防紫外線吸濕速干功能性紗線的開發(fā)

文 | 孔 聰 李 洋 張書峰 鐘 軍 陳啟升

隨著人們生活水平的提高和對紫外線危害意識的提升，防紫外線紡織品越來越多地出現(xiàn)在人們的視野中。太陽光照射到紡織品上，部分被反射回去，部分被紡織品吸收，其余的則透過紡織品照射到皮膚上，這部分光是傷害人類的罪魁禍首。因此，防紫外線紡織品的作用就是減少透過紡織品照射到人體皮膚上的紫外線量，其生產(chǎn)原理是采用紫外線屏蔽劑對纖維、紗線或織物進行處理，從而達到吸收或反射紫外線的目的。紫外線屏蔽劑分為有機類和無機類兩種，有機類紫外線屏蔽劑主要有苯酮類和苯并三唑類等芳香族有機化合物，主要吸收紫外線，并能進行能量轉(zhuǎn)換，以熱能或其他無害低能輻射將能量釋放或消耗，因此又稱為紫外線吸收劑；無機類紫外線屏蔽劑主要有二氧化鈦（TiO）、氧化鋅和陶土等折射率很高的無機物，作用機理主要是反射和散射紫外線，又稱為紫外線反射劑。

目前，防紫外線紡織品具體生產(chǎn)方法有采用防紫外線功能纖維、紫外線吸收劑整理、防紫外線涂層整理等。其中，采用紫外線吸收劑整理的紡織品耐光性差、耐洗滌牢度差、穿著舒適性差；采用防紫外線涂層整理的紡織品具有洗滌、彎曲及摩擦牢度差，紡織品手感硬，透氣性差，穿著悶熱的缺點。相比之下，通過紫外線屏蔽劑對纖維進行改性生產(chǎn)的防紫外線纖維，制成的紡織品耐洗耐燙、穿著舒適性好，具有明顯的優(yōu)勢。

文章采用防紫外功能性纖維與天絲萊賽爾纖維按照特定比例進行混紡，解決改性纖維紡紗過程的技術(shù)難題，開發(fā)兼具防紫外線和吸濕速干功能的紗線，實現(xiàn)紡織品的多功能化。

1 纖維性能

1.1 防紫外線功能纖維的選擇及性能

作為紡織面料的原材料，防紫外線功能纖維除具有良好的紫外線屏蔽功能外，還必須與普通紡織品一樣耐洗耐燙、安全性好、對皮膚無傷害、穿著舒適、加工方便、具有持久性的特點。在現(xiàn)有的紫外線屏蔽劑中，納米TiO具有較高的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和非遷移性，且無味、無毒、無刺激性，食用安全，尤其是其吸收紫外線能力強，對UVA區(qū)和UVB區(qū)紫外線均有屏蔽作用，可見光透過率大。采用納米TiO改性防紫外線纖維制成的紡織品不僅具有反射紫外線的作用，而且還具有選擇吸收性，可將紫外線能量轉(zhuǎn)換為熱能或其他無害低能形式予以釋放或消耗，因此具有防暑、隔熱、觸感涼爽的性能。同時，TiO作為聚酯類化纖的重要助劑之一，對纖維的色澤、性能等影響較低，用途廣泛。文章選用的防紫外線功能纖維是將納米級TiO粉體與聚酯熔體進行共混紡絲，使其均勻分散在聚酯纖維內(nèi)部而制成（圖 1），其主要性能如表 1 所示。

圖1 納米TiO2改性防紫外線聚酯纖維

表1 納米TiO改性防紫外線聚酯纖維的物理性能

規(guī)格 斷裂強度/（cN·dtex–1）斷裂伸長率/%比電阻/（Ω·cm–1） TiO2含量/%1.33 dtex×38 mm6.0220.60.39×1082.5

1.2 天絲TM萊賽爾纖維

天絲萊賽爾纖維是以從桉樹中提取的100%天然木漿為原料制成的一種再生纖維素纖維，纖維形態(tài)如圖 2 所示。因其原料來源于可再生的木材，生產(chǎn)過程無毒、無污染，使用后可降解，是環(huán)保的綠色纖維。該纖維除具有普通粘膠優(yōu)良的吸濕性、柔滑飄逸性、舒適性等優(yōu)點外，還克服了普通粘膠纖維強力低（尤其是濕強低）的缺點，具有較高的干、濕強力，堪比滌綸。纖維的圓形截面和平滑的縱向外觀使織物具有絲綢般的光澤，優(yōu)良的手感和懸垂性。纖維物理性能如表 2 所示。

