毛巾织物毛经筒纱上浆工艺研究

王 耀 杨 倩 白 桦 姚一军 武海良

（1.中国棉纺织行业协会，北京， 100018；2.西安工程大学，陕西西安， 710048）

毛巾织物由地经纱和毛经纱与纬纱交织而成，地经纱在织造时所承受的张力一般比毛经纱大数倍［1］，织造时毛经纱只要满足开口清晰、便于织造即可［2⁃3］。毛经纱上浆率低，采用筒纱染色机上浆效率高、浴比小、回丝少［4⁃7］，具有较好的可行性。昝汝战等人用K1150 高性能浆料及带有网眼纱管在筒纱染色机上实现了毛经纱的上浆，解决了纱线黏连卡断、上浆率低及筒纱张力不匀问题［8］。王金徽研究了筒纱循环上浆新工艺［9］。崔燕研究了采用多缸上浆的方法，以提高毛经纱的上浆率［10］。这些研究为采用筒子染色机对毛经纱浆纱提供了重要参考。但筒纱上浆工艺存在诸多问题，如筒纱上浆率只能达到1%左右、筒纱内外上浆不匀、烘干后纱线出现浆皮以及返筒时纱线黏连卡断问题依然存在。棉纤维含有棉蜡等多种天然共生物，纺纱过程中也存在油剂使用或油污等［11］，这些因素阻碍了浆液的渗透和对经纱的黏附［12⁃13］，通过前处理工艺去除这些杂质，提高浆液在经纱中的渗透和对经纱的黏附性，是解决用筒纱染色机对毛经纱上浆的有效途径。

1 试验部分

1.1 材料和仪器

材料：27.8 tex 纯棉筒纱，聚丙烯酸浆料，蜡片，SC 马铃薯淀粉。

仪器：JA2003 型电子天平，JJ⁃1 型电动搅拌器，DK⁃98⁃11A 型电热恒温水浴锅，GZX⁃GF101⁃MBS 型电热恒温鼓风干燥箱，HDO21N+型单纱强力仪，Y731D 型抱合力机，Y171B⁃1 型毛羽测试仪，LH⁃T32 型手持式糖度仪，HWS⁃250 型恒温恒湿箱，ST⁃1510 型界面张力仪，NDJ⁃79 型旋转式黏度计，Quanta250 型扫描电镜。

1.2 试验方法

1.2.1浆液对棉纱黏附力测试

本研究按参考文献［14］的方法进行粗纱黏附力测试。

1.2.2浆纱试验

松筒：用松式络筒机对纯棉筒纱进行松筒，筒管采用空心管，松筒后筒纱的卷绕密度为

0.3 g/cm³～0.4 g/cm³。

上浆：采用最优前处理工艺对松筒后的棉纱在染缸中进行前处理，选择两种配方浆料进行浆纱。配方1 为淀粉65 kg，聚丙烯酸浆料35 kg，蜡片0.15 kg；配方2 则不含蜡片，其余与配方1 相同。将两种配方分别配制含固量为1%的浆液，95 ℃保温30 min 后，将浆液放入筒纱染色机，上浆30 min 后，筒纱出缸。

烘燥：使用离心甩干机脱去多余水分，再采用烘干机对筒纱进行烘燥制得浆纱备用。

1.2.3浆纱性能测试

依据GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定（CRE法）》，测试浆纱的强伸性能；采用往复磨辊法测试纱线耐磨性能；参照FZ/T 01086—2020《纺织品纱线毛羽测定方法投影计数法》测试浆纱的毛羽数；采用氢氧化钠退浆法测试上浆率［15］。

2 结果与讨论

2.1 前处理工艺条件的优化

2.1.1因素交互作用的响应面分析

前期已通过单因素试验法，确定影响因素及范围，分别为氢氧化钠质量浓度2 g/L～6 g/L，表面活性剂质量浓度2 g/L～6 g/L，处理温度85 ℃～95 ℃，处理时间25 min～35 min［16］。但是这个范围过大，生产中不易把握，为此我们根据Box⁃Benhnken 中心组合试验设计原理，设计了以氢氧化钠质量浓度X1、表面活性剂质量浓度X2、处理温度X3和处理时间X4为因素，芯吸高度Y为响应值的四因素三水平试验，建立的数学模型如下。

