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微觀察技術(shù)在棉紡織業(yè)的應(yīng)用

來源：中國紡織服裝機械網(wǎng)　發(fā)布時間：2015年05月25日

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性質(zhì)的內(nèi)在原因.探索纖維的基本特性,在現(xiàn)時開發(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（SCANNINGELECTRONMICROSCOPE）—由光學(xué)系統(tǒng)及掃瞄系統(tǒng),信號檢測系統(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，試樣厚度無限制。
（2）透射電子顯微鏡TEM（TRANSMISSIONELECTRONMICROSCOPE）—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（SCANNINGTUNNELLINGMICROSCOPE）及
（4）原子力顯微鏡AFM（ATOMICFORCEMICROSCOPE）
（5）偏振光顯微鏡（POLARIZEDMICROSCOPE）—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&Ele

ctrondiffraction）—可利用X射線照射不同纖維時所得的衍射圖像的差別來鑒別各類纖維.
（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射線的波長各有不同,再利用光譜分析.
（4）核磁共振法NMR（Nuclearmagneticresonance）—由自旋動量或角動量不為零的原子核，在恒定的外磁埸中，其核磁矩可取各種量子化的方位，在另一個給定頻率的電磁波作用下，原子核的磁能級之間所發(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（Ramanspectrum）,表面分析法（Surfaceanalysis）等.加上各種電子顯微術(shù)（Electronmicroscopy）等。
纖維亦可由物理性及化學(xué)性能推測纖維結(jié)構(gòu),其方法：
（a）有熱分析法（Thermalanalysis）,動態(tài)和斷裂力學(xué)法：是在過程控制溫度下，測量物質(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，測試質(zhì)量變化有熱重法（TG）及逸出氣分析（EGA），測試溫度變化有差熱分析（DTA），測試熱含變化有示差掃描量熱法（DSC），測試尺寸變化有熱膨脹法，測試力學(xué)特性有熱機械分析（TMA），及動態(tài)機械分析（DTMA），測試光學(xué)特性有熱光學(xué)法。
（B）質(zhì)譜分析法（Massspectrometry）：試樣經(jīng)離子化后，形成質(zhì)譜的分析方法。
可以測定有機物分子量及結(jié)構(gòu)方式，以及鑒定有機物及其結(jié)構(gòu)，通過離子感光板取得強度不同的譜線，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，占整個紡織產(chǎn)業(yè)的比例很大，棉紡業(yè)之發(fā)展，除機械上，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物理指標(biāo)，現(xiàn)用之各項檢測儀器，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，只有在成熟度上利用顯微鏡法，主要觀察其成熟度情況，而評定此批棉纖之成熟系數(shù)之其中一個指標(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)過約25-30天延伸期，進(jìn)入約25-30天加厚期而成長。成熟的纖維,呈細(xì)長而略扁的管狀，頂部最高,中部次之而稍粗,基部最低，橫截面，中部最大，基部次之,頂部最小，纖維長度與寬度之比約為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/厘米，約每毫米反轉(zhuǎn)向一次，未成熟或過度成熟纖維則較少。
（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，是棉纖維生長停止后，次生胞壁遺留下來的未被纖維素填滿的內(nèi)部空腔。棉纖維經(jīng)過延伸期及加厚期，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械性。
（四）棉纖之結(jié)構(gòu):特征所產(chǎn)生之物理性質(zhì)對成紗之影響：
（1）天然轉(zhuǎn)曲影響紗線中纖維間抱合力，因而影響成紗之強力，天然轉(zhuǎn)曲多，成紗強力高，未成熟和過成熟原棉，天然轉(zhuǎn)曲減少，成紗強力低。
（2）表皮層（初生表層）主要成份為果膠，棉臘，對纖維加工及儲存性能影響大。
（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，會由纖維素I轉(zhuǎn)變成纖維素II，而且纖維結(jié)晶度會有所降低，光澤顯著增加，棉纖維相對密度為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)胞兩邊曲率最大，結(jié)構(gòu)較緊，中間頂部次之，兩邊內(nèi)側(cè)為過渡區(qū)，中間凹入處可及性最大，易存積其它物質(zhì)及色素，纖維中腔結(jié)構(gòu)，對光澤等光學(xué)性質(zhì)影響極大，并使纖維輕而且保暖，對纖維染色性，卷縮性，手感等有密切關(guān)系。
（五）再簡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)對成品之影響：
（1）棉纖維成份以纖維素為主，纖維素在長時間作用下，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，令纖維素聚合度下降，纖維強力降低及脆化。
（3）棉纖維所吸收之水份，在熱至100度C時被蒸發(fā)，到160度C時纖維脫水，240度C時纖維被破壞至變黃，400-450度C時碳化。
（4）棉纖維吸水后膨化但不易溶解，截面積可擴大40-50%

