儀器儀表微觀察技術(shù)應(yīng)用在棉紡織業(yè)(一)
| 前言： 紡織纖維顧名思意是用于制成紡織品之纖維，亦即是組成紗線及織物之基本單元，.紡織纖維由直徑幾微米至幾十微米，,長(zhǎng)度由幾毫米至幾十毫米，,甚至更長(zhǎng)不等，.內(nèi)有天然纖維，如植物中棉，麻;動(dòng)物中之羊，蠶絲;礦物中，如石棉等，另一類化學(xué)纖維包括人造纖維，合成纖維等，由純粹的化學(xué)方法或者通過(guò)化學(xué)方法，用天然材料產(chǎn)生之再生纖維等，除供應(yīng)衣服飾物產(chǎn)品外，亦能為工業(yè)及其它產(chǎn)業(yè)提供重要材料。 不論何種纖維，其結(jié)構(gòu)上是具有固定的特征，而此特征亦是纖維的本質(zhì)屬性，不同的纖維有著其不同之物理性及化學(xué)性，此等性質(zhì)亦是決定著該種纖維的使用特征，這些特性原于纖維本身的結(jié)構(gòu)及內(nèi)含，我們可以由纖維之外形至內(nèi)層,甚至由深入至纖維分子組成之形態(tài),觀察纖維的結(jié)構(gòu),了解纖維基本單元相互之作用及排列形式.結(jié)構(gòu)內(nèi)含直接影響著纖維各項(xiàng)性質(zhì)的內(nèi)在原因.探索纖維的基本特性,在現(xiàn)時(shí)開(kāi)發(fā)化學(xué)纖維之新型纖維上,已被廣泛利用,而天然纖維則較少應(yīng)用. 纖維微觀察之發(fā)展: 纖維微型觀察結(jié)構(gòu)研究,由19世紀(jì)至近代三四十年內(nèi),不論是理論上,分析方法上,儀器發(fā)展上都大有突破,尤其各種新型纖維之誕生,從宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)入微觀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,已達(dá)新紀(jì)元..隨著各種光學(xué)顯微鏡及其技術(shù)之創(chuàng)新,令微觀察技術(shù)應(yīng)用在纖維鑒別法上更為成熟. (一)微觀光學(xué)儀及各項(xiàng)方法之發(fā)展 現(xiàn)今各類光學(xué)儀器,林林總總,配合不同需要及不同工藝,例如: (1)掃瞄電子顯微鏡 SEM(SCANNING ELECTRON MICROSCOPE)—由光學(xué)系統(tǒng)及掃瞄系統(tǒng),信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)和圖像顯示系統(tǒng),記錄系統(tǒng)等組成.電子束從電子槍射出后，經(jīng)磁透鏡聚焦，并受到兩組掃描線圈的偏轉(zhuǎn)作用，然后投射到試樣上作光柵狀掃描的細(xì)電子束，在顯像管的熒光屏得到圖像信息。其圖像立體感強(qiáng)，試樣厚度無(wú)限制。 (2) 透射電子顯微鏡 TEM(TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE)—由電子槍,聚光鏡等成像系統(tǒng)及圖像和記錄系統(tǒng)組成. (3) 掃瞄隧道顯微鏡 STM(SCANNING TUNNELLING MICROSCOPE)及 (4) 原子力顯微鏡 AFM(ATOMIC FORCE MICROSCOPE) (5) 偏振光顯微鏡(POLARIZED MICROSCOPE)—能使光線產(chǎn)生偏振,并在偏振之下觀察微細(xì)結(jié)構(gòu)的顯微鏡.可測(cè)量纖維的雙折射和取向度。 (二)纖維結(jié)構(gòu)鑒別法： (1)X射線和電子衍射法(X-ray&Electron diffraction)—可利用X射線照射不同纖維時(shí)所得的衍射圖像的差別來(lái)鑒別各類纖維. (2)紅外光譜法(Infre-red)—利用各種纖維的特征及化學(xué)基團(tuán)，在紅外線光譜中,具有的特征及吸收譜帶來(lái)鑒別纖維. (3)紫外光(Ultraviolet),熒光(Fluorescence)—利用不同元素發(fā)射的熒光X射線的波長(zhǎng)各有不同,再利用光譜分析. (4）核磁共振法NMR(Nuclear magnetic resonance) —由自旋動(dòng)量或角動(dòng)量不為零的原子核，在恒定的外磁埸中，其核磁矩可取各種量子化的方位，在另一個(gè)給定頻率的電磁波作用下，原子核的磁能級(jí)之間所發(fā)生的共振躍遷現(xiàn)象，可以分析分子內(nèi)原子團(tuán)或原子排列的順序和化學(xué)鍵的性質(zhì)。 (5)其它,如喇曼光譜法(Raman spectrum),表面分析法(Surface analysis)等.加上各種電子顯微術(shù)(Electron microscopy)等。 纖維亦可由物理性及化學(xué)性能推測(cè)纖維結(jié)構(gòu),其方法： (a)有熱分析法(Thermal analysis),動(dòng)態(tài)和斷裂力學(xué)法： 是在過(guò)程控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一種技術(shù)，在化學(xué)纖維領(lǐng)域上，應(yīng)用最多的常用方法，例如，測(cè)試質(zhì)量變化有熱重法(TG)及逸出氣分析(EGA)，測(cè)試溫度變化有差熱分析(DTA)，測(cè)試熱含變化有示差掃描量熱法(DSC)，測(cè)試尺寸變化有熱膨脹法，測(cè)試力學(xué)特性有熱機(jī)械分析(TMA)，及動(dòng)態(tài)機(jī)械分析(DTMA)，測(cè)試光學(xué)特性有熱光學(xué)法。 (B)質(zhì)譜分析法(Mass spectrometry)： 試樣經(jīng)離子化后，形成質(zhì)譜的分析方法。 可以測(cè)定有機(jī)物分子量及結(jié)構(gòu)方式，以及鑒定有機(jī)物及其結(jié)構(gòu)，通過(guò)離子感光板取得強(qiáng)度不同的譜線，稱為質(zhì)譜圖，根據(jù)質(zhì)譜圖可叛斷物質(zhì)的分子量和結(jié)構(gòu)型式。 隨著器材及方法之創(chuàng)新，使大家對(duì)各種纖維深入了解，微觀察技術(shù)應(yīng)用在纖維鑒別上外，更可利用了解纖維的各項(xiàng)特性結(jié)構(gòu)，從而在后工序上作配合性改良，使能生產(chǎn)更優(yōu)質(zhì)之紗線及織物，從而對(duì)紡織業(yè)上作進(jìn)一步之發(fā)展。 天然纖維以棉纖維為主，占整個(gè)紡織產(chǎn)業(yè)的比例很大，棉紡業(yè)之發(fā)展，除機(jī)械上，工藝上之改良，棉花之質(zhì)量結(jié)構(gòu)，直接影響著成紗之各項(xiàng)物理指標(biāo)，現(xiàn)用之各項(xiàng)檢測(cè)儀器，方法，及標(biāo)準(zhǔn)，祇能提供一些數(shù)據(jù)，大都是平均值，而紡廠按數(shù)據(jù)控制生產(chǎn)工藝，往往未能了解該批棉纖真正情況，各批棉纖之特性是否接近而配搭，引致成紗后問(wèn)題出現(xiàn)。 (三)深入了解棉纖維： 微結(jié)構(gòu)法在天然棉纖維上之應(yīng)用，不為廣泛，祇有在成熟度上利用顯微鏡法，主要觀察其成熟度情況，而評(píng)定此批棉纖之成熟系數(shù)之其中一個(gè)指標(biāo)。 首先探討棉纖之結(jié)構(gòu)特征： (a)宏觀外型結(jié)構(gòu)：一根天然棉纖維為一單細(xì)胞，從胚珠表皮細(xì)胞，經(jīng)過(guò)約25-30天延伸期，進(jìn)入約25-30天加厚期而成長(zhǎng)。成熟的纖維,呈細(xì)長(zhǎng)而略扁的管狀，頂部最高,中部次之而稍粗,基部最低，橫截面，中部******，基部次之,頂部最小，纖維長(zhǎng)度與寬度之比約為1000-3000，成熟的纖維，向外具有天然卷曲，呈螺旋形左及右扭曲，此為棉纖維之特征，成熟的棉纖維扭曲數(shù)約為39-65個(gè)/厘米，約每毫米反轉(zhuǎn)向一次，未成熟或過(guò)度成熟纖維則較少。 (b)截面內(nèi)層結(jié)構(gòu)： 棉纖維截面多為呈腰果型,其次圓形，耳朵形等，由許多同心層組成.徐初生表層外，主要分層外皮下之初生層，主要由果膠及纖維素纖維組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，厚度很薄，約為0.2微米。 其次為次生層，是棉纖維初生層內(nèi)部淀積的一層胞壁，為棉纖維的主要部份，成熟棉纖維次生層厚度約為0.4-5微米，層中纖維素微原纖(microfibril)，沿著纖維長(zhǎng)度方向呈螺旋狀排列，有左及右旋，螺旋傾斜方向約20-45度，就是棉纖維之主要形態(tài)特征—天然轉(zhuǎn)曲。內(nèi)部為中腔，是棉纖維生長(zhǎng)停止后，次生胞壁遺留下來(lái)的未被纖維素填滿的內(nèi)部空腔。