低旦數(shù)氨綸空氣包覆紗的結(jié)構(gòu)與性能研究

曹膨莉，邱海斌，黃莉茜，3，包翔飛，杜文祺，湯靜麗

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.浙江鑫海紡織有限公司，浙江金華 321104；3.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

氨綸空氣包覆紗是一種具有良好彈性及蓬松性的復(fù)合彈力紗，通常由一定牽伸倍數(shù)的氨綸長絲和無捻復(fù)絲在改造后的絡(luò)筒機或空氣包覆絲機上通過高壓氣流噴射作用使長絲相互糾纏交絡(luò)而成[1]。 與氨綸包芯紗等其它類型的氨綸彈力絲相比，氨綸空氣包覆紗具有獨特的周期性網(wǎng)絡(luò)交纏結(jié)構(gòu)、更高的伸長性和彈性，可賦予織物良好的服用性能和彈性特征。 此外，空氣包覆加工速度高、生產(chǎn)效率高、成本低，尤其在生產(chǎn)較細的紗線時加工優(yōu)勢明顯。

輕薄舒適一直是服裝穿著追求的目標，也是服用紡織品一個重要發(fā)展方向，開發(fā)輕薄彈力織物和低旦數(shù)氨綸彈力紗符合以上目標和發(fā)展趨勢，具有良好的應(yīng)用前景。 目前常規(guī)的氨綸彈力紗通常采用40 D 及以上氨綸絲作為芯絲，對40 D 以下的低旦數(shù)氨綸空氣包覆紗及其結(jié)構(gòu)、性能研究很少。 基于以上現(xiàn)狀，本文選擇10 D、20 D、35 D 三種低旦數(shù)氨綸長絲和滌綸POY 為原料制備氨綸空氣包覆紗，并對其結(jié)構(gòu)、性能特點進行深入探析，為今后此類紗線的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗部分

1.1 氨綸空氣包覆紗的制備

選用10 D、20 D、35 D 三種氨綸絲和75D/36F滌綸POY 絲作為原料在YJ800DHE 型高速氨綸空氣包覆絲機上制備了3 種氨綸空氣包覆紗，具體紗線規(guī)格和主要工藝參數(shù)見表1。

表1 氨綸空氣包覆紗試樣規(guī)格和主要加工參數(shù)

1.2 纖維及紗線性能測試

1.2.1 氨綸絲性能測試

(1)拉伸性能

根據(jù)標準FZ/T 50006－2013?氨綸絲拉伸性能試驗方法?中所述方法，對氨綸絲的斷裂強力、斷裂伸長率進行測試。 設(shè)置上下夾之間隔距為50 mm，拉伸速度為500 mm/min，每個試樣測試10次取平均值。

(2)彈性回復(fù)率

根據(jù)標準FZ/T 50007－2012?氨綸絲彈性試驗方法?分別對氨綸絲拉伸至300%的一次拉伸循環(huán)和五次拉伸循環(huán)回復(fù)率進行測試。 設(shè)置上下夾頭隔距為50 mm，拉伸速度為500 mm/min，測試10次取平均值。

(3)熱收縮率測試

依據(jù)國標GB/T 6505－2017 ?化學(xué)長絲長絲熱收縮率試驗方法(處理后)?，選擇單根法進行熱收縮性能的測試，選取氨綸絲測試長度為50 cm，100℃熱水中處理30 min，每個試樣測試10 次，取平均值。

1.2.2 氨綸空氣包覆紗結(jié)構(gòu)、性能測試與表征

(1)紗線形貌觀察和蓬松性表征

采用數(shù)碼相機對氨綸空氣包覆紗形貌進行拍照觀察，并運用ImageJ 對圖像進行數(shù)據(jù)化處理。

(2)紗線網(wǎng)絡(luò)度與網(wǎng)絡(luò)牢度

參考文獻[2]中記錄的測試方法，對氨綸包覆紗的網(wǎng)絡(luò)度和網(wǎng)絡(luò)牢度進行測試。 網(wǎng)絡(luò)度采取的是重錘法，具體的操作過程是在鉛直方向給定預(yù)加張力的包覆紗，在松弛狀態(tài)目測其能滿足網(wǎng)絡(luò)牢度要求的網(wǎng)絡(luò)節(jié)個數(shù)，其中，預(yù)加張力為0.02 cN/dtex，測試10 次，取平均值。

