海藻酸鈣纖維及其混紡針織紗的開發(fā)

王建坤，鄧　浩，霍旭蒙，陳欣瑤

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津　300387；2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津　300387）

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海藻酸鈣纖維及其混紡針織紗的開發(fā)

王建坤1，2，鄧浩1，2，霍旭蒙1，陳欣瑤1

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津300387）

摘要：為開發(fā)出海藻酸鈣纖維混紡針織紗，在研究纖維的基本性能及其紡織加工特點基礎(chǔ)上，設(shè)計6種不同混紡比的海藻酸鈣/棉混紡紗，對混紡紗強伸性能、毛羽指數(shù)、條干CV值等指標(biāo)進(jìn)行了測試與分析.結(jié)果表明：海藻酸鈣纖維可紡性較差，隨著海藻酸鈣纖維含量的的增加，混紡紗的斷裂強度和斷裂伸長均降低，毛羽指數(shù)、條干不勻、粗細(xì)節(jié)均顯著增加.根據(jù)生產(chǎn)成本及這6種不同混紡比的海藻酸鈣/棉混紡紗的強伸性能、毛羽指數(shù)、條干不勻率的變化規(guī)律來看，當(dāng)海藻酸鈣纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約在5%～35%之間，紡出的海藻酸鈣/棉混紡針織紗的綜合性能優(yōu)于其他含量的海藻酸鈣混紡紗.

關(guān)鍵詞：海藻酸鈣纖維；可紡性；強伸性能；條干不勻；毛羽指數(shù)

在當(dāng)今的紡織服裝領(lǐng)域中，使用的紡織材料主要是天然纖維、合成纖維和再生纖維，其中合成纖維是不可再生資源且生產(chǎn)過程中存在高污染等問題，因此全世界的研究者都在開發(fā)生物可降解、環(huán)保型新纖維品種來替代合成纖維[1].

海藻酸鹽纖維是一種天然多糖，它是從褐藻中提取出來的一種天然多糖，由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古羅糖醛酸合成的共聚物，這兩組組分隨海藻種類和產(chǎn)地不同也有所差別[2].該纖維具有優(yōu)異的吸濕透氣性、抗菌性、阻燃作用[3-4]，在紡織方面的主要用途大多是醫(yī)用敷料、紗布等.有試驗表明，海藻纖維制成的敷料不但吸濕性好，與傳統(tǒng)紗布相比更能促進(jìn)傷口愈合[5-6]，當(dāng)海藻纖維與傷口液接觸后會形成凝膠，其有利于傷口康復(fù)，減少了病患的痛苦[7].近年來，在開發(fā)海藻纖維紡織品方面通過不同工藝將海藻纖維與其他功能纖維及互補纖維混紡而成的新型產(chǎn)品也有報道，比如海藻纖維與彩棉、牛奶蛋白纖維、毛纖維、Model纖維、芳綸纖維等進(jìn)行混紡[8-11]，可以提高產(chǎn)品的附加值.

由于海藻纖維的強力較低，在紡織服裝領(lǐng)域的研究開發(fā)也處于起步階段，所以有必要對海藻纖維及其混紡紗線的基本性能加以研究分析.本文首先從海藻酸鈣纖維的基本性能入手，對海藻酸鈣纖維的SEM、力學(xué)性能、電學(xué)性能等進(jìn)行測試分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了6種混紡比的海藻酸鈣/棉混紡紗線并進(jìn)行測試，分析海藻酸鈣纖維的含量對混紡紗線各項性能的影響，找出其在各個方面的優(yōu)缺點，對進(jìn)一步系統(tǒng)地研究海藻纖維及其混紡產(chǎn)品的性能，為海藻纖維紡織品的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和參考.

1　纖維規(guī)格及性能

1.1纖維的規(guī)格

本文選用青島海藍(lán)生物制品有限公司提供的海藻酸鈣纖維，其主要性能指標(biāo)見表1.

表1　海藻酸鈣纖維主要性能指標(biāo)Tab.1 Main properties of calcium alginate fibers

1.2纖維性能測試

1.2.1纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)

采用纖維切片器制樣，然后用TM3030環(huán)境掃描電子顯微鏡對纖維的橫截面和縱向形態(tài)進(jìn)行觀察，海藻酸鈣纖維的SEM如圖1所示.

