生物基錦綸56 混紡紗線的制備及其性能分析

楊富玲 顧洪達 錢志強 王 鐘 王國和

（1.蘇州大學(xué)，江蘇蘇州，215021；2.常熟滌綸有限公司，江蘇蘇州，215535）

我國自主研發(fā)的生物基錦綸56（以下簡稱PA56），減少了對石油化工產(chǎn)品的使用，具有綠色和可再生的優(yōu)點。多年來，受國外原料壟斷的影響，我國錦綸行業(yè)在國際競爭中一直處于劣勢地位。生產(chǎn)錦綸66 的主要原料己二胺（己二腈）的生產(chǎn)技術(shù)和定價權(quán)受外企控制，我國錦綸66 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展極度受限。PA56 的成功研發(fā)和大批量生產(chǎn)也將會逐漸打破錦綸66 長期被國外壟斷的現(xiàn)狀［1］。

PA56 全稱生物基聚己二酸戊二胺，由石油基己二酸和生物基戊二胺聚合而成［2］，其中生物基含量高達41%［3］，戊二胺以可再生資源如玉米、高粱、小麥等含淀粉作物為生物質(zhì)原料，使用微生物法發(fā)酵制備［4］，生產(chǎn)過程釋放的溫室氣體少，具有良好的環(huán)境效益。ELTAHIR Y A 等對所制備的PA56 纖維的各項性能進行表征，發(fā)現(xiàn)在不同拉伸比的條件下紡絲，PA56 的力學(xué)性能稍低于錦綸6，但其吸濕回潮率高于錦綸6［5］。于維才探析了PA56 的物理性能和可紡性，通過控制紡絲工藝，可以紡出一定規(guī)格和強度的PA56預(yù)取向長絲［6］。吳田田、陳美玉等人詳細研究了PA56 的等溫結(jié)晶和非等溫結(jié)晶性能［7?8］。張晨等研究了低速紡PA56 長絲的性能，結(jié)果表明PA56可紡性良好，纖維力學(xué)性能與錦綸66 相似，回彈性、親水性能良好，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的生物基纖維材料［9］。李蒙蒙和馬雪松等人研究了PA56 染色性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PA56 可使用多種染料染色，具有低溫上染的特點，且色牢度優(yōu)良、提升性好、上染速率快、上染率高［10?11］。郝新敏等研究發(fā)現(xiàn)PA56 纖維本身具有良好的阻燃性，其極限氧指數(shù)可達32.1%［12］。

PA56 作為新型功能性材料，集生態(tài)環(huán)保友好特性和良好的彈性舒適性于一身，將具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究以PA56 短纖維為原料，采用環(huán)錠紡紗工藝，分別與棉、粘膠、莫代爾纖維混紡制備混紡比為50/50 的20.83 tex×2 紗線，探討其縱向形貌、強伸性能、毛羽指標、條干CV 值、吸放濕性能，測試混紡紗線在標準溫濕度條件下的回潮率、吸放濕曲線，使用Matlab 軟件擬合紗線吸、放濕過程曲線，為PA56 短纖混紡紗產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用提供理論支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

本試驗所用的PA56 短纖維為相關(guān)課題研制纖維，棉纖維選用新疆長絨棉，粘膠、莫代爾為市場購買的常規(guī)纖維。PA56 短纖維純紡時纖維間抱合力小，難以成條，紡紗過程易斷頭，紗線毛羽、條干不勻率和弱環(huán)遠高于混紡紗線，紗線力學(xué)性能差，未顯現(xiàn)出PA56 纖維本身優(yōu)良的力學(xué)性能；長絨棉品質(zhì)佳，長度均勻，可紡性能好；粘膠和莫代爾纖維都是性能優(yōu)良的可再生纖維素纖維，具有良好的吸濕透氣性、可紡性與織造性。選用棉、粘膠、莫代爾這3 種纖維和PA56 短纖維混紡，可提高PA56 短纖維的可紡性，優(yōu)勢互補，充分發(fā)揮各原料優(yōu)點，混紡得到綜合性能優(yōu)良PA56 短纖混紡紗。4 種纖維的主要性能指標如表1 所示。

