大实验仪器有限公司);JA1203N型电子天平(上海精密科学仪器有限公司);Y802A型八篮恒温烘箱(常州纺织仪器厂).
1.2 性能测试
(1) 失重率 将碱处理前后的纱线分别放到Y802A型烘箱中烘至恒重,然后在JA1203N型电子天平上称重,并记录数据.为避免纱线在空气中吸湿过多,应迅速称重.根据式(1)计算纱线的失重率.
$W = {{\left( {{w_0} - {w_1}} \right)} \over {{w_0}}} \times 100\% .$
(1)
(2) 断裂强度与断裂伸长率 在恒温恒湿的条件下平衡24h后,采用HD021N型电子单纱强力仪测试,实验长度为500mm,拉伸速度为100mm/min.
(3) 回潮率 在温度(20±2)℃,湿度(65±3)%的条件下,将纱线称重,然后将其烘干至恒重.按式(2)计算回潮率.
$G = {{\left( {{G_1} - {G_0}} \right)} \over {{G_0}}} \times 100\% .$
(2)
(4) 丝光纱线缩水率 将丝光处理之后的纱线进行缩水处理,然后测其长度,共测20根,取其平均值,按式(3)计算纱线缩水率.
$L = {{\left( {{L_1} - {L_2}} \right)} \over {{L_1}}} \times 100\% .$
(3)
(5) 钡值 取丝光纱线和未丝光纱线,置于烘箱中,在105~110℃下烘90min,取出后在干燥器内冷却至室温.准确称取纱线各2g,并剪成小块,分别置于2个150mL带盖的锥形瓶中,然后加入30mL 0.25mol/L的氢氧化钡溶液,加盖浸渍2h并不时加以振荡.另取一个150mL带盖锥形瓶,加入30mL氢氧化钡溶液,放置2h,做对比实验用.2h之后,分别从3个锥形瓶中吸取10mL浸渍液于三角烧瓶中,加酚酞指示剂2~3滴,然后用0.1mol/L盐酸溶液滴定,直至滴到红色消失为止.记录消耗盐酸的体积V.按式(4)计算钡值.
$钡值 = {{\left( {{V_0} - {V_1}} \right)} \over {\left( {{V_0} - {V_2}} \right)}} \times 100\% .$
(4)
纱线丝光实验采用正交试验方法,正交试验因素水平设计见表 1,其中浴比设定为1∶50.纱线正交实验后各指标的测试结果见表 2.
实验号 | A | B | C | 断裂强度/(cN·tex-1) | 断裂伸长率/% | 钡值 | 失重率/% | 回潮率/% | 缩水率/% |
1 | 1 | 1 | 1 | 4.47 | 3.74 | 120.0 | 3.712 | 7.226 | 1.00 |
2 | 1 | 2 | 2 | 4.66 | 4.21 | 115.0 | 4.058 | 9.455 | 0.80 |
3 | 1 | 3 | 3 | 3.96 | 3.63 | 130.0 | 5.098 | 8.706 | 1.40 |
4 | 2 | 2 | 3 | 4.59 | 4.12 | 135.0 | 4.696 | 9.187 | 1.60 |
5 | 2 | 3 | 1 | 5.59 | 4.29 | 145.0 | 5.584 | 8.688 | 1.80 |
6 | 2 | 1 | 2 | 4.37 | 4.21 | 142.0 | 3.854 | 8.959 | 1.60 |
7 | 3 | 3 | 2 | 3.93 | 3.80 | 155.0 | 5.048 | 8.854 | 2.20 |
8 | 3 | 1 | 3 | 3.67 | 4.62 | 161.0 | 6.762 | 9.000 | 2.20 |
9 | 3 | 2 | 1 | 4.05 | 4.62 | 150.0 | 5.036 | 8.570 | 2.40 |
根据直观分析方法[16]对表 2实验结果进行分析,得到各指标的优化工艺条件,钡值的优化工艺条件为:NaOH质量浓度250g/L,温度25℃,时间250s;断裂强度的优化工艺条件为:NaOH质量浓度200g/L,温度25℃,时间150s;断裂伸长率的优化工艺条件为:NaOH质量浓度250g/L,温度20℃,时间150s;失重率的优化工艺条件为:NaOH质量浓度150g/L,温度20℃,时间200s;回潮率的优化工艺条件为:NaOH质量浓度200g/L,温度20℃,时间200s;缩水率的优化工艺条件为:NaOH质量浓度150g/L,温度15℃,时间200s.由直观分析可以看出,不同指标的优化工艺条件是不相同的.
对表 2中结果进行方差分析,得到在显著水平α=10%时,NaOH质量浓度对丝光纱线的钡值、断裂强力、缩水率有显著影响,处理温度对丝光纱线的钡值有显著影响.
