乙丙彈性復合紗線的制備及其性能

中圖分類號： TQ342⁺ . 69 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）08-0019-07

彈性纖維因其具有較高的回彈率和斷裂伸長率等特點，在服裝、醫療、建筑、環境等領域中發揮著重要作用[1-3]。目前，市場上的彈性纖維主要包括聚氨酯、聚烯烴和聚醚酯彈性纖維。然而，聚氨酯纖維多采用溶液紡絲制備，所使用的有機溶劑容易造成嚴重的環境污染[4]，環保型非異氰酸酯類聚氨酯制備成本較高[5-6]，聚醚酯彈性纖維彈性回復率和彈性穩定性不足7，常規的聚烯烴彈性纖維吸濕性較差且應力松弛明顯，其應用場景嚴重受限，因此急需開發一種新型彈性纖維或紗線。

目前，針對聚烯烴纖維的改進方案主要為機械共混以發揮其增韌作用[8-10]。以埃克森美孚公司開發的Vistamax（VM）為例，Darweesh等[i」制備了聚丙烯（PP）與VM二元共混物，其機械性能結果表明，隨著VM含量的增加，共混物的斷裂伸長率顯著增強，但彈性模量卻從 600MPa 降至 16MPa 。彭瑩瑩等[12]采用熔融紡絲工藝制備了以VM為芯層、PP為皮層的皮芯復合纖維，當紡絲溫度為 230°C 、皮芯復合比例為50/50時，復合纖維的綜合性能最佳。Osicka等[13]將VM與改性氧化石墨烯顆粒共混制備復合材料，復合材料表現出良好的相容性和更高的柔韌性。

然而，VM纖維的共混改性始終受制于改性材料的熔融加工可行性及其VM基體的相容性，對其吸濕性及應力松弛等缺陷也難以實現改進，而化學改性方案復雜且成本較高，尤其是VM纖維在包芯紗中的應用研究更為稀缺。本文通過熔融紡絲法制備VM彈性纖維，探究紡絲溫度對其力學性能的影響，并選用不同特性的外包纖維（包括棉纖維、芳綸及超高分子量聚乙烯（UHMWPE））制備包芯紗，進一步探究包芯紗在力學性能等方面的改進情況。本文研究對VM纖維材料的拓展開發具有重要意義，也將為后續開發高彈、高強度、手感柔軟的織物面料提供必要參考。

1實驗

1. 1 實驗材料

Vistamaxx 6202、Vistamaxx 7020BF、ExxonMobilPP5032E5（以下簡稱VM6202、VM7020BF和PP），埃克森美孚；氨綸絲70D，淮安僑新新材料股份有限公司;棉纖維、高強高模聚乙烯纖維（High-strengthhigh-moduluspolyethylene fibers，UHMWPE）、芳綸纖維，粗紗細度均為49.2tex，粗紗定量均為 4.25g/（10m） 。主要原料的產品參數見表1，外包纖維的性能參數見表2。

表1原料產品參數Tab.1Raw material product parameters

表2外包纖維性能參數

Tab.2Outer fiber performance parameters

1. 2 原料準備

取適量的VM6202、VM7020BF和PP顆粒物，浸入去離子水中，并在密封狀態下超聲波清洗 30min ，以去除顆粒表面離子和雜質。隨后，加入無水乙醇進行超聲波清洗 50min ，以充分去除原料表面的微生物、油脂等有機物質。待原料清洗完成后，在60^°C 下進行烘干，以揮發原料表面殘留的溶液及水分，直至原料顆粒分明且無粘連，封袋備用。

1.3 聚烯烴纖維的制備

將原料在熔融紡絲試驗機（LH-2-25，無錫蘭華紡織機械有限公司）中進行紡絲。實驗中，設定螺桿轉速為 20r/min ，計量泵轉速為 12.8r/min ，摩擦輥速度為 86.5m/min ，油輪轉速為 3.6r/min ，牽伸倍數為1.72。在保持上述參數不變的前提下，僅調整紡絲螺桿區及紡絲箱體的溫度，以此依據不同的紡絲溫度設定纖維樣品組。