圖2 天絲TM萊賽爾纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)

表2 天絲萊賽爾纖維的物理性能

纖維類型 規(guī)格 斷裂強度/（cN·dtex–1） 斷裂伸長率/%天絲TM萊賽爾（A100） 1.0 dtex×38 mm5.0313.48

2 紡紗方案

2.1 混紡比的確定

文章開發(fā)兼具防紫外線和吸濕速干功能的紗線，其中防紫外線功能通過采用納米TiO改性防紫外線聚酯纖維實現(xiàn)，纖維含量越高，則紫外線屏蔽效果越好。但由于聚酯纖維吸濕性差，過高的聚酯含量會影響紗線的吸濕性能，無法達到吸濕速干的效果。

目前，吸濕速干功能性紡織品的開發(fā)方法主要有 4 種：一是通過纖維的化學改性改善其吸濕性；二是通過纖維截面的異形化使之借助毛細管效應(yīng)而改善吸濕和導濕性能；三是通過紗線或織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)吸濕排汗功能；四是采用適當?shù)奈鼭衽藕购笳韥韺崿F(xiàn)。此外，美國Optimer公司開發(fā)的Dri-release吸濕速干紗線將疏水性纖維（85% ～ 90%）與親水性纖維（10% ～ 15%）按照一定比例混紡，親水性纖維具有較好的吸濕性能，其吸附的水分擴散到疏水性纖維間隙中，實現(xiàn)吸濕速干的效果，該紗線結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 Dri-release吸濕速干紗線的結(jié)構(gòu)

因此，以Dri-release紗線為參考，針對納米TiO改性防紫外線聚酯纖維/天絲萊賽爾纖維混紡比例，選取95/5、85/15、75/25、65/35共 4 個方案，對比測試成紗制成面料的功能性，結(jié)果如表 3 所示。

表3 不同混紡方案對產(chǎn)品功能性的影響

混紡比UPF值 吸濕性 速干性95/550＋ 不符合 符合85/1550＋ 符合 符合75/2540＋ 符合 不符合65/3540符合 不符合

由表 3 可以看出，當混紡比為85/15時，產(chǎn)品可同時獲得防紫外線性能和吸濕速干性能。考慮到后道面料加工過程中還會加入氨綸等彈性纖維，兼顧防紫外線與吸濕速干功能，將混紡方案確定為納米TiO改性防紫外線聚酯纖維/天絲萊賽爾纖維（80/20），成紗線密度為14.8 tex；并選用1.0 dtex的細旦天絲萊賽爾纖維，增加紗線中纖維根數(shù)，有利于增加紗線孔隙數(shù)量，提高導濕效果。

2.2 工藝路線及設(shè)備流程

混紡紗線的混合方式有散纖維混合與條混兩種。其中，散纖維混合可以實現(xiàn)不同纖維的細致混合，布面效果細膩均勻，但無法兼顧兩種纖維的加工要求；條混可以兼顧不同纖維的加工要求，但混合效果較差；當面料單染時，布面風格較為粗獷，且在混并之前，兩種材料往往要增加一道預(yù)并條來保證條子的均勻程度，加工流程長、成本高。綜合兩種混合方式的特點，采用預(yù)混合＋清花混合的方式，并通過 3 道并條進行補充混合，通過清花流程的優(yōu)化兼顧兩種纖維的加工要求。具體工藝流程如下：

FA002圓盤抓棉機→FA022－6多倉混棉機→立式打包機→FA002圓盤抓棉機→FA022－6多倉混棉機→FA046A振動棉箱給棉機→FA141A單打手成卷機→FA201B梳棉機→JWF1310并條機（兩道）→RSBD22C并條機→FA497粗紗機→JWF1510賽絡(luò)緊密紡細紗機→Savio Polar L自動絡(luò)筒機。

3 生產(chǎn)要點及技術(shù)措施

3.1 纖維性能對成紗質(zhì)量的影響

該改性防紫外線聚酯纖維由于添加了納米TiO，纖維的物理機械性能與常規(guī)聚酯纖維不同，對纖維可紡性與成紗質(zhì)量影響較大，兩者的物理指標比較如表 4 所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，納米TiO改性防紫外線聚酯纖維的斷裂強度和斷裂伸長率均低于常規(guī)聚酯纖維，纖維摩擦系數(shù)大于常規(guī)聚酯纖維。較大的摩擦系數(shù)有助于提高纖維在紡紗過程中的抱合力，但也會增加纖維的梳理負擔，影響分梳效果。此外，防紫外線聚酯纖維的卷曲數(shù)和卷曲率與常規(guī)聚酯纖維差別較大，也影響纖維的可紡性與成紗質(zhì)量。上述纖維的物理性能中，纖維斷裂強度、斷裂伸長率、摩擦系數(shù)與添加TiO顆粒有關(guān)，無法隨工藝調(diào)整。而卷曲數(shù)與卷曲率可通過絲束張力、卷曲溫度與卷曲壓力等進行調(diào)整。采用卷曲特性不同的防紫外線聚酯纖維進行紡紗試驗，試驗結(jié)果對比如表 5 所示。

