提高作訓(xùn)服面料強(qiáng)度的技術(shù)途徑

許文飛,施楣梧

(1.武警部隊(duì)研究院 裝備技術(shù)研究所,北京 100012;2.軍事科學(xué)院 軍需工程技術(shù)研究所,北京 100010)

0 引 言

作訓(xùn)服是軍人作戰(zhàn)、訓(xùn)練和執(zhí)行其他勤務(wù)時(shí)穿著的制式服裝[1],起到保護(hù)官兵免受環(huán)境因素傷害的作用,要求面料具有良好的抵御拉伸斷裂、撕裂、頂破和磨損的性能,對(duì)物質(zhì)(空氣、水汽、塵埃)和能量(熱能、光能等)的透通性能有適當(dāng)?shù)目刂颇芰?并保證人體散發(fā)的熱量和汗氣能順暢地透過(guò)服裝,實(shí)現(xiàn)良好的熱濕舒適性．作訓(xùn)服作為戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)服裝,通過(guò)迷彩圖案和配色設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“背景融合”和“形象分割”,達(dá)到迷彩偽裝效果[2]．

夏作訓(xùn)服面料一方面需要有良好的高強(qiáng)耐磨特性來(lái)保護(hù)單兵免受作戰(zhàn)訓(xùn)練中容易發(fā)生的磕碰、跌撞、摩擦、沖擊;另一方面需要在劇烈運(yùn)動(dòng)和炎熱環(huán)境下獲得較好的熱濕傳遞效果,保證單兵在處于可耐受的應(yīng)急狀態(tài)下,發(fā)揮出良好的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平．因此,夏作訓(xùn)服面料的強(qiáng)度和透通性是具有一定矛盾，且需要相互兼顧的主要性能指標(biāo)．07式武警夏作訓(xùn)服采用滌綸60/高強(qiáng)維綸20/精梳棉20的配方,紡成19.7 tex×2(30s/2)環(huán)錠紡紗線,制得面密度為208 g/m2的作訓(xùn)服面料．以上設(shè)計(jì)體現(xiàn)了粗紗支低密度的技術(shù)思路,面料兼顧了高強(qiáng)度和良好的透氣、透濕性能[3-10]．面料的高強(qiáng)度得益于纖維強(qiáng)度達(dá)到8 cN/dtex以上的高強(qiáng)維綸的應(yīng)用,因這種高強(qiáng)維綸表面具有致密皮層,故該作訓(xùn)服面料與87式作訓(xùn)服面料相比,耐平磨次數(shù)考核指標(biāo)提高了7.2倍,由此制得的作訓(xùn)服在使用一個(gè)服役周期后多數(shù)仍然未破損．但面料顯得粗糙,質(zhì)地不夠光潔、細(xì)膩、挺括,舒適性不高[11-12].南方部隊(duì)在炎熱的夏季進(jìn)行高強(qiáng)度訓(xùn)練時(shí)仍然感到夏作訓(xùn)服面料厚重、不夠涼爽,希望在單兵防護(hù)性能不降低的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步降低面料面密度,且提高面料強(qiáng)度．因此,武警夏作訓(xùn)服面料的后續(xù)研發(fā),應(yīng)重點(diǎn)解決減重和增強(qiáng)問題,并保持良好的透氣透濕性能．

1 提高夏作訓(xùn)服面料強(qiáng)度的技術(shù)途徑分析

面料的強(qiáng)度取決于紗線強(qiáng)度和織物結(jié)構(gòu),紗線強(qiáng)度取決于纖維強(qiáng)度和成紗結(jié)構(gòu)[13-14]．武警夏作訓(xùn)服面料作為制式服裝的基本材料,不能與上級(jí)規(guī)定的作訓(xùn)服外觀發(fā)生視覺上的明顯差異．因此,必須沿用2/1組織;為了降低面料的面密度,必須適當(dāng)降低紗線的細(xì)度;紗線細(xì)度降低和面料面密度下降通常會(huì)引起面料強(qiáng)度的下降,故必須設(shè)法提高紗線的強(qiáng)度．