棉纖維經(jīng)過(guò)延伸期及加厚期，纖維素淀漬速度不一，形成明顯疏密不同的層次，稱為日輪，一般日輪層總共有25-40層，我們可通過(guò)銅氨液膨化處理的棉纖維截面，用顯微鏡觀察。這三部份各層的結(jié)構(gòu)與纖維的表面性能有著密切關(guān)系，并決定其主要物理機(jī)械性。 (四）棉纖之結(jié)構(gòu):特征所產(chǎn)生之物理性質(zhì)對(duì)成紗之影響： (1)天然轉(zhuǎn)曲影響紗線中纖維間抱合力，因而影響成紗之強(qiáng)力，天然轉(zhuǎn)曲多，成紗強(qiáng)力高，未成熟和過(guò)成熟原棉，天然轉(zhuǎn)曲減少，成紗強(qiáng)力低。 (2)表皮層(初生表層)主要成份為果膠，棉臘，對(duì)纖維加工及儲(chǔ)存性能影響大。 (3)天然纖維素的結(jié)晶形式，主要是纖維素I和纖維素II，棉纖維經(jīng)堿絲光處理后，會(huì)由纖維素I轉(zhuǎn)變成纖維素II，而且纖維結(jié)晶度會(huì)有所降低，光澤顯著增加，棉纖維相對(duì)密度為1.54-1.56，線密度為1.1-2.2dtex，供絲光工藝作參考。 (4)纖維截面的各部份位置收縮應(yīng)力都不同，腰果形細(xì)胞兩邊曲率******，結(jié)構(gòu)較緊，中間頂部次之，兩邊內(nèi)側(cè)為過(guò)渡區(qū)，中間凹入處可及性******，易存積其它物質(zhì)及色素，纖維中腔結(jié)構(gòu)，對(duì)光澤等光學(xué)性質(zhì)影響極大，并使纖維輕而且保暖，對(duì)纖維染色性，卷縮性，手感等有密切關(guān)系。 (五)再簡(jiǎn)單了解棉纖維的化學(xué)成份： 棉纖維的化學(xué)成份以纖維素為主，占93-95%，其余為纖維素伴生物，如：蠟質(zhì)和脂肪約占0.3-1.0%，果膠質(zhì)約1.0-1.5%，含氮物約1.0-1.5%，灰分約0.8-1.8%，其它約1.0-1.5%。元素成份為：碳44.4%，氫6.2%，氧49.4%。 棉纖維的化學(xué)成份所產(chǎn)生之化學(xué)性質(zhì)對(duì)成品之影響： (1)棉纖維成份以纖維素為主，纖維素在長(zhǎng)時(shí)間作用下，或經(jīng)氧化劑處理，分子鍵產(chǎn)生斷裂，纖維素被分解。 (2)日照亦使纖維素大分子破壞，尤以紫外線破壞力最強(qiáng)，令纖維素聚合度下降，纖維強(qiáng)力降低及脆化。 (3)棉纖維所吸收之水份，在熱至100度C時(shí)被蒸發(fā)，到160度C時(shí)纖維脫水，240度C時(shí)纖維被破壞至變黃，400-450度C時(shí)碳化。 (4)棉纖維吸水后膨化但不易溶解，截面積可擴(kuò)大40-50%，長(zhǎng)度增加1-2%。但在酸溶液或高溫水作用下，聚合度下降，強(qiáng)力亦降低。 (5)棉纖維在常溫下，對(duì)稀堿穩(wěn)定，在18%燒堿處理時(shí)可產(chǎn)生絲光作用。 (6)棉纖維含水率大于9%，相對(duì)濕度在75%以上時(shí)，纖維素易被微生物分解，棉纖維易發(fā)霉。 現(xiàn)行業(yè)沿用測(cè)試棉纖維成熟度之方法：有 (1)中腔胞壁對(duì)比法， (2)棉纖維成熟度試驗(yàn)法(偏光儀法)， (3) 棉纖維成熟度試驗(yàn)法(顯微鏡法)， (4) 棉纖維成熟度試驗(yàn)法(氣流法)。 現(xiàn)將每種方法簡(jiǎn)單介紹，首先了解其中一些名詞定義。 (a)成熟度比(maturity ratio)：纖維胞壁的增厚度與選定的0.577標(biāo)準(zhǔn)增厚度之比。 (b)死纖維(dead fibres)：以無(wú)轉(zhuǎn)曲，很少轉(zhuǎn)曲，或幾乎沒(méi)有纖維胞壁的扁平管狀到胞壁稍有發(fā)育，轉(zhuǎn)曲較多等各種形態(tài)，纖維胞壁的厚度等于或小于纖維******寬度的五分一。 (c)正常纖維(normal fibres)：經(jīng)18%氫氧化鈉溶液膨脹后，中腔呈不連續(xù)或幾乎沒(méi)有任何中腔痕跡的棒狀纖維，沒(méi)有輪廓分明的轉(zhuǎn)曲。 (d)薄壁纖維(thin-walled fibres)：經(jīng)18%氫氧化鈉溶液膨脹后，不能劃為正常纖維或死纖維的纖維。 (e) 纖維胞壁增厚度(degree of fibre wall thickening)：纖維胞壁的實(shí)際橫截面積對(duì)同 |