從表 5 可以看出，當卷曲數(shù)與卷曲率較低時，紡紗過程出現(xiàn)棉卷粘層、梳棉落網(wǎng)的現(xiàn)象，且條干不勻率、棉結(jié)較高，成紗強力較差。這是由于纖維卷曲少，抱合力差；且在牽伸過程中易出現(xiàn)意外伸長，造成條干較差。當卷曲數(shù)與卷曲率較大時，成紗條干、棉結(jié)較差，成紗強力明顯降低。這是由于卷曲數(shù)過多，纖維之間抱合力大，棉卷中纖維的開松度下降，棉塊、棉束較多，梳棉棉網(wǎng)分梳度差，纖維伸直度差，使成紗各項性能惡化。當纖維卷曲數(shù)為10.4個/25 mm，卷曲率為10.6%時，紡紗較為順利且成紗質(zhì)量較好。

3.2 各工序生產(chǎn)要點及技術(shù)措施

3.2.1 開清

兩種纖維均為等長化纖，疵點少、不含雜，且纖維均較蓬松，不需要過分開松，因此開清工序以均勻混合為重點，以減少纖維損傷為原則。

在流程設(shè)計上，采用預(yù)混打包→開清的工藝流程，第一次抓取的纖維經(jīng)多倉混棉機混合后打包，翻轉(zhuǎn)90°后重新排盤，再次經(jīng)過抓棉和多倉混合，通過兩次加工實現(xiàn)細致混合；跳過開清流程中的開松機械，依靠抓棉機的抓棉打手和成卷機的綜合打手實現(xiàn)纖維開松，最大限度地減少纖維損傷。

在工藝設(shè)計上，將FA002圓盤抓棉機打手刀片伸出肋條的距離調(diào)整為－3 mm，小車下降動程調(diào)整為 2 mm/次，小車回轉(zhuǎn)速度為 2 r/min，以保證抓棉機運轉(zhuǎn)效率在90%以上，有利于均勻抓取較小的棉塊；經(jīng)過兩次抓取后，纖維已具備較好的開松度。將FA141單打手成卷機的天平羅拉與綜合打手的隔距調(diào)整為11 mm，并拆除綜合打手前端的刀片，以減輕對纖維的打擊；綜合打手轉(zhuǎn)速為740 r/min，風機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，棉卷定量為380 g/m，棉卷長度為36 m。

表4 納米TiO改性防紫外線聚酯纖維與常規(guī)聚酯纖維的物理性能比較

疵點含量/（mg·（100 g）–1）防紫外線聚酯纖維6.0220.60.900.4713.611.50.39×1085.21.6常規(guī)聚酯纖維6.1424.10.320.2411.113.10.48×1085.00.4纖維種類 斷裂強度/（cN·dtex–1） 斷裂伸長率/% 靜摩擦系數(shù) 動摩擦系數(shù) 卷曲數(shù)/（個·（25 mm）－1） 卷曲率/%比電阻/（Ω·cm–1）180 ℃干熱收縮率/%

表5 不同卷曲特性對可紡性及成紗質(zhì)量的影響

方案 卷曲數(shù)/（個·（25 mm）－1） 卷曲率/% 條干CV值/%－50%細節(jié)/（個·km－1）＋50%粗節(jié)/（個·km－1）＋200%棉結(jié)/（個·km－1）斷裂強度/（cN·dtex－1） 斷裂伸長率/%紡紗情況10.29.411.621.011.723.328.210.9棉卷粘層，梳棉落網(wǎng)2 10.410.611.420.59.014.830.411.6正常3 11.812.911.531.112.828.529.211.4棉網(wǎng)清晰度稍差4 13.111.712.141.916.037.526.610.3棉網(wǎng)清晰度差，棉結(jié)多1