網(wǎng)絡(luò)牢度是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)在一定張力下的損失特性[3]。 測試方法是在輕張力(0.2 cN/dtex)下，測試一米長的包覆紗內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)N1，然后在包覆紗上加重張力(2 cN/dtex)，一分鐘后改輕張力，并測試此時的網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)N2，網(wǎng)絡(luò)牢度＝N2/N1。 測試10次，取平均值。

(3)紗線拉伸性能

參照標準FZ/T 12040－2020?滌綸(錦綸)長絲/氨綸包覆紗?測試包覆紗斷裂強度、斷裂伸長率指標[4]，紗線預(yù)加張力為0.2 cN/dtex，夾距間隔距為250 mm，拉伸速度為250 mm/min，每種試樣測試10 次，取平均值。

(4)紗線拉伸彈性

根據(jù)參考文獻[5]中的方法，選擇定負荷拉伸，以每種包覆紗平均斷裂強力的50%作為負載載荷，在0.002 cN/dtex 預(yù)加張力作用下取初始紗線長度l0為100 mm，對紗線在拉伸機上進行拉伸，當(dāng)載荷增加到包覆紗平均斷裂強力的50%保持， 60 s 后記錄紗長l1，然后卸去載荷，停置120 s 后記錄紗長l2。 每種試樣測試10 次，根據(jù)下式分別計算紗線的彈性伸長率(ε)和彈性回復(fù)率(R)，取平均值。

(5)紗線熱收縮率

與氨綸熱收縮性測試一致，同樣選擇單根法進行測試，選取包覆紗測試長度為50 cm，每個試樣測試10 次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨綸纖維性能測試結(jié)果與分析

從表2 測試結(jié)果來看，與其它纖維相比，氨綸絲呈現(xiàn)出明顯的低強高伸特性，氨綸大分子由軟鏈段與硬鏈段交替構(gòu)成[6]，在外力作用下軟鏈段蜷曲構(gòu)象會伸直拉長，而硬鏈段相互之間形成的氫鍵或結(jié)晶狀態(tài)起到“締結(jié)點”的作用，使氨綸具有高延伸性和高彈性。 其中10 D 氨綸絲的斷裂強度、300%伸長時的力值、斷裂伸長率和彈性回復(fù)率均明顯小于20 D 和35 D 氨綸絲，因此10 D 氨綸絲包覆紗加工中要特別注意加工張力、氨綸絲牽伸倍數(shù)等加工參數(shù)的控制，否則氨綸絲容易發(fā)生斷絲、毛絲等問題。 20 D 氨綸絲的斷裂伸長率和彈性回復(fù)率與35 D 氨綸絲基本接近；20 D 氨綸絲的斷裂強度大于35 D 氨綸絲，但其絕對斷裂強力以及300%伸長時的力值小于35 D 氨綸絲，因此在20 D氨綸絲包覆紗加工中，應(yīng)適當(dāng)控制減小其加工張力。 另外從表2 中的熱收縮數(shù)據(jù)可以看出，氨綸絲的沸水收縮率隨著細度的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，這可能與氨綸纖維制備過程中，較細的氨綸絲在紡絲過程中受到的牽伸作用大，纖維參與拉伸內(nèi)應(yīng)力較大有關(guān)。 因此在后續(xù)加工過程中，應(yīng)更關(guān)注熱濕加工對細旦氨綸絲包覆紗及其織物結(jié)構(gòu)和尺寸穩(wěn)定性的影響。

表2 氨綸纖維性能測試結(jié)果

2.2 氨綸包覆紗結(jié)構(gòu)、性能測試結(jié)果與分析

圖1、圖2 和表3 分別為三種包覆紗的形貌照片和各項指標測試結(jié)果。

圖1 氨綸空氣包覆紗自然松弛狀態(tài)下的外觀形貌

圖2 包覆紗在不同狀態(tài)下的外觀形貌

表3 氨綸空氣包覆紗各項指標測試結(jié)果

(1)紗線形貌結(jié)構(gòu)

