包覆工藝對高強彈性包覆紗的拉伸性能影響

黃浚峰，方 園

(浙江理工大學材料與紡織學院，杭州 310018)

包覆工藝對高強彈性包覆紗的拉伸性能影響

黃浚峰，方 園

(浙江理工大學材料與紡織學院，杭州 310018)

針對普通包覆紗強度低、容易露芯的缺點,采用精密包覆工藝技術(shù)以高強聚乙烯、錦綸、氨綸彈力絲為原料，研發(fā)出雙層結(jié)構(gòu)的包覆紗，賦予紗線強度高、耐磨性好、彈性優(yōu)的性能。通過對照性試驗分析，系統(tǒng)地對比氨綸絲的線密度、氨綸絲牽伸比、包覆捻度等因素對成紗質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明：當錦綸/氨綸絲線密度為77.8dtex、牽伸比3.6、包覆捻度480T/m時，包覆紗的綜合性能最好。

包覆工藝；包覆紗；紗線結(jié)構(gòu)；影響因素；拉伸性能

0 引 言

隨著人們自我防護意識的增強，對紡織品的安全防護性能提出了更高的要求，使得對紗線的要求也隨之提高。斷裂強力、耐磨性等逐漸成為判斷紗線優(yōu)劣的重要的性能指標。伴隨高性能纖維材料的不斷發(fā)展，如何有效利用現(xiàn)有的高性能纖維材料，通過與其它纖維材料(如氨綸、錦綸絲等)的再復合，開發(fā)出高附加值、高性能的產(chǎn)業(yè)用新型復合紗已經(jīng)成為了當前國內(nèi)紡織產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級的一個重要內(nèi)容。目前國內(nèi)企業(yè)在多功能防護類產(chǎn)品上的生產(chǎn)技術(shù)方面仍存在缺乏深入研究，產(chǎn)品的技術(shù)含量較低、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模較小，不能滿足需求等缺點。

近年來高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，新性能纖維不斷涌現(xiàn)，客觀上為高強高性能紗線的研發(fā)提供了條件，其中高強聚乙烯纖維以其優(yōu)異的綜合性能被廣泛應(yīng)用于軍事、航天等領(lǐng)域，也逐漸成為生產(chǎn)防護材料的首選。但在高強聚乙烯與其他纖維之間的優(yōu)化組合，研發(fā)出具有多種紗線優(yōu)良性能方面研究相對比較缺乏[1]。

本文以高強聚乙烯，錦綸和氨綸為原料，通過包覆工藝得到高強彈性包覆紗，不僅保證紗線具有較高的彈性和透氣性，而且賦予紗線良好力學性能。該紗線可被用來編織一系列防護產(chǎn)品，如抗切割防護手套等，從而為從業(yè)人員的安全提供保障。

1 包覆工藝

1.1 原料的選擇與包覆流程

普通彈力包覆紗以連續(xù)氨綸長絲為芯紗，外層以化纖長絲或棉、化纖純紡紗/混紡紗以螺旋狀的形式纏繞在芯絲外側(cè)，形成彈力包覆紗。這種以化纖長絲或棉為原料得到的包覆紗存在強力較低、耐磨性差、易露芯等缺點。雖然芯紗可以采用較高的牽伸比保證拉伸時不發(fā)生芯絲裸露現(xiàn)象，但仍無法完全避免露芯的情況出現(xiàn)。錦綸具有一系列優(yōu)良的性能，其耐磨性居紡織纖維之首，是改善包覆紗耐磨性差的最佳選擇。而近年來新型纖維的不斷發(fā)展，高強聚乙烯纖維以優(yōu)異的綜合性能被廣泛應(yīng)用到各種領(lǐng)域。選用具有高性能的高強聚乙烯纖維、耐磨性較好的錦綸為外包材料，采用精密包覆技術(shù)，包覆氨綸、錦綸絲，通過對牽伸、加捻和卷繞工藝參數(shù)的精確控制和工藝優(yōu)化，使纖維形成多向緊密型分布的線性結(jié)構(gòu)，從而得到具有強度高、耐磨性好、彈性優(yōu)的雙層包覆紗[2]。

