对于莱赛尔、棉、粘胶纤维的干强度以及差异,我们在《同样是纤维素,为什么莱赛尔、棉、粘胶的纤维强度差异这么大?》一文中已有详细阐述,而对于它们的湿断裂强度,我们还未有论述。本文就三者的湿强度及湿模量差异做一个理论分析。
纤维素纤维的强度和其吸湿程度密切相关,天然纤维素如棉麻,它们的纤维强度会随着吸湿的增加而增加,而再生纤维素的纤维强度均随着其吸湿程度的增加而减小。
上图中回潮率应为环境湿度,取温度20摄氏度,65%的标准湿度下各纤维强度值为基准,分别做麻、棉、莱、粘四个纤维在其它湿度下的强度,并与该纤维标准湿度下的强度求比值,得到上述曲线。也可以很明显的看到,随着湿度的增加,棉和麻的强度逐渐升高,而莱赛尔和粘胶则逐渐减小。那么同样都是纤维素纤维,为什么会有这种差异?这个主要和它们的超分子结构以及由超分子导致的断裂主因不同有关。
纤维断裂有两种机理,一种是纤维大分子链被拉断,一种是大分子链间滑移。大分子断裂存在两个模式或步骤:1、非结晶区中大分子从结晶区抽拔出来或被拉裂。2、部分结晶区大分子结合力被破坏,大分子产生相对滑移,结晶区逐步松散。
在纤维被拉断的过程中,纤维会发生逐渐伸长,直至完全断裂,其伸长产生机理也分两步:1,大分子的伸直、伸长(键长键角的增大取向度提高),2,大分子链间的相互滑移。
一般纤维素纤维断裂都是由大分子间滑移和大分子断裂这两者的综合,只不过是哪一种是主因各不相同:
比如粘胶,其结晶度较低,取向度不高,其断裂机理的主因就是分子链锻滑移,导致其有高的断裂伸长率,但同时也让其湿强变得比干强差很多,原因是水消弱或破坏原本存在于纤维素大分子间的氢键作用,导致其大分子间的相互作用力变弱,更容易产生滑移,因而断裂强度变差,断裂延伸度变长。这就是粘胶湿强比干强差的原因。
而棉的断裂主因正好相反,应力集中导致的大分子拉断是主因。棉聚合度、结晶度度较高,取向度也高,导致其分子间作用力较强,不易产生相对滑移,断裂延伸度就低。而且由于其超分子结构中存内在缺陷,会产生只有少数大分子被拉伸受力的情况,导致应力集中,少数大分子被拉断后(即在上述的示意图中,棉在(2)步骤中即发生局部断裂,而逐步扩散到其它分子链上,导致断裂强度和断裂伸长率均不高),形成“各个击破(拉断)”效应,导致棉纤维的断裂强度不高。但如果用水浸润棉后,水破坏了分子链间的氢键作用,令大分子间作用力变弱,滑移增加,反而缓解了这种应力集中,从而使得棉纤维的断裂强度升高,这就是棉湿强比干强好的原因(即在上述的示意图中,棉在(2)步骤中没有发生局部断裂,而是发生分子链间滑移,向步骤(3)/(4)/(5)过渡演变,从而使得更多的大分子链被绷紧共同受力,从而提升了断裂强度,即先有断裂伸长率的增加,才有断裂强度的增加)。
但同时也要看到,这种水对棉强度的提升并不是无限的,如果通过化学品使棉纤维吸收更多的水,并不会令棉纤维的湿强度持续上升,而是到达某个高值后,其湿强度就会转而下降,其原因是过多的水进入纤维内部,导致其相互间作用力变得过于弱,会令其分子链间的滑移程度增大,从而让它的断裂主因由应力集中变成了链段滑移,这个时候水的增加对强度就是负贡献。我们对40s的纯棉梭织布进行不同浓度的烧碱处理,并在不清洗布面碱的情况下测试其湿强力,可以看到烧碱浓度大于80g/L以后,纯棉的湿强度就会小于其干强度。其原因就是上文中所阐述的,钠的水合作用带入了更多的水进入纤维内部,令棉纤维大分子链滑移过甚,反而又降低了其强度。
莱赛尔处于棉和粘胶之间,它既没有像粘胶那样湿强度大幅降低,它的湿干强度比有85%,远高于粘胶的50%,同时它又有很高的干断裂强度,即使湿强度下降85%,其湿强度的绝对值也很高,是唯一一个湿强度比棉高的再生纤维素。它也没有棉纤维断裂时那么强的应力集中,而是会产生适当的分子链滑移,以分散应力,从而有较高的干湿断裂强度和干湿断裂伸长率。
莱赛尔、棉、粘胶在湿强度、湿干强度比、干湿断裂伸长率、湿模量上差异,直接影响到它们织物的服用性能以及染整性能。
比如粘胶的湿强度很低,导致它在染整有较大张力的湿场景就会经常发生断布现象,在生产时尤其要注意,尽量避免在大张力设备上湿处理粘胶织物。
而粘胶与棉在断裂机理上差异,也会导致它们在树脂整理上的强力变化有非常大的差异,如果不考虑酸降解因素,莱赛尔和粘胶在树脂用量很低时,其强度应该会有上升,其机理是树脂交联减轻了其大分子链间的相互滑移,从而提升了强度,但当树脂用量继续上升时,莱赛尔的断裂主因由滑移改为应力集中,即产生了随着树脂用量的增加而强度下降的现象,但同时,它的强度下降比的绝对值始终是小于棉的,因为棉从一开始的断裂主因即应力集中,任何程度的交联的加强都会加剧其应力集中,而导致其强度下降。而分子链间滑移较严重的粘胶,在树脂用量到很高的一个水平时,强度依然是上升的。但越过那个“滑移-应力集中”的用量转变点后,其强度才会发生下降。下图为一个理论示意图,非实测数据。关于树脂整理的用量、抗皱效果、强度影响在不同纤维织物上的关系,我们会在《莱赛尔、棉、粘胶的树脂整理》一文中详细论述。
而三者湿模量的差异,直接导致它们的织物缩水率差异,湿模量是纤维素纤维缩水率问题最重要的纤维影响因素,详请见《莱赛尔、棉、粘胶三类织物的缩水率》。