仪器仪表微观察技术应用在棉纺织业(一)
| 前言： 纺织纤维顾名思意是用于制成纺织品之纤维，亦即是组成纱线及织物之基本单元，.纺织纤维由直径几微米至几十微米，,长度由几毫米至几十毫米，,甚至更长不等，.内有天然纤维，如植物中棉，麻;动物中之羊，蚕丝;矿物中，如石棉等，另一类化学纤维包括人造纤维，合成纤维等，由纯粹的化学方法或者通过化学方法，用天然材料产生之再生纤维等，除供应衣服饰物产品外，亦能为工业及其它产业提供重要材料。 不论何种纤维，其结构上是具有固定的特征，而此特征亦是纤维的本质属性，不同的纤维有着其不同之物理性及化学性，此等性质亦是决定着该种纤维的使用特征，这些特性原于纤维本身的结构及内含，我们可以由纤维之外形至内层,甚至由深入至纤维分子组成之形态,观察纤维的结构,了解纤维基本单元相互之作用及排列形式.结构内含直接影响着纤维各项性质的内在原因.探索纤维的基本特性,在现时开发化学纤维之新型纤维上,已被广泛利用,而天然纤维则较少应用. 纤维微观察之发展: 纤维微型观察结构研究,由19世纪至近代三四十年内,不论是理论上,分析方法上,仪器发展上都大有突破,尤其各种新型纤维之诞生,从宏观结构进入微观结构领域,已达新纪元..随着各种光学显微镜及其技术之创新,令微观察技术应用在纤维鉴别法上更为成熟. (一)微观光学仪及各项方法之发展 现今各类光学仪器,林林总总,配合不同需要及不同工艺,例如: (1)扫瞄电子显微镜 SEM(SCANNING ELECTRON MICROSCOPE)—由光学系统及扫瞄系统,信号检测系统和图像显示系统,记录系统等组成.电子束从电子枪射出后，经磁透镜聚焦，并受到两组扫描线圈的偏转作用，然后投射到试样上作光栅状扫描的细电子束，在显像管的荧光屏得到图像信息。其图像立体感强，试样厚度无限制。 (2) 透射电子显微镜 TEM(TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE)—由电子枪,聚光镜等成像系统及图像和记录系统组成. (3) 扫瞄隧道显微镜 STM(SCANNING TUNNELLING MICROSCOPE)及 (4) 原子力显微镜 AFM(ATOMIC FORCE MICROSCOPE) (5) 偏振光显微镜(POLARIZED MICROSCOPE)—能使光线产生偏振,并在偏振之下观察微细结构的显微镜.可测量纤维的双折射和取向度。 (二)纤维结构鉴别法： (1)X射线和电子衍射法(X-ray&Electron diffraction)—可利用X射线照射不同纤维时所得的衍射图像的差别来鉴别各类纤维. (2)红外光谱法(Infre-red)—利用各种纤维的特征及化学基团，在红外线光谱中,具有的特征及吸收谱带来鉴别纤维. (3)紫外光(Ultraviolet),荧光(Fluorescence)—利用不同元素发射的荧光X射线的波长各有不同,再利用光谱分析. (4）核磁共振法NMR(Nuclear magnetic resonance) —由自旋动量或角动量不为零的原子核，在恒定的外磁埸中，其核磁矩可取各种量子化的方位，在另一个给定频率的电磁波作用下，原子核的磁能级之间所发生的共振跃迁现象，可以分析分子内原子团或原子排列的顺序和化学键的性质。 (5)其它,如喇曼光谱法(Raman spectrum),表面分析法(Surface analysis)等.加上各种电子显微术(Electron microscopy)等。 纤维亦可由物理性及化学性能推测纤维结构,其方法： (a)有热分析法(Thermal analysis),动态和断裂力学法： 是在过程控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一种技术，在化学纤维领域上，应用最多的常用方法，例如，测试质量变化有热重法(TG)及逸出气分析(EGA)，测试温度变化有差热分析(DTA)，测试热含变化有示差扫描量热法(DSC)，测试尺寸变化有热膨胀法，测试力学特性有热机械分析(TMA)，及动态机械分析(DTMA)，测试光学特性有热光学法。 (B)质谱分析法(Mass spectrometry)： 试样经离子化后，形成质谱的分析方法。 可以测定有机物分子量及结构方式，以及鉴定有机物及其结构，通过离子感光板取得强度不同的谱线，称为质谱图，根据质谱图可叛断物质的分子量和结构型式。 随着器材及方法之创新，使大家对各种纤维深入了解，微观察技术应用在纤维鉴别上外，更可利用了解纤维的各项特性结构，从而在后工序上作配合性改良，使能生产更优质之纱线及织物，从而对纺织业上作进一步之发展。 天然纤维以棉纤维为主，占整个纺织产业的比例很大，棉纺业之发展，除机械上，工艺上之改良，棉花之质量结构，直接影响着成纱之各项物理指标，现用之各项检测仪器，方法，及标准，祇能提供一些数据，大都是平均值，而纺厂按数据控制生产工艺，往往未能了解该批棉纤真正情况，各批棉纤之特性是否接近而配搭，引致成纱后问题出现。 (三)深入了解棉纤维： 微结构法在天然棉纤维上之应用，不为广泛，祇有在成熟度上利用显微镜法，主要观察其成熟度情况，而评定此批棉纤之成熟系数之其中一个指标。 首先探讨棉纤之结构特征： (a)宏观外型结构：一根天然棉纤维为一单细胞，从胚珠表皮细胞，经过约25-30天延伸期，进入约25-30天加厚期而成长。成熟的纤维,呈细长而略扁的管状，顶部最高,中部次之而稍粗,基部最低，横截面，中部最大，基部次之,顶部最小，纤维长度与宽度之比约为1000-3000，成熟的纤维，向外具有天然卷曲，呈螺旋形左及右扭曲，此为棉纤维之特征，成熟的棉纤维扭曲数约为39-65个/厘米，约每毫米反转向一次，未成熟或过度成熟纤维则较少。 (b)截面内层结构： 棉纤维截面多为呈腰果型,其次圆形，耳朵形等，由许多同心层组成.徐初生表层外，主要分层外皮下之初生层，主要由果胶及纤维素纤维组成的网状结构，厚度很薄，约为0.2微米。 其次为次生层，是棉纤维初生层内部淀积的一层胞壁，为棉纤维的主要部份，成熟棉纤维次生层厚度约为0.4-5微米，层中纤维素微原纤(microfibril)，沿着纤维长度方向呈螺旋状排列，有左及右旋，螺旋倾斜方向约20-45度，就是棉纤维之主要形态特征—天然转曲。内部为中腔，是棉纤维生长停止后，次生胞壁遗留下来的未被纤维素填满的内部空腔。棉纤维经过延伸期及加厚期，纤维素淀渍速度不一，形成明显疏密不同的层次，称为日轮，一般日轮层总共有25-40层，我们可通过铜氨液膨化处理的棉纤维截面，用显微镜观察。这三部份各层的结构与纤维的表面性能有着密切关系，并决定其主要物理机械性。 (四）棉纤之结构:特征所产生之物理性质对成纱之影响： (1)天然转曲影响纱线中纤维间抱合力，因而影响成纱之强力，天然转曲多，成纱强力高，未成熟和过成熟原棉，天然转曲减少，成纱强力低。 (2)表皮层(初生表层)主要成份为果胶，棉腊，对纤维加工及储存性能影响大。 (3)天然纤维素的结晶形式，主要是纤维素I和纤维素II，棉纤维经碱丝光处理后，会由纤维素I转变成纤维素II，而且纤维结晶度会有所降低，光泽显著增加，棉纤维相对密度为1.54-1.56，线密度为1.1-2.2dtex，供丝光工艺作参考。 (4)纤维截面的各部份位置收缩应力都不同，腰果形细胞两边曲率最大，结构较紧，中间顶部次之，两边内侧为过渡区，中间凹入处可及性最大，易存积其它物质及色素，纤维中腔结构，对光泽等光学性质影响极大，并使纤维轻而且保暖，对纤维染色性，卷缩性，手感等有密切关系。 (五)再简单了解棉纤维的化学成份： 棉纤维的化学成份以纤维素为主，占93-95%，其余为纤维素伴生物，如：蜡质和脂肪约占0.3-1.0%，果胶质约1.0-1.5%，含氮物约1.0-1.5%，灰分约0.8-1.8%，其它约1.0-1.5%。元素成份为：碳44.4%，氢6.2%，氧49.4%。 棉纤维的化学成份所产生之化学性质对成品之影响： (1)棉纤维成份以纤维素为主，纤维素在长时间作用下，或经氧化剂处理，分子键产生断裂，纤维素被分解。 (2)日照亦使纤维素大分子破坏，尤以紫外线破坏力最强，令纤维素聚合度下降，纤维强力降低及脆化。 (3)棉纤维所吸收之水份，在热至100度C时被蒸发，到160度C时纤维脱水，240度C时纤维被破坏至变黄，400-450度C时碳化。 (4)棉纤维吸水后膨化但不易溶解，截面积可扩大40-50%，长度增加1-2%。但在酸溶液或高温水作用下，聚合度下降，强力亦降低。 (5)棉纤维在常温下，对稀碱稳定，在18%烧碱处理时可产生丝光作用。 (6)棉纤维含水率大于9%，相对湿度在75%以上时，纤维素易被微生物分解，棉纤维易发霉。 现行业沿用测试棉纤维成熟度之方法：有 (1)中腔胞壁对比法， (2)棉纤维成熟度试验法(偏光仪法)， (3) 棉纤维成熟度试验法(显微镜法)， (4) 棉纤维成熟度试验法(气流法)。 现将每种方法简单介绍，首先了解其中一些名词定义。 (a)成熟度比(maturity ratio)：纤维胞壁的增厚度与选定的0.577标准增厚度之比。 (b)死纤维(dead fibres)：以无转曲，很少转曲，或几乎没有纤维胞壁的扁平管状到胞壁稍有发育，转曲较多等各种形态，纤维胞壁的厚度等于或小于纤维最大宽度的五分一。 (c)正常纤维(normal fibres)：经18%氢氧化钠溶液膨胀后，中腔呈不连续或几乎没有任何中腔痕迹的棒状纤维，没有轮廓分明的转曲。 (d)薄壁纤维(thin-walled fibres)：经18%氢氧化钠溶液膨胀后，不能划为正常纤维或死纤维的纤维。 (e) 纤维胞壁增厚度(degree of fibre wall thickening)：纤维胞壁的实际横截面积对同 |