包覆主要包括原料的上機、牽伸、外層絲包覆、卷繞等工序，在包覆過程中以單根氨綸纖維作為芯絲，被牽伸至一定的長度，這樣的牽伸會一直保持到紗線完成包覆動作，最后被卷裝至成品筒子上。包覆時通過恒張力紗線喂入裝置保證包覆紗以一定的張力喂入織機。包覆紗的內(nèi)層以錦綸為原料通過S捻包覆芯絲氨綸，外層使用高強聚乙烯絲以Z捻包覆內(nèi)層紗線。包覆時內(nèi)層的錦綸絲會在錦綸絲筒子上通過退捻然后被加捻包覆至氨綸絲上，錦綸絲在卷繞至芯絲上后，會在張力的作用下自發(fā)的覆蓋芯絲，形成良好的包覆形態(tài)，完成一次包覆。高強聚乙烯通過Z向加捻包覆在單層錦綸/氨綸紗上完成二次包覆，得到高強彈性包覆紗，包覆流程如圖1所示。

圖1 氨綸絲的包覆流程

1.2 高強彈性包覆紗的成紗機理

彈性包覆紗成紗過程是錠子高速回轉(zhuǎn)，外層紗線在外力作用下不斷包覆芯紗的過程。本文研發(fā)的高強彈性包覆紗是以氨綸絲、錦綸絲、高強聚乙烯纖維3種纖維原料在空心錠子包覆機上經(jīng)過兩次包覆后紡制而成，如圖2(a)。

包覆機工作時，由紗筒子上引出氨綸絲，在皮輥牽伸機構(gòu)的牽拉下以一定的牽伸比引入到包覆機構(gòu)[3]?？招腻V子在龍帶的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)層錦綸絲迅速從空心錠子上退繞，包覆在氨綸芯紗上，完成一次包覆，此后以相同方式在單層錦綸/氨綸紗上繼續(xù)包覆外層高強聚乙烯，在龍帶的作用下兩個錠子呈反向旋轉(zhuǎn)，由于慣性的作用，包覆紗自身回轉(zhuǎn)退繞而被引出，經(jīng)過加捻，纏繞在經(jīng)空心錠子引出的氨綸絲上，最后在引紗輥、往復導紗器的引導下卷繞成平行筒子，如圖2(b)所示。

圖2 高強彈性包覆紗的成紗過程

1.3 高強彈性包覆紗的結(jié)構(gòu)

相比普通包覆紗在張緊狀態(tài)下有露芯的缺點，而研發(fā)的高強彈性包覆紗采用二次包覆的方式，內(nèi)外層分別包覆。二次包覆形成復合彈性紗具有緊密分布的線性結(jié)構(gòu)，不但保證纖維間相互配合，而且解決了芯紗裸露的難題，賦予紗線優(yōu)良的綜合性能[4]。

經(jīng)過紡制得到結(jié)構(gòu)如圖3所示的包覆紗，芯紗氨綸在牽伸后使包覆紗具有良好的彈性；中層的錦綸以S捻包覆在氨綸絲外面，賦予紗線一定的彈性、透氣性；最外層的高強聚乙烯纖維以Z捻包覆在單層包覆紗外層，保護內(nèi)層紗線，使包覆紗不僅具有錦綸耐磨的優(yōu)點，而且賦予紗線高性能纖維高強、高模、耐沖擊等優(yōu)良的力學性能。使用Carl Ziess實體顯微鏡在30倍放大下觀察包覆紗的結(jié)構(gòu)，電鏡照片如圖4所示。

圖3 高強彈性包覆紗結(jié)構(gòu)形態(tài)

圖4 高強彈性包覆紗電鏡照片

2 影響包覆紗拉伸性能的因素分析

包覆紗的成紗質(zhì)量與許多因素有關(guān)，在包覆生產(chǎn)工藝過程中，包覆紗拉伸性能的優(yōu)劣與紗線的線密度、牽伸倍數(shù)、包覆捻度息息相關(guān)[5]。將這三種因素對包覆紗拉伸性能的影響在HDOZIN型強力測試機上進行分析研究。測試時參照GB/T 3916標準，拉伸速度250mm/min；隔距500mm；預加張力(0.05±0.01)cN/dtex；環(huán)境溫度21℃，濕度64%。在分析紗線拉伸性能時保持高強聚乙烯作為外層包覆絲參數(shù)不變，以錦綸/氨綸絲線密度、捻度和牽伸倍數(shù)三個因素作為包覆紗性能分析時的變量。