表1 4 種纖維的主要性能指標

1.2 紡紗工藝流程

為了使試驗結(jié)果具有對比性，PA56 短纖維與3 種纖維素類纖維混紡時采用相同的混紡比和紡紗工藝。在試驗前，為紡制性能優(yōu)良的PA56混紡紗，采用多種混紡比試紡，經(jīng)測試分析發(fā)現(xiàn)，混紡比為50/50 時，紗線質(zhì)量最佳。經(jīng)原料混和、開松、梳理、預(yù)并、一道并條、二道并條、三道并條、粗紗、細紗、絡(luò)筒、并線和倍捻等工藝流程紡制成紗。紡紗過程采用實驗室環(huán)錠紡數(shù)字化小樣快速紡紗系統(tǒng)，混紡紗線規(guī)格如表2 所示，股線捻度均為40 捻/10 cm。

表2 3 種PA56 混紡紗線的規(guī)格

1.3 混紡紗線性能測試

以下紗線性能測試樣品均為混紡紗線原樣。

1.3.1 強伸性能

參照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗斷裂強力和斷裂伸長率的測定（CRE）法》中的測試方法，使用INSTRON?3365 型萬能材料試驗機進行測定。測試參數(shù)：夾持長度500 mm，拉伸速度500 mm/min，試驗環(huán)境條件溫度（20±2）℃，相對濕度（65±2）%，試驗次數(shù)20 次，試驗結(jié)果取平均值。

1.3.2 毛羽、條干均勻度

采用ME100 型烏斯特條干儀，測試速度50 m/min，測試長度100 m，試驗環(huán)境條件溫度（20±2）℃，相對濕度（65±2）%，測試5 次，結(jié)果取平均值。

1.3.3 吸、放濕性能測定

參照GB/T 6503—2017《化學(xué)纖維 回潮率試驗方法》中的測試方法，吸濕時將紗線試樣放入溫度為105 ℃的鼓風烘箱中干燥6 h 后立即取出，放濕時將紗線放入底部盛有水的密閉玻璃干燥皿中，模擬相對濕度100%的環(huán)境，紗線靜置72 h達到吸濕平衡，取出后放置在溫度（20±2）℃，相對濕度（65±2）%的環(huán)境中達到放濕平衡。期間，用精度0.000 1 g 的電子分析天平每隔5 min稱量一次。

2 紗線性能與測試結(jié)果分析

2.1 紗線強伸性能

3 種PA56 混紡紗線的強伸性能測試結(jié)果如表3 所示。

表3 3 種PA56 混紡紗線強伸性能測試結(jié)果

紗線在后續(xù)的搬運和織造過程中會反復(fù)受到力的作用，為保證紡紗順利并得到優(yōu)等產(chǎn)品，要求紗線具有良好的強伸性能。由表3 可以看出，3 種混紡紗線的斷裂強度和斷裂伸長率都能滿足機織、針織用紗的要求。

PA56 纖維本身具有良好的強伸性能，混紡紗線在拉伸至斷裂的過程中，PA56 起主要承載外力負荷的作用。3 種混紡紗線中，PA56 粘膠紗線的強伸性能最佳，PA56 莫代爾紗線僅次之，PA56 棉紗線較低，分析主要原因如下。

（1）棉纖維屬于天然纖維，主體長度短于PA56，在成紗過程中更易出現(xiàn)在紗線外層，根據(jù)紗線斷裂拉伸機理，處于外層的棉纖維的傾斜度和伸直度最大，缺少內(nèi)層PA56 纖維向心力的束縛，容易在外力作用下最先發(fā)生伸直、斷裂，而纖維間的滑脫促進了紗線在拉伸應(yīng)力作用下的斷裂。

（2）PA56 和粘膠、莫代爾這兩種纖維混紡時，混和纖維長度整齊度高于和棉纖維混紡，紗線單位截面內(nèi)承受外力拉伸的纖維多，出現(xiàn)弱環(huán)的概率降低，隨之紗線強力增大。