1. 4 聚烯烴包芯紗的制備

在制備聚烯烴包芯紗的過程中，采用了在細紗機（EJM128K型，上海二紡機股份有限公司）上安裝氨綸包芯裝置（JC-AL型，南通金機電有限公司）的技術，選用環錠紡工藝進行加捻和卷繞。在紡紗過程中，兩根粗紗通過導紗器引導，保持平行狀態進入牽伸區，并在一定間距內由后羅拉輸出并分別進行加捻。同時，聚烯烴彈性纖維在芯絲預牽伸羅拉的作用下被牽伸，并通過導絲輥與加捻的粗紗在前羅拉處匯合形成紗線。最終，成紗由導紗板引導，通過鋼領上的鋼絲圈緊密纏繞在錠子上的筒管上，紗線的張力驅動鋼絲圈隨錠子旋轉，從而完成紡紗過程。前羅拉直徑： 25mm ，退繞羅拉直徑： 40mm ，牽伸倍數：2.0，退繞轉動比：9.375。

1.5 性能測試與表征

1.5.1 流變性能測試

采用旋轉流變儀（MCR102型，上海保圣實業發展有限公司）對超聲清洗后的原料進行流變性能測試，測試溫度設定為175、190、205℃及 220^°C 。通過分析不同溫度下的流變曲線，探究原料的流變特性。采用熔體流動速率儀（XNR-400C型，承德金和儀器制造有限公司）測定VM6202和VM7020BF在不同溫度下的流動速率，每個樣品重復測試10次。

1.5.2 熱性能測試

采用差示掃描量熱儀（DSC-214型差示掃描量熱儀，耐馳科學儀器商貿（上海）有限公司）對清洗后的各原料進行熱性能測試與表征。實驗過程中，升溫速率為 10^°C/min ，測試溫度范圍為 30^°C 至300^°C 。整個實驗過程均在高純氮氣保護下進行。

1.5.3 微觀形貌測試

采用場發射掃描電鏡（GeminiSEM300型，德國CarlZeiss公司）觀察聚烯烴纖維的表面形貌及聚烯烴包芯紗的基本結構特征，并比較不同外包纖維對聚烯烴纖維的包覆效果

1.5.4 拉伸性能測試

采用材料拉伸機（EZ-LX型，島津儀器（蘇州）有限公司）對聚烯烴纖維樣品組進行拉伸性能測試，并與氨綸絲進行對比分析。同時，采用電子萬能材料試驗機（XJ910型，上海湘杰儀器儀表科技有限公司）對聚烯烴包芯紗樣品組的拉伸性能和循環拉伸性能進行測試。紗線拉伸的夾持距離為 20mm ，拉伸速度 300mm/min ，每組樣品的測試次數不少于5次。在循環拉伸性能測試過程中，拉伸速度為70mm/min ，初始拉伸長度為 30mm ，定伸長值分別設定為 15mm 和 30mm ，即對應于原長的 50% 、100% ，每組樣品循環拉伸50次。

2 結果與分析

2.1 原料性能

紡絲溫度往往決定著聚合物纖維的品質。圖1為VM6202、VM7020BF及PP在 175～220^°C 的流變性能曲線。從圖1中可以看出，3種原料均表現出明顯的剪切變稀現象，黏度隨著溫度升高及剪切速率增加而降低。其中，VM7020BF及PP在 175～ 190^°C 之間的黏度下降幅度較大，在 190～220^°C 下流變曲線重合度較高，而VM6202對于溫度變化則表現出較為清晰的階梯性。此外，在相同溫度下，VM6202具有比VM7020BF及PP更高的黏度（見圖2）和更低的熔體流動速率（見圖3），表明VM6202的分子量較高且分布較為均勻，有利于后續紡絲溫度的調控。

圖13種原料在不同溫度下的流變曲線Fig.1Rheological curves of three raw materials at different temperatures

圖2各原料在 205°C 下的流變曲線

圖4是不同原料的DSC升溫曲線，從圖中可以看出，由于PP均聚物具有一定的結構規整性，在125～182C 之間出現了一個熔融峰，而VM6202和VM7020BF只在 60～120^cC 的溫度范圍內出現了兩個熔融峰，可能是由于部分熔融-再結晶、多晶共晶等現象導致了熔融多峰現象的出現[14]，但其較小的熔融峰峰值表明無定形的乙烯鏈段破壞了丙烯鏈段的規整性，使得可結晶鏈段變短，從而導致結晶度降低[15-16] 。