圖1　海藻酸鈣纖維的SEMFig.1 Electron micrograph of calcium alginate fibers

由圖1可見，海藻酸鈣纖維粗細(xì)均勻，比較平直，纖維縱向分布有很多條紋，橫截面呈明顯的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，邊緣呈鋸齒形.

1.2.2纖維的摩擦性能

纖維與纖維之間、纖維與金屬之間、纖維與橡膠之間都應(yīng)具有足夠的摩擦力，這是織物具有良好尺寸穩(wěn)定性的必要條件之一[12].采用絞盤法，利用Y151型纖維摩擦系數(shù)測定儀（常州第二紡織機(jī)械廠生產(chǎn)）測試海藻酸鈣纖維與海藻酸鈣纖維、海藻酸鈣纖維與金屬輥、海藻酸鈣纖維與橡膠輥之間的動、靜摩擦因數(shù)，計算出相應(yīng)的動、靜摩擦系數(shù)值.海藻酸鈣纖維摩擦系數(shù)測試結(jié)果如表2所示.

表2　海藻酸鈣纖維的摩擦系數(shù)Tab.2 Friction coefficient of calcium alginate fibers

由表2可得：抱合參數(shù)Kl=μs（F/F）-μd（F/F）= 0.038；纏繞參數(shù)K2=μd（F/F）/μd（F/M）= 0.749；

均勻參數(shù)K3=μd（F/F）/μs（F/F）= 0.840

當(dāng)μd-μs小時，纖維很平滑，抱合性差，棉網(wǎng)難成形，條子易斷頭，粗紗強力下降；當(dāng)K2在0.8及以下，說明細(xì)紗繞羅拉次數(shù)多；當(dāng)均勻參數(shù)K3為0.7時紗線成紗疵點多，為1.0為成紗疵點少，海藻酸鈣纖維的均勻參數(shù)K3為0.840，說明其紡制成的紗線紗疵點也較多，條干不均勻[13].

從上列數(shù)據(jù)可以看出，海藻酸鈣纖維各項動、靜摩擦系數(shù)相對較低且各項差值均不大，在紡成紗時，纖維間的抱合力較差，純紡成紗后纖維間容易滑脫，需與其他強伸性能優(yōu)良的纖維進(jìn)行混紡，以彌補其強力和抱合力不足的缺陷.且纖維與纖維之間的摩擦系數(shù)均小于纖維與金屬，纖維與膠輥之間的摩擦系數(shù)，其中纖維與膠輥之間的摩擦系數(shù)最大，纖維與纖維間的摩擦系數(shù)最小，在紡紗過程中應(yīng)予以重點考慮，在生產(chǎn)中需加入抗滑油劑.

1.2.3纖維的比電阻

纖維的比電阻是預(yù)測纖維可紡性的重要方法，當(dāng)紡織材料的質(zhì)量比電阻在1010～1011Ω·g/cm2時就具有一定的防靜電能力，當(dāng)小于1010Ω·g/cm2時就具有良好的防靜電能力[14].

采用YG321纖維比電阻儀（常州市第一紡織設(shè)備有限公司生產(chǎn)），根據(jù)GB/T14342-1993《合成纖維比電阻實驗》中的相關(guān)規(guī)定要求測試?yán)w維的比電阻，測試結(jié)果如表3所示.

表3　海藻酸鈣纖維的質(zhì)量比電阻Tab.3 Specific resistance of calcium alginate fibers

由表3可知，本實驗所用的海藻酸鈣纖維的質(zhì)量比電阻為6.375×108Ω·g/cm2，高于棉纖維質(zhì)量比電阻4.875×107Ω·g/cm2，但是明顯小于1010Ω·g/cm2，因此海藻纖維具有較好的防靜電能力，使其在產(chǎn)品生產(chǎn)及服用過程中不易產(chǎn)生靜電，不易黏著灰塵.

2　混紡紗線制備

混紡比影響混紡紗的各項性能，是紡制混紡紗最重要的工藝參數(shù)之一[15].海藻酸鈣纖維與棉纖維混紡不僅影響混紡紗線的物理機(jī)械性能，還關(guān)系到成品的成本.本文在棉紡設(shè)備上采用傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗方法，設(shè)計了6種海藻酸鈣纖維/棉混紡紗線，其混紡比分別為0/100、5/95、20/80、35/65、50/50、65/35，成紗的設(shè)計線密度為18.3 tex.