根据该模型，采用Design Expert 软件绘制各参数等高线图以及与之对应的三维响应面图。等高线图可以直观地反映各因素对响应值的影响，变化越快表示坡度越大，即等高线越密对试验结果的影响更显著。响应面图中曲面的倾斜度反映两者对响应值的影响程度，倾斜度越大，即坡度越陡，两者交互作用越显著［17］。

氢氧化钠质量浓度与表面活性剂质量浓度、处理温度、处理时间相互作用的等高线和响应面图如图1、图2、图3 所示。

由图1（a）等高线的形状和疏密程度可知，氢氧化钠质量浓度与表面活性剂质量浓度相互作用明显，且表面活性剂质量浓度对芯吸高度的影响大于氢氧化钠质量浓度；由图1（b）响应面图可看出，当氢氧化钠质量浓度一定时，棉纱的芯吸高度随着表面活性剂质量浓度的增加呈现出先增加后缓慢减小的趋势，在表面活性剂质量浓度为4 g/L时芯吸高度达到了响应面的最大值，此时响应面凹凸状明显，即氢氧化钠质量浓度与表面活性剂质量浓度对棉纱的芯吸高度影响显著。

图1 X1与X2相互作用效果

由图2（a）等高线图可以看出氢氧化钠质量浓度和处理温度两者存在交互作用，氢氧化钠质量浓度对棉纱芯吸高度的影响大于处理温度；由图2（b）响应面图看出，当固定处理温度时，棉纱的芯吸高度随着氢氧化钠质量浓度的增加呈现出先升高后降低的趋势，响应面的凹凸不明显，即氢氧化钠质量浓度和处理温度对棉纱芯吸高度影响不显著。

图2 X1与X3相互作用效果

由图3（a）可知，氢氧化钠质量浓度和处理时间两者之间存在交互作用，氢氧化钠质量浓度对棉纱芯吸高度的影响大于处理时间；由图3（b）响应面图看出，当固定处理时间时，棉纱的芯吸高度随着氢氧化钠质量浓度的增加先升高后降低的趋势，响应面的凹凸不明显，即氢氧化钠质量浓度和处理时间两者交互作用对棉纱芯吸高度影响不显著。

图3 X1与X4相互作用效果

表面活性剂质量浓度与处理温度、处理时间相互作用的等高线和响应面图如图4、图5 所示。

图4 X2与X3相互作用效果

图5 X2与X4相互作用效果

由图4（a）等高线图疏密看出表面活性剂质量浓度和处理温度两者存在交互作用，当处理温度一定时，随着表面活性剂质量浓度的升高，棉纱芯吸高度变化明显。因此，表面活性剂浓度对棉纱芯吸高度的影响大于处理温度。由图4（b）响应面图看出，当固定处理温度时，棉纱的芯吸高度随着表面活性剂浓度的增加呈现先升高后降低的趋势，当表面活性剂浓度达到4 g/L 时，芯吸高度达到峰值，响应面整体凹凸明显，即表面活性剂质量浓度和处理温度两者交互作用对棉纱芯吸高度影响显著。

由图5（a）等高线图疏密看出表面活性剂质量浓度和处理时间两者之间存在交互作用，表面活性剂质量浓度对棉纱芯吸高度的影响大于处理时间；再由图5（b）响应面图可得，当处理时间不变时，棉纱的芯吸高度随着表面活性剂浓度的增加呈现出先迅速升高后缓慢降低的趋势，当表面活性剂浓度达到4 g/L 时，芯吸高度达到峰值，响应面整体凹凸明显，即表面活性剂质量浓度和处理时间两者交互作用对棉纱芯吸高度影响显著。

处理时间与处理温度相互作用的等高线和响应面图如图6 所示。

图6 X4与X3相互作用效果

由图6（a）等高线图形状和疏密看出处理温度和处理时间两者的交互作用并不明显，处理时间对棉纱芯吸高度的影响大于处理温度；再由图6（b）响应面图看出，响应面图的整体凹凸感不明显，即处理温度和处理时间两者交互作用对棉纱芯吸高度的影响并不十分显著。

2.1.2前处理工艺最优条件的确定

采用软件Design Expert 8.0.6 对前处理工艺条件进行优化，得到影响前处理工艺的主次顺序为表面活性剂质量浓度、氢氧化钠质量浓度、处理时间及处理温度。通过响应面分析进行优化，拟合得到的最佳前处理工艺参数为氢氧化钠质量浓度4 g/L，表面活性剂质量浓度4 g/L，处理温度92 ℃，处理时间32 min。

