棉纤维形成折皱原理、经物理整理后强度下降原因

　　天然纤维织物，特别是棉织物具有手感自然、吸湿透气、抗静电、穿着舒适、经济实惠等优点，所以深受人们的喜爱。在织物纤维中，以棉纤维的产量*大、应用*广，不过纯棉织物有弹性差、易起皱、洗后需熨烫，而且易受微生物的侵袭导致纤维霉变和脆损的缺点。为提高织物的抗皱性，在染整加工中，要进行抗皱整理[1]。近年来，人们崇尚自然，棉纤维织物又普遍流行，而随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，人们对服装不仅要求穿着舒适，对保持平整外观、料理简便也提出了更高要求，因此，抗皱和耐久压烫整理再一次成为研究的热点。

　　01棉抗皱差的原因

　　棉纤维属于纤维素纤维，而纤维素纤维是由失水葡萄糖单元组成的高聚物。一个纤维素分子是6000～7000个单元组成的长链。这些纤维素长链分子，在一些区域内相互平行排列，并相互形成氢键和范德华引力，这样的区域称为晶区。在这些区域内，纤维素链紧密牢固地与相邻分子链结合在一起。可以相信，在晶区内，纤维素分子间是没有空间可让水分子和树脂分子进去的。另外，由于相邻纤维素链问的强力很强，所以纤维素链的相对运动是很困难的，即使产生分子的相对位移，待应力消除，其结合力就立刻使位移分子回复到原来位置。所以可以认为结晶区是用来防皱的。

　　现代理论认为，在纤维素分子链的结晶区之问，存在着序列较差的无定形区。因为在这个区域内，纤维素分子不是排列的非常有序。在无定型区，纤维链间的问隔较大，相邻链问的引力也低于晶区，所以在无定形区的纤维素链间，水分子、树脂分子和染料分子都可渗入。由于纤维相邻链问引力较低，折皱引起的应力可以使纤维素链产生相对位移，一旦应力去除，也因为没有足够的约束力能使纤维素分子回到其原来的位置，这样就使织物产生折皱，所以折皱可认为是在无定型区产生的。

　　为了使纤维或织物具有防皱性能，就必须在无定形区紧邻的纤维素分子问增添一些连接。处理时，织物要保持所需要的形状。这样引入的分子，至少应具有两个以上能与纤维素发生反应的基团。在适当的催化剂条件下，这样分子通常被称为纺织树脂，实际上被称为“预缩体”较为合适。

　　纤维素链的交键必须考虑其它两个因素。**，引入的交键必须处于拉紧状态。如果要提高纤维和织物在正常使用条件下的抗皱性或褶裥稳定性，则处理时也要保持这种条件。第二，纤维素吸收水分之后就会溶胀，不管是在标准状态下吸收水分，还是浸入水中或水溶液中，溶胀是因为水分子进入无定型区的纤维素链问，强制将链推开的结果。

　　如果纤维素纤维交链是在高度溶胀状态下进行的，例如，用无机酸和甲醛水溶液处理纤维素织物。当烘干时，纤维素就瘪缩，这样交键就松弛了。在干瘪条件下，由于折皱而引起纤维素分子的相对运动，这样使松弛的交键仅仅拉直而己。由于交键被部分拉直，所引起的应力将使位移分子复原到原来位置。但是，交键中原子绕价键的转移将抵消上述回复力，使形变保持*小位罱。事实上，松弛的交键没有干态抗皱性。

　　综上所述，在湿态或其他非水介质中，在高度溶胀状下进行共价键合，其结果具有湿态防皱性和褶裥保持性，但干态防皱性和褶裥保持性很小。如在高湿下。

　　干态烘焙形成共价键合，其结果是具有干态抗皱性和褶裥保持性，同样也具有一定程度的湿态抗皱性和褶裥保持性。此外，干态烘焙交键会降低纤维素的吸水和溶胀能力。在纤维素中引入交键，不仅能获得所需的结果，即抗皱性、褶裥保持性和易于性，也能带来严重缺点，即降低了物理强度。

　　纤维素纤维织物的抗皱作用主要是依靠纤维素分子上大量的反应性基团与整理剂交联，限制了结构单元之问的相对位移得到的。

　　02棉纤维折皱形成原因

　　一般认为是由于受到较大外力作用后，纤维超分子结构内各区域受到应力作用而产生不同程度的形变，纤维基本结构单元之间发生了相对位移，导致原来的氢键断裂，并在新的位置重新建立起难以回复的新的氢键系统，使纤维或织物的形变得不到恢复而造成的。因此关于纤维素纤维的抗皱机理，一般认为抗皱(免烫)整理液中，整理剂的作用有两个方面，一方面，由于整理剂与纤维分子的反应性基团发生交联反应后产生的束缚作用，使得纤维结构单元的相对位移受到了限制：另一方面，由于整理剂与纤维分子发生了反应而引入了高能量的交联键，增加了纤维结构单元之问的弹性，即增加了各结构单元侧产生相对位移后回复到原来位置的能力，从而增加了纤维的回复弹性，因此，织物的抗皱性能得到了提高。

　　而棉纤维由β-D葡萄糖通过1，4-甙键联接起来的纤维素大分子组成的，在纤维素分子中每个葡萄糖环上都保留三个可以形成氢键的自由羟基。所以棉织物抗皱作用主要是依靠纤维素分子上大量的反应性基团与整理剂交联，限制了结构单元之问的相对位移得到的。

