納米纖維包覆紗線外包包纏紗及其包纏機理

嚴濤海

(1. 閩江學院 a.福建省新型功能性紡織纖維及材料重點實驗室；b.服裝與藝術工程學院，福建 福州 350121；2. 福建省運動鞋面料重點實驗室(福建華峰新材料有限公司)，福建 莆田 351164)

依據現有的紡織加工技術，加工纖維或紗線細度的極限為微米級[1]。靜電紡絲技術是制備納米纖維最有可能產業(yè)化的技術之一，而納米級纖維的斷裂強力及耐磨性能相對較差，無法使用傳統(tǒng)紡織設備進行加工[2]。定向排列的納米纖維束及其加捻后的紗線，可以拓寬納米級纖維在紡織服裝、微電子器件和復合材料等領域的應用[3]。為了解決納米纖維使用傳統(tǒng)紡織技術進行加工的問題，有學者[4]將納米纖維制備成紗線，也有學者[5]將納米纖維包覆在傳統(tǒng)紗線上。筆者認為，在上述基礎上可做進一步加工，即在傳統(tǒng)紗線外包覆的納米纖維之外再包纏(包覆)傳統(tǒng)的紗線，以解決納米纖維耐磨性差的問題。這種方法可以使納米纖維具有可織性，結合常規(guī)紗線和納米紗線結構及功能性優(yōu)點，可以用來生產高附加值的功能性紡織品。這種復合紗線可以應用在特殊功能的面料領域，比如抗紫外線、香味整理、儲能調溫和防蚊蟲等功能性領域。同時，這種結構的復合紗線含有納米纖維，具有納米纖維的表面效應和小尺寸效應等性質，可以制備傳感器織物、高吸附性織物，以及一些具有特殊的聲、光、電磁、熱力學性質的織物。

包纏技術是一個相對比較傳統(tǒng)的加工花式紗線的工藝，現在也經常用來解決芯紗強力不足或耐磨性差的問題，以使紗線更適合于傳統(tǒng)織造的加工，還有部分研究人員使用包纏技術改善復合材料的增強相和基體的浸潤性能。Baghaei等[6]將聚乳酸纖維包纏在漢麻紗線上，這種包纏紗模壓成型后的拉伸、彎曲和耐沖擊性能都提高了2～3倍。部分學者[7-9]將包纏紗用于改善低彎曲模量玻璃纖維和碳纖維的可編織性能，也可應用于復合材料的成型技術。鐘智麗等[10-11]使用丙綸長絲包纏玄武巖長絲和芳綸，芯紗的耐磨性、力學性能和外觀均有較好的提升，改善了芯紗的可織性。敖利民等[12]利用加捻與空心錠子包纏兩種成紗方法，不僅提高紗線力學性能，還改善了紗線條干和捻度的均勻性。本文自制靜電紡絲納米纖維成紗裝置，并使用該裝置制備了靜電紡絲納米纖維包覆結構紗，在納米纖維包覆結構紗線外再包纏一層長絲，解決納米纖維強力和耐磨性較差的問題，以便用于傳統(tǒng)織造(針織、機織)加工。

1 材料及方法

1.1 主要材料及設備

聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)，太倉凱爾達塑膠原料有限公司，分析純，相對分子質量為15萬；N,N- 二甲基甲酰胺(DMF)，廣東金華大化學試劑有限公司，分析純；83.3 dtex/36 F無捻滌綸復絲，福建錦江科技有限公司；高壓直流電源，東文高壓電源(天津)有限公司；LSP-10-18型微量注射泵保，定蘭格有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 自制靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置

靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置如圖1所示。由注射泵將紡絲液經由輸液管輸送到單針頭，聚合物在高壓電場的作用下形成納米纖維，在接地圓盤和接地圓環(huán)之間形成取向納米纖維，芯紗退繞后依次經過圓盤中心和圓環(huán)中心，金屬圓盤的旋轉將取向納米纖維加捻包覆在芯紗上形成納米纖維包覆結構紗線，包覆紗線經卷繞裝置卷繞成形。芯紗和包覆紗都是83.3 dtex/36 F無捻滌綸復絲。

1.2.3 靜電紡絲及納米纖維包覆紗

添加PAN粉末到DMF溶劑中，恒溫40 ℃攪拌12 h,制備PAN質量分數為12%的靜電紡絲溶液。按照圖1布置靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置。具體參數如下：接收金屬圓盤的半徑為10 cm，厚度為1 mm，材質為不銹鋼，中間開孔，孔直徑為1.0 cm；針管尖端所在平面與圓盤中心的距離為9 cm，針管內徑為1.0 mm，外徑為1.4 mm，針管長為13 mm；針管與圓盤夾角為45 °；圓環(huán)與圓盤中心在一條直線上，兩者之間距離為5 cm，圓環(huán)材質為不銹鋼，外環(huán)半徑為0.5 cm，內環(huán)半徑為0.3 cm，厚度為2 mm；電壓為18 kV，流量泵流速為0.6 mL/h，圓盤轉速為80 r/min。環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境相對濕度為65%。靜電紡納米纖維包覆結構紗線的形成是因為圓盤和圓環(huán)之間形成了大量的取向納米纖維，隨著圓盤的旋轉帶動取向納米纖維以一定的角度將取向納米纖維包覆在芯紗上。采用圓環(huán)和帶孔圓盤可以將加捻形成的紗線從圓環(huán)中心拉出，從而形成連續(xù)紗線。