2.1 線密度對包覆紗拉伸性能的影響

線密度對紗線成紗質(zhì)量的影響很大，以線密度為222.2dtex高強聚乙烯長絲保持不變，錦綸/氨綸絲預牽伸倍數(shù)為3.6，捻度為480T/m為定值，錦綸/氨綸絲的線密度分別取33.3、44.4、77.8、116.7dtex，經(jīng)過空心錠子包覆機紡制的包覆紗為測試對象[6]。紡制后的紗線在標準條件下平衡48h后對包覆紗拉伸性能進行測試，結(jié)果如表1。由表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著線密度的增加包覆紗的斷裂強力先增加到一定大小，隨著線密度的持續(xù)增加，斷裂強力開始逐漸減小；而紗線的斷裂伸長率則隨著線密度的增大而增大。

表1 不同線密度下紗線拉伸強力的測試結(jié)果

這是因為一方面紗線的線密度越大，紗線橫截面內(nèi)所包含纖維數(shù)越多，單位面積內(nèi)受力纖維越多，能承受的外力越大，紗線的強力就越高，但另一方面由于氨綸絲雖然彈性好、斷裂伸長率高，但是斷裂強力卻很低。當氨綸線密度繼續(xù)增大時，纖維的直徑也會隨著增大，降低了外層纖維之間的抱合力，從而使包覆紗的斷裂強力下降。同時，纖維間抱合力降低也會使紗線間作用力減少，導致紗線內(nèi)部的纖維的滑移量增大，致使包覆紗的斷裂伸長隨著氨綸線密度的增大而增大[7]。通過測試分析，結(jié)合紗線強力和伸長率的變化趨勢認為在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，選用77.8dtex的錦綸/氨綸絲不但能夠保證紗線具有良好彈性，而且能夠充分發(fā)揮紗線的力學性能。

2.2 氨綸絲牽伸倍數(shù)包覆紗拉伸性能的影響

氨綸絲喂入量的變化決定了氨綸絲牽伸變形量和氨綸絲張力的變化，氨綸絲的張力大小對保持紗線包覆結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、包覆絲良好回彈性和包覆度的均勻性影響較大，通過控制氨綸絲喂入速度和彈性包覆紗卷繞速度可改變氨綸絲牽伸倍數(shù)。

保持高強聚乙烯線密度222.2dtex不變，選定錦綸/氨綸絲線密度為77.8dtex、捻度480T/m，分別取預牽伸倍數(shù)為2.8、3.2、3.6、4.0四種比例的錦綸/氨綸絲，在空心錠子包覆機紡制成包覆紗。在標準條件下平衡48h后，對不同氨綸絲牽伸倍數(shù)條件下包覆紗進行性能測試，測試結(jié)果如表2。由表可以發(fā)現(xiàn)，當氨綸絲的牽伸倍數(shù)增大時，包覆紗的斷裂強力也隨之增強；斷裂伸長率呈先增大后減小的趨勢，在牽伸倍數(shù)為3.6左右時，斷裂伸長率達到最大值[8]。

表2 不同牽伸倍數(shù)下紗線拉伸強力的測試結(jié)果

這是由于當牽伸倍數(shù)較小時，芯紗氨綸的彈性性能沒有被充分的利用，從而造成包覆紗的斷裂伸長率比較低。隨著牽伸倍數(shù)的增大，斷裂強力和斷裂伸長隨之增加，但牽伸倍數(shù)存在一個限度，超過這一限度時包覆紗的強度和伸長率反而會下降。綜合考慮，取錦綸/氨綸絲牽伸比為3.6時最為合理。

2.3 捻度對包覆紗拉伸性能的影響

紗線捻度是紗線結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容，包覆紗的捻度不僅會影響紗線的包覆度，而且對包覆紗的強力產(chǎn)生影響。選定錦綸/氨綸牽伸倍數(shù)為3.6、線密度為77.8dtex、高強聚乙烯線密度為222.2dtex，分別取捻度為280、320、360、480、520T/m 5種包覆捻度，在包覆機上紡制成高強彈性包覆紗。對不同包覆捻度條件下包覆紗進行性能測試，結(jié)果如表3所示。隨著包覆捻度的增加，包覆紗的斷裂強力也隨之增大。當捻度為480T/m時，斷裂強力達到最大值，隨著捻度的持續(xù)增加，斷裂強力開始減??；而斷裂伸長率與包覆捻度呈正相關(guān)，隨著捻度的增加，斷裂伸長率也隨之增大。

表3 不同包覆捻度下紗線拉伸性能

這是因為當包覆捻度較小時，外層纖維之間的抱合力比較小，使纖維之間容易產(chǎn)生滑移，從而使包覆紗的強力較低；捻度的增加會造成紗線軸向的壓力增強，使得纖維間摩擦力變大，從而使紗線滑移量減小，紗線強力增大，但當捻度過大時，會導致纖維過度傾斜，降低了紗線軸向上的有效分力，反而使紗線強力降低，消弱了紗線的力學性能。同時，捻度過高還會影響包覆紗的手感，使柔軟性降低、手感較硬[9]。

