咖啡碳纖維和紗線的性能研究

劉 蕊，孟家光，張琳玫，董旭鳳

（西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

隨著咖啡碳纖維的面世，人們對(duì)其研究越來越多.江蘇大生有限公司推出了咖啡碳纖維混紡紗線，采用咖啡碳纖維與蘭精粘膠等纖維混紡，生產(chǎn)出具有抑菌除臭、發(fā)散負(fù)離子、抗紫外線特性的新型功能性紗線［1］；田小迪等為了提高織物的功能性，對(duì)負(fù)離子紗線和咖啡碳紗線交織物的功能性進(jìn)行測試，結(jié)果得出當(dāng)負(fù)離子紗線與咖啡碳紗線的緯線排列比為1∶2時(shí)，織物的蓄熱保暖和釋放負(fù)離子的綜合性能較好［2］；吳鮮鮮對(duì)咖啡紗多功能紡織品進(jìn)行研究與開發(fā)，設(shè)計(jì)出具有多功能效果及良好服用性能的床上用品及五大系列織物，并對(duì)其服用性能進(jìn)行測試分析［3］.前者多是研究咖啡碳纖維與其他纖維的混紡，生產(chǎn)出具有某種特殊功能的新型紗線，或是提高紡織品的功能性，這些研究都是要建立在對(duì)咖啡碳功能性纖維基本性能的認(rèn)識(shí)與研究的基礎(chǔ)上，因此需要對(duì)咖啡碳纖維的基本性能進(jìn)行研究.文中參考其他功能性纖維的性能測試方法［4－5］，對(duì)咖啡碳纖維及咖啡碳纖維長絲紗的基本性能進(jìn)行測試與分析.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

華楙生化科技股份有公司生產(chǎn)的規(guī)格為75D/72F，細(xì)度為8.3tex的咖啡碳纖維長絲紗.

1.2 儀器

KYKY－2800B型臺(tái)式掃描電鏡，傅立葉紅外光譜儀（美國Nicolet 5700型），YG020A型電子單紗強(qiáng)力儀，條干均勻度測試儀（YG131型），DHG－9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，JA3003N型電子天平，水浴鍋，JA3003N型電子天平.

1.3 測試方法

1.3.1 截面形態(tài) 采用KYKY－2800B型臺(tái)式掃描電鏡，觀察分析咖啡碳纖維橫截面和縱向形態(tài)結(jié)構(gòu).

1.3.2 紅外光譜 采用傅立葉紅外光譜儀（美國Nicolet 5700型）對(duì)咖啡碳纖維進(jìn)行紅外光譜測試.

1.3.3 紗線強(qiáng)度 采用YG020A型電子單紗強(qiáng)力儀對(duì)咖啡碳纖維長絲紗的強(qiáng)度進(jìn)行測試.

1.3.4 條干均勻度 采用條干均勻度測試儀（YG131型）測試咖啡碳纖維長絲紗的條干均勻度，測試指標(biāo)為CV值、細(xì)節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié).

1.3.5 含濕量 采用DHG－9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱和JA3003N型電子天平，設(shè)定烘箱溫度為105±3℃.首先用天平稱取5g的咖啡碳纖維紗線，然后放入溫度為105±3℃的干燥箱內(nèi)，烘1h后，取出紗線，迅速稱取紗線的干重，然后再次將紗線放入烘箱，繼續(xù)烘10min，取出紗線，第二次迅速稱取紗線的干重，如此反復(fù)烘干反復(fù)稱重，直至兩次重量的差與后一次重量的比小于0.05%時(shí)，停止烘干，記最后一次所測得的紗線重量為紗線的干重.每次稱重都應(yīng)在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行，即大氣壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為20℃±2℃，相對(duì)濕度為65%±3%.含水率和回潮率計(jì)算如式（1），（2）.

1.3.6 耐熱性 采用DHG－9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、水浴鍋和JA3003N型電子天平測試咖啡碳長絲紗的耐干熱和耐濕熱性能.以處理后紗線斷裂強(qiáng)力的變化和紗線的收縮程度作為評(píng)定其耐熱性的指標(biāo).耐濕熱性測試采用水浴鍋法，測試時(shí)間為30min；耐干熱性測試采烘箱烘燥紗線，烘燥時(shí)間為30s.

1.3.7 耐酸堿性 采用數(shù)字式p H計(jì)（p HS－3C型）和水浴鍋，以酸堿處理后紗線斷裂強(qiáng)力的變化情況為測試指標(biāo).用鹽酸分別配制出p H值為1，2，3，4的溶液，用碳酸鈉分別配制出p H值為9，10的溶液，再用氫氧化鈉分別配制出p H值為11，12的溶液，將水浴鍋分別加熱到25℃和100℃，然后將紗線依次放入所配溶液中，分別在水浴鍋中處理30min后，取出紗線，讓紗線自然晾干，然后測量經(jīng)過酸堿處理后紗線的斷裂強(qiáng)力.

