UHMWPE復合紗的紡制及性能測試

張潔　劉新金

摘要：UHMWPE纖維具有較高的比強度和比模量，但纖維吸濕性差。文章以黏膠短纖維為外包纖維，UHMWPE短纖紗（14.75tex）及長絲（16.67tex）為芯絲分別紡制34tex包芯紗。以黏膠短纖維為中間纖維，UHMWPE短纖紗（14.75tex）及長絲（16.67tex）為包纏纖維分別紡制34tex賽絡菲爾紗。通過改變UHMWPE短纖紗或長絲與須條的間距優(yōu)化賽絡菲爾紗的性能，并對成紗性能進行測試和對比分析。結(jié)果表明：相同線密度紗線，以UHMWPE長絲為芯絲或包纏纖維所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗除斷裂伸長率外，在強度、條干及毛羽方面均優(yōu)于以UHMWPE短纖紗為芯絲或包纏纖維所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗。在紡制賽絡菲爾紗時，UHMWPE短纖紗與須條的間距以8mm為較優(yōu)，UHMWPE長絲與須條的間距以6mm為較優(yōu)。

關鍵詞：超高分子量聚乙烯復合紗;包芯紗;賽絡菲爾紗;紗線強度;紗線條干

中圖分類號：TS104.2

文獻標志碼：A

文章編號：10017003（2021）04002405

Abstract：UHMWPEfiberhashighspecificstrengthandspecificmodulus，butpoormoistureabsorption.Inthepaper，withviscosestaplefiberastheouterfiber，andUHMWPEstaplefiberyarn（14.75tex）andfilament（16.67tex）asthecoreyarn，34texcore-spunyarnwasspun.Withviscosestaplefiberastheintermediatefiber，andUHMWPEstaplefiberyarn（14.75tex）andfilament（16.67tex）aswrappingfiber，34texSirofilyarnwasspun.TheperformanceofSirofilyarnwasoptimizedbychangingthespacingbetweentheUHMWPEstaplefiberyarnorfilamentandthefiberstrand.Theresultsshowedthatforyarnswiththesamelineardensity，exceptforelongationatbreak，core-spunyarnsandSirofilyarnswithUHMWPEfilamentasthecoreyarnorwrappingfiberwerebetterthancore-spunyarnsandSirofilyarnswithUHMWPEstaplefiberyarnasthecoreyarnorwrappingfiberinstrength，evennessandhairiness.WhenSirofilyarnsarespun，thespacingbetweentheUHMWPEstaplefiberyarnandfiberstrandispreferably8mm，andthespacingbetweentheUHMWPEfilamentandfiberstrandispreferably6mm.

Keywords：UHMWPEcompositeyarn;core-spunyarn;Sirofilyarn;yarnstrength;yarnevenness

作者簡介：張潔（1997），女，碩士研究生，研究方向為新型紡紗技術。通信作者：劉新金，副教授，liuxinjin2006@163.com。

超高分子量聚乙烯（ultrahighmolecularweightpolyethylene，UHMWPE）作為目前世界上最輕的高性能纖維，具有較高的比強度和比模量，合適的斷裂伸長率，較高的結(jié)晶度，耐紫外、耐化學腐蝕，比能量吸收高等良好的綜合性能，因此被廣泛應用于航空航天、防彈抗沖擊等領域[1-2]。但UHMWPE纖維吸濕性差，纖維表面光滑，在生產(chǎn)加工中容易產(chǎn)生靜電，且產(chǎn)品舒適性能較差。針對這一問題，可以通過改變紗線的結(jié)構(gòu)來進行優(yōu)化。目前在市場上，UHMWPE纖維產(chǎn)品主要以長絲為主[3-4]，短纖紗有少量應用，且短纖紗在樹脂復合時體現(xiàn)出較好的樹脂浸潤性。而包芯紗及賽絡菲爾紗因其包纏結(jié)構(gòu)上的不同，其紗線的性能特點也有所差異，在功能性紗線的開發(fā)中有廣泛的應用。本文以UHMWPE纖維為基礎，開發(fā)具有高強性能、且可有效改善織物服用性能的復合紗。黏膠纖維因其原料是天然纖維素，吸濕性較好，因此可將黏膠纖維作為輔助原料與UHMWPE纖維共同紡制包芯紗及賽絡菲爾紗，充分發(fā)揮兩種纖維的特長并彌補各自的不足。用戶可根據(jù)產(chǎn)品最終用途的不同，合理選擇紗線結(jié)構(gòu)。

本文以黏膠短纖維為外包纖維、UHMWPE短纖紗（14.75tex）及長絲（16.67tex）為芯絲分別紡制34tex包芯紗，以黏膠短纖維為中間纖維、UHMWPE短纖紗（14.75tex）及長絲（16.67tex）為包纏纖維分別紡制34tex賽絡菲爾紗，通過改變UHMWPE短纖紗或長絲與須條的間距優(yōu)化賽絡菲爾紗的性能，并對成紗性能進行測試和對比分析。