紗線的結(jié)構(gòu)與面料的視覺效果緊密相連,因此，須采用股線結(jié)構(gòu),合股捻向?yàn)镾捻,從而保持織物的斜紋斜向?yàn)橛倚保诩喚€中的纖維集合體結(jié)構(gòu)上,可以采用不同的紡紗方式和捻度(單紗捻度和合股捻度)來(lái)實(shí)現(xiàn)紗中纖維不同的緊密程度[15],從而盡可能地減少紗中纖維的滑移,提高紗中纖維的強(qiáng)度利用系數(shù)．高強(qiáng)維綸雖然強(qiáng)度高達(dá)8 cN/dtex以上,但纖維表面光滑.聲發(fā)射技術(shù)探明,武警夏作訓(xùn)服面料用紗線存在紗中纖維的斷裂不同時(shí)性,且其中的高強(qiáng)維綸纖維因摩擦系數(shù)偏小,紗線斷裂時(shí)高強(qiáng)維綸有較多比例是滑脫的而不是拉斷的,故導(dǎo)致紗線強(qiáng)度沒有達(dá)到理想狀態(tài),高強(qiáng)維綸在紗中的強(qiáng)度利用系數(shù)偏?。虼?為提高含維綸紗線制得的武警夏作訓(xùn)服新面料的強(qiáng)度,本文擬從以下幾方面進(jìn)行分析：提高高強(qiáng)維綸的摩擦系數(shù),從而提高紗中維綸的強(qiáng)度利用系數(shù)和紗線強(qiáng)度;提高高強(qiáng)維綸的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率,使之與棉纖維和滌綸纖維的斷裂伸長(zhǎng)率一致,提高紗線的斷裂強(qiáng)度;優(yōu)選結(jié)構(gòu)緊密的成紗方法,提高紗中纖維的強(qiáng)度利用系數(shù)和紗線強(qiáng)度;通過(guò)降低紗線細(xì)度,使織物面密度有適量下降,并保持織物的透濕性、透氣性不變．關(guān)于采用聲發(fā)射原理探測(cè)紗中不同種類纖維發(fā)生斷裂的先后次序及維綸的滑脫比例,因研究者的分工不同,將在后續(xù)專文敘述．

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材料

高強(qiáng)維綸(施加0.5%二氧化鈦粉體的高強(qiáng)維綸,二氧化鈦粒徑100 nm,金紅石型,上海全宇生物科技遂平有限公司);棉纖維、滌綸纖維(山東宏業(yè)紡織股份有限公司)．

2.2 儀器設(shè)備和測(cè)試條件

纖維摩擦系數(shù)測(cè)試:XCF-1A纖維摩擦系數(shù)測(cè)試儀(上海新儀儀器公司),絞盤法,預(yù)加張力100 mg,子樣數(shù)50;

纖維細(xì)度和強(qiáng)度測(cè)試:XQ-1型電子單纖維強(qiáng)度/細(xì)度測(cè)試儀(上海新纖儀器公司),夾持距離10 mm、拉伸速率10 mm/min,子樣數(shù)50;

紗線和織物強(qiáng)伸度測(cè)試:Instron 5566萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(Instron公司),紗線夾持距離500 mm、拉伸速率500 mm/min,子樣數(shù)30;織物(條樣法)夾持距離200 mm,拉伸速率100 mm/min,子樣數(shù)經(jīng)緯各5．

高強(qiáng)維綸加工:濕法紡絲機(jī)及醛化設(shè)備(上海全宇生物科技遂平有限公司);含高強(qiáng)維綸的紗線加工:環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)及緊密紡、賽絡(luò)紡組件(山東宏業(yè)新型面料股份有限公司)．

表 1 維綸施加TiO2前后的強(qiáng)伸度和摩擦系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 施加TiO2后維綸摩擦系數(shù)和滑移

紡織用維綸以PVA為原料,經(jīng)紡絲液制備、紡絲、牽伸、熱定型等加工制成PVA纖維,再經(jīng)醛化制得維綸纖維．為了提高維綸的摩擦系數(shù),并兼顧維綸的強(qiáng)度和加工成本,在維綸中施加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的金紅石型TiO2粉體,粉體的平均粒徑為100 nm．由表1可知,施加TiO2粉體后強(qiáng)度稍有下降(下降8.4%)，斷裂伸長(zhǎng)率稍有提高(提高4.8%),熱穩(wěn)定性不變．但靜摩擦系數(shù)提高18.23%，動(dòng)摩擦系數(shù)提高15.09%,有顯著減少滑移的效果,有利于提高混紡紗中的維綸纖維的強(qiáng)度利用系數(shù)．

3.2 斷裂伸長(zhǎng)率及紗線強(qiáng)度

用于水泥增強(qiáng)的高強(qiáng)維綸可以達(dá)到13 cN/dtex以上的強(qiáng)度,但不能耐受染整中的濕熱加工．適用于紡織染整加工的維綸纖維強(qiáng)度一般只能達(dá)到4.5 cN/dtex左右．為提高維綸強(qiáng)度,采用濕法加硼紡絲工藝,即在紡絲液中加入硼元素來(lái)削弱PVA的大量氫鍵導(dǎo)致的大分子纏結(jié)現(xiàn)象,以便于在牽伸中可以得到更高的取向度,從而有可能得到更高的強(qiáng)度;并通過(guò)改變紡絲凝固浴配方,減緩凝固速率,使維綸表面形成致密皮層,以提高維綸的耐磨性能;采用長(zhǎng)絲醛化的方法,提高維綸的水中軟化點(diǎn),維持纖維中大分子的取向度．由此制得的高強(qiáng)維綸,最高強(qiáng)度可以達(dá)到9 cN/dtex以上．