3.2.2 梳理

纖維經(jīng)過開清工序的兩次加工，已具備較好的開松效果，應(yīng)進一步減輕梳理工序的刺輥等部位的不必要打擊，減少纖維損傷。選取錫林速度、錫林蓋板隔距、刺輥與預(yù)分梳板隔距 3 項工藝參數(shù)為變化因素，以對針織布面質(zhì)量影響較大的＋200%成紗千米棉結(jié)為主要評價指標，采用L（3）正交表安排試驗，進行了工藝優(yōu)化。各因素水平的選取方案、各項指標的數(shù)據(jù)結(jié)果、＋200%棉結(jié)試驗值的極差分析如表 6 — 表 8 所示。

表6 正交試驗的各因素水平設(shè)計方案

試驗 錫林轉(zhuǎn)速A/（r·min－1）刺輥 — 預(yù)分梳板隔距C/（×1‰英寸）1 2508/7/7/7/8進口28，出口26 2 30010/9/9/9/10進口32，出口30 3 35012/11/11/11/12進口36，出口34錫林 — 蓋板隔距B/（×1‰英寸）

表7 正交試驗得出各項指標的數(shù)據(jù)結(jié)果

方案 條干CV值/%斷裂伸長率/%111.820.816.035.329.011.4 211.710.614.425.329.511.5 311.550.37.324.529.111.3 411.952.916.127.928.611.3 511.1006.213.730.111.0 611.320.89.024.330.111.7 712.042.015.032.528.611.4 811.420.57.319.329.411.2 911.610.57.023.329.810.9－50%細節(jié)/（個·km–1）＋50%粗節(jié)/（個·km–1）＋200%棉結(jié)/（個·km–1）斷裂強度/（cN·dtex–1）

對比試驗結(jié)果的極差可以看出：各因素對＋200%成紗千米棉結(jié)的影響主次順序為：B＞A＞C，最優(yōu)水平組合為A2B2C3。優(yōu)化后梳理工序主要工藝參數(shù)如表 9 所示。

3.2.3 并粗工序

并條工序除伸直纖維外，通過條子的合理搭配進一步實現(xiàn)補充混合。因此采用 3 道并條，以利于兩種纖維的充分混合。由于納米TiO改性防紫外線聚酯纖維的表面摩擦系數(shù)較大，須條中纖維的抱合力大，并粗工序的牽伸工藝設(shè)置以“大隔距、大后區(qū)牽伸”為原則，防止“出硬頭”，主要工藝參數(shù)如表10、表11所示。

表8 ＋200%棉結(jié)試驗值的極差分析

方案 錫林轉(zhuǎn)速A/（r·min－1） 空白D ＋200%棉結(jié)/（個·km－1）1111135.3 2122225.3 3133324.5 4212327.9 5223113.7 6231224.3 7313232.5 8321319.3 9332123.3 k128.3731.9026.3024.10 k221.9719.4325.5027.37 k325.0324.0323.5723.90 R6.4012.472.733.47錫林 — 蓋板隔距B/（×1‰英寸）刺輥 — 預(yù)分梳板隔距C/（×1‰英寸）

表9 梳理工序主要工藝參數(shù)

生條定量/（g·（5 m）–1）刺輥 — 預(yù)分梳板隔距/（×1‰英寸）18603005809010/9/9/9/10進口36，出口34出條速度/（m·min–1）錫林轉(zhuǎn)速/（r·min–1）刺輥轉(zhuǎn)速/（r·min–1）蓋板速度/（mm·min–1）錫林 — 蓋板隔距/（×1‰英寸）

表10 并條工序的主要工藝參數(shù)

并合根數(shù)頭道213006.851.7550×558二道213006.001.5050×556末道213506.001.3045×516道數(shù) 定量/（g·（5 m）－1）出條速度/（m·min－1）總牽伸倍數(shù)/倍后區(qū)牽伸倍數(shù)/倍羅拉握持距（前×后）/mm

表11 粗紗工序的主要工藝參數(shù)

定量/（g·（10 m）－1）隔距塊/mm 4.59009.491.1976 11×31×407.0錠速/（r·min–1）總牽伸倍數(shù)/倍后區(qū)牽伸倍數(shù)/倍捻系數(shù)羅拉隔距（前×中×后）/mm

由于試驗使用的防紫外線聚酯纖維中加入了TiO納米顆粒進行改性，裸露在纖維表面的顆粒在生產(chǎn)中存在脫落現(xiàn)象，脫落物聚集在膠輥表面，影響膠輥表面狀態(tài)，如圖 4 所示。為改善上述現(xiàn)象，延長膠輥使用時間，試驗采用不同比例的A、B雙組分涂料對膠輥進行涂覆，以改善膠輥表面的光潔度。試驗發(fā)現(xiàn)，當涂料配比在A∶B為 1∶2 時，膠輥表面形成一層光潔的覆蓋層，可減少膠輥對纖維脫落物的粘帶，且對成紗質(zhì)量無顯著影響。