2 結(jié)果與分析

2.1 咖啡碳纖維性能

2.1.1 截面形態(tài) 咖啡碳纖維的截面形態(tài)如圖1所示.從圖1（a）可以看出，咖啡碳纖維的橫截面呈不規(guī)則的橢圓形，且截面存在微小顆粒，具有明顯的中腔結(jié)構(gòu)，還存在一定的空隙；從圖1（b）可以看出，縱向呈圓柱體，表面也有許多微小顆粒.這些結(jié)構(gòu)有利于提高咖啡碳纖維的吸附效果.纖維縱橫截面存在微小顆粒是加入了咖啡碳粉體的緣故.

圖1 咖啡碳纖維的截面形態(tài)Fig.1 The cross－section of coffee carbon fiber

2.1.2 紅外光譜 咖啡碳纖維和滌綸纖維的紅外光譜圖分別如圖2～3所示.不同類型的有機(jī)化合物含有不同的官能團(tuán)，而不同的官能團(tuán)具有自身所獨(dú)有的紅外吸收峰，即特征吸收峰［6］.由圖2，3可以看出，咖啡碳纖維和滌綸纖維的紅外光譜圖比較匹配，其主要吸收峰峰位基本相同，但是吸收峰峰強(qiáng)略有差別，是咖啡碳纖維中加入了咖啡碳粉體的原因.兩個(gè)光譜圖都在1 720cm－1左右有明顯的吸收峰，1 720cm－1左右的吸收峰為C O特征峰，表明咖啡碳纖維的主要成分是滌綸［7－8］.

圖2 咖啡碳纖維的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrogram of coffee carbon fiber

圖3滌綸纖維的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrogram of polyester fiber

2.2 咖啡碳纖維長絲紗性能

2.2.1 紗線強(qiáng)度 實(shí)驗(yàn)測得，咖啡碳纖維長絲紗的斷裂強(qiáng)力為284.56N，斷裂強(qiáng)度為34.28c N·tex－1，斷裂伸長為97.20mm，斷裂伸長率為19.44%，結(jié)果表明咖啡碳纖維長絲紗的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長均較好.紗線強(qiáng)度越大，用其所編織織物的強(qiáng)度就越大，編織過程中紗線會(huì)受到張力和摩擦作用，因此針織用紗需要有一定的強(qiáng)度，其大小直接影響織物的耐用性能.此外，在編織成圈時(shí)，紗線還會(huì)受到扭轉(zhuǎn)變形和彎曲，為了確保其在編織過程中順利彎紗成圈，降低紗線的斷頭率，針織用紗還應(yīng)該具有一定的延伸性.

2.2.2 條干均勻度 咖啡碳纖維長絲紗條干均勻度的測試結(jié)果如表1所示.紗線沿長度方向上橫截面的粗細(xì)均勻程度稱為紗線的條干均勻度［9－10］，條干均勻度因纖維原料性質(zhì)差異而有所不同.由表1數(shù)據(jù)可得出，咖啡碳纖維長絲紗的條干均勻度較高，符合針織用紗的要求.針織用紗對(duì)條干均勻度的要求比機(jī)織用紗高，這是因?yàn)榕c機(jī)織物組織相比，針織物組織相對(duì)比較疏松，紗與紗之間的空隙相對(duì)較多，原紗的外觀品質(zhì)會(huì)在織物表面充分呈現(xiàn)，紗線的條干不勻會(huì)在織物表面顯著表現(xiàn)出來［11］.

表1 咖啡碳纖維長絲紗的條干均勻度測試結(jié)果Table 1 The evenness of coffee carbon fiber filament yarn

2.2.3 含濕量 實(shí)驗(yàn)測得，咖啡碳纖維長絲紗的含水率為1.32%；回潮率為1.30%，比滌綸的回潮率高3倍多，這是由于咖啡碳纖維長絲紗中納米級(jí)的咖啡渣顆粒具有許多微小孔洞，這對(duì)咖啡碳纖維紗線進(jìn)行編織以及針織物在編織過程中的良好成型有著重要的意義.紗線的吸濕性較好時(shí)，在編織和穿著過程中不容易產(chǎn)生靜電，而且用其編織的織物吸濕性也好，穿著舒適.

2.2.4 耐熱性 表2為咖啡碳纖維長絲紗的耐濕熱和耐干熱性測試結(jié)果.表2數(shù)據(jù)顯示，咖啡碳纖維長絲紗在熱水中煮30min后，紗線強(qiáng)度下降很小，且紗線收縮也不明顯.說明咖啡碳纖維紗線的耐濕熱性較好.紗線在不同溫度下烘干30s后，在210℃～250℃時(shí)強(qiáng)度開始下降，紗線開始收縮，在280℃時(shí)紗線有燒焦的味道，這表明紗線的耐干熱性較好.