（3）粘膠和莫代爾纖維細度低于棉纖維，纖維越細，混紡時纖維間抱合越緊密，纖維間摩擦力也越大，不易發(fā)生滑脫現(xiàn)象，所以紗線強伸性能也逐漸上升。

（4）粘膠和莫代爾纖維干態(tài)強伸性能優(yōu)于棉纖維，紗線在拉伸應(yīng)力作用下，棉纖維先發(fā)生斷裂，因此造成混紡紗線強伸性能下降。

2.2 紗線毛羽、條干均勻度

試驗所得的紗線毛羽與條干指標如表4所示。

表4 3 種PA56 混紡紗線毛羽與條干指標測試結(jié)果

從表4 可以看出，3 種混紡紗線毛羽H 值接近且偏高，其中PA56 棉混紡紗線的毛羽H 值最高，PA56 莫代爾混紡紗線次之，PA56 粘膠混紡紗線略低。毛羽產(chǎn)生的主要原因是加捻過程中纖維扭轉(zhuǎn)剛度與細度平方呈正比，纖維彎曲困難，端部翹起或者分離形成毛羽。粘膠和莫代爾纖維都比棉纖維細，纖維越細，紗線截面中纖維數(shù)量越多，纖維排列越緊密，纖維末端就不易從紗體滑脫，紗線毛羽H 值就越低。為降低混紡紗線毛羽，可以在細紗工序中適當?shù)卣{(diào)整后區(qū)牽伸倍數(shù)，防止纖維擴散，控制纖維運動；或者適當增加紗線捻度，加捻有利于增加纖維間的抱合力，增加紗條的集束性；也可以選擇其他紡紗技術(shù)，如集聚紡、賽絡(luò)紡等，減少毛羽產(chǎn)生。

紗線的條干不勻會影響紗線的力學(xué)性能和外觀質(zhì)量，在后續(xù)的織造中容易在弱環(huán)處產(chǎn)生斷頭，影響織造的順利進行，也會使織物的使用壽命縮短。從表4 中可以看出，3 種混紡紗線條干均勻度較好，且其不勻率及CV 值接近，說明紡紗過程工藝控制較好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，優(yōu)等品率高。

3 種混紡紗線的常發(fā)性紗疵數(shù)量都屬于較低水平，其中PA56 粘膠混紡紗線粗細節(jié)和棉結(jié)最少，紗線結(jié)構(gòu)均勻。PA56 棉混紡紗線中粗細節(jié)和棉結(jié)較多，主要原因是棉纖維屬于天然纖維，含有少量的棉結(jié)、葉屑、棉籽殼等雜質(zhì)，在開清棉梳理過程中有殘留。為控制紗疵數(shù)量要重視合理混配，在清棉時梳打結(jié)合，做到精細梳理，在并條前及時清理混入的雜質(zhì)，保證紗線質(zhì)量。紗線條干均勻、疵點少會使紗線強力上升，有利于上機織造，織造過程中不易產(chǎn)生斷頭，布面不易起毛起球、格紋清晰且疵點少。

2.3 紗線吸放濕性能

測試并計算紗線的回潮率，應(yīng)用Matlab 分析軟件，對測試數(shù)據(jù)進行指數(shù)方程曲線擬合，得到紗線吸濕、放濕過程中回潮率對時間的回歸方程曲線和回歸方程。

2.3.1 吸濕回潮率回歸分析

PA56 混紡紗線吸濕過程回潮率回歸曲線如圖1 所示。

圖1 PA56 混紡紗線吸濕過程回潮率回歸曲線圖

由圖1 可看出，3 種混紡紗線的吸濕回潮率變化呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律，吸濕初期0 min～60 min內(nèi)，3 種混紡紗線的吸濕回潮率接近且吸濕速率比較快；60 min～150 min 內(nèi)，3 種混紡紗線的吸濕回潮率繼續(xù)上升，但上升速率逐漸減緩，PA56 粘膠混紡紗線和PA56 莫代爾混紡紗線的吸濕回潮率仍非常接近，但PA56 棉混紡紗線的吸濕回潮率明顯低于其他兩種紗線；150 min 之后，3 種混紡紗線逐漸進入吸濕平衡階段，吸濕回潮率趨于平穩(wěn)，最終測得PA56 棉混紡紗線的平衡回潮率約為6.6%，PA56 粘膠和PA56 莫代爾混紡紗線的平衡回潮率分別約為7.8%和7.9%。PA56 粘膠和PA56 莫代爾混紡紗線的吸濕性能優(yōu)于PA56 棉混紡紗線。

在整個吸濕過程中，PA56 粘膠和PA56 莫代爾混紡紗線的吸濕曲線形態(tài)相似，回潮率接近，是由于莫代爾和粘膠這兩種纖維同屬再生纖維素類纖維，兩種纖維的平衡回潮率接近，纖維吸濕過程相似，都是由含有大量親水性基團羥基的纖維素大分子所構(gòu)成，羥基可及度約為65%［13］，羥基能吸附水分子并起水化作用。在3 種混紡紗線加工工藝和混紡比相同的條件下，PA56 棉混紡紗線的吸濕性能較其他兩種紗線低，是由于莫代爾和粘膠纖維的吸濕性能優(yōu)于棉纖維，不同纖維中的結(jié)晶區(qū)的纖維素種類不同，水分子易進入再生纖維素纖維的結(jié)晶區(qū)，而天然纖維素纖維的結(jié)晶區(qū)幾乎沒有水分子進入［14］。