为了在多指标下分析纱线丝光的工艺条件,本文采用模糊正交法的实验数据处理方法[17]进行丝光工艺优化分析.首先将实验得到的数据进行模糊化,然后应用模糊数学的理论和分析方法将实验数据进行处理,最终得到优化碱丝光处理工艺参数.
(1) 建立模糊关系矩阵.根据表 2的正交实验结果以及模糊正交法的实验数据处理方法,可以得到模糊关系矩阵R:
$R=\left[ \begin{array}{*{35}{l}} 1.0000 & 0.8866 & 0.5456 & 0.6774 & 0.3863 & 0.9535 & 0.5620 & 0.0000 & 0.5659 \\ 0.4167 & 0.5156 & 0.1510 & 0.4972 & 1.0000 & 0.3646 & 0.1354 & 0.0000 & 0.1979 \\ 0.1111 & 0.5859 & 0.0000 & 0.4949 & 0.6667 & 0.5859 & 0.1717 & 1.0000 & 1.0000 \\ 0.0000 & 1.0000 & 0.6641 & 0.8801 & 0.6559 & 0.7775 & 0.7307 & 0.7961 & 0.6033 \\ 0.8750 & 1.0000 & 0.6250 & 0.5000 & 0.3752 & 0.5000 & 0.1250 & 0.1250 & 0.0000 \\ 0.1087 & 0.0000 & 0.3261 & 0.4348 & 0.6522 & 0.5870 & 0.8696 & 1.0000 & 0.7609 \\ \end{array} \right]$ |
${R_p}\left[ {\matrix{ \matrix{ 0.0000 \hfill \cr 0.5833 \hfill \cr 0.8889 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 0.1250 \hfill \cr 0.8913 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.1134 \hfill \cr 0.4844 \hfill \cr 0.4141 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.4544 \hfill \cr 0.8438 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 0.3359 \hfill \cr 0.3750 \hfill \cr 0.6739 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.3226 \hfill \cr 0.5208 \hfill \cr 0.5051 \hfill \cr 0.1199 \hfill \cr 0.5000 \hfill \cr 0.5652 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.6137 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 0.3333 \hfill \cr 0.3441 \hfill \cr 0.6250 \hfill \cr 0.3478 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.1465 \hfill \cr 0.6354 \hfill \cr 0.4141 \hfill \cr 0.2225 \hfill \cr 0.5000 \hfill \cr 0.4130 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.4380 \hfill \cr 0.8946 \hfill \cr 0.8283 \hfill \cr 0.2693 \hfill \cr 0.8750 \hfill \cr 0.1304 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 1.0000 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 0.2039 \hfill \cr 0.8750 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.4341 \hfill \cr 0.8021 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 0.3967 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 0.2391 \hfill \cr} \hfill \cr } } \right],$ |
$\Delta {\rm{ = }}\left[ {\matrix{ \matrix{ 1.0000 \hfill \cr 0.4167 \hfill \cr 0.1111 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 0.8450 \hfill \cr 0.1087 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.8866 \hfill \cr 0.5156 \hfill \cr 0.5859 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.5456 \hfill \cr 0.1510 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 0.6641 \hfill \cr 0.6250 \hfill \cr 0.3261 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.6774 \hfill \cr 0.4792 \hfill \cr 0.4949 \hfill \cr 0.8801 \hfill \cr 0.5000 \hfill \cr 0.4348 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.3863 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 0.6667 \hfill \cr 0.6559 \hfill \cr 0.3750 \hfill \cr 0.6522 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.9535 \hfill \cr 0.6346 \hfill \cr 0.5859 \hfill \cr 0.7775 \hfill \cr 0.5000 \hfill \cr 0.5870 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.5620 \hfill \cr 0.1354 \hfill \cr 0.1717 \hfill \cr 0.7307 \hfill \cr 0.1250 \hfill \cr 0.8696 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.0000 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 0.7961 \hfill \cr 0.1250 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr} \hfill & \matrix{ 0.5659 \hfill \cr 0.1979 \hfill \cr 1.0000 \hfill \cr 0.6033 \hfill \cr 0.0000 \hfill \cr 0.7609 \hfill \cr} \hfill \cr } } \right].$ |
(3) 计算模糊综合评价值B:
|
(4) 计算各指标的隶属度值.根据文献[9]以及前面计算的各指标隶属度值和综合评价值可以得到表 3~4.