圖3在不同溫度下Vistamaxx彈性體的熔體流動速率

圖4不同原料的DSC升溫曲線

Fig.4DSC heating curves of different raw materials

2.2 聚烯烴纖維性能分析

圖5（a）—（d）是在不同紡絲工藝參數（見表3）下纖維的微觀形貌，結果表明，在所研究的溫度范圍內，紡絲溫度對聚烯烴纖維的直徑、表觀形貌及內部結構并未產生顯著影響，纖維直徑約為 1.1mm ，其微觀結構表現出較高的穩定性和一致性。為便于性能比較，本文選用氨綸（ ，見圖5（e））為對比樣，從拉伸曲線（見圖6（a））中可以看出，大多數聚烯烴纖維樣品的斷裂強度均高于氨綸絲，其中1#纖維的斷裂強度和斷裂伸長率分別達到了 0.474cN/dtex 和

1072.5% ，高于氨綸的 0.275cN/dtex 和 850% （見表（4））。此外，在 50% 和 100% 的循環拉伸實驗（見圖 6（b）-（c） ）中可以看出，隨著拉伸循環次數的增加，聚烯烴纖維樣品的拉伸強力逐漸降低并趨于恒定，而氨綸在循環拉伸過程中始終保持穩定，表明氨綸的抗蠕變性能不足，因此后續將針對1#纖維進行外包纖維制備包芯紗來改善其強力損失，

表3聚烯烴纖維紡絲溫度及標號Tab.3Spinning temperature and grade of polyolefin fibers

圖5纖維樣品組的SEM圖Fig.5SEM images of fiber sample groups

圖6纖維樣品組拉伸性能曲線

Fig.6Tensile property curves of fiber sample groups

表4纖維樣品組拉伸性能數據表

Tab.4Tensile property data of fiber sample groups

2.3 聚烯烴包芯紗性能分析

使用UHMWPE纖維、芳綸及棉纖維對以上1#纖維進行外包制備包芯紗，從微觀結構（見圖7（a）—（c））上可以看出，3種包芯紗均未出現芯紗外露現象，外包纖維整體包覆均勻。另外，UHMWPE及芳綸外包的紗線包纏較為緊密，飄絲相對較少，而棉外包紗線的表面則相對雜亂，飄絲較多，這是由于棉纖維的強力較低且易于卷曲，導致紗線內部纖維排列不夠緊密，表面不夠平整，容易產生毛羽，從而表現出一定程度的不均勻性。

此外，通過對成紗后直徑變化的分析發現，與純聚烯烴纖維相比，棉/聚烯烴包芯紗的直徑有所增粗，而UHMWPE/聚烯烴包芯紗和/芳綸聚烯烴包芯紗的直徑則有所減小。這一現象可以歸因于棉纖維相對較柔軟且富有彈性。在包裹過程中，棉纖維容易發生膨脹，無法與芯紗緊密貼合，從而導致包芯紗呈現出更大的體積感和蓬松感。相對而言，芳綸和UHMWPE纖維則較硬且強度較高，纖維間的摩擦系數較低，使得在包覆過程中能夠更緊密地貼合芯紗，減少了纖維間的空隙，從而使包芯紗的直徑變細。

圖7 聚烯烴包芯紗的SEM圖

Fig.7SEM images of polyolefin core-spun yarns

圖8（a）為各包芯紗的拉伸曲線。相較于純聚烯烴纖維，包芯紗的斷裂強力和斷裂伸長率分別出現了明顯的提升和下降，其中芳綸外包紗線的斷裂強力達到21.5N，斷裂伸長率僅為 186% ，表明芳綸的高強高模特性對紗線拉伸強力的提升。UHMWPE/聚烯烴包芯紗的斷裂強力為12.4N，且其斷裂伸長率最佳，達到 280% 。棉/聚烯烴包芯紗斷裂強力最差，盡管保持了芯紗的強力，但斷裂伸長率大幅下降。

相比于聚烯烴1#的循環拉伸 50% 的曲線，聚烯烴包芯紗樣品組在經過多次拉伸后，拉伸強力未出現明顯的損失（見圖8（b）和表5），這表明在 50% 拉伸下，外包纖維能夠有效保持纖維的彈性，增強其耐久性。而在 100% 拉伸下，UHMWPE和棉外包紗線均表現出顯著的蠕變現象，其原因可能是UHMWPE分子間容易發生滑移，導致纖維變形并產生較大的蠕變伸長，而棉纖維在拉伸載荷作用下，內部結構由松散變為致密，粘滯效應明顯，經過多次拉伸后表現出較高的強力損失率，進一步反映出其耐久性較差和強度較低。相比之下，芳綸/聚烯烴包芯紗在多次循環拉伸后仍能保持較高的強力，展現出優異的耐疲勞性能和良好的耐久性。此外，在 100% 拉伸下，芳綸的高強高模特性得到進一步體現，芳綸/聚烯烴包芯紗的抗拉強力最高。

