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羊毛、粘胶和棉玻璃化转变的测试及染整应用

刘颖  
【摘要】:玻璃化转变是高分子材料玻璃态与高弹态之间的转变过程,它直接与纤维的纺织加工和使用性能有关。在化纤制造以及织物的染整过程中,许多加工条件都要根据纤维的玻璃化温度来决定。合成纤维(如涤纶、锦纶等)的该转变点已有大量研究,而检测天然纤维及再生纤维的玻璃化转变却还缺乏可靠的方法。因此,极少有文献从玻璃化转变的角度论述天然纤维染整加工的有关原理,相关的讨论分析也都只停留在宏观定性层面,这使得有关天然纤维加工原理的研究分析受到相当大的限制。 动态力学分析(Dynamic Mechanical Analysis,简称DMA)通常是在程序控制温度下,测量物质在振动负荷下的动态模量或力学损耗与温度的关系,从而确定材料的粘弹性。因为高聚物的玻璃化转变和交联等结构变化都与分子运动状态的变化密切相关,而分子运动的变化又能灵敏地反映在动态力学性能上,因而动态力学分析是研究高聚物结构——分子运动——性能的一种有效手段。动态力学分析已广泛应用于复合材料、橡胶和树脂等领域里,而其在天然纺织纤维里的应用还鲜少见到。因此利用动态力学分析对天然纤维的玻璃化转变点进行检测,探索研究该转变与材料加工原理的关系具有重要意义。本课题期望利用动态力学分析检测出羊毛纤维、粘胶长丝和棉的玻璃化转变点,并研究染整加工对以上纤维玻璃化转变等动态力学性能的影响,从而为染整加工工艺提供一些可能的理论指导。 本文首先探索了纤维利用动态力学分析技术测试的基本试验条件,获得了多种纤维可行的检测条件;并在干/湿态温度扫描模式和恒温湿度扫描模式下分别对羊毛纤维、粘胶长丝和棉线进行了测试。 羊毛纤维通过干态下DMA温度扫描,虽然可以获得形似玻璃化转变的损耗因子突变,但由于测得的损耗因子峰值非常接近纤维的熔融断裂点,因此难以判断其真实性;而储存模量的转折温度点较低,在214℃左右,也许能作为玻璃化转变温度用于分析羊毛性能变化,但还有待进一步试验证实。在试验温度范围内,粘胶长丝和棉线干态下的DMA温度扫描均没有检测到玻璃化转变点。 羊毛纤维和粘胶长丝通过湿态下DMA温度扫描,不同湿度下没有显现出明显确定的玻璃化转变点,而棉线在高湿度下产生了玻璃化转变点,在低湿度时没有出现,说明足够量的水分才可能影响其玻璃化转变。 通过DMA等温湿度扫描,首次发现羊毛纤维和粘胶长丝都存在 个以湿度为变量的玻璃化转变点。当温度为35℃时(接近人体体温),这个玻璃化转变出现的相对湿度分别为84.94%和86.56%。该转变点的相对湿度值随温度的升高而降低。这对于通过粘弹性能变化,研究纤维湿处理加工机理和应用效果可能具有一定的理论意义。 在染整加工处理方面,本文探索了染色和交联处理对羊毛纤维、粘胶长丝和棉线玻璃化转变等动态力学性能的影响。试验结果表明:通过湿度谱可以检测到常规染色后染料对纤维性能有微小影响;交联处理可以很大程度上改变纤维的力学性能,但是对玻璃化转变点的影响并不十分显著。染料分子的进入使粘胶长丝发生玻璃化转变时的相对损耗tanδ峰减小,转变湿度略有增加,可能是因为染料分子的疏水部分在纤维内部阻碍了部分纤维链段吸附水分;而交联粘胶长丝的相对损耗tanδ峰值高于未交联粘胶长丝,表明在玻璃化转变时交联粘胶分子运动消耗的能量较高,应该是分子间发生了交联,对分子链运动产生了一定的限制作用。 染色对棉线温/湿度谱的力学性能转变点基本没有影响,但交联处理使棉线储能模量值相对减小,损耗因子值相对增大,可能是由分子交联限制分子链基团和链段运动造成的,这些发现对染整加工中的应用意义仍有待进一步研究。


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