高緊度形狀記憶纖維/棉機(jī)織物的記憶性能

全瓊瑛，胡金蓮，呂 晶

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000;2.香港理工大學(xué)，香港 999077)

智能化紡織品在服飾、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?］，而能感受外界刺激并進(jìn)行響應(yīng)的智能化纖維是其關(guān)鍵所在。香港理工大學(xué)形狀記憶研究中心研發(fā)的形狀記憶聚氨酯纖維(SMF)具有良好的形狀記憶功能［2］;此外動態(tài)力學(xué)分析顯示其應(yīng)力與應(yīng)變曲線介于氨綸與美國陶氏公司研發(fā)的新型彈性纖維XLA之間，呈中等彈性。由SMF織制的織物具備起拱回復(fù)、折痕保持、褶皺回復(fù)以及較好的合體性［3］。

形狀記憶聚氨酯的形成主要是通過控制聚合物硬段的含量和軟段的分子質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)［4］。在分子設(shè)計(jì)時引入交聯(lián)劑和封端劑，可得到適度交聯(lián)的已封端的形狀記憶聚氨酯，通過濕法紡絲制備出SMF［5］，其除了具備普通纖維的物理力學(xué)性能外，還可通過感應(yīng)外界溫度，在變形態(tài)和原始形狀之間作自由轉(zhuǎn)換，從而表現(xiàn)出典型的智能纖維特征。

形狀記憶機(jī)織物的記憶性能與織物組織、緊度有著密切的關(guān)系。研究表明：平紋組織織物的形狀記憶性能為最優(yōu)，其他各種組織(包括斜紋、緞紋和4枚破斜紋等)織物相互之間則無明顯差異;隨著織物緊度的增大，其形狀記憶性能呈較明顯的下降趨勢［6］。

高緊度織物一般指的是總緊度超過90%的織物?？紤]到織物組織的因素，采用機(jī)織物緊度系數(shù)β對機(jī)織物整體緊度進(jìn)行更為客觀的表征，以β≥1作為織物達(dá)到高緊度的標(biāo)準(zhǔn)［7］。隨著紡織品設(shè)計(jì)開發(fā)日益高檔化，采用高緊度設(shè)計(jì)手法是機(jī)織物設(shè)計(jì)開發(fā)的一個重要趨向。為研發(fā)滿足使用要求的高緊度形狀記憶織物，有必要對高緊度狀態(tài)下此類織物的記憶性能進(jìn)行研究，本文重點(diǎn)探討SMF的分布和含量對織物記憶性能的影響。

SMF目前大多作為包芯紗(或包纏紗線)中的芯紗應(yīng)用于機(jī)織物，其形變固定和形狀回復(fù)特性使得整根紗線具有相應(yīng)的形狀記憶性能。織物在進(jìn)行單向拉伸的過程中，經(jīng)、緯向具有交互作用［8］，即外力對織物一向的拉伸將牽拉另一向的紗線，使得織物另一向的相關(guān)性能發(fā)生某種變化。此外由于經(jīng)緯紗之間存在摩擦力，尤其在織物緊度較高時，其拉伸變形回復(fù)能力將出現(xiàn)異于常規(guī)的一些變化。本文設(shè)計(jì)織制15塊SMF在織物中呈不同分布狀態(tài)及不同含量的高緊度形狀記憶纖維/棉機(jī)織物，同時設(shè)計(jì)制作1塊相同規(guī)格的純棉機(jī)織物作為參照樣，進(jìn)行形狀記憶性能的測試和比較分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

本文采用7.8 tex SMF與精梳棉粗紗進(jìn)行包芯紗紡制，得到總線密度為28 tex的形狀記憶纖維/棉包芯紗，用以織制試樣。

設(shè)備及測試儀：經(jīng)改進(jìn)的A512型短纖包芯機(jī)、GA391型單紗漿紗機(jī)、GA193型單紗整經(jīng)機(jī)、SGA598型全自動劍桿織樣機(jī)、Rapid IR-6305小樣染色機(jī)、R-3小樣定型機(jī)，Instron5566萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試樣制備及測試

1.2.1 包芯紗制備

紗線紡制的技術(shù)關(guān)鍵為牽伸倍數(shù)的選擇，以有效控制因纖維冷拉伸引起的變形，經(jīng)試驗(yàn)確定牽伸比為1.1倍。此外為增加纖維之間的抱合力，并獲得良好的包覆性以避免染色后“露芯”病疵的發(fā)生要適當(dāng)提高包芯紗捻系數(shù)［9］，在本文中設(shè)計(jì)成高于相同規(guī)格常規(guī)紗線20%左右，即確定捻度為70捻/10cm。包芯紗制備工藝如下：

