杜蘊(yùn)琪，王 華

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

駱馬絨纖維細(xì)長(zhǎng)又柔軟，而且保暖效果極佳。目前，駱馬絨的主要原料供應(yīng)商特別注冊(cè)了“Llamasoft”商標(biāo)以進(jìn)行保護(hù)，并獲得了OEKO-TEX Standard100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證[1-3]，駱馬絨現(xiàn)在越來(lái)越受到重視，也開始走進(jìn)大眾視野。但迄今為止還未有學(xué)者針對(duì)駱馬絨纖維的熱學(xué)性能進(jìn)行研究。

駱馬絨纖維的熱學(xué)性能與其紡織品的服用與舒適性能緊密相關(guān)。此外，駱馬絨纖維的熱學(xué)性能對(duì)探究加工其紡織品的可行性與加工處理過(guò)工程中的溫度范圍十分重要。本文主要通過(guò)研究駱馬絨纖維的熱重曲線(TG)、差示掃描量熱曲線(DSC)、耐熱性、熱收縮率、燃燒性能來(lái)研究駱馬絨纖維的熱學(xué)性能，并分析了駱馬絨纖維的力學(xué)性能、耐熱性能與燃燒性能。此外，還通過(guò)TG與DSC技術(shù)對(duì)駱馬絨纖維的熱學(xué)特征作出研究，以此來(lái)確定駱馬絨生產(chǎn)加工過(guò)程中的溫度范圍。

1 試樣和儀器

1.1 試樣準(zhǔn)備

駱馬絨纖維及羊駝毛纖維由青島安科國(guó)際貿(mào)易公司提供。先將毛纖維中的剛毛夾出，然后用乙醇清洗纖維，最后將晾干后的駱馬絨纖維、羊駝毛纖維預(yù)調(diào)濕24 h。

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

熱重分析：試驗(yàn)儀器選用珀金埃爾默公司生產(chǎn)的TGA8000熱重分析儀。按照GB/T 27761—2011《熱重分析儀失重和剩余量的試驗(yàn)方法》，氮?dú)獾某跏剂魉俣?0 mL/min，溫度由30 ℃以5 ℃/min的速率升至500 ℃。

DSC分析：試驗(yàn)儀器選用珀金埃爾默公司的DSC8500差示掃描量熱儀，按照GB/T 19466.2—2004《塑料 差示掃描量熱法(DSC)第2部分：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定》，采用循環(huán)升溫法進(jìn)行測(cè)試，氮?dú)饬魉俣?0 mL/min。先以10 ℃/min的升溫速率，將溫度由40 ℃加熱到220 ℃；后以200 ℃/min的速率快速將溫度由220 ℃冷卻至40 ℃；最后重復(fù)第1次升溫動(dòng)作，完成測(cè)試全過(guò)程。

耐熱性能：先采用八籃恒溫烘箱對(duì)纖維進(jìn)行加熱。然后采用上海新纖儀器有限公司生產(chǎn)的XQ-2型纖維強(qiáng)伸度儀測(cè)試駱馬絨纖維的拉伸性能。按照PN/P 04930-07—1993《羊毛纖維拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》，在溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度(62±3)%的試驗(yàn)條件下進(jìn)行強(qiáng)伸度測(cè)試。其中夾持長(zhǎng)度為10 mm，拉伸速度為10 mm/min，試驗(yàn)中預(yù)加張力為0.1 cN，樣品數(shù)量為50根。

熱收縮性能：選用常州市天祥紡織儀器有限公司生產(chǎn)的YG365型單纖維熱收縮測(cè)試儀測(cè)試駱馬絨纖維的熱收縮性能。按照FZ/T 50004—2011 《滌綸短纖維干熱收縮率試驗(yàn)方法》，將纖維在沸水和熱空氣中各處理30 min，每種纖維分別測(cè)試30根。

燃燒性：采用泰斯泰克公司生產(chǎn)的HC-2型氧指數(shù)儀對(duì)纖維進(jìn)行阻燃性測(cè)試，按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》，確保點(diǎn)火時(shí)間不超過(guò)30 s、燃燒時(shí)間為180 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 駱馬絨纖維的熱分解性能分析

采用TG研究駱馬絨纖維的熱分解性能，并在溫控程序下，得出質(zhì)量—溫度—時(shí)間的變化關(guān)系[4-5]。所得駱馬絨的TG與DTG曲線圖如圖1所示。

圖1 駱馬絨的TG與DTG曲線

由圖1可知，駱馬絨纖維的TG與DTG曲線(質(zhì)量損失速率同溫度的關(guān)系)存在2個(gè)大小不一的失重階，第1個(gè)失重階出現(xiàn)在90 ℃左右，纖維的質(zhì)量減少了3.67%，這是因?yàn)楦邷厥柜橊R絨纖維所含的水分散失，從而使纖維的質(zhì)量減少。第2個(gè)失重階出現(xiàn)在220 ℃左右，駱馬絨纖維出現(xiàn)熱分解，質(zhì)量損失速率由慢到快，然后趨于平緩。從圖1能夠得出，一旦溫度超過(guò)220 ℃，駱馬絨纖維的某些性能可能會(huì)發(fā)生變化，所以在駱馬絨纖維的生產(chǎn)加工過(guò)程中，溫度不宜超過(guò)220 ℃。羊駝毛的TG和DTG曲線如圖2所示。