2.3.2 放濕回潮率回歸分析

PA56 混紡紗線放濕過程回潮率回歸曲線如圖2 所示。

圖2 PA56 混紡紗線放濕過程回潮率回歸曲線圖

從圖2 可看出，在整個放濕過程中，3 種混紡紗線的回潮率下降趨勢一致，開始時放濕速率較高，隨時間延長而逐漸降低，最終達到放濕平衡，PA56 棉混紡紗線的回潮率始終較低，PA56 莫代爾混紡紗線初始回潮率高于PA56 粘膠混紡紗線，但最終平衡回潮率接近，PA56 棉混紡紗線的平衡回潮率約為6.8%，PA56 粘膠和PA56 莫代爾混紡紗線的平衡回潮率分別約為8.1%和8.2%。3種纖維的結(jié)晶度排序為莫代爾>粘膠>棉，纖維在放濕過程中，水分子較容易留在結(jié)晶區(qū)。

3 種混紡紗線的放濕平衡回潮率都高于吸濕過程，證明3 種混紡紗線都具有吸濕滯后性。放濕達到平衡的時間均長于吸濕達到平衡的時間。因為在吸濕過程中，水分子進入無定形區(qū)，會使纖維大分子間距增大，分子間氫鍵斷開和水分子結(jié)合形成新的氫鍵。在放濕過程中，水分子已經(jīng)和纖維大分子上的極性基團結(jié)合，水分子離開纖維需要使原有的氫鍵重新斷開再組合，但纖維分子間間距未來得及恢復(fù)到原來的狀態(tài)，所以纖維中會滯留少量水分子［15］。

2.3.3 紗線的吸放濕回歸方程

為了較好地呈現(xiàn)混紡紗線在吸放濕過程中回潮率和時間之間的關(guān)系，采用指數(shù)擬合的方式，將回潮率W 與時間t 的回歸方程表示為式（1），式中a、b、c 均為常數(shù)。

將試驗數(shù)據(jù)進行指數(shù)擬合可得到混紡紗線在吸放濕過程中的回潮率與時間的回歸方程如表5 所示。采用F 檢驗方法對紗線吸放濕回歸方程進行檢驗。以PA56 棉混紡紗線吸濕過程為例，n=51，F(xiàn)=12 123.26，F(xiàn)0.01（1，51）=7.12。由于F 遠大于F0.01，所以回歸方程特別顯著。同理檢驗其他方程發(fā)現(xiàn)均特別顯著，說明擬合曲線較好地反映了混紡紗線的吸放濕規(guī)律。

表5 紗線吸濕和放濕過程回潮率對時間的回歸方程

3 結(jié)論

PA56 短纖維可以與棉、粘膠、莫代爾采用環(huán)錠紡紗工藝混紡得到性能優(yōu)良的混紡紗線，混紡紗線兼具PA56 良好的力學(xué)性能和纖維素纖維優(yōu)良的吸放濕性能，充分發(fā)揮了混紡紗線各原料的優(yōu)點，提高了纖維的附加值，未來將具有廣闊的應(yīng)用前景。

（1）3 種混紡紗線都具有良好的斷裂強力和斷裂伸長率，符合機織、針織用紗的要求。PA56粘膠混紡紗線的斷裂強力、斷裂伸長率和斷裂強度高于其他兩種混紡紗線。影響紗線力學(xué)性能的關(guān)鍵因素是纖維的力學(xué)性能，主要原因是粘膠的強伸性能優(yōu)于棉和莫代爾纖維，PA56 纖維與粘膠的抱合力也優(yōu)于其他兩種纖維。

（2）3 種混紡紗線條干均勻且常發(fā)性紗疵少，說明紡紗工藝控制較好，且成紗質(zhì)量穩(wěn)定，其中PA56 粘膠混紡紗的粗細節(jié)和棉結(jié)均較少，條干均勻度好，毛羽值也最低。

（3）3 種混紡紗線都具有良好的吸放濕性能，PA56 粘膠和PA56 莫代爾混紡紗線平衡回潮率接近，約為8.0%，PA56 棉混紡紗線較小，約為6.7%。