從圖1 可以看出，氨綸空氣包覆紗在松弛狀態(tài)下，具有明顯的周期性粗細節(jié)結(jié)構(gòu)和良好的蓬松外觀。 滌綸長絲束在噴嘴氣流作用下發(fā)生單絲分離角落運動，形成結(jié)構(gòu)緊密的網(wǎng)絡(luò)節(jié)部分并完成對氨綸絲的包覆；而網(wǎng)絡(luò)節(jié)之間的紗段，因為氨綸絲的彈性回縮，未發(fā)生交絡(luò)纏結(jié)的滌綸絲彎曲卷縮而形成蓬松的粗節(jié)部分，從而形成了氨綸包覆紗特殊的外觀結(jié)構(gòu)。 進一步對比可以看出，因為氨綸芯絲細度不同，三種氨綸包覆紗在外觀上表現(xiàn)出一定的差異:1＃、2＃包覆紗在松弛狀態(tài)下，其粗節(jié)部分更蓬松，這一方面使紗線具有更好的蓬松性，另一方面也增加了外包絲對氨綸芯絲的表觀覆蓋效果；當(dāng)氨綸細度為35 D 時，其3＃包覆紗粗細節(jié)分布不如1＃、2＃包覆紗明顯和有規(guī)律，網(wǎng)絡(luò)節(jié)之間紗段蓬松性較低，這是因為3＃包覆紗中氨綸絲較粗，導(dǎo)致噴嘴內(nèi)長絲的交絡(luò)運動受到影響，包覆紗的粗細節(jié)結(jié)構(gòu)和蓬松性也因此發(fā)生變化；另外對于3＃包覆紗還觀察到紗線中出現(xiàn)一種類似小辮子紗的扭結(jié)圈弧結(jié)構(gòu)，這可能與該包覆紗加工時氨綸絲的牽伸倍數(shù)較高、紗線內(nèi)的殘余應(yīng)力較大有關(guān)，導(dǎo)致3＃包覆紗結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降、氨綸絲更容易裸露在外。

從圖2 中可以看到，隨著紗線拉伸張力增加，包覆紗粗節(jié)變小，當(dāng)拉伸張力達到0.2 cN/dtex 時，包覆紗被拉伸到伸直狀態(tài)，此時粗節(jié)中原先松弛彎曲的外包長絲大部分被拉直覆蓋在氨綸芯絲上，少量未伸直的長絲在紗線表面形成小圈弧或小突起，使包覆紗具備類似短纖紗的毛羽和條干不勻特征。經(jīng)過熱濕處理后的包覆紗，氨綸與外包絲均有不同程度的收縮，紗線結(jié)構(gòu)變得更緊密均勻、粗細節(jié)周期結(jié)構(gòu)更加清晰與規(guī)律，可見適當(dāng)?shù)臒釢裉幚碛欣谔岣甙本]包覆紗的結(jié)構(gòu)均勻性。

另外，從表3 可知，隨著氨綸芯絲細度的增加，包覆紗的網(wǎng)絡(luò)度增加、而網(wǎng)絡(luò)牢度減小。 網(wǎng)絡(luò)度的結(jié)果與氨綸芯絲的牽伸倍數(shù)有關(guān)，牽伸倍數(shù)越大，低張力下紗線彈性回縮越明顯，表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)間隔更加緊密，在相同長度下測得的網(wǎng)絡(luò)度更大。 網(wǎng)絡(luò)牢度越大表明當(dāng)氨綸絲細度越小時，外包紗對于芯絲的包纏包覆作用越強，在經(jīng)過重負荷的作用下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)對于芯絲的包覆程度高不易松散，有利于氨綸包覆紗保持穩(wěn)定的紗線結(jié)構(gòu)。

(2)紗線拉伸性能分析

由表3 可知，隨著氨綸芯絲細度減小，包覆紗的斷裂強度提高、斷裂伸長率下降。 本文包覆紗制備中采用的滌綸長絲規(guī)格一樣，因此當(dāng)氨綸芯絲細度減小，包覆紗中滌綸纖維的比例增加，而滌綸纖維的強度大于氨綸絲，因此紗線的斷裂強度隨氨綸絲細度減小(即滌綸纖維比例增加)而提高。 而包覆紗斷裂伸長率隨氨綸絲細度下降而下降，其原因可能與較細氨綸絲的斷裂伸長率較小有關(guān)(見表2)。 另外，需要指出的是，由于拉伸性能是在對包覆紗施加較大預(yù)加張力，即紗線蓬松段處于伸直狀態(tài)下開始測試的，因此測得的拉伸斷裂伸長率遠小于氨綸的斷裂伸長率。