但這樣的高強(qiáng)維綸在多次牽伸后取向度過(guò)高,導(dǎo)致纖維斷裂伸長(zhǎng)率偏小,從而導(dǎo)致在滌綸/維綸/棉混紡紗中,3種纖維的斷裂伸長(zhǎng)率存在較大的差異,在紗線斷裂時(shí)出現(xiàn)斷裂不同時(shí)現(xiàn)象,從而降低了紗中高強(qiáng)維綸纖維的強(qiáng)度利用率．為此,對(duì)高強(qiáng)維綸的3個(gè)加工環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整,即首先在牽伸后的定型環(huán)節(jié)設(shè)置了給濕超喂,在維綸纖維內(nèi)部獲得高取向的基礎(chǔ)上獲得了亞微觀尺度上的松弛和收縮,以得到較大的斷裂伸長(zhǎng);然后在長(zhǎng)絲醛化前增加了熱水浸泡時(shí)間，并適當(dāng)提高熱水的溫度,使維綸在松弛狀態(tài)有進(jìn)一步的收縮;對(duì)維綸長(zhǎng)絲束強(qiáng)化了卷曲加工條件,提高了卷曲度、卷曲數(shù)和卷曲牢度．由此得到斷裂伸長(zhǎng)率較高的高強(qiáng)維綸及與對(duì)照樣相比的纖維性能指標(biāo)和成紗強(qiáng)伸度,見表2．其中常規(guī)高強(qiáng)維綸和高伸長(zhǎng)高強(qiáng)維綸均含有0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TiO2,其紡紗方法為普通環(huán)錠紡,16.6 tex(36s)．

表 2 維綸斷裂伸長(zhǎng)率與紗線強(qiáng)伸度的關(guān)系

由表2可知,通過(guò)在加工環(huán)節(jié)中為維綸提高斷裂伸長(zhǎng)率創(chuàng)造條件,高伸長(zhǎng)型高強(qiáng)維綸的強(qiáng)度雖然有所下降(下降8.64%),但在提高斷裂伸長(zhǎng)率以后(提高12.2%),紗線斷裂時(shí)的纖維強(qiáng)度利用系數(shù)得以提高,紗中纖維的斷裂同時(shí)性有所加強(qiáng),故紗線強(qiáng)力提高(上升4.6%)．

表2所得的紗線強(qiáng)度是在環(huán)錠紡紡紗方法和07式作訓(xùn)服面料生產(chǎn)時(shí)所采用的捻系數(shù)(設(shè)計(jì)捻系數(shù)397)下得到的．在維綸性能有所改變,紗線細(xì)度從19.7 tex(30s)降到16.6 tex(36s)的前提下,應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化捻度,并采用在近幾年得到飛速發(fā)展的環(huán)錠紡新技術(shù),來(lái)進(jìn)一步提高紗線強(qiáng)度．

3.3 紗線強(qiáng)度

含滌綸60/維綸20/精梳棉20的16.6 tex(36s)作訓(xùn)服紗線,采用的紡紗工藝流程為

采用滌綸與維綸混合梳理的方法來(lái)提高維綸的可紡性．在細(xì)紗工序,采用緊密紡、賽絡(luò)紡、緊密賽絡(luò)紡等環(huán)錠紡新技術(shù),比普通環(huán)錠紡有更高的紗線強(qiáng)度．但考慮到加工成本和設(shè)備的普及性,擬針對(duì)環(huán)錠紡和緊密紡進(jìn)行捻度的優(yōu)選,以便紗線得到適當(dāng)?shù)木o密程度,減少纖維，特別是維綸的滑移,避免紗中纖維的顯著斷裂不勻．表3為3種捻度的普通環(huán)錠紡和緊密紡紗線，以及每一種捻度的賽絡(luò)紡和緊密賽絡(luò)紡紗線的強(qiáng)伸度情況．