　　03棉抗皱形成原理

　　棉纤维是由β-2D葡萄糖剩基通过1,4甙键联接起来的纤维素大分子组成的。在纤维素分子中每个葡萄糖环上都保留有3个可以形成氢键的自由羟基。当纤维受到外力时,在规整度高的结晶区,分子链排列整齐,形成的氢键较多,而且能共同承受外力的作用。所以,在不超过弹性*限的外力作用下,一般只发生较小的可逆形变,即普弹形变。在规整度较低的无定形区,羟基大多处于游离状态,形成的氢键较少,在洗涤或穿着过程中经受外力作用时,纤维素分子沿着外力的方向发生一定的形变,基本结构单元相对滑移,羟基在新的位置又会产生新的氢键重新排列。当外力去除后,系统发生蠕变回复,若新形成的氢键产生的阻力大于回复力,使系统形变不能恢复,便出现了永久形变。由于氢键排列的多样性而产生多种形态变化,这种不均一而且不可逆形变的宏观表现就是织物的折皱。

　　另外,棉纤维在水中溶胀时横截面的面积增大40%以上,而长度变化不大,由于经纬纱交织而表现为不均匀收缩和干燥时不均匀恢复,也是褶皱形成的原因之一。

　　04抗皱机理

　　织物的抗皱整理主要有共价交联和树脂固定两种机理。

　　共价交联是采用含有两个或两个以上官能团的多官能化合物作为交联剂,与纤维中相邻分子链上的羟基发生反应形成桥联共价结合,交联反应往往需要催化剂。而树脂固定则是将高分子材料包覆在纤维素分子周围或沉积在纤维分子之间,从而限制分子链的变形或分子链间的相对滑移。这样,当体系受到外力作用时,由于共价交联或树脂的固定,不仅可减少纤维素大分子的形变,更主要的是稳定了原有的氢键结构,降低了形成新氢键的可能性,提高了形变的恢复能力,从而达到抗皱的目的。

　　由抗皱整理的机理可以看出,如果在抗皱整理操作时纺织品已形成某种形状,则在抗皱整理后亦倾向于保持该形状,如裤线、裙褶。因此,耐久压烫整理的方法和机理与抗皱整理相仿。

　　如果纤维素在溶胀状态下被固定,干燥后交联的纤维则处于松弛状态,所以仍可出现折皱,但遇水后纤维溶胀只能达到原固定状态而使折皱消失。这种性能即为“湿抗皱性”皱性。

　　值得注意的是,纤维素的交联不仅会使手感变差,还会导致抗张力强度降低。这是由于交联限制了纤维素分子的移动和内旋转,外力作用下易造成应力集中而产生断裂。当然,抗皱整理特别是酸催化体系也会造成纺织品强度下降低纤维分子间的作用力,增加纤维的平滑柔软性也可起到抗皱作用。有机硅和液氨处理抗皱的机理主要是这种作用。

　　05棉经抗皱树脂整理后强度下降

　　棉织物经抗皱整理后，凡纤维中的树脂含量越高，即交联程度越高，纤维的机械物理性能变化越大，棉纤维的吸湿膨化越小，弹性回复度越高(但有一定限度，达到饱和后不再增高)。而断裂强度、延伸度、扯破强度、耐磨强度等的下降则与交联程度成反比。所以在树脂整理时，不能只顾提高织物的弹性而忽视物理指标，应该兼顾而求得平衡。

　　关于一些物理机械性能下降的原因，主要在于棉纤维的物理结构状态。棉纤维的无定形部分决定纤维的柔曲性和断裂延伸度，而树脂恰恰主要是在无定形部分起作用。纤维的强度取决于分子链间的侧吸附力。纤维的侧吸附力除了来自少数纤维链的互相纠缠作用外，主要是次价键，特别是氢键的作用。纤维中的结晶分子链结合很紧，不易打开，而无定形部分中分子链结合比较松弛，所以纤维强度和无定形部分中分子链间的次价键总能力大小有很大关系，如果破坏了次价键，则纤维的强度下降。棉织物经树脂整理后，纤维的无定形部分中，分子链的部分氢键被破坏，而代以共价键，同时有些羟基被树脂分子封锁，起不了氢键的作用，更由于有些树脂在纤维中发生沉淀现象，把本来结晶度很高、柔曲性较差的棉纤维变得更僵硬，严格地限制了分子链的自由活动特性。一旦受到应力，就不易将负荷均匀地分配给各个纤维单元结构，结果造成负荷集中现象。所以纤维的弹性虽然提高，而断裂强度却下降。

　　合成树脂在纤维无定形部分产生了交键和沉淀，改变了纤维分子链的易滑动性，于是降低了纤维的断裂延伸度。纤维的延伸特性反映了纤维的柔韧性，若纤维的延伸度较小，则脆性较大。织物的撕破强度和耐磨度与纤维的柔韧性有关。树脂整理后，增加了纱线的摩擦阻力，限制了自由活动，当织物处于撕裂状态时，如果纤维的延伸度小.纱线的相对滑动又受到限制，聚集到撕裂作用点的纱线数量较少，所以用较小的力量就可以将织物撕破。织物的耐磨度与纤维的延伸度及弹性回复性的关系密切。树脂整理后，纱线的刚性增加，自由活动能力减小，耐磨度相应下降。