進一步分析包覆紗的拉伸曲線(見圖3)發(fā)現(xiàn)，在拉伸過程中，拉伸曲線會出現(xiàn)力值突然下降的現(xiàn)象。 我們分析認為，這是由于拉伸過程中隨著外力增大，交纏不夠緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到破壞，原本與氨綸一起承受外力的部分滌綸纖維發(fā)生滑移、松弛，承擔(dān)外力的纖維數(shù)量減少，導(dǎo)致紗線力值下降，但是隨著下夾頭繼續(xù)拉伸，松弛的纖維被拉直繼續(xù)承擔(dān)外力，拉伸曲線繼續(xù)上升，直至斷裂，該現(xiàn)象在3＃拉伸曲線中尤為明顯，這與前面測得的3＃包覆紗網(wǎng)絡(luò)度較低的結(jié)果一致。

圖3 氨綸空氣包覆紗拉伸曲線

(3)紗線拉伸彈性性能分析

圖4為三種紗線的定負荷拉伸回復(fù)曲線。

圖4 氨綸空氣包覆紗的定負荷拉伸回復(fù)曲線

從圖4 可以看出，包覆紗有兩個明顯不同的拉伸變形階段，在A－B 階段，紗線受到拉伸作用后迅速伸長，此時蓬松部分的外包覆絲為屈曲松弛狀態(tài)，僅有氨綸絲受力，隨著氨綸絲伸長，外包覆絲由屈曲開始伸直，該階段紗線拉伸特性主要體現(xiàn)氨綸絲的拉伸變形特點，因此需要克服的力很小，拉伸曲線基本與橫軸重合，強力幾乎為0；B－C 段曲線為為第二階段，主要是在外包覆絲伸直之后，外包覆絲與氨綸芯絲共同承受拉伸作用開始伸長[7]，直至拉伸至設(shè)定的負荷值，此階段紗線拉伸特性主要取決于外包絲拉伸性能。

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)可知，三種包覆紗在50%斷裂負荷作用下均表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性伸長特性和良好的彈性回復(fù)性。 其中3＃紗線的彈性回復(fù)率較低，其原因是3＃紗線在50%斷裂負荷作用下的彈性伸長率最大(331.6%)，導(dǎo)致其總變形中的塑性變形比例較高。

(4)熱收縮率測試

由表3 可以看出，包覆紗的熱收縮率隨著氨綸絲細度的增加而減小，這與單獨進行氨綸絲熱收縮性實驗的結(jié)果一致，即氨綸包覆紗的熱收縮程度主要與芯絲的熱收縮性能有關(guān)。

3 結(jié)論

本文選用10 D、20 D、35 D 氨綸單絲與滌綸POY 進行空氣氨綸包覆紗的生產(chǎn)，在測試氨綸絲性能的基礎(chǔ)上，具體分析了氨綸芯絲細度對氨綸空氣包覆紗結(jié)構(gòu)與性能的影響，結(jié)論如下:

(1)10 D 氨綸絲的斷裂強度、斷裂伸長率、彈性回復(fù)率小于20 D 和35 D 氨綸絲，而熱收縮率則大于20 D 和35 D 氨綸絲，因此在后續(xù)加工過程中，應(yīng)更關(guān)注熱濕加工對細旦氨綸絲包覆紗及其織物結(jié)構(gòu)和尺寸穩(wěn)定性的影響。

(2)隨著氨綸芯絲細度減小，紡制的空氣氨綸包覆紗具有更規(guī)律的粗細節(jié)紗線結(jié)構(gòu)、對氨綸絲更好的包覆效果和更高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)牢度。 同時，經(jīng)過熱濕處理后的三種包覆紗收縮，外觀結(jié)構(gòu)均變得更加緊密均勻。

(3)隨著氨綸芯絲細度減小，包覆紗的斷裂強度提高、斷裂伸長率下降；三種紗線在50%斷裂負荷作用下均表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性伸長特性和良好的彈性回復(fù)性。