2.2 前处理工艺对棉纱黏附力的影响

分别将660 tex 原棉粗纱和前处理粗纱采用两种配方进行粗纱黏附力测试，每组测量30 次取平均值。采用配方1 对原棉粗纱和前处理粗纱进行浆纱，所得样品分别记为试样1 和试样2，采用配方2 对原棉粗纱和前处理粗纱进行浆纱，所得样品分别记为试样3 和试样4，测试结果见表1。

由表1 可以看出，未经处理的原棉粗纱上浆率和黏附力都较小，但经过氢氧化钠协同表面活性剂在高温下处理后，粗纱的上浆率和黏附力都有较大幅度的提升。这是由于淀粉以及聚丙烯类混合浆料本身含有大量羟基、羧基等极性较高的基团，能够对极性材料表现出良好的黏附性。另一方面，棉纤维表面连续分布的非纤维素共生物形成的疏水性屏障，严重阻碍了浆液的渗透与黏附，当前处理工艺去除了这层天然壁垒后，棉纤维表面变得粗糙，就使得浆料分子易于黏附。因此，棉纤维表面的天然杂质对浆料分子和纱线的黏附性能有负面影响，在上浆工艺前应该将其去除。此外，由于配方1 含有蜡片，阻碍了黏着剂与纱线的黏附，故采用配方1 的浆纱表现出较低的黏附力。

表1 原棉粗纱和前处理粗纱黏附力测试结果

2.3 前处理工艺对浆纱性能的影响

按照氢氧化钠质量浓度4 g/L，表面活性剂质量浓度4 g/L，处理温度92 ℃，处理时间32 min的最佳前处理工艺对C 27.8 tex 棉纱进行处理，原纱与经过前处理后纱线的性能如下。

相较于原纱，经过前处理后纱线的断裂强度和断裂伸长率均略有增加，这是由于棉纤维与氢氧化钠溶液作用时发生溶胀，纤维表面不匀降低，纤维弱环减小，减少了因为应力集中引起断裂的可能，耐磨性、毛羽数以及回潮率差别则不是很大。

采用含固量为1% 的配方1 分别对C 27.8 tex 原纱和前处理纱进行浆纱，所得样品分别记为浆纱1 和浆纱2；采用含固量为1%的配方2 分别对C 27.8 tex 原纱和前处理纱进行浆纱，所得样品分别记为浆纱3 和浆纱4，对浆纱性能进行测试，结果见表2。

表2 浆纱性能测试结果

由表2 可知，经前处理的纱线上浆后的各项性能均优于未经处理的原棉浆纱，上浆率和耐磨性都得到改善，增强率提升明显，减伸率不超过25%。这是由于经前处理工艺后，原本附着在棉纤维表层的非纤维素共生物溶解去除，而纤维素大分子内本身就具有大量亲水性基团—OH，最外层的疏水性屏障消失，棉纤维表现出极强的亲水性，浆液能黏附于纤维表面，渗透进纤维内部阻力减小，浆纱质量得到提高。

2.4 浆料配方对浆纱性能的影响

从表2 的数据可以发现，不同配方对浆纱效果有一定的影响。加入蜡片的配方1 对原纱和前处理纱线上浆后的上浆率、耐磨等各项性能均低于配方2，强伸性能也具有显著差异。采用配方2上浆后浆纱断裂强力相比原纱强力增大了42.47%；配方2 浆纱的耐磨性能约为配方1 的1.56 倍，这是由于蜡片阻碍了黏着剂与纱线的黏附，浆纱时要谨慎使用蜡片。

3 结论

（1）采用Design Expert 对Box⁃Benhnken 中心组合试验结果分析表明，影响纱线前处理工艺的主次因素依次为表面活性剂质量浓度、氢氧化钠质量浓度、处理时间及处理温度。合理的纱线前处理工艺参数为氢氧化钠质量浓度4 g/L，表面活性剂质量浓度4 g/L，处理温度92 ℃，处理时间32 min。

（2）经氢氧化钠协同表面活性剂在92 ℃下对棉纱处理，能有效提升粗纱的上浆率和黏附力。

（3）氢氧化钠与表面活性剂协同作用后，去除了棉纤维表面的纤维素共生物，利于浆液黏附于纤维表面和渗透到纱线内部，改善浆纱质量。