，長度增加1-2%。但在酸溶液或高溫水作用下，聚合度下降，強力亦降低。
（5）棉纖維在常溫下，對稀堿穩(wěn)定，在18%燒堿處理時可產(chǎn)生絲光作用。
（6）棉纖維含水率大于9%，相對濕度在75%以上時，纖維素易被微生物分解，棉纖維易發(fā)霉。
現(xiàn)行業(yè)沿用測試棉纖維成熟度之方法：有
（1）中腔胞壁對比法，
（2）棉纖維成熟度試驗法（偏光儀法），
（3）棉纖維成熟度試驗法（顯微鏡法），
（4）棉纖維成熟度試驗法（氣流法）。
現(xiàn)將每種方法簡單介紹，首先了解其中一些名詞定義。
（a）成熟度比（maturityratio）：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（deadfibres）：以無轉(zhuǎn)曲，很少轉(zhuǎn)曲，或幾乎沒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最大寬度的五分一。
（c）正常纖維（normalfibres）：經(jīng)18%氫氧化鈉溶液膨脹后，中腔呈不連續(xù)或幾乎沒有任何中腔痕跡的棒狀纖維，沒有輪廓分明的轉(zhuǎn)曲。
（d）薄壁纖維（thin-walledfibres）：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（degreeoffibrewallthickening）：纖維胞壁的實際橫截面積對同樣周長的圓面積之比。（f）成熟纖維百分率（percentmaturity）：在同一樣品中，成熟纖維占纖維總根數(shù)的平均百分率。
（g）不成熟纖維（immaturefibres）：發(fā)育不良而胞壁薄的纖維，經(jīng)18%氫氧化鈉溶液膨脹后，呈螺旋狀或扁平狀態(tài)，纖維胞壁薄且呈透明的纖維，纖維胞壁的厚度，小于纖維最大寬度的四分一。
（h）成熟纖維（maturefibres）：發(fā)育良好而胞壁的纖維，經(jīng)18%氫氧化鈉溶液膨脹后，呈無轉(zhuǎn)曲的棒狀纖維，纖維胞壁的厚度等于纖維最大寬度的四分一。
（1）中腔胞壁對比法：首先按照棉纖維試驗取樣方法（如中國國家標(biāo)準(zhǔn)G