表 3 不同紡紗方式和捻度下的紗線強(qiáng)度

表4作訓(xùn)服面料性能指標(biāo)對(duì)比

Table 4 Comparison of performance indexes of combat uniform fabrics

指 標(biāo)07夏作訓(xùn)服面料標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)測(cè)值武警新夏作訓(xùn)面料標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)測(cè)值面密度/(g·m-2)208±10210.9193±10197 經(jīng)密/(根·(10cm)-1)278±8284.4305±8308.0 緯密/(根·(10cm)-1)196±10197.2216±10214.0 經(jīng)向斷裂強(qiáng)度/N≥1 4001 500≥1 5001 620 緯向斷裂強(qiáng)度/N≥900980≥9501 030 經(jīng)向撕裂強(qiáng)度/N≥105144≥105120 緯向撕裂強(qiáng)度/N≥6083≥7581 經(jīng)向斷裂伸長(zhǎng)率/%≥2025.0≥2025.5 緯向斷裂伸長(zhǎng)率/%≥2029.5≥2031.0 耐平磨次數(shù)/次≥900>900≥900>900 透氣性/(mm·s-1)≥80138≥150255 透濕量/(g·(m2·d)-1)≥9 00013 200≥9 00012 600

從表3可知,紡紗方式會(huì)影響相同纖維配比下的相同細(xì)度紗線的強(qiáng)度,總體趨勢(shì)是加捻程度偏高時(shí)有利于紗線強(qiáng)度的提高,特別對(duì)環(huán)錠紡而言,捻系數(shù)應(yīng)選擇在400左右;緊密紡因其成紗結(jié)構(gòu)本身就較緊密,故捻度可稍低于環(huán)錠紡,但得到的紗線強(qiáng)度將高于環(huán)錠紡;賽絡(luò)紡能得到與緊密紡類似的成紗效果,但因粗紗加工成本較高,從經(jīng)濟(jì)角度考慮不如緊密紡;緊密賽絡(luò)紡可以得到最高的強(qiáng)度,但紡紗企業(yè)的設(shè)備保有量低,且加工成本高,故也不符合軍隊(duì)大宗產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性要求．

因此,結(jié)合表2和表3的紗線強(qiáng)度數(shù)據(jù)看,通過(guò)調(diào)整影響維綸伸長(zhǎng)能力的紡紗工藝，選擇合適的紡紗方式,將含維綸作訓(xùn)服面料所用紗線的強(qiáng)度提高13.22%．

3.4 面料整體性能的對(duì)比分析

根據(jù)武警夏作訓(xùn)服面料面密度的設(shè)計(jì)要求,在將原07作訓(xùn)服采用19.7 tex(30s)紗改為16.6 tex(36s)紗的前提下,面密度下降了15 g/m2,提高了夏季面料的舒適性．并通過(guò)維綸的改造，紡紗方式和捻度的優(yōu)選提高紗線強(qiáng)度,最終在面料的強(qiáng)度方面,反而比07夏作訓(xùn)服的強(qiáng)度有所提高,達(dá)到了設(shè)計(jì)目的．表4為武警新研的夏作訓(xùn)服面料主要性能指標(biāo)與07夏作訓(xùn)服面料的對(duì)比.

表4中耐平磨指標(biāo)的實(shí)測(cè)值實(shí)際上可以達(dá)到2 000次以上．但為了減少測(cè)試機(jī)構(gòu)工作量,從評(píng)判考慮,只要達(dá)到900次就已經(jīng)合格,故沒有磨到出現(xiàn)連續(xù)兩根紗線斷裂的評(píng)判界限．

從表4可知,通過(guò)調(diào)整維綸的表面性狀和增加斷裂伸長(zhǎng)率,優(yōu)選紡紗方式和捻度,在降低面料面密度15 g/m2的同時(shí),提高了面料的強(qiáng)度,并同時(shí)提高了面料的透氣透濕性能,達(dá)到了研制的目的．

該面料已經(jīng)裝備到武警部隊(duì),經(jīng)一年多時(shí)間的使用,證明在強(qiáng)度和穿著舒適性方面有顯著的進(jìn)步,得到武警官兵一致認(rèn)可．

4 結(jié) 論

(1) 高強(qiáng)維綸強(qiáng)度高、耐磨性好、可染色、耐候性好、性價(jià)比高,是制作軍警作訓(xùn)服面料的理想纖維材料,并可以推廣到廠礦工裝．

(2) 采用施加TiO2粒子提高高強(qiáng)維綸的摩擦系數(shù),通過(guò)優(yōu)化維綸加工工藝提高斷裂伸長(zhǎng)率,有助于減少含高強(qiáng)維綸紗線斷裂不同時(shí)現(xiàn)象,提高高強(qiáng)維綸在紗線中的強(qiáng)度利用系數(shù)和紗線強(qiáng)度,由此實(shí)現(xiàn)夏季作訓(xùn)服面料在降低面密度基礎(chǔ)上的高強(qiáng)化,并保持良好的熱濕舒適性．