圖4 防紫外線聚酯纖維脫落物聚集在膠輥表面

3.2.4 細紗

賽絡(luò)緊密紡細紗工序采用雙粗紗喂入，且納米TiO改性防紫外線聚酯纖維表面摩擦系數(shù)大，須條間牽伸力大，易出現(xiàn)牽伸不開的現(xiàn)象，采用大隔距、大鉗口，并通過使用前區(qū)壓力棒增加牽伸區(qū)內(nèi)浮游纖維的控制，細紗工序主要工藝參數(shù)如表12所示。

表12 細紗工序主要工藝參數(shù)

總牽伸倍數(shù)/倍鋼絲圈型號65.31.136－2 500 33014 5003.0＋壓后區(qū)牽伸倍數(shù)/倍集聚負壓/Pa捻系數(shù)錠速/（r·min－1）鉗口隔距塊/mm羅拉隔距（前×后）/mm力棒20×40 EL1 HD TW 4/0

3.2.5 絡(luò)筒

絡(luò)筒工序根據(jù)針織用紗的質(zhì)量要求，合理設(shè)置電子清紗器的切疵門限，同時為提高紗線在后道加工的潤滑性，選擇滴熔點較低的蠟塊對紗線進行上蠟處理，上蠟量控制在1.5‰ ～ 2‰左右，錠速為1 200 m/min。

4 成紗及面料功能性指標測試

采用優(yōu)化后的工藝進行紗線生產(chǎn)，測試成紗各項指標數(shù)據(jù)如表13所示。

采用上述紗線開發(fā)出的單面彈力緯平針織面料，經(jīng)通標標準技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司檢測，符合GB/T 21655.1 — 2008《紡織品 吸濕速干性的評定 第 1 部分：單項組合試驗法》、FZ/T 01071 — 2008《紡織品 毛細效應(yīng)試驗方法》、GB/T 12704.1 — 2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第 1 部分：吸濕法》和GB/T 18830 — 2009《紡織品 防紫外線性能的評定》的技術(shù)要求，具有吸濕速干性和防紫外線性能。測試結(jié)果如表14、表15所示。

5 總結(jié)

文章選用納米TiO改性防紫外線聚酯纖維與細旦天絲萊賽爾（A100）纖維進行混紡，采用微混法搭配兩種纖維的混合比例，開發(fā)出了兼具防紫外線與吸濕速干功能的紗線。通過合理設(shè)計生產(chǎn)流程，保證了兩種纖維的均勻混合，減少了纖維損傷；通過試驗確定了該品種的最佳生產(chǎn)工藝。與采用后整理法及涂層法生產(chǎn)的防紫外線紡織品相比，該產(chǎn)品制成的防紫外線面料功能持久、洗滌牢度好，且穿著舒適性好，兼具吸濕速干的功能。該產(chǎn)品主要應(yīng)用于夏季服裝，特別是高檔T恤、運動服等，可延緩因紫外線照射而引起的紡織品老化，降低其褪色程度，同時更減輕了紫外線輻射對人體的傷害。隨著人們對紫外線防護意識的增強，防紫外線紡織品必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

表13 成紗各項指標數(shù)據(jù)

線密度偏差率/%3 mm毛羽數(shù)/（根·（10 cm）－1）0.40.930.47.2330.385.82.30.55.415.12.610.9線密度變異系數(shù)/%單紗斷裂強度/（cN·dtex－1）單紗斷裂強力變異系數(shù)/%斷裂伸長率/%捻度/（捻·（10 cm）－1）捻度不勻率/%－50%千米細節(jié)/（個·km－1）＋50%千米粗節(jié)/（個·km－1）＋200%千米棉結(jié)/（個·km－1）毛羽指數(shù)H

表14 面料的防紫外線性能測試

UPF值T（UVA）/%T（UVB）/%標準要求 ＞40＜5—檢測結(jié)果 ＞501.130.8單項評判 符合

表15 面料的吸濕速干性能測試

織物透濕性能/（g·m–2·d–1）標準要求 ≤3≥0.18≥100≥200≥10 000原樣檢測結(jié)滴水擴散時間/s蒸發(fā)速率/（g·h–1） 芯吸高度/mm吸水率/%果1.50.28151.3（直向）145.7（橫向） 23610 115洗滌 5 次后檢測結(jié)果1.20.29157（直向）152.7（橫向） 24710 197單項評判 符合