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紫外线辐照对棉纤维力学性能的影响

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紫外线辐照对棉纤维力学性能的影响

时间:2016/5/10 10:12:44来源: 作者:
棉织物以其较好的吸湿、导汗与透气性能受到人们的青睐,被广泛应用于各类高档服饰品中。织物在使用过程中不可避免会受到紫外线的照射,在紫外线照射下棉纤维容易发生光氧化反应,产生老化现象,不仅影响织物的颜色,还严重影响织物的力学性能,降低织物的耐穿性。

棉织物以其较好的吸湿、导汗与透气性能受到人们的青睐,被广泛应用于各类高档服饰品中。织物在使用过程中不可避免会受到紫外线的照射,在紫外线照射下棉纤维容易发生光氧化反应,产生老化现象,不仅影响织物的颜色,还严重影响织物的力学性能,降低织物的耐穿性。但利用紫外线辐照也能改变纤维的表面性能,更可以赋予材料吸湿、抗菌、消臭、防静电等性能。本文以河南南阳产二级锯齿白棉为材料,分析棉纤维在紫外线作用下外观形貌、摩擦因数与拉伸性能的变化,为棉纤维改性及拓展其利用开发途径提供一定的参考依据。

l 实验部分
1.1实验材料与仪器
河南南阳产二级锯齿白棉。规格:长度29 mm,线密度1.62 dtex,主体马克隆值A级。KH一7700型数字三维视频显微镜,YG982X型标准光源箱,101型电热鼓风干燥箱,Spec—traRad辐照度光谱仪,FR一1204型恒温恒湿试验箱,Y151型纤维摩擦因数测定仪,Y162A型束纤维强力机。
1.2实验方法
1.2.1 棉纤维的紫外线照射处理
分别取棉纤维7份,每份3 g,利用101型电热鼓风干燥箱将7份棉纤维在20℃条件下完全烘干,并将烘干后的棉纤维分别装进透明密闭的玻璃容器中,选择标准光源箱中的UV光源(峰值波长365 nm,紫外灯光源。此时紫外灯表面的辐射照度180 W/m2;将玻璃瓶放置在紫外灯正下方100 mm的位置,利用SpectraRad辐照度光谱仪检查玻璃瓶中的辐射照度为64 W/m2),辐照时间点分别为50 h、100 h、200 h、500 h、1 000 h、2 000 h、5 000 h。
1.2.2纤维微观形貌观察
分别取紫外线辐照5 000 h的棉纤维试样与未经处理的棉纤维试样各30根,利用KH一7700型数字三维视频显微镜,在倍率为500倍的条件下观察棉纤维微观形貌,并利用数字三维视频显微镜上的比例尺度计算棉纤维天然转曲的扭曲率,每组30根(共3组),取其平均值。
1.2.3纤维的表面摩擦性能
利用101型电热鼓风干燥箱将未经处理的棉纤维与经紫外线辐照的棉纤维烘干,在温度20℃、相对湿度65%条件下调湿24 h,与胶辊、钢辊、棉纤维辊(摩擦辊的制作方法在此不再赘述,详见仪器的操作说明书)进行测试,每种试样测试100次,取其平均值。
1.2.4拉伸性能
将未经处理的棉纤维与经紫外线辐照的棉纤维烘干后在温度20℃、相对湿度65%条件下调湿24 h。依据GB/T 6101《棉纤维断裂强力试验方法束纤维法》规定设计实验,共测试10束棉纤维,计算纤维断裂比强度,取其平均值。

2结果与讨论
2.1 纤维形貌
棉纤维的天然转曲照片见图1。
经计算可知,未经处理的棉纤维与紫外线辐照5 ooO h的棉纤维扭曲率分别为78%和54%(每组组内试样天然转曲的扭曲率变化幅度均在±5%,说明了试样天然转曲的扭曲率数值变化的稳定性与可信度),棉纤维纵向天然转曲的扭曲率经过不同照射处理呈现下降趋势。同时可以看到经过处理后,棉纤维表面光泽暗淡,可以推知紫外线的照射使得纤维分子中的微原纤内应力减小,使得棉纤维天然转曲的扭曲率下降。
2.2表面摩擦因数
按照前述实验方法,分别测试了未处理的棉纤维与经紫外线辐照的棉纤维与胶辊、钢辊、棉纤维辊的静态与动态摩擦因数(每组组内试样的摩擦因数变化幅度均在±5%,说明了试样摩擦因数数值变化的稳定性与可信度)。测试结果见图2、图3和图4。
由图2、图3和图4可以明显看出,棉纤维的表面摩擦因数随实验时间的增加呈现下降趋势。
从棉纤维一胶辊表面摩擦因数、棉纤维一钢辊表面摩擦因数与棉纤维一棉辊表面摩擦因数三组实验数据计算可知,在各组中动态摩擦因数与静态摩擦因数的下降速率大致一致,这说明纤维的变化程度对其动态摩擦因数与静态摩擦因数的变化方向与速率大致相同。
2.3拉伸性能
依照前述实验方法,棉纤维的断裂比强度与断裂伸长率测试结果见图5、图6。由图5和图6可以看出,棉纤维的断裂比强度随辐照时间的延长逐渐降低,而断裂伸长率随辐照时间的延长逐渐增加,说明紫外线辐照对棉纤维内部结构造成损伤。
由纤维素I的晶型结构可知,纤维晶胞之间主要以C—C、C一0、C—H等化学键连接。由化学键的键能计算可知,C—C、C—O、C—H化学键的键能分别是81 kcal/m01、87 kcal/mol、87 kcal/mol,均小于波长365 nm的紫外线所辐射出来的光子能量(136 kcal/m01),晶胞间其他化学键的能量也均低于136 kcaI/mol,在此不一一列举。因此棉纤维在高能量的紫外线辐射下能量逐渐积累,当能量积累到一定程度,纤维大分子之间电子能级跃迁剧烈,导致化学键周围的电子云处于不稳定的状态,从而与空气中的氧气发生光氧化反应。光氧化反应使得棉纤维的纤维素链断裂,分子长度变短,聚合度降低,无定形区比例增加,晶区减小。这就造成了棉纤维强力弱环的增加,纤维的断裂比强度降低邸。]。
对两公式进行求导可知,纤维的断裂比强度变化速率与断裂伸长率的变化速率最快的时间段均在50 h~100 h之间。这说明紫外线的辐照在50 h~100 h时间段中纤维的内部反应比较快。

3 结论
(1)棉纤维天然转曲的扭曲率、表面摩擦因数在紫外线的辐照下,随着时间的推移均呈现下降趋势,其中对棉纤维动态摩擦因数与静态摩擦因数的变化方向与速率大致相同。
(2)棉纤维的断裂比强度在紫外线辐照下,随着时间的推移呈现下降趋势而纤维断裂伸长率呈现上升趋势,其变化速率最快的时间段均在50 h~100 h.


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