实验号 | 失重率/% | 断裂强度/(cN·tex-1) | 断裂伸长率/% | 回潮率/% | 缩水率/% | 钡值 |
1 | 1.000 0 | 0.416 7 | 0.111 1 | 0.000 0 | 0.875 0 | 0.108 7 |
2 | 0.886 6 | 0.515 6 | 0.585 9 | 1.000 0 | 1.000 0 | 0.000 0 |
3 | 0.545 6 | 0.151 0 | 0.000 0 | 0.664 1 | 0.625 0 | 0.326 1 |
4 | 0.677 4 | 0.479 2 | 0.494 9 | 0.880 1 | 0.500 0 | 0.434 8 |
5 | 0.386 3 | 1.000 0 | 0.666 7 | 0.655 9 | 0.375 0 | 0.652 2 |
6 | 0.953 5 | 0.364 6 | 0.585 9 | 0.777 5 | 0.500 0 | 0.587 0 |
7 | 0.562 0 | 0.135 4 | 0.171 7 | 0.730 7 | 0.125 0 | 0.869 6 |
8 | 0.000 0 | 0.000 0 | 1.000 0 | 0.796 1 | 0.125 0 | 1.000 0 |
9 | 0.565 9 | 0.197 9 | 1.000 0 | 0.603 3 | 0.000 0 | 0.760 9 |
实验号 | A | B | C | 综合评价值(bn) |
1 | 150 | 15 | 150 | 0.409 4 |
2 | 150 | 20 | 200 | 0.665 0 |
3 | 150 | 25 | 250 | 0.390 7 |
4 | 200 | 20 | 250 | 0.588 3 |
5 | 200 | 25 | 150 | 0.635 6 |
6 | 200 | 15 | 200 | 0.634 1 |
7 | 250 | 25 | 200 | 0.448 7 |
8 | 250 | 15 | 250 | 0.475 6 |
9 | 250 | 20 | 150 | 0.520 0 |
∑bi1 | 1.465 1 | 1.519 1 | 1.565 0 | - |
∑bi1′ | 0.307 3 | 0.318 6 | 0.328 3 | - |
∑bi2 | 1.858 0 | 1.773 3 | 1.747 8 | - |
∑bi2′ | 0.389 7 | 0.372 0 | 0.366 7 | - |
∑bi3 | 1.444 3 | 1.475 0 | 1.454 6 | - |
∑bi3′ | 0.303 0 | 0.309 4 | 0.305 1 | - |
(5) 主效应分析.由表 4可得到实验主要工艺参数组成的3个模糊子集Ci分别为
$\left\{ \begin{align} & {{C}_{1}}=\left( \begin{matrix} 0.3073 & 0.3897 & 0.3030 \\ \end{matrix} \right), \\ & {{C}_{2}}=\left( \begin{matrix} 0.3186 & 0.3720 & 0.3094 \\ \end{matrix} \right), \\ & {{C}_{3}}=\left( \begin{matrix} 0.3283 & 0.3667 & 0.3051 \\ \end{matrix} \right). \\ \end{align} \right.$ |
根据最大隶属度原则,可知各因素的影响程度分别为C1=0.389 7,C2=0.372 0,C3=0.366 7,故各因素对模糊综合评价值的影响顺序为:C1>C2>C3,即NaOH质量浓度>温度>时间,丝光处理的工艺为:NaOH质量浓度200g/L,温度20℃,时间200s.在NaOH质量浓度200g/L,温度20℃,时间200s,浴比1∶50的条件下,纱线丝光后的指标测试结果为失重率为3.98%,断裂强度为5.13cN/tex,断裂伸长率为4.20%,回潮率为9.12%,缩水率为1.20%,钡值为150.
丝光之前的纱线性能:断裂强度为4.35cN/tex,断裂伸长率为4.25%,回潮率为8.15%,缩水率为3.50%.在上述丝光工艺处理纱线之后,纱线断裂强度、回潮率略有增加,缩水率减小.其原因可能是,在张力下进行的纱线丝光使得纤维结晶度下降,导致纤维伸长过程中的应力得到松弛,丝光后纱线断裂强度略高[18].通过张力,纤维大分子进行取向排列,在新的位置上建立起新的分子键,且分子间力比溶胀前大.最后在张力下去碱,已取向排列的纤维间的氢键被固定下来,这时的纤维处于较低的能量状态,因此尺寸稳定,缩水率减小.碱丝光处理可以去除棉秆皮纤维中的部分胶质和棉纤维表面的蜡质,纱线的回潮率略有增加.
丝光前后纱线的外观效果见图 1.由图 1可知,纱线经丝光处理后光泽更亮,这是由于纤维素纤维用浓碱液处理时,纤维与烧碱溶液作用发生膨化,且胞壁发生膨胀,纤维表面变得光滑,因此光线照射到纤维上时光的反射比原来更有规律,增加了光泽.
3 结 论(1) 对于棉秆皮/棉混纺纱线的丝光处理,NaOH质量浓度对丝光纱线的性能影响最大,处理温度次之,处理时间影响最小.在显著水平α=10%时,NaOH质量浓度对丝光纱线的钡值、断裂强力、缩水率有显著影响;处理温度对丝光纱线的钡值有显著影响.
(2) 采用模糊正交法得到纱线丝光处理的工艺条件为NaOH 质量浓度200g/L,温度20℃,时间200s.
(3) 在此工艺条件下,丝光纱线的钡值为150,断裂强度5.13cN/tex,缩水率1.20%.
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