毛紗和滌綸長絲的熱拉伸性能測試分析

劉 菁，范偉思

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毛紗和滌綸長絲的熱拉伸性能測試分析

劉 菁，范偉思

（武漢紡織大學 紡織科學與工程學院，湖北 武漢430200）

采用熱濕蒸汽處理毛紗和滌綸長絲，分析處理溫度、時間和拉伸速度對紗線拉伸性能的影響，并歸納出相應的斷裂強度和斷裂伸長保持率的評價方程。結果表明：熱濕處理對毛紗的拉伸性能的改善較為明顯，改善程度主要取決于處理溫度、時間和拉伸速度。當拉伸速度一定時，隨著處理溫度或時間的增加，毛紗的斷裂強度、初始模量和斷裂比功保持率逐漸減小，斷裂伸長保持率明顯增加；當處理溫度和時間一定時，隨著拉伸速度的增加，毛紗的斷裂強度、初始模量和斷裂比功均增加，斷裂伸長率下降；熱濕處理對滌綸長絲拉伸性能的改善不明顯。

羊毛紗；滌綸長絲；汽蒸處理；拉伸性能

羊毛和滌綸分別是天然蛋白質纖維和化學纖維中應用最為廣泛的兩種纖維材料，在我們的日常生活中發揮著重要的作用。羊毛表面的鱗片層結構、弱節分布、皮質層的雙邊分布和α-角朊鏈以及三維網絡交聯鍵結構是其典型結構特征；聚酯纖維分子鏈中存在剛性鏈苯環和柔性鏈亞甲基，其間由酯基連接，是典型的剛柔性共存的線性大分子，且以剛性為主[1]，這些結構與其力學性能都有著很大的關系。羊毛纖維在加工成紗線、面料和染整后處理以及服用過程中，其機械性能均會受外界熱、濕條件的影響，而滌綸纖維的改性處理可以獲得與羊毛相近的力學性能。目前關于這兩種纖維材料的各自優化改性和混紡應用方面有著較多的研究，可通過對兩者進行熱濕拉伸、改變纖維組份和紗線結構等紡織加工開發毛滌輕薄型精紡毛織品[2]。

有關羊毛和滌綸等纖維經熱、濕處理后的拉伸行為[3-5]、纖維和紗線的結構變化[6-7]以及機械性能變化[8-9]方面的研究已有較多報道。尤其是目前在熱、濕條件下羊毛的拉伸細化問題[10]、化纖仿毛技術以及毛滌復合紗和織物的開發[3]等受到紡織行業的較大關注，而大多用干熱或濕熱(熱水)來處理相關纖維和紗線[11-14]，很少有用熱濕蒸汽對紗線進行處理的同時研究其拉伸性能變化。本文基于此用具有一系列溫度的熱濕蒸汽對毛紗和滌綸長絲進行處理并測試其拉伸性能并作以比較，以期為實際的毛紗和滌綸長絲的紡織加工提供理論基礎。

1 實驗

1.1 材料

羊毛紗和滌綸長絲，其機械性能如表1所示。

表1 羊毛紗和滌綸長絲原樣的機械性能

1.2 熱濕拉伸測試

用自制的蒸汽發生裝置產生熱濕蒸汽處理毛紗和滌綸長絲，用INSTRON5566測試其強伸性能。在實驗中，拉伸隔距固定為60mm，分三個步驟：1)把拉伸速度定為100mm/min，把處理溫度定為104℃，改變蒸汽的處理時間(10、20、25、30、60s)，處理紗線并進行拉伸測試；2)把拉伸速度定為100mm/min，處理時間定為25s，改變處理溫度(81、86、104、132℃)，處理紗線并進行拉伸測試；3)把處理溫度定為104℃，處理時間定為20s，改變拉伸速度(50、100、150、200、300mm/min)，處理毛紗并進行拉伸測試。

