牦牛粗毛形态结构及其拉伸细化工艺与机理研究
我国是牦牛的主要饲养国，约占世界总数的92％，具有丰富的牦牛毛纤维资源。牦牛毛纤维中大多数为粗毛，长度较长，但粗、硬、品质差，主要作为一般纺织原料，因此其经济价值一直较低。随着生活水平的提高，人们对于假发制品的需求日益旺盛，限于人发资源量的限制，使用牦牛粗长毛作为其替代品已被广泛应用。由于假发的利用纤维长度越长其价值越高，因此，增加纤维长度降低其细度是提升纤维价值的有效途径。人工拉伸细化工艺是目前对角蛋白纤维最有效的拉长变细的加工方法，但现有研究主要集中在羊毛细化，对于牦牛粗毛的拉伸细化报道很少。此外，人们对于牦牛粗毛纤维的认识也不够全面，这将为进一步的改性处理造成很大的困难。
本文首次对我国产牦牛粗毛纤维的形态结构、皮质细胞特征、细胞及细胞间微细结构以及化学结构进行了细致研究。利用显微镜技术观察了牦牛粗毛纤维的外观形态结构，得到了单根纤维以及纤维之间的直径分布特点，同时阐述了纤维表面鳞片结构及截面特征。利用超声分离技术成功地分离出来牦牛粗毛纤维的皮质细胞，结合电子显微镜观察明晰了皮质细胞形态及其在纤维中的堆砌结构特征，并首次采用“长径比”指标表征皮质细胞形态，结果表明牦牛粗毛纤维皮质细胞整体形态较羊毛粗短，此外还对皮质细胞尺寸分布进行了研究。利用包埋技术成功制取到牦牛粗毛纤维的截面超薄切片，并利用透射电子显微镜观察到纤维的内部微细结构，发现多数纤维中含有髓腔，且纤维细胞无正副皮质之分，仅由单一结构组成。利用红外光谱技术得到牦牛粗毛纤维的红外光谱图，并分析其基本结构键吸收峰特征，结果表明其具有与羊毛相同的内部分子结构及结合键，但牦牛粗毛纤维内部无序结构多于羊毛。
为了对牦牛粗毛拉伸进行工业开发，本文利用实验拉伸装置对无捻牦牛粗毛纤维片状拉伸工艺进行了研究，重点分析了影响工业连续化生产的相关参数。利用不同工艺条件下牦牛粗毛纤维片的拉伸曲线，结合低初始模量、大屈服区长度、大断裂点伸长、低拉伸断裂率的评价标准，确定了最优工艺条件，即预处理时间10min，最佳拉伸方式为多级变速拉伸，最佳纤维拉伸率为60％:通过正交试验及方差分析，以沸水回缩率为评价指标，确定了牦牛粗毛最优定型处理时间，即一次定型时间5min，二次定型时间3min，烘燥时间20min，焙烘时间3min。同时，开发了一种全新的片状纤维连续化拉伸方法，并首次采用预处理拉伸一体化拉伸方式，并通过AutoCAD软件对其拉伸设备进行了模拟。
利用激光显微拉曼光谱技术，对拉伸过程中牦牛粗毛纤维二级结构的转变过程进行了深入研究，发现拉伸后牦牛粗毛纤维拉曼光谱酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅲ带和C-C骨架振动区均发生了显著变化，但对纤维二硫键的影响不大;纤维拉伸细化过程中存在α螺旋大分子向β折叠大分子的转变，同时伴随着部分已转变为β折叠结构的大分子重新回复为α螺旋结构的过程，且对细化纤维进行沸煮处理也会导致这一变化发生。同时，本文借助广角X-ray衍射仪，对原毛及细化毛纤维的结晶度和取向度进行定量分析，结果显示拉伸细化处理对牦牛粗毛的结晶度有较大的影响，而对纤维取向度影响相对较小，拉伸细化过程中存在大分子或微结构块的滑移。机理分析发现，牦牛粗毛纤维拉伸细化机理应是“大分子构象转变”理论和“微结构体的滑移”理论两者相结合的一个更为复杂的过程，其中以“微结构体的滑移”机制最为主要。本文提出“大分子转变滑移”理论，其基本原理为:打开纤维分子间交联，部分保持分子内的相互作用;在外力拉伸作用下，大分子首先发生构象转变，继而出现分子、微结构体的滑移，同时伴随分子构象的往复变化;完成拉伸后，迅速重建分子间交联，实现纤维的拉长变细的同时保持纤维弹性。
为了便于后期进一步的加工和使用，本文对拉伸后牦牛粗毛纤维形态、结构以及性能的变化进行了研究。结果显示:①纤维表面鳞片结构被劣化，覆盖密度随拉伸率的提高而降低，部分出现边缘翘起，甚至部分鳞片细胞出现滑移和损伤;②纤维直径显著降低，90％的细化纤维直径可比原毛减少约30％，截面形态由近圆形变为椭圆形;③纤维皮质细胞被拉长变细，在纤维中沿长度方向取向更加明显，排列更加紧密;④细化纤维的断裂强度和初始模量均高于原毛，且随着拉伸率的提高而逐渐增大，但断裂伸长率却呈现相反变化，另外，细化纤维抗弯刚度低于原毛;⑤细化纤维的摩擦系数逐步增大，其变化量随拉伸率增加而减小;⑥纤维浸润接触角随拉伸率的提高而逐渐减小，吸湿性大大增强，并极大地改善了纤维的染色性能，使低温染色变为可能。
牦牛粗毛;拉伸细化;微结构体滑移;α→β构象转变;形态结构;细化装置
东华大学
博士
纺织材料与纺织品设计
于伟东
2010
中文
TS102.316
177
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）