1.2.2 試樣織物規(guī)格

本文共設(shè)計(jì)織制16種織物，采用A和B 2種紗線按經(jīng)緯向不同排列進(jìn)行織制，其中：紗線A為28 tex形狀記憶纖維/棉包芯紗;紗線 B為28 tex棉紗。

由此得到分布不同的形狀記憶纖維織物，見表1?？椢锏钠渌?guī)格參數(shù)相同，經(jīng)密為440根/10cm，緯密為295根/10cm(坯布260)，組織為2上2下加強(qiáng)斜紋。織物經(jīng)向緊度為86.15%，緯向緊度為57.76%，總緊度達(dá)94.15%，織物緊度系數(shù)β=1.11，屬高緊度織物范疇。

表1 試樣中形狀記憶纖維分布Tab.1 Distribution of shape memory fiber in samples

1.2.3 織物生產(chǎn)工藝

織物的生產(chǎn)工藝為：

1.3 形狀記憶性能測試

1.3.1 形狀記憶性能表征

用于描述含SMF織物形狀記憶性能的參數(shù)為形變固定率和形狀回復(fù)率［10］。將形狀記憶織物在一定溫度下實(shí)施形變εm，其將發(fā)生部分回縮，沒有回縮的形變?yōu)楣潭ㄐ巫儲舊。將織物加熱至形變回復(fù)溫度以上，織物有回復(fù)至原始尺寸的傾向，最終殘留形變?yōu)?εr，稱 εf- εr為恢復(fù)形變。

形變固定率

形狀回復(fù)率

Rf數(shù)值越大，表明織物固定瞬時形變的能力越強(qiáng)。Rr數(shù)值越大，表明織物在經(jīng)歷一系列的熱機(jī)械變形后回復(fù)其原來形狀的能力越強(qiáng)。

1.3.2 測試方法

采用Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)，按熱循環(huán)拉伸方法進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)定隔距為50 mm，終點(diǎn)位置為7.5 mm，即拉伸為15%(εm);夾持試樣，將溫度設(shè)定至70℃，然后在室溫(21℃)下開啟試驗(yàn)儀;當(dāng)試樣達(dá)到設(shè)計(jì)伸長εm時，卸去負(fù)荷，測量εf數(shù)值;待試樣被加熱至70℃得到回復(fù)后測量εr數(shù)值。然后將其冷卻至室溫，開始下個循環(huán)，每個試樣重復(fù)3次并求取相應(yīng)參數(shù)的平均值，所有試樣均按經(jīng)、緯2個方向進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 測試結(jié)果

表2 示出試樣記憶性能測試結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 SMF含量與記憶性能的關(guān)系

1)SMF含量與織物形變固定率的關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果可知，15種高緊度含SMF織物的經(jīng)向和緯向形變固定率指標(biāo)值一致性程度較高，無明顯的依形狀記憶纖維含量不同而發(fā)生變化的規(guī)律，且與不含SMF的對照樣16#織物的形變固定率無顯著差異。分析認(rèn)為，由于織物緊度高，經(jīng)緯紗之間的摩擦力阻止了拉伸后織物的回縮;此外，由于經(jīng)向緊度高于緯向，使得緯向的回縮更為困難，從而緯向的形變固定率總體高于經(jīng)向。

由于試樣織物形變固定率指標(biāo)值一致性程度較高，故本文僅就形狀回復(fù)率的變化規(guī)律展開分析。

表2 試樣記憶性能測試結(jié)果Tab.2 Results of samples for shape memeory properties%

2)SMF含量與形狀回復(fù)率的關(guān)系。形狀回復(fù)率指標(biāo)值與SMF含量的關(guān)系總體呈現(xiàn)出2個特征：一是經(jīng)向Rr整體高于緯向，這是因?yàn)榭椢锞曄蚓o度要比經(jīng)向低得多，從而織物經(jīng)向形狀回復(fù)時所受到的阻力比緯向要小得多;二是總體上隨著SMF含量增加，Rr值有增大趨勢，這個規(guī)律在經(jīng)向較為明顯，在緯向則并不十分顯著，且在SMF含量較高的區(qū)域出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。如緯向SMF含量為27.9%的1#、2#、3#、4#和5#織物的緯向形狀回復(fù)率均低于緯向SMF含量20.9%的6#織物(緯向形狀回復(fù)率達(dá)67.3%)。分析認(rèn)為織物在高緊度狀態(tài)下，經(jīng)緯紗線之間的摩擦力阻礙SMF發(fā)揮形狀回復(fù)作用。由于試樣織物的經(jīng)向緊度大大高于緯向，從而造成緯向Rr并不嚴(yán)格遵循隨含量的增加而提高的規(guī)律。