2 結果與分析

2.1 紗線的負荷——伸長曲線分析

a—羊毛紗, 處理時間為20s，蒸汽溫度：1—81℃ 2—104℃ 3—132℃；b—滌綸長絲, 處理時間為20s，蒸汽溫度：1—81℃ 2—104℃ 3—132℃；圖1 熱濕蒸汽處理紗線的負荷——伸長曲線

圖1為羊毛紗和滌綸長絲在熱濕條件下的負荷——伸長曲線圖，從圖1可以看出處理溫度對紗線的強力和伸長都有一定的影響。熱濕處理對毛紗的效果比較明顯，如圖1a所示：隨著處理溫度的增加，初始部分的線性區和曲線斜率增加比較明顯，屈服點提前, 屈服點后的平臺區也變得明顯和增大，強化區從不存在逐步變得明顯，這些變化表明熱濕處理強化了羊毛角蛋白大分子的鏈段運動和轉變區，這些與Feughelman的原纖基質模型的解釋一致[15]。但熱濕處理對滌綸長絲的影響并不明顯，如圖1b所示，這主要是由滌綸長絲的結構和熱力學性能決定的，因為此時的熱濕條件還不能對滌綸內部結構或長絲之間的力學性能起明顯作用，具體分析見后。

2.2 處理溫度對紗線拉伸性能的影響

溫度對紗線各個拉伸性能指標的影響比較明顯，如圖2和圖3所示。

圖2 溫度對羊毛紗斷裂強度和斷裂伸長的保持率(a)、初始模量和斷裂比功的保持率(b)的影響(拉伸速度為100mm/min,處理時間為25s)

從圖3可以看出：在此熱濕條件下，滌綸長絲的各個拉伸力學性能指標與原樣相比，雖然隨著溫度的增加，其斷裂強度保持率有所下降，斷裂伸長保持率有所增加，但變化程度很微小；其初始模量和斷裂比功保持率也只是呈較小幅度增加。可見滌綸長絲的拉伸性能受溫度的影響并不明顯。這主要是因為滌綸長絲在化纖的二次拉伸成形過程中已經具有較穩定的強度、伸長度、模量、熱收縮率、卷曲率和結構形態，而81℃到132℃的蒸汽溫度遠遠沒有達到滌綸的熔融溫度265℃，只是比其玻璃化溫度69℃要大，此過程中的滌綸長絲處于輕度的高彈態，分子鏈柔性有微小增強，同時會存在一定程度的熱收縮，表現出斷裂伸長的小幅增加，其分子鏈中的剛性鏈苯環仍然對滌綸長絲的拉伸性能起著主要決定作用，表現出較高的強力和抵抗外力破壞的能力。

用Origin軟件分析兩種紗線的斷裂強度保持率和斷裂伸長保持率與處理溫度之間關系，得到如表2所示的回歸參數和方程。

表2 紗線拉伸性能保持率與溫度關系的回歸方程

參數ABR擬合曲線 毛紗斷裂強度保持率0.3641.960.9865Y1=0.36+41.96*exp（-X1/14.68） 滌綸長絲斷裂強度保持率0.981.650.9998Y2=0.98+1.65*exp（-X2/25.29） 毛紗斷裂伸長保持率3.98-2.000.9942Y3=3.98-2.00/（1+exp((X3-78.42)/4.69)） 滌綸長絲斷裂伸長保持率1.13-0.470.9886Y4=1.13-0.47/（1+exp((X4-77.00)/1.99)）

2.3 處理時間對紗線拉伸性能的影響

不同處理時間也會對紗線的拉伸性能有一定的影響，但沒有溫度作用明顯，如圖4和5所示。

圖5 處理時間對滌綸長絲斷裂強度和斷裂伸長的保持率(a)、初始模量和斷裂比功的保持率(b)的影響(拉伸速度為100mm/min,處理溫度為104℃)

