杜蘊琪，王 華

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

駱馬絨纖維細長又柔軟，而且保暖效果極佳。目前，駱馬絨的主要原料供應商特別注冊了“Llamasoft”商標以進行保護，并獲得了OEKO-TEX Standard100標準認證[1-3]，駱馬絨現(xiàn)在越來越受到重視，也開始走進大眾視野。但迄今為止還未有學者針對駱馬絨纖維的熱學性能進行研究。

駱馬絨纖維的熱學性能與其紡織品的服用與舒適性能緊密相關(guān)。此外，駱馬絨纖維的熱學性能對探究加工其紡織品的可行性與加工處理過工程中的溫度范圍十分重要。本文主要通過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、燃燒性能來研究駱馬絨纖維的熱學性能，并分析了駱馬絨纖維的力學性能、耐熱性能與燃燒性能。此外，還通過TG與DSC技術(shù)對駱馬絨纖維的熱學特征作出研究，以此來確定駱馬絨生產(chǎn)加工過程中的溫度范圍。

1 試樣和儀器

1.1 試樣準備

駱馬絨纖維及羊駝毛纖維由青島安科國際貿(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、羊駝毛纖維預調(diào)濕24 h。

1.2 試驗儀器與方法

熱重分析：試驗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方法》，氮氣的初始流速定為20 mL/min，溫度由30 ℃以5 ℃/min的速率升至500 ℃。

DSC分析：試驗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)變溫度的測定》，采用循環(huán)升溫法進行測試，氮氣流速定為20 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 ℃；最后重復第1次升溫動作，完成測試全過程。

耐熱性能：先采用八籃恒溫烘箱對纖維進行加熱。然后采用上海新纖儀器有限公司生產(chǎn)的XQ-2型纖維強伸度儀測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度和斷裂伸長率的測定》，在溫度(20±2) ℃，相對濕度(62±3)%的試驗條件下進行強伸度測試。其中夾持長度為10 mm，拉伸速度為10 mm/min，試驗中預加張力為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型單纖維熱收縮測試儀測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)儀對纖維進行阻燃性測試，按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數(shù)法》，確保點火時間不超過30 s、燃燒時間為180 s。

2 試驗結(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個大小不一的失重階，第1個失重階出現(xiàn)在90 ℃左右，纖維的質(zhì)量減少了3.67%，這是因為高溫使駱馬絨纖維所含的水分散失，從而使纖維的質(zhì)量減少。第2個失重階出現(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220 ℃，駱馬絨纖維的某些性能可能會發(fā)生變化，所以在駱馬絨纖維的生產(chǎn)加工過程中，溫度不宜超過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的降溫過程曲線中還能夠得出，在213.58 ℃左右出現(xiàn)較低熔融峰，這個過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個較高的熔融峰，吸收熱量約12 J/g，這2個熔融峰的溫差約為45.7 ℃，進而導致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)過熔體拉伸等方式，所以這類纖維熔融峰寬與其細胞組成密切相關(guān)。

Wortmann等[7]通過對羊毛纖維進行熔融分析，其中第1熔融峰發(fā)生在正皮質(zhì)細胞中，第2熔融峰發(fā)生在偏皮質(zhì)細胞中。而羊毛纖維偏皮質(zhì)細胞中的基質(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、不同時間經(jīng)熱處理后，對纖維的拉伸性能進行評價。當溫度為100、150、200 ℃時，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、不同時間熱處理后的拉伸力學指標

由表2、3能夠看出，在100 ℃時熱處理僅是將駱馬絨纖維所含的水分蒸發(fā)掉，對于駱馬絨纖維本身并沒有影響；當升溫至150 ℃時，其大分子鏈的活躍度開始提高。駱馬絨纖維的延展性提高，而加熱時間過長會影響大分子的運動速率，因此其斷裂伸長率先增后減。升溫至180 ℃時，駱馬絨纖維開始分解，且分解量隨著加熱時間的變長不斷增多。因此駱馬絨纖維的強力與斷裂是伸長均有所下降。

駱馬絨纖維在100 ℃、60 min時的斷裂強力和斷裂伸長率分別為未加熱初始值的94.27%、96.86%，在150 ℃、60 min時的斷裂強力和斷裂伸長率分別為未加熱初始值的82.93%、82.85%。在200 ℃、60 min時的斷裂強力和斷裂伸長率分別為未加熱初始值的70.22%、84.29%。一般來說，對紡織品進行加工與使用時，其溫度不宜超過180 ℃，時間不宜超過30 s[8]。所以在加工處理過程中，應當合理控制駱馬絨纖維的熱處理溫度與時間，進而減少因高溫導致的損傷。溫度高于150 ℃時，駱馬絨纖維的斷裂伸長率以及斷裂強力會受到影響。所以在駱馬絨纖維的加工過程中，溫度不宜超過150 ℃。

由表3可以看出，羊駝毛在200 ℃、60 min時的斷裂強力和斷裂伸長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、不同時間熱處理后的拉伸力學指標

2.4 駱馬絨纖維的熱收縮性能分析

纖維的熱收縮是指當纖維處于高溫狀態(tài)時，所呈現(xiàn)出的收縮。當纖維高溫處理后，其對應長度會發(fā)生變化，而前后2種長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)來表示纖維的燃燒性能。理論來看[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%才能夠達到阻燃要求。經(jīng)測試，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，即在靠近火焰時收縮，在火焰中緩慢燃燒，離開火焰難燃，燃燒后的殘渣為灰黑色，燃燒時發(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。當溫度達到213.58 ℃時，駱馬絨纖維出現(xiàn)第1個熔融峰，第2個熔融峰出現(xiàn)在167.88 ℃。

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