3)從測試結(jié)果可知，織物緯向形狀回復(fù)率整體指標(biāo)值已低于70%。表明織物某一向的緊度存在1個極限值，當(dāng)超過這個數(shù)值時，織物另一向的形狀回復(fù)性能可能會失去實(shí)際使用價值。

2.2.2 織物單向含SMF時的記憶性能

1)單向含SMF織物在另一向也具備一定的形狀記憶性能。5#、13#、14#和 15#織物經(jīng)向均不含SMF，但它們的經(jīng)向形狀回復(fù)率指標(biāo)值分別為64.0%、55.5%、51.6%和 48.7%，均高于對照樣16#織物的 45.3%;9#、10#、11#和 12#織物緯向均不含SMF，但它們的緯向形狀回復(fù)率指標(biāo)值分別為43.1%、44.8%、42.3%和 44.0%，均高于對照樣16#織物的41.1%?？椢锪W(xué)研究表明，織物中纖維的交叉點(diǎn)一旦在一向受到拉伸，則另一向會產(chǎn)生與桁架結(jié)構(gòu)中鉸接點(diǎn)類似的轉(zhuǎn)動［11］，產(chǎn)生收縮和剪切變形。正是由于這種作用機(jī)制，織物含有SMF的一向所擁有的形狀記憶性能將“傳遞”至另一向。由于試樣織物經(jīng)向緊度大大高于緯向，就纖維交叉點(diǎn)而言經(jīng)向緊而密、緯向松而疏，因此緯向拉伸載荷對經(jīng)向的收縮和剪切效果更加明顯，這一點(diǎn)從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得到印證。

2)單向含SMF織物記憶性能與SMF含量的關(guān)系。選取 5#、13#、14#、15#織物和對照樣 16#織物對織物經(jīng)向不含SMF時其緯向SMF含量與形狀回復(fù)率的關(guān)系進(jìn)行分析。首先，緯向Rr指標(biāo)值在SMF含量為20%以下時無顯著變化，當(dāng)SMF含量超過20%以后呈明顯增大之勢，分析認(rèn)為在經(jīng)向緊度很高的狀態(tài)下，由于經(jīng)緯紗相互之間摩擦力的阻礙，只有當(dāng)緯向SMF含量達(dá)到某個較高水平時，其緯向的形狀回復(fù)率才能得到顯著提高;其次，經(jīng)向Rr指標(biāo)值隨著緯向SMF含量的增加呈穩(wěn)步增長之態(tài)，印證了織物含有SMF的一向所擁有的形狀記憶性能將傳遞至另一向這一機(jī)制;此外，不含SMF的經(jīng)向形狀回復(fù)率指標(biāo)值總體上高于含有SMF的緯向，看似反常，但分析認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因仍然系織物經(jīng)緯向緊度存在較大差異所致。

選取 9#、10#、11#、12#織物和對照樣 16#織物對織物緯向不含SMF時其經(jīng)向SMF含量與經(jīng)向形狀回復(fù)率的關(guān)系進(jìn)行分析。首先，緯向不含SMF時經(jīng)向形狀回復(fù)率總體隨著經(jīng)向SMF含量的增加而呈上升之勢，而11#織物(經(jīng)向SMF含量為13.9%)的經(jīng)向Rr指標(biāo)值稍現(xiàn)異常。分析認(rèn)為由于織物經(jīng)緯紗相互之間摩擦力的阻礙，織物某一向的Rr值只有在該向SMF含量達(dá)到一定水平(從本文試驗(yàn)的結(jié)果分析應(yīng)為15%左右)時，才會遵循隨含量的增加而提高的規(guī)律。其次，緯向形狀回復(fù)率指標(biāo)值在經(jīng)向SMF含量逐步增加的情況下沒有發(fā)生明顯變化，且與對照樣16#織物的指標(biāo)值相比提高幅度很小。分析認(rèn)為由于織物經(jīng)向緊度很高，導(dǎo)致經(jīng)紗所含有的SMF的形狀回復(fù)功能傳遞給緯向的作用變得非常弱。此外，經(jīng)向形狀回復(fù)率指標(biāo)值整體上高出緯向較多，這一方面是因?yàn)樵嚇酉到?jīng)向單向含SMF織物，另一方面還是由于織物經(jīng)向緊度遠(yuǎn)高于緯向。