從圖4可以看出，隨處理時間的增加，毛紗的斷裂強度保持率從43.16%變化到38%左右，并維持不變，斷裂伸長保持率從368.62%變化到390%左右，初始模量也呈一定幅度下降，斷裂比功變化相對要明顯一些。圖5反映了滌綸長絲的斷裂強度和斷裂伸長的保持率變化不明顯，分別維持在104%和110%左右，初始模量和斷裂比功的保持率雖然有小幅增加但不明顯。

此過程的處理溫度一定，處理時間的改變將導致蒸汽量發生改變，大量水分子的浸入可以迅速破壞各種價鍵的新平衡，羊毛纖維伸直，纖維斷裂的不同時性降低，增加了纖維間的滑脫，從而使纖維的斷裂伸長率顯著提高。而滌綸長絲是由許多單根長絲成紗，單根長絲表面非常光滑，長絲之間的摩擦力很小，水分子的進入對其力學性能的影響很微小，溫度變化才起對其性能有一定的作用。

2.4 拉伸速度對毛紗拉伸性能的影響

圖6 拉伸速度對毛紗的斷裂強度和斷裂伸長率（a），初始模量和斷裂比功（b）的影響（溫度81℃，時間10s）

在溫度和處理時間一定時，改變拉伸速度測試了毛紗的拉伸性能，如圖6所示。當溫度為81℃，處理時間為10s時，隨著拉伸速度依次從50mm/min增加到300mm/min，毛紗的斷裂強度、初始模量和斷裂比功均增加，而斷裂伸長率減少。其中，拉伸速度的變化對斷裂強度、初始模量和斷裂伸長率的影響較大，對斷裂比功的影響較小。高速拉伸使得紗線被拉伸至斷裂所需時間變短，紗線內的纖維以及纖維內的大分子沒有足夠時間進行滑移運動，故與高溫和較長處理時間的效果有所相反。

3 結論

針對毛紗可通過熱濕處理拉伸達到細化及提高相應的拉伸性能指標的特點以及毛滌復合紗的力學特征，本文通過熱濕處理途徑對兩種紗線的拉伸性能進行測試分析，得到以下結論：

（1）毛紗的拉伸性能受熱濕處理的影響比較明顯。處理溫度、處理時間的增加使得毛紗的斷裂強度、初始模量和斷裂比功的保持率減小，斷裂伸長保持率明顯增加，拉伸速度的增加使得毛紗的斷裂強度、初始模量和斷裂比功均增加，斷裂伸長率減少。

（2）熱濕處理條件和拉伸速度對滌綸長絲拉伸性能的改善不明顯。

（3）在溫度條件變化來處理毛紗和滌綸長絲時，可借助本文表2中歸納的方程Y1-Y4來預測相應處理溫度下的紗線斷裂強度和斷裂伸長。

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Testing and Evaluation of Thermal Tensile Properties of Wool Yarns and Polyester Filaments

LIU Jing, FAN Wei-si

（College of Textiles Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

Wool yarns and polyester filaments are treated with thermal and wet steam. The effects of temperature, time and tensile speed on tensile properties of yarns are discussed, and relevant evaluating equations on maintenance rates of breaking strength and elongation are also concluded. The experimental results indicate that wool yarns exhibit obvious improvement on tensile properties after steam treatment, which mainly depends on steam temperature, time and tensile speed. When tensile speed is fixed, maintenance rates of breaking strength, initial modulus and rupture work of wool yarns decrease gradually but maintenance rates of breaking elongation of wool yarns increase obviously with increasing of temperature or time; when temperature and time are fixed, breaking strength, initial modulus and rupture work of wool yarns increase but breaking elongation rates decrease with the increasing of tensile speed; the effects of thermal and wet steam treatment on tensile properties of polyester filaments are not significant.

wool yarns; polyester filaments; steam-treatment; tensile properties.

TS135.1

A

2095－414X(2017)03－0003－05

劉菁（1972－），女，講師，碩士，研究方向：紡織材料結構、性能與產品開發.