圖2 羊駝毛的TG與DTG曲線

由圖2可得,羊駝毛纖維的熱重曲線同樣出現(xiàn)了2個(gè)失重階，第1階段出現(xiàn)在90 ～100 ℃，由于高溫使羊駝毛纖維中的水分蒸發(fā)，從而使纖維的質(zhì)量減少了2.34%。第2階段出現(xiàn)在210 ℃左右，羊駝毛纖維出現(xiàn)熱分解，質(zhì)量損失速率由慢到快，后趨于平緩。因此羊駝毛的加工溫度不宜超過(guò)210 ℃。

駱馬絨與羊駝毛的質(zhì)量損失參數(shù)如表1所示。

表1 駱馬絨與羊駝毛的質(zhì)量損失參數(shù)

由表1可知，駱馬絨在第1階段質(zhì)量損失率為3.67%，而第2階段為69.85%。羊駝毛在第1階段質(zhì)量損失率為2.34%，在第2階段為72.16%。駱馬絨纖維的主質(zhì)量損失溫度略高于羊駝毛，所以駱馬絨纖維的起始分解溫度比羊駝毛高，其耐熱性能比羊駝毛好。

2.2 駱馬絨纖維的熔融性能分析

采用DSC分析駱馬絨纖維的熔融性能，在溫控程序下，得出熱流與溫度時(shí)間的變化關(guān)系[6]。駱馬絨和羊駝毛的DSC曲線圖如圖3、4所示。

圖3 駱馬絨的DSC曲線圖

圖4 羊駝毛的DSC曲線圖

由圖3、4的升溫過(guò)程曲線可得，駱馬絨纖維的玻璃化溫度約為108 ℃，羊駝毛的玻璃化溫度約為95 ℃。駱馬絨纖維的玻璃化溫度高于羊駝毛纖維的玻璃化溫度，因此駱馬絨纖維的熱穩(wěn)定性優(yōu)于羊駝毛纖維。

由圖3的降溫過(guò)程曲線中還能夠得出，在213.58 ℃左右出現(xiàn)較低熔融峰，這個(gè)過(guò)程所吸收的熱量約為8 J/g；駱馬絨纖維的DSC曲線在167.88 ℃左右出現(xiàn)了第2個(gè)較高的熔融峰，吸收熱量約12 J/g，這2個(gè)熔融峰的溫差約為45.7 ℃，進(jìn)而導(dǎo)致DSC曲線呈現(xiàn)出明顯的雙熔融峰。駱馬絨與羊駝毛雙熔融峰的形態(tài)有細(xì)微差異，且2種纖維的起熔溫度均在220 ℃左右。所以能夠得出，駱馬絨纖維具有與羊駝毛纖維類似的組成成分。駱馬絨、羊駝毛纖維屬于天然纖維，并沒有經(jīng)過(guò)熔體拉伸等方式，所以這類纖維熔融峰寬與其細(xì)胞組成密切相關(guān)。

Wortmann等[7]通過(guò)對(duì)羊毛纖維進(jìn)行熔融分析，其中第1熔融峰發(fā)生在正皮質(zhì)細(xì)胞中，第2熔融峰發(fā)生在偏皮質(zhì)細(xì)胞中。而羊毛纖維偏皮質(zhì)細(xì)胞中的基質(zhì)含量與二硫鍵交聯(lián)含量均高于正皮質(zhì)細(xì)胞，由此可得，第1熔融峰的溫度高于第2熔融峰的溫度。同理，駱馬絨纖維與羊駝毛纖維都屬于角朊纖維，且具有正偏皮質(zhì)細(xì)胞。所以，駱馬絨纖維與羊駝毛纖維雙熔融蜂之間的差異，與其內(nèi)部正皮質(zhì)及偏皮質(zhì)細(xì)胞的含量存在一定的聯(lián)系。

2.3 駱馬絨纖維的耐熱性能分析

駱馬絨纖維的耐熱性主要根據(jù)駱馬絨纖維在不同溫度、不同時(shí)間經(jīng)熱處理后，對(duì)纖維的拉伸性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)溫度為100、150、200 ℃時(shí)，將駱馬絨纖維與羊駝毛纖維分別處理5、10、30、60 min，2種纖維的拉伸斷裂性能如表2、3所示。

表2 駱馬絨纖維在不同溫度、不同時(shí)間熱處理后的拉伸力學(xué)指標(biāo)