2.2.3 織物雙向含SMF時的記憶性能

1)緯向SMF含量固定時經(jīng)向SMF含量與形狀回復(fù)率的關(guān)系。選取 1#、2#、3#、4#和 5#織物對織物緯向SMF含量為27.9%時其經(jīng)向SMF含量與形狀回復(fù)率的關(guān)系進(jìn)行分析。首先從總體來說經(jīng)向形狀回復(fù)率隨著經(jīng)向SMF含量的增加而呈提高態(tài)勢;3#織物經(jīng)向Rr指標(biāo)值相對偏低而稍顯異常。分析認(rèn)為與2.2.2中2)的情況類似，由于織物經(jīng)緯紗相互之間摩擦力的阻礙，織物某一向的Rr值只有在該向SMF含量達(dá)到一定水平(15%左右)時，才會遵循隨含量的增加而增大的規(guī)律。其次，緯向Rr指標(biāo)值隨經(jīng)向SMF含量的增加呈類似S形的走勢，其波動范圍不大。分析認(rèn)為由于織物經(jīng)向緊度高，且緯向本身SMF含量已相當(dāng)高(均為27.9%)，使得經(jīng)紗所含有的SMF的形狀回復(fù)功能傳遞給緯向的作用極弱;此外，形狀回復(fù)率指標(biāo)值總體上亦為經(jīng)向高于緯向，其原因仍然是織物經(jīng)緯向緊度存在較大的差異。

2)經(jīng)向SMF含量固定時緯向SMF含量與形狀回復(fù)率的關(guān)系。選取 1#、6#、7#、8#和 9#織物對織物經(jīng)向SMF含量為27.9%時其緯向SMF含量與形狀回復(fù)率的關(guān)系進(jìn)行分析。首先總體來說經(jīng)向形狀回復(fù)率隨著緯向SMF含量的增加而呈提高態(tài)勢，分析認(rèn)為由于織物緯向緊度相對較低，造成緯紗所含有的SMF的形狀回復(fù)功能可以傳遞給經(jīng)向，但緯向SMF含量為0的9#織物經(jīng)向Rr指標(biāo)值相對較高、稍顯異常。這一現(xiàn)象可以解釋為織物某一向所含有的SMF之形狀回復(fù)功能傳遞給SMF含量較高的另一向(本例為27.9%)時，只有在SMF含量達(dá)到一定水平(從本文試驗(yàn)的結(jié)果分析應(yīng)為20%左右)時，傳遞效應(yīng)才會顯現(xiàn)，使被傳遞向的Rr指標(biāo)值遵循隨含量的增加而提高的規(guī)律。其次，緯向Rr指標(biāo)值隨緯向SMF含量的增加整體上呈上升走勢，但波動很大，且緯向SMF含量最高的1#織物的指標(biāo)值反而較低，分析認(rèn)為由于織物經(jīng)向的緊度高，削弱了緯向所含SMF的形狀回復(fù)功能，使得緯向Rr并不嚴(yán)格遵循隨SMF含量的增加而提高的規(guī)律;此外，由于織物經(jīng)向緊度大于緯向，形狀回復(fù)率指標(biāo)值總體上仍然是經(jīng)向高于緯向。

3 結(jié)論

1)遵循含SMF高緊度機(jī)織物記憶性能變化的規(guī)律，對織物參數(shù)和形狀記憶纖維分布進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可使高緊度機(jī)織物具有較好的形狀記憶性能，其中形變固定率接近80%，形狀回復(fù)率也可達(dá)到75%左右，仍具有較好的實(shí)用價值。

2)織物某一向的緊度存在1個極限值，當(dāng)超過這個數(shù)值時，織物經(jīng)緯紗之間的摩擦力將阻礙SMF發(fā)揮作用，使得織物另一向的形狀回復(fù)性能可能會失去實(shí)際使用價值。

3)單向含SMF織物因拉伸載荷對另一向的收縮和剪切效應(yīng)，使得在另一向也具有一定的記憶性能。

4)在高緊度狀態(tài)下，由于經(jīng)緯紗相互之間摩擦力的阻礙，只有在SMF含量達(dá)到一定水平時，織物的形狀記憶性能才能得到顯著的提高。

5)雖然高緊度機(jī)織物記憶性能與SMF總含量的相關(guān)度不很明顯，但在某一向SMF含量固定(或不含SMF)時，織物另一向的記憶性能仍隨SMF含量增加而提高。

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