結(jié)合高強聚乙烯纖維高強、高模，錦綸絲耐磨性高，氨綸彈性優(yōu)的特點，綜合考慮各項測試數(shù)據(jù)，認為當捻度為480T/m左右時，能夠最大發(fā)揮各種紗線原料的性能，使包覆紗具有較高的強力和理想的彈性性能[10]。

3 結(jié) 論

通過對纖維原料的選擇、紗線成紗機理，結(jié)合實驗測試，可得到以下結(jié)論：

a) 高強彈性包覆紗是一種多組分雙層包覆結(jié)構(gòu)的紗線，通過采用精密包覆技術(shù)，內(nèi)外層包覆，結(jié)合原料自身的特點，不僅賦予紗線較好的柔軟性和較高的彈性，而且搭配耐磨性能優(yōu)良的錦綸纖維，解決紗線耐磨性差的缺陷，同時外層包覆高性能纖維，保證包覆紗具有優(yōu)良的綜合性能。

b) 在氨綸絲工藝上，影響包覆紗質(zhì)量的因素大致可歸納為線密度、氨綸絲牽伸倍數(shù)和捻度。其中隨著線密度、捻度的增大會使包覆紗的斷裂強力呈現(xiàn)先增大后減少的規(guī)律，而紗線斷裂強力則隨著牽伸倍數(shù)的增大而增大。

c) 測試結(jié)果表明，當選定222.2dtex高強聚乙烯纖維搭配參數(shù)為：77.8dtex錦綸/氨綸絲、捻度為480T/m、牽伸倍數(shù)為3.6時，經(jīng)過包覆工藝研發(fā)形成的高強彈性包覆紗具有較高的強度和伸長率，具有良好的可編性。

[1] 薛 元.芯鞘型長絲/短纖包芯復合成紗機理及其產(chǎn)品開發(fā)展望[J].紡織導報，2002(5)：159-161.

[2] 莊興民.聚乙烯自增強復合材料的制備與力學性能研究[D].上海：東華大學，2005，14-22.

[3] 馬秀鳳.粘/氨包覆紗紡紗工藝研究及其產(chǎn)品開發(fā)[D].青島：青島大學，2007，22-24.

[4] Anonymous.The facts about cut-resistance[J].ISHN,2011,45(2):450-452.

[5] 烏軍峰，毛 雷.滌綸氨綸包覆紗性能測試與分析[J].棉紡織技術(shù)，2009(9)：19-21.

[6] 王靜榮，李杰新，謝莉青，等.環(huán)錠細紗機紡包芯紗的成紗機理研究[J].青島大學學報，2002(17)，82-85.

[7] 于偉東，儲才元.紡織物理[M].上海：中國紡織大學出版社，2009：71.

[8] 李云燕，胡傳榮.實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京：化學工業(yè)出版社，20008：124.

[9] 高廣遠，張玉清.捻系數(shù)與氨綸預牽伸倍數(shù)對天絲彈力包芯紗力學性能的影響[J].中國纖檢，2007(10)：50-52.

[10] 官江明，商大偉，李成波，等.萊賽爾/氨綸包芯紗的開發(fā)及成紗性能的試驗分析[J].上海毛麻科技，2012(2)：2-5.

(責任編輯：許惠兒)

Effect of Covering Technology on Tensile Properties of Coated Yarn with High-Strength Elasticity Yarn

HUANGJunfeng,FANGYuan

(College of Materials and Textiles; Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

In allusion to low intensity and easiness of core exposure of ordinary coated yarn, coated yarn with double-layer structure was researched and developed by precise coating process and high-strength polyethylene/nylon/spandex as raw materials to improve yarn intensity, abrasive resistance and elasticity. The effects of linear density, draw ratio and coating twist of spandex on yarn quality were compared through control experiment. The results show that comprehensive performance of covered yarn is best under the following conditions: line density of spandex 77.8 dtex, draft ratio 3.6 and coating twist 480 T/m.

coating process; coated yarn; yarn structure; influence factors; tensile properties

2014-12-19

浙江省經(jīng)濟和信息化委員會2012年創(chuàng)新專項(2012-548)

黃浚峰(1989-)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事紡織新產(chǎn)品開發(fā)與現(xiàn)代紡織技術(shù)的研究。

TS104.7

A

1009-265X(2015)05-0004-04