1 紡紗原理

本文通過在QFA1528型細紗機（無錫第七紡織機械有限公司）上加裝長絲喂入裝置來實現(xiàn)包芯紗和賽絡菲爾紗的紡制，紡紗原理如圖1所示。

包芯紗是由兩種或兩種以上的纖維組合而成的具有芯鞘結(jié)構(gòu)的一種新型紗線[5]。將UHMWPE短纖紗及長絲分別作為芯絲，經(jīng)張力盤及導絲輪后與經(jīng)過牽伸后的黏膠須條匯合后加捻成紗[6]，其加捻三角區(qū)如圖2（a）所示。

賽絡菲爾紡是將賽絡紡中的其中一根粗紗換成長絲所紡而成的紗線[7]。將UHMWPE短纖紗及長絲分別作為包纏纖維，經(jīng)張力盤及導絲輪后與經(jīng)過牽伸后的黏膠須條保持一定距離加捻成紗[8]，紗線結(jié)構(gòu)類似股線，其加捻三角區(qū)如圖2（b）所示。

2 包芯紗和賽絡菲爾紗的紡制

2.1 試驗材料

UHMWPE短纖紗規(guī)格為14.75tex（江蘇儀征金鷹紡織有限公司），UHMWPE長絲規(guī)格為16.67tex（東莞市索維特特殊線帶有限公司），黏膠纖維粗紗定量為5.4g/10m（南通雙弘紡織有限公司）。

2.2 包芯紗和賽絡菲爾紗紡紗工藝

在QFA1528型細紗機上進行紡紗試驗，紡紗工藝參數(shù)如表1所示。

在紡制賽絡菲爾紗時，間距的大小是影響成紗性能的重要因素，由于細紗機前膠輥寬度為25mm，因此選擇UHMWPE短纖紗或長絲與須條的間距為2、4、6、8mm（以下簡稱間距）進行紡紗優(yōu)化。

3 紗線性能測試結(jié)果與分析

3.1 強伸性能測試分析

使用XL-2紗線強伸度儀（上海新纖儀器有限公司）測試紗線的強伸性能，夾持距離500mm，拉伸速度500mm/min。試驗環(huán)境溫度22℃，試驗環(huán)境濕度68%，每種紗線測試10次后取平均值。以UHMWPE短纖紗與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗強伸性能測試結(jié)果如表2所示，以UHMWPE長絲與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗強伸性能測試結(jié)果如表3所示。

由表2、表3可以看出，相同原料所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗，賽絡菲爾紗的斷裂強度均高于包芯紗，而斷裂伸長率均低于包芯紗。分析認為：由于賽絡菲爾紗的紡紗工藝不同于包芯紗，在賽絡菲爾紗的紡紗過程中，須條先經(jīng)過弱捻，再經(jīng)過強捻，須條和短纖紗或長絲之間的摩擦力、抱合力更大，而包芯紗只有成紗的那一瞬間受到加捻，所以相同線密度的賽絡菲爾紗的斷裂強度高于包芯紗。包芯紗由于其紡紗工藝的不同，其外包纖維在加工過程中圍繞著短纖紗或長絲旋轉(zhuǎn)，因此在同一長度的紗條上外包纖維的伸長度大于芯絲，因而相同線密度包芯紗的斷裂伸長率高于包纏結(jié)構(gòu)的賽絡菲爾紗。

以UHMWPE短纖紗為芯絲紡制的包芯紗斷裂強度低于以UHMWPE長絲為芯絲紡制的包芯紗，而斷裂伸長率則相反。同樣以UHMWPE短纖紗或長絲為包纏纖維所紡的賽絡菲爾紗也是如此。分析認為：所用的UHMWPE短纖紗其斷裂強度低于UHMWPE長絲，而斷裂伸長率高于UHMWPE長絲。

在間距為2、4、6、8mm紡制賽絡菲爾紗時，隨著短纖紗與須條間距的增大，紗線的斷裂強度逐漸增大。隨著長絲與須條間距的增大，紗線的斷裂強度呈先增大后減小趨勢，

UHMWPE短纖紗與須條的間距在8mm，UHMWPE長絲與須條的間距在6mm時紗線的強伸性能較優(yōu)。分析認為：間距增大時，其預加捻程度增加，纖維間抱合緊密，不易滑移，紗線強力利用系數(shù)較高，因此斷裂強度較高;但是隨著間距的進一步增大，預加捻部分的長度可能超過了短纖維的長度，纖維受力產(chǎn)生滑移，不利于成紗，因此紗線的斷裂強度有所下降。

3.2 條干測試分析

使用UT5全自動紗線檢測儀（烏斯特技術有限公司）檢測紗線的條干，測試速度200m/min，試驗環(huán)境溫度22℃，試驗環(huán)境濕度68%。以UHMWPE短纖紗與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗條干測試結(jié)果如表4所示，以UHMWPE長絲與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗條干測試結(jié)果如表5所示。