2.1主要工藝流程

海藻酸鈣纖維、棉纖維→實驗用小型和毛機(jī)（XFH型）→數(shù)字式小樣梳理機(jī)（DSCa-01型）→數(shù)字式小樣并條機(jī)（DSDr-01型）→數(shù)字式小樣粗紗機(jī)（DSRo-01型）→數(shù)字式小樣細(xì)紗機(jī)（DSSp-01型）.

2.2工藝參數(shù)配置

2.2.1和毛工藝

海藻酸鈣纖維強力較差，纖維之間抱合力較小，在紡紗過程中應(yīng)注意保持加工環(huán)境的濕度在65%左右，在海藻纖維的制條過程中，要合理選配開松、梳理工藝參數(shù)，減少在制條過程中對纖維的損傷[16]，因而開清工序應(yīng)采用“多松少打，輕打重梳”的原則，適當(dāng)降低打手速度，減少打手劇烈打擊造成的纖維損傷和棉結(jié)，實驗室濕度控制在65%左右，減少飛花和靜電的影響，實驗中所用設(shè)備為小型和毛機(jī).

2.2.2混合梳理

在梳理時一般采取“適當(dāng)降低錫林和刺輥速度，調(diào)整錫林蓋板隔距”等措施[17]，為了減小梳理及紡紗過程對成紗混紡比的影響，纖維梳理階段進(jìn)行2次梳理，梳棉機(jī)的主要工藝參數(shù)如表4所示.

表4　梳棉工藝參數(shù)Tab.4 Parameters of carding process

2.2.3并條工序

采用兩道并條，一道8根并合，二道6根并合，牽伸牽伸倍數(shù)略大于并合數(shù)，本文采用的紡紗系統(tǒng)的小樣粗紗機(jī)允許喂入的熟條定重范圍為14.0 g～20.0 g，據(jù)此設(shè)定的并條主要工藝參數(shù)如表5所示.

數(shù)字式小樣并條機(jī)的牽伸形式為4/4三區(qū)直線牽伸，其中中區(qū)為張力牽伸區(qū)，如所紡纖維長度較長也調(diào)節(jié)為滑溜牽伸.

實際紡出的生條、半熟條、熟條的定量分別為：17.3 g/5 m、16.5 g/5 m、16.3 g/5 m，設(shè)計定重與實際定重之間存在一定差異，這與牽伸過程中條子有意外伸長以及羅拉打滑有關(guān).

2.2.4粗紗工序

為了提高成紗質(zhì)量，減少成紗粗節(jié)和粗紗斷頭，粗紗工序遵循大捻度、低速度、大隔距的工藝原則，粗紗主要工藝參數(shù)如表6所示.

表5　并條工藝參數(shù)Tab.5 Parameters of drawing process

表6　粗紗工藝參數(shù)Tab.6 Parameters of roving process

2.2.5細(xì)紗工序

針織用紗要求條干均勻，細(xì)節(jié)少.一般針織用紗最大以不超過100捻/10 cm為宜，實際為72[18]，對于細(xì)紗工序中鋼絲圈的選取遵循的原則是鋼絲圈重量等于紗線細(xì)度的1.5～2倍左右，或者稍微大于2倍.細(xì)紗主要工藝參數(shù)如表7所示.

表7　細(xì)紗工藝參數(shù)Tab.7 Parameters of spinning

3　混紡紗線性能測試與分析

3.1混紡紗強伸性能

采用YG029A型全自動電子單紗強力機(jī)（南通三思機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行測試，混紡比對混紡紗斷裂強力和斷裂伸長率的影響如圖2所示.