由表2、3能夠看出，在100 ℃時(shí)熱處理僅是將駱馬絨纖維所含的水分蒸發(fā)掉，對(duì)于駱馬絨纖維本身并沒有影響；當(dāng)升溫至150 ℃時(shí)，其大分子鏈的活躍度開始提高。駱馬絨纖維的延展性提高，而加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響大分子的運(yùn)動(dòng)速率，因此其斷裂伸長(zhǎng)率先增后減。升溫至180 ℃時(shí)，駱馬絨纖維開始分解，且分解量隨著加熱時(shí)間的變長(zhǎng)不斷增多。因此駱馬絨纖維的強(qiáng)力與斷裂是伸長(zhǎng)均有所下降。

駱馬絨纖維在100 ℃、60 min時(shí)的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率分別為未加熱初始值的94.27%、96.86%，在150 ℃、60 min時(shí)的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率分別為未加熱初始值的82.93%、82.85%。在200 ℃、60 min時(shí)的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率分別為未加熱初始值的70.22%、84.29%。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)紡織品進(jìn)行加工與使用時(shí)，其溫度不宜超過(guò)180 ℃，時(shí)間不宜超過(guò)30 s[8]。所以在加工處理過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)合理控制駱馬絨纖維的熱處理溫度與時(shí)間，進(jìn)而減少因高溫導(dǎo)致的損傷。溫度高于150 ℃時(shí)，駱馬絨纖維的斷裂伸長(zhǎng)率以及斷裂強(qiáng)力會(huì)受到影響。所以在駱馬絨纖維的加工過(guò)程中，溫度不宜超過(guò)150 ℃。

由表3可以看出，羊駝毛在200 ℃、60 min時(shí)的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)分別為未加熱初始值的66.39%、83.12%，均略低于駱馬絨纖維的變化值，由此可得，駱馬絨纖維的熱穩(wěn)定性優(yōu)于羊駝毛纖維。

表3 羊駝毛纖維在不同溫度、不同時(shí)間熱處理后的拉伸力學(xué)指標(biāo)

2.4 駱馬絨纖維的熱收縮性能分析

纖維的熱收縮是指當(dāng)纖維處于高溫狀態(tài)時(shí)，所呈現(xiàn)出的收縮。當(dāng)纖維高溫處理后，其對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，而前后2種長(zhǎng)度的比值就是熱收縮率。駱馬絨纖維和羊駝毛纖維在沸水中與干熱空氣中的熱收縮率如表4所示。

表4 駱馬絨纖維與羊駝毛纖維熱收縮率 %

從表4可見，沸水中，羊駝毛的熱收縮率高于駱馬絨。因此駱馬絨的濕熱穩(wěn)定性優(yōu)于羊駝毛。熱空氣中，羊駝毛的熱收縮率也高于駱馬絨，且駱馬絨的濕熱收縮率高于其干熱收縮率。所以駱馬絨纖維的后整理的定形方式最好使用干熱定形。

2.5 駱馬絨纖維的燃燒性能分析

通常用極限氧指數(shù)來(lái)表示纖維的燃燒性能。理論來(lái)看[9]，極限氧指數(shù)如果高于21%纖維就能夠自滅。而紡織品的極限氧指數(shù)高于27%才能夠達(dá)到阻燃要求。經(jīng)測(cè)試，駱馬絨纖維的極限氧指數(shù)為24.0%～26.0%，羊駝毛纖維的極限氧指數(shù)為24.0%～25.0%。可以看出，駱馬絨纖維與羊駝毛纖維的極限氧指數(shù)相近，且均超過(guò)21.0%，因此均屬于可燃纖維[10]。

駱馬絨纖維的燃燒特征和羊毛纖維的燃燒特征類似，即在靠近火焰時(shí)收縮，在火焰中緩慢燃燒，離開火焰難燃，燃燒后的殘?jiān)鼮榛液谏?，燃燒時(shí)發(fā)出燒焦羽毛味[11]。

3 結(jié) 論

①由駱馬絨與羊駝毛的TG曲線可得，駱馬絨纖維的分解溫度為213 ℃，駱馬絨纖維的分解起始溫度高于羊駝毛，其耐熱性能比羊駝毛好。

②由駱馬絨纖維的DSC曲線可得，駱馬絨纖維的玻璃化溫度是108 ℃，高于羊駝毛纖維，其熱穩(wěn)定性優(yōu)于羊駝毛，且均存在雙熔融峰。當(dāng)溫度達(dá)到213.58 ℃時(shí)，駱馬絨纖維出現(xiàn)第1個(gè)熔融峰，第2個(gè)熔融峰出現(xiàn)在167.88 ℃。

③在150 ℃的溫度下加熱60 min時(shí)，駱馬絨纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率分別為初始值的70.22%、84.29%，處理加工駱馬絨纖維的溫度不應(yīng)超過(guò)150 ℃。

④在干熱空氣與沸水中，駱馬絨纖維的熱收縮率分別為1.35%、1.29%，均大于羊駝毛纖維；其極限氧指數(shù)與羊駝毛相同，均為24.0%～25.0%。