紗線不勻率采用變異系數(shù)CVm表示，值越低均勻度越好。由表4、表5可以看出，相同原料所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗比較，賽絡菲爾紗的條干均好于包芯紗。分析認為：在賽絡菲爾紡紗時，須條在加捻三角區(qū)獲得弱捻，根據(jù)捻度分布規(guī)律，較細處獲得較多的捻回，較粗處獲得較少的捻回[9]，從而改善了條干。

以UHMWPE短纖紗為芯絲紡制的包芯紗條干比以UHMWPE長絲為芯絲紡制的包芯紗差，同樣以UHMWPE短纖紗或長絲為包纏纖維所紡的賽絡菲爾紗也是如此。分析認為：所用的UHMWPE短纖紗其條干比UHMWPE長絲差。

在間距為2、4、6、8mm紡制賽絡菲爾紗時，隨著短纖紗與須條間距的增大，紗線的條干不勻率逐漸減小。隨著長絲與須條間距的增大，紗線的條干不勻率會逐漸減小到一定程度后增大。UHMWPE短纖紗與須條的間距在8mm，UHMWPE長絲與須條的間距在6mm時紗線的條干較好。分析認為：間距的增大，使得加捻三角區(qū)增大，其預加捻程度及纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移程度較好，成紗結(jié)構(gòu)較好，有利于成紗條干的提高;但當間距增加到一定程度后，再繼續(xù)增加時，加捻三角區(qū)的長度過長，使得須條被過分拉伸，纖維控制能力不足，條干因此有惡化趨勢。

3.3 毛羽測試分析

使用YG173A型紗線毛羽測試儀（蘇州長風紡織機電科技有限公司）檢測紗線的毛羽，測試片段長度30m，走紗速度60m/min。試驗環(huán)境溫度22℃，試驗環(huán)境濕度68%。以UHMWPE短纖紗與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗毛羽測試結(jié)果如表6所示，以UHMWPE長絲與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗毛羽測試結(jié)果如表7所示。

毛羽值H對應的是1cm長測量區(qū)域內(nèi)伸出紗體之外的纖維的總長，值越低，毛羽數(shù)越少。由表6、表7可以看出，相同原料所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗，賽絡菲爾紗各個長度段的毛羽數(shù)均低于包芯紗。分析認為：在賽絡菲爾紡紗過程中，須條先經(jīng)過弱捻再加強捻，使得原來處于須條表面的纖維端頭經(jīng)再次加捻后一部分卷進紗線內(nèi)部，從而有效地減少了毛羽，且成紗結(jié)構(gòu)較為緊密，受紡紗張力及鋼絲圈摩擦力的影響較小，因此賽絡菲爾紗的毛羽相對較少[10]。而包芯紗沒有預加捻過程，且紗線結(jié)構(gòu)較為松散，容易受到紡紗張力及鋼絲圈摩擦力的影響，因此包芯紗的毛羽數(shù)量高于賽絡菲爾紗。

以UHMWPE短纖紗為芯絲紡制的包芯紗毛羽數(shù)高于以UHMWPE長絲為芯絲紡制的包芯紗，同樣以UHMWPE短纖紗或長絲為包纏纖維所紡的賽絡菲爾紗也是如此。分析認為：所用的UHMWPE短纖紗其毛羽比UHMWPE長絲多。

在間距為2、4、6、8mm紡制賽絡菲爾紗時，隨著間距的增大，紗線的毛羽會得到一定程度的改善。UHMWPE短纖紗與須條的間距在8mm，UHMWPE長絲與須條的間距在8mm時紗線的毛羽較少。分析認為：間距較小時，匯聚點以上的須條長度較短，在成紗加捻過程中，對纖維的控制較差，因此毛羽較多。隨著間距的增大，匯聚點以上的須條長度增大，加捻三角區(qū)對纖維的控制較強，在加強捻的過程中更容易捕捉到毛羽，從而降低了毛羽的數(shù)量。

4 結(jié) 論

本文將UHMWPE短纖紗及長絲與黏膠短纖維運用到功能性紗線的開發(fā)中，并對所紡紗線進行性能上的測試和對比分析，可以得出以下結(jié)論。

1）以UHMWPE長絲為芯絲或包纏纖維所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗除斷裂伸長率外，在斷裂強度、條干及毛羽方面均

優(yōu)于以UHMWPE短纖紗為芯絲或包纏纖維所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗。因此，可根據(jù)產(chǎn)品的最終用途來選擇合適的紡紗原料及工藝。

2）在紡制賽絡菲爾紗時，UHMWPE短纖紗與須條的間距以8mm為較優(yōu)，UHMWPE長絲與須條的間距以6mm為較優(yōu)。但原料及所紡紗線線密度的改變都會使最優(yōu)間距發(fā)生改變，因此，在實際生產(chǎn)過程中，可通過試驗進行間距的優(yōu)選。

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