圖2　混紡紗線強伸性能Fig.2 Strength and elongation of blended yarn

圖2（a）顯示的是混紡紗強力隨與紗線混紡比關(guān)系，其多項式擬合方程為：Y = 584.4 - 85.4X + 5.857 14X2，R2= 0.99，表明不同紗線間斷裂強力之間的關(guān)系.隨著混紡紗中海藻酸鈣纖維含量的增加，紗線的斷裂強力呈快速下降趨勢，而且當(dāng)海藻酸鈣纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65%時，紗線的斷裂強力迅速下降到同等線密度棉紗的56%；圖2（b）顯示的是混紡紗斷裂伸長率與紗線混紡比關(guān)系，其多項式擬合方程為：Y = 5.315 -0.244 82X - 0.001 96 X2，R2= 0.99，整體觀察可知，0/ 100的純棉紗線斷裂伸長率最高，海藻酸鈣纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，其斷裂伸長率次之，隨著海藻酸鈣纖維含量的逐漸增加，紗線的斷裂伸長呈緩降的趨勢.根據(jù)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T71005—2006《針織用本色紗》，細(xì)度在16～20 tex范圍內(nèi)的普梳針織棉紗，單紗斷裂強度大于11.2 cN/dtex.由圖2（a）可知，各海藻酸鈣/棉混紡紗的單紗斷裂強度在12.2～25.3 cN/dtex之間，滿足普梳針織棉紗技術(shù)要求.

當(dāng)拉伸2種纖維的混紡紗時，紗線的斷裂是一個復(fù)雜的過程，包括單根纖維的多次斷裂和纖維間的滑移等.在纖維被拉直至斷裂過程中，起初是2種組分的纖維共同受力、伸長，但當(dāng)一個組分維伸長到極限斷裂之后，另一種纖維將完全承受之前2種纖維共同承受的力，加之沖量因素，造成此種纖維也迅速斷裂，形成斷紗[19].在海藻酸鈣/棉混紡紗中，較長的棉纖維則分布在紗線中心，海藻纖維強力低，在紡紗過程中長度變短、整齊度變差，在成紗過程中多分布在紗的外層.所以隨著海藻酸鈣纖維混紡比的增加，纖維的斷裂強力和伸長率逐漸下降.

3.2混紡紗線毛羽

采用YG172型紗線毛羽測試儀（陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)）對紗線進(jìn)行測試，本文選取3 mm及其以上長度的毛羽作為表征對象，測試結(jié)果如圖3所示.

圖3　混紡紗線的毛羽Fig.3 Hairness of blended yarn

由圖3可見，混紡紗線中的大于3 mm的毛羽指數(shù)隨著海藻酸鈣纖維含量的增加呈上升趨勢，擬合方程為：Y = 16.03 - 1.773 57X + 0.607 86X2，R2= 0.99.由圖3可知，隨著海藻酸鈣纖維含量的增加，混紡紗的毛羽指數(shù)逐漸上升，特別是海藻酸鈣纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于35%，混紡紗線的毛羽指數(shù)呈現(xiàn)急速上升的趨勢.由于紗線外表面大部分包覆著較短的海藻酸鈣纖維，且在紡紗過程中，纖維與導(dǎo)紗鉤、鋼絲圈等摩擦易產(chǎn)生靜電，也是造成紗線毛羽逐漸過多的因素.因此，在滿足產(chǎn)品良好服用性能的前提下，海藻纖維的含量應(yīng)較小控制.

3.3混紡紗線條干

采用USTER條干儀ME100型（上海烏斯特技術(shù)貿(mào)易有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示.

圖4（a）顯示混紡紗線條干CV值與紗線混紡比關(guān)系，其多項式擬合方程為：Y = 13.229 + 0.347 96X + 0.064 82X2，R2= 0.99；圖4（b）顯示的是混紡紗線粗細(xì)節(jié)值與紗線混紡比關(guān)系，其多項式擬合方程為：Y = 208.05-111.80893X+41.70536X2，R2=0.99；圖4（c）顯示的是混紡紗線棉結(jié)與紗線混紡比關(guān)系，其多項式擬合方程為：Y = 31 + 17.660 71X + 4.375X2，R2= 0.99.由圖4可知，當(dāng)海藻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%以后，混紡紗粗細(xì)節(jié)、棉結(jié)數(shù)量迅速增加.