表2 咖啡碳纖維長絲紗的耐熱性測試結(jié)果Table 2 The heat resistance testing of coffee carbon fiber filament yarn

2.2.5 耐酸堿性 表3為經(jīng)酸堿處理后咖啡碳纖維長絲紗的斷裂強(qiáng)力.由表3可知，咖啡碳纖維長絲紗在堿性條件下強(qiáng)力損失相對(duì)較大，說明咖啡碳纖維耐酸不耐堿，這與滌綸耐酸性較強(qiáng)、耐堿性較弱的性質(zhì)一致.

表3 酸堿處理后咖啡碳纖維長絲紗的斷裂強(qiáng)力Table 3 Yarn breaking strength after acid and alkali treatment

3 結(jié)束語

通過對(duì)咖啡碳纖維和咖啡碳纖維長絲紗的各項(xiàng)基本性能進(jìn)行測試與分析，可知咖啡碳纖維的橫截面呈不規(guī)則的橢圓形，且截面存在微小顆粒，具有明顯的中腔結(jié)構(gòu)，還存在一定的空隙；縱向呈圓柱體，表面也有許多微小顆粒.這些結(jié)構(gòu)有利于咖啡碳纖維的吸附效果，體現(xiàn)出咖啡碳纖維針織物的透氣性、透濕性、吸水性和抑菌除臭等優(yōu)良性能.此外，咖啡碳纖維長絲的紗線強(qiáng)力較好，斷裂伸長率也較高，耐酸不耐堿，耐濕熱性和耐干熱性均較好，條干均勻度好，符合針織用紗的要求.

［1］ 周云.江蘇大生推出咖啡碳纖維混紡紗線［J］.紡織服裝周刊，2011（6）：33.ZHOU Yun.Jiangsu Dasheng launched coffee carbon fiber blended yarn［J］.Textile and Apparel Weekly，2011（6）：33.

［2］ 田小迪，何俊，姚佳.負(fù)離子紗線和咖啡碳紗線交織物的功能性研究［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2013：23－25.TIAN Xiaodi，HE Jun，YAO Jia.Anion yarn and carbon coffee yarn interwoven fabric functional studies［J］.Modern Textile Technology，2013：23－25.

［3］ 吳鮮鮮.咖啡紗多功能紡織品的研究與開發(fā)［D］.杭州：浙江理工大學(xué)，2013：47－59.WU Xianxian.Research and development of coffee yarn multifunctional textile［D］.Hangzhou：Zhejiang Sci－tech University，2013：47－59.

［4］ 孟金鳳，孟家光，張琳玫等.柔絲纖維混紡紗及其針織物的性能測試［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（6）：663－667.MENG Jinfeng，MENG Jiaguang，ZHANG Linmei，et al.The property test of blended rose yarn and its knitted fabric［J］.Journal of Xi′an Polytechnic University，2014，28（6）：663－667.

［5］ 董旭鳳，孟家光，楊銀瑩.珍珠纖維針織面料的服用性能測試與綜合評(píng)價(jià)［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，27（1）：33－36.DONG Xufeng，MENG Jiaguang，YANG Yinying.Pearl fiber knitted fabrics taking performance testing and comprehensive evaluation［J］.Journal of Xi′an Polytechnic University，2013，27（1）：33－36.

［6］ 胡燕琴，陳玉靜，李慧華，等.反常吸收與高質(zhì)量的遠(yuǎn)紅外光譜［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2012，32（2）：339－342.HU Yanqin，CHEN Yujing，LI Huihua，et al.Anomalous absorption and high quality far infrared spectrum［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2012，32（2）：339－342.

［7］ 陸永良，沈維，劉艷.紅外光譜差減技術(shù)在紡織品定性分析中的應(yīng)用［J］.上海紡織科技，2010（7）：1－4.LU Yongliang，SHEN Wei，LIU Yan.IR subtractive technology applied in the textile qualitative analysis［J］.Shanghai Textile Science and Technology，2010（7）：1－4.

［8］ 楊堯棟，宋廣禮.針織物組織與產(chǎn)品設(shè)計(jì)［M］.北京：中國紡織出版社，2004：20－50.YANG Yaodong，SONG Guangli.Knit goods stitch and product design［M］.Beijing：China Textile Press，2004：20－50.

［9］ 陳玉國，王杏.基于形態(tài)學(xué)和PDE的紗線條干均勻度檢測方法［J］.遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（4）：404－406.CHEN Yuguo，WANG Xing.Yarn evenness detection method based on morphology and PDE［J］.Journal of Liaoning Normal University，2008，31（4）：404－406.

［10］ 陶家杰，張一心.紗線條干均勻度測試的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.紡織科技進(jìn)展，2010（5）：52－54.TAO Jiajie，ZHANG Yixin.The development status of yarn evenness test［J］.Progress of Textile Science and Technology，2010（5）：52－54.

［11］ 顧維鈾.針織用紗與針織產(chǎn)品開發(fā)［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2010（3）：13.GU Weiyou.Development of knitting yarn and knitting product［J］.Modern Textile Technology，2010（3）：13.