圖8聚烯烴包芯紗樣品組拉伸性能曲線

Fig.8Tensile properties curves of polyolefin core-spun yarn sample groups

表5各樣品材料的循環拉伸性能數據表

Tab.5Cyclic tensile property data sheet of each sample material

3結論

本文首先對聚烯烴原料進行了篩選，再通過熔融紡絲法制備聚烯烴纖維，基于不同外包纖維種類制備了包芯紗，經過測試分析得到的主要結論如下：a）Vistamaxx6202表現出較為穩定和均衡的流變特性，可視為熔融紡絲的優選對象。b）所制得的聚烯烴纖維表面光滑，無明顯缺陷。當紡絲溫度為 175°C 時，聚烯烴纖維在拉伸性能方面顯著優于氨綸，并且在循環拉伸測試中表現出優于其他紡絲溫度下的纖維c）外包纖維制備的包芯紗在保持彈性的同時，顯著增強了耐疲勞性能和抗拉強力。

由于紡絲過程不易調控，因此制備的聚烯烴纖維在細度上存在一定的偏差。然而，本文制備的新型聚烯烴纖維和紗線表現出優異的強度和耐疲勞性，為彈性纖維的發展提供了一定的參考。

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Abstract：Elastic fibers are widely used in many fields dueto their low modulus，high elongationand excelent elasticity.Curently，the main types of elastic fibers on the market include polyurethane，polyolefin and polyether ester elastic fibers.However，polyurethane fibers are mostly prepared by solution spinning，which involves the use of organic solvents that can causeserious environmental polution.Although environmentall friendly non-isocyanate polyurethane has improved in terms of environmental protection，itsproductioncost is relatively high.Polyether esterelastic fibers suffer from inadequate elastic recoveryand elastic stability.Conventional polyolefin elastic fibers have problems of poor hygroscopicity and obvious stress relaxation，which severely limit their applications in scenarios requiring high elastic recoveryand stability.Therefore，there is anurgent need to develop a new type of elastic fiber or yarn.Currently，the main improvement strategies for polyolefin fibers primarily involve mechanical blending to enhance their toughness.However，these methods are constrained bythe melt processing feasibilityof the modified materialsand their compatibility with the polyolefin matrix，making it challnging toaddress defects such as hygroscopicityand stress relaxation.Chemical modification methodsare complex and costly，especially the application research of the polyolefin fiber in core-spun yarns is even morescarce，which restricts its further development and application.In this paper，the ethylene-propylene copolymer Vistamaxx （VM） was selected as the polyolefin matrix to prepare elastic fibers through the melt spinning process.The effect of spinning temperature on the mechanical properties of the fibers was investigated.By adjusting the spinng temperature，the breaking elongation，strength，and cyclic tensile properties of the fibers were observed to find out the most suitable spinning temperature for VM fiber preparation.Different types of outer fibers，including coton，aramid，and ultra-high molecular weight polyethylene （UHMWPE），were selected to prepare core-spun yarns，and further analysis was conducted on the improvement in mechanical properties and other aspects of these yarns.The results showed that Vistamaxx 62O2 exhibited more balanced rheological properties，and the prepared fibers had a smooth surface without obvious defects or cracks. Additionally， when the spinning temperature was 175‰ ，the polyolefin fibers demonstrated optimal breaking elongation and cyclic tensile properties.In addition，wrapping the fibers with UHMWPE，aramid，and cotton significantly enhanced theyarn strength and durability while maintaining fiber elasticity.The prepared polyolefin core-spun yarns were uniformly wrapped，with no exposure of the core yarn.Polyolefin fibers prepared by melt spinning exhibit excellnt properties， and their core-spun yarns possess practical value.These results show that polyolefin fibers have potential application prospects in meeting the requirements of fabric strength and elasticity，and provide important support for the development of polyolefin fiber materials.

Keywords： polyolefin elastomer; melt spinning; polyolefin fibers; core-spun yarns； tensile properties