從圖4中反映的規(guī)律可知，隨著海藻酸鈣纖維含量的增加，混紡紗的條干、粗細(xì)節(jié)、棉結(jié)等均逐漸增加，各紗線棉結(jié)、粗節(jié)和細(xì)節(jié)的分布規(guī)律基本一致，當(dāng)海藻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少時增加幅度緩慢，當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于35%后增長幅度加快.由圖4（a）、（b）、（c）比較可知，棉結(jié)、粗細(xì)節(jié)較多的紗線，條干不勻率也大，條干均勻度差.另外由圖4（a）可知，65/35混紡紗的條干不勻率最大，且棉結(jié)、粗節(jié)和細(xì)節(jié)也最多，這也是造成65/35混紡紗線斷裂強力和伸長率較低的一個主要原因.原材料的狀態(tài)和紡紗工藝會影響成紗條干CV值[20].本實驗所用的海藻酸鈣纖維整齊度較差，表面光滑，抱合力差，在和棉纖維混合梳理過程中不能均勻混合，造成纖維粘結(jié)，從而在紡紗過程中出現(xiàn)較多的粗細(xì)節(jié)，且海藻酸鈣纖維的短毛羽較多，漏出纖維表面易纏結(jié)，易在紗線表面形成棉結(jié).

根據(jù)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T71005—2006《針織用本色紗》，細(xì)度在16～20 tex范圍內(nèi)的普梳針織棉紗，條干不勻率應(yīng)該不大于16%～23%.由圖4可知，海藻酸鈣/棉混紡紗的條干不勻率在13.75%～17.54%之間，可滿足普梳針織紗要求.

圖4　混紡紗條干CV%、粗細(xì)節(jié)和棉結(jié)Fig.4 Evenness thick-and-thin and NEPS

4　結(jié)論

根據(jù)海藻酸鈣纖維的測試結(jié)果，海藻酸鈣纖維各項動、靜摩擦系數(shù)相對較低且各項差值均不大，導(dǎo)致海藻酸鈣纖維在紡紗過程中抱合力弱、紡紗斷頭多等問題，采用海藻酸鈣、棉纖維混紡，合理配置紡紗工藝參數(shù)，可有效改善纖維的可紡性，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，紡制出的混紡紗線的斷裂強力和條干均勻度均符合普梳針織用紗要求的范圍.經(jīng)測試，隨著海藻酸鈣纖維含量的增加，混紡紗線的強伸性能逐漸下降；成紗毛羽、條干CV、粗細(xì)節(jié)以及棉結(jié)均呈上升趨勢.

綜合考慮混紡針織紗的各項性能要求以及生本成本，當(dāng)用海藻酸鈣、棉纖維混紡紗制織服用紡織品時，從這6種不同混紡比的海藻酸鈣/棉混紡紗的強伸性、毛羽、條干不勻率等性能的趨勢圖可以看出，5/95的混紡紗線綜合性能最好，當(dāng)海藻酸鈣纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35%以上時，混紡紗線的毛羽指數(shù)和條干不勻率、粗細(xì)節(jié)急劇上升，所以綜合紗線變化趨勢和成本，建議采用海藻酸鈣纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～35%的混紡紗，可使海藻酸鈣/棉混紡紗線的綜合性能達(dá)到最優(yōu).

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Development of calcium alginate fibers and its blended knitting yarn

WANG Jian-kun1，2，DENG Hao1，2，HUO Xu-meng1，CHEN Xin-yao1
（1. School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2. Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：To develop calcium alginate fiber blended knitting yarn，six different blended ratios of calcium alginate/cotton blended yarns are designed on the basis of the basic properties of the fiber and textile processing characteristics，the strength and elongation properties，hairiness index，evenness CV value and other indicators of the blended yarns were tested and analyzed. The results show that the spinnability of the calcium alginate fiber was poor，with the increasing mass fraction of calcium alginate fiber，the breaking strength and elongation decreased，the hairiness index, evenness，the thick-and-thin were significantly increased. Through the analysis of the overall，according to the production cost and the yarn strength and elongation properties and evenness of the six different blended ratios of calcium alginate/cotton yarns，when the mass fraction of calcium alginate fiber is between 5%and 35%，the comprehensive performance of calcium alginate/cotton yarn is better than those of other calcium alginate/cotton blended knitting yarn .

Key words：calcium alginate fiber；spinnability；strength and elongation properties；evenness；hairiness index

通信作者：王建坤（1961—），女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為紡織材料新工藝、新技術(shù). E-mail：jiankunwang@tjpu.edu.cn

基金項目：國家青年科學(xué)基金資助項目（51403154）

收稿日期：2015-10-21

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.01.005

中圖分類號：TS102.2；TS104.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671－024X（2016）01－0022－06