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微波对羊毛微结构的影响及其在染整加工中的应用研究

赵雪  
【摘要】:微波是一种频率范围从300MHz-300GHz的电磁波,相应的波长范围为1mm-1m。用微波照射极性物质时,极性物质分子吸收微波,使分子转动和自旋速度加快,增加的内能转化为热量而产生热效应。随着科学技术的发展,人们对纺织材料的加工处理提出了更高的要求,像微波辐射加工处理各种纺织材料这样的均匀、快速、节能、高效无污染的加工方式已受到人们的广泛重视。作为一种高档产品,羊毛具有较好的弹性、柔韧性、吸湿和保暖性能等优点。对比其它天然或合成纤维,羊毛有相对较高的介电常数,因此在微波场中具有相对较高的极化能力。将微波技术应用到羊毛织物的染整加工中,是羊毛绿色环保染整加工领域的一个研究方向。 尽管国内外许多研究者都在进行关于微波在纺织品染整加工中的应用研究,而关于微波在羊毛染整加工中的应用研究的报道却很少。本论文利用微波对不同含湿量的羊毛织物进行辐射,通过研究微波辐射下不同含湿量的羊毛微结构和性能同微波辐射之间的变化规律,得出微波辐射处理对不同含湿量羊毛结构和性能的影响规律。研究了微波辐射预处理技术对羊毛染色性能的影响以及羊毛轧染微波固色技术和微波抗菌整理技术,探讨了微波辐射条件下壳聚糖双胍盐酸盐合成时微波的热效应、特殊微波效应和非热效应机理。主要研究内容和结论如下: 利用微波对不同含湿量的羊毛织物进行辐射,研究了微波辐射下不同含湿量的羊毛微结构和性能同微波辐射之间的变化规律,重点讨论了微波辐射功率和时间对不同含湿量羊毛物理机械性能、结晶度、表面形态结构、二硫键含量、有序α-螺旋链的含量和大分子聚集态结构的无序程度等的影响。不同含湿量的羊毛由于其纤维内部含水量的不同导致它们对微波的吸收作用和纤维内部结构调整能力也不同,因此断裂强力和断裂伸长经微波辐射处理后会有不同程度的提高或下降。常态羊毛织物经微波辐射处理后纤维的结晶指数和有序α-螺旋链的含量有所提高,微波辐射处理提高了常态羊毛纤维大分子聚集态结构的有序程度。干态和湿态羊毛织物经微波辐射处理后纤维的结晶指数和有序α-螺旋链的含量有所下降,微波辐射处理削弱了干态和湿态羊毛纤维大分子聚集态结构的有序程度。微波辐射对羊毛纤维的表面鳞片结构有所损伤,不同的微波辐射功率对纤维表面鳞片的损伤程度不同。常态和干态羊毛织物经微波辐射处理后,虽然纤维表面鳞片结构受到一定程度的损伤,但鳞片的大部分可以保持较完整的形态,表面相对较为光滑。湿态羊毛织物经过微波辐射处理后,纤维表面鳞片结构受到了较严重的破坏。微波辐射处理会使羊毛鳞片表层的胱氨酸中二硫键被破坏,胱氨酸二硫键的含量会随辐射功率的增大而减少。 采用微波对羊毛进行辐射预处理,利用兰纳素活性染料和派拉丁1:1型金属络合染料对羊毛织物进行常规浸染法染色,在研究了预处理前后羊毛的染色吸附和扩散性能后,发现预处理后染料在羊毛上的上染速率和表观扩散系数提高,而染色吸附性能不变。微波处理破坏了羊毛纤维鳞片表层致密的二硫键网状结构,使羊毛的初始染色壁障被打破,染料更容易向纤维内部扩散。 采用丽雅伦活性染料和兰纳素活性染料对羊毛织物进行轧染微波固色,利用单因素和正交实验考察了半乳甘露聚糖用量、尿素用量、亚硫酸氢钠用量、染浴pH值、微波辐射功率、微波固色时间和固色前室温堆置时间对染色织物表观得色量K/S值和固色率的影响,并与传统的羊毛轧染室温堆置固色工艺和常规浸染工艺进行了对比。羊毛轧染微波固色的最佳工艺为:微波辐射功率700W,固色时间5min,半乳甘露聚糖用量40g/L,亚硫酸氢钠用量20g/L,尿素用量100g/L。羊毛织物经轧染微波固色在700W功率下固色3min时,已经接近甚至超过羊毛轧染室温堆置24小时的固色率,且经微波固色后具有较好的匀染性。为了进一步改善羊毛轧染短时间微波固色的透染性,采用二氯异氰脲酸盐(DCCA)对羊毛进行预处理。羊毛经氧化预处理后染色织物的表观得色量和透染性较未经预处理羊毛有了显著的提高。同时该染色工艺还可以改善常规浸染工艺对纤维强力损伤大的缺点,具有高效、节能、降耗、工艺简单等诸多优点。 合成了两种抗菌性壳聚糖衍生物,壳聚糖单胍盐酸盐和壳聚糖双胍盐酸盐。将合成的壳聚糖胍盐对羊毛织物进行整理,研究了整理后羊毛织物的抗菌性能。采用双氧水对羊毛织物进行预处理,分析了氧化处理后整理剂壳聚糖胍盐、交联剂柠檬酸和羊毛之间的交联机理。采用微波加热方式将两种整理剂对羊毛织物进行整理,研究了微波辐射功率和时间对羊毛织物物理机械性能和整理剂在羊毛上吸附量的影响,优化了微波整理工艺,并与传统烘干焙烘整理工艺进行了对比。羊毛经壳聚糖胍盐整理可以明显地提高其抗菌性能。未经双氧水氧化预处理的羊毛与壳聚糖胍盐和柠檬酸未发生交联反应,而经氧化预处理后的羊毛能与壳聚糖胍盐和柠檬酸产生酯化和酰胺化交联。采用微波短时间加热可大大减少烘干焙烘时间。采用微波加热将浸轧壳聚糖胍盐的羊毛织物在700W功率下处理2min,壳聚糖胍盐在羊毛上的吸附量和羊毛织物白度明显高于传统烘干焙烘工艺,而两种加热方式下,羊毛织物的断裂强力基本相同。微波加热条件下,在壳聚糖胍盐、柠檬酸和羊毛之间交联的均匀性和交联程度要好于传统烘干焙烘工艺,且整理后羊毛织物的抗菌性能更好。 探讨了微波辐射条件下壳聚糖双胍盐酸盐合成时微波的热效应、特殊微波效应和非热效应机理。微波加热法合成壳聚糖双胍盐酸盐可以简化合成工艺流程,且显著提高了反应速率,在极短的时间内可以获得较常规加热法同样的产率,提高了合成效率。微波加热较常规加热法能提高反应速率主要是由于微波加热的化学反应体系升温迅速以及由微波介电加热的特殊性引起的特殊微波效应的结果,而对于微波加热过程是否存在非热效应这一问题的真正解决将有待于微波与化学反应的相互作用机理和非平衡理论的进一步发展。 本文的研究表明,微波作为一种均匀快速的加热方式,将其应用到羊毛织物的染整加工领域,可大大缩短羊毛织物染整加工所需时间,降低水和能源的消耗,实现高效节能的清洁生产。研究微波对不同含湿量羊毛微结构和性能的影响为其在羊毛产业上的应用奠定了理论基础。


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