B6097-85），制備的試驗棉條中取出重約4-6mg的樣品，用手扯法加以整理，使成一端齊整的小棉束，先用稀梳，后用密梳梳去短纖維，用手指捏住齊整的一端纖維，梳理另一端纖維，去掉棉束兩旁纖維，留下中間部份180-220根纖維，將載玻片擦拭干凈，放在黑絨板上，在載玻片邊緣上粘貼一些膠水，左手捏住齊整的一端，右手以夾子從棉束另一端取數(shù)根纖維，均勻地排列在載玻片上，連逐排列至排完為止，待膠水干后，用挑針把纖維整理平直，并用膠水粘好纖維另一端，然后輕輕地在纖維上面放置載玻片，用400倍顯微鏡沿載玻片中部逐根觀察，根據(jù)腔寬壁厚比值確定纖維成熟系數(shù)，并可參照標(biāo)準(zhǔn)圖示的纖維形態(tài)，確定纖維成熟系。各種不同成熟度纖維分成18組，分別用不同成熟系數(shù)表示，完全未成熟的棉纖維，成熟系數(shù)為0.00，最成熟的棉纖維,成熟系數(shù)為5.00，從0.00—3.75間每隔0.25為一組,即：0.00，0.25，0.50，0.75，1.00，1.25，1.50，1.75，2.00，2.25，2.50，2.75，3.00，3.25，3.50，3.75，再加上4.00和5.00兩組共18組。
成熟系數(shù)越大，棉纖維成熟度越高，一般成熟度在1.4—2.00范圍內(nèi)最適中。腔寬壁厚比值與,成熟系數(shù)對照：0.00（成熟系數(shù)）=30-22（腔寬壁厚比值），0.25（成熟系數(shù)）=21-13（腔寬壁厚比值），0.50（成熟系數(shù)）=12-9（腔寬壁厚比值），0.75（成熟系數(shù)）=8-6（腔寬壁厚比值），1.00（成熟系數(shù)）=5（腔寬壁厚比值），1.25（成熟系數(shù)）=4（腔寬壁厚比值），1.50（成熟系數(shù)）=3（腔寬壁厚比值），1.75（成熟系數(shù)）=2.5（腔寬壁厚比值），2.00（成熟系數(shù)）=2（腔寬壁厚比值），2.25（成熟系數(shù)）=1.5（腔寬壁厚比值），2.50（成熟系數(shù)）=1（腔寬壁厚比值），2.75（成熟系數(shù)）=0.75（腔寬壁

厚比值），3.00（成熟系數(shù)）=8-6（腔寬壁厚比值），3.25（成熟系數(shù)）=0.5（腔寬壁厚比值），3.50（成熟系數(shù)）=0.33（腔寬壁厚比值），3.75（成熟系數(shù)）=0.2（腔寬壁厚比值），4.00（成熟系數(shù)）=0（腔寬壁厚比值），5.00為不可察覺。
一般觀察一個視野來決定每根纖維的成熟系數(shù)，如形態(tài)特殊的纖維，可擴大觀察范圍，或進(jìn)一步用測微尺測量幾個轉(zhuǎn)曲的腔寬壁厚比例來決定，估計或測量腔寬壁厚時，應(yīng)在纖維轉(zhuǎn)曲中部寬度最寬處測定，若兩壁厚薄不同，可取其平均數(shù)，沒有轉(zhuǎn)曲的纖維亦須在觀察范圍內(nèi)最寬處測定。每根試驗棉條試驗兩個試驗試樣，每個觀測180-220根纖維，兩個試驗試樣試驗結(jié)果的差值應(yīng)符合精密度的測定，試驗結(jié)果以平均成熟系數(shù)計算。
（2）棉纖維成熟度測試方法（顯微鏡法）：此方法是利用顯微鏡測試經(jīng)氫氧化鈉膨脹后，棉纖維成熟度的試驗方法。適用于未經(jīng)化學(xué)處理的棉纖維，棉卷，棉條以及紗線中取出的棉纖維。首先以國家標(biāo)準(zhǔn)GB6097棉纖維試驗取樣方法取樣，原理是利用棉纖維經(jīng)18%氫氧化鈉溶液膨脹后，成熟好的纖維胞壁厚而中腔寬度小，纖維呈捧狀，成熟差的纖維胞壁薄而中腔寬度大，纖維呈扁平帶狀，因此，可根據(jù)棉纖維中腔寬度，胞壁厚度的比值和纖維形態(tài)來測定棉纖維成熟度。
儀器，工具和試劑：
（1）倍數(shù)為400倍的顯微鏡.
（2）載玻片，蓋玻片，玻璃捧，絨板，鉗子，50mm纖維尺，稀梳，挑針，膠水等。
（3）用于纖維分類計數(shù)的計數(shù)器。