1.2.4 自制空心錠包纏紗裝置小樣機

空心錠包纏紗小樣機要求體積小、操作簡單并能配合靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置，其有3個基本系統(tǒng)：芯紗退繞系統(tǒng)、空心錠包纏系統(tǒng)和卷繞系統(tǒng)?？招腻V包纏紗小樣機結構示意如圖2所示。芯紗退繞系統(tǒng)：因卷繞系統(tǒng)對紗線產生牽引力，芯紗從紗筒上被動退繞下來?？招腻V包纏系統(tǒng)：卷繞著長絲(紗線)的包線管固定在轉動的空心錠子上，當空心錠子沿軸向轉動時帶動包線管轉動，包線管上的紗線隨空心錠子轉動時包纏在芯紗上。卷繞系統(tǒng)：利用摩擦傳動進行卷繞，包纏紗因槽筒的導紗和花式紗筒的轉動而卷裝成形。

空心錠包纏紗小樣機的動力由電機一和電機二通過傳送帶傳導提供。小樣機系統(tǒng)工作原理概述如下：由電機二(12)傳動的卷繞系統(tǒng)引起的牽伸作用將芯紗(2)從芯紗筒子(1)上緩慢退繞出來，因張力器(3)和導紗器(4)配合電機二(12)勻速牽伸，芯紗(2)受恒定張力而被動退繞。當芯紗(2)進入空心錠子(5)時，由電機一(11)帶動的空心錠子(5)沿軸向轉動，空心錠子(5)帶動固定在其上的包線管(7)轉動，而包線管(7)的轉動使包線管上的外包紗(8)隨之轉動并卷繞包纏在芯紗上，空心錠子(5)每轉動一圈使外包紗(8)在芯紗上包纏一個捻回，外包紗(8)在包纏的同時還隨包纏紗(17)的卷繞而發(fā)生被動退繞，因為摩擦張力補償器(6)的作用給外包紗(8)均勻的張力，使其能夠均勻退繞并順利包纏芯紗。經過空心錠子后的包纏工藝形成包纏紗(17)，由導紗器(18)和張力器(19)的配合進入卷繞系統(tǒng)，電機二(12)帶動槽筒(13)，槽筒(13)上溝槽的導紗作用使包纏紗(17)有規(guī)律地卷繞在花式紗管(14)上形成良好卷裝。其中花式紗管(14)固定在紗筒架(15)上，紗筒架(15)上的大張力彈簧(16)提供的拉力使花式紗管(14)能緊貼在槽筒(13)上，因槽筒(13)與花式紗管(14)之間的摩擦傳動而轉動，還能保證包纏紗(17)有良好的卷裝。

為了將空心錠包纏紗小樣機和靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置進行配合，以形成連續(xù)制備的效果，需要將芯紗(2)在導紗器(4)和空心錠子(5)之間穿過金屬圓盤和圓環(huán)中間，即金屬圓盤、圓環(huán)和空心錠子中心在一條水平線上，經過靜電紡絲工藝在金屬圓盤和圓環(huán)之間形成取向納米纖維，而金屬圓盤的選擇可以實現取向納米纖維在加捻后包覆在芯紗上，同時能保證包覆在芯紗表面的納米纖維沒有經過其他部件的摩擦而順利進入空心錠子進行包纏工藝加工 。

電機一參數：15 W、220 V、0.12 A、1.5 μF、50 Hz，配合15 W調速器使用；電機二參數：6 W、220 V、0.13 A、0.8 μF、50/60 Hz，配合6 W調速器使用。電機一的轉速需配合電機二的轉速才能實現良好的包覆。電機一若轉速過慢，會導致包纏加捻過低而出現漏芯現象；電機一若轉速過快，會使外包紗的包覆過于緊密和疊紗，即包纏加捻過度導致出現外包紗重疊的現象。

1.2.5 分析測試方法

利用JSM-6390型掃描電子顯微鏡(SEM)對靜電紡絲納米纖維包覆紗及其包纏紗的表面形貌進行研究，電壓為15 kV，倍率為200、300及5 000倍。使用Adobe Acrobat 9 Pro軟件對SEM圖進行分析，計算紗線和纖維平均直徑。根據GB/T 3916—2013，利用Instron 3365型電子強力儀對制備的紗線進行拉伸測試，每個樣本重復測試10次后取平均值。

2 試驗及結果分析

2.1 包纏紗表面及內部結構

當電機一和電機二轉速分別為360和6 r/min，以及紡絲時間為4 min時，靜電紡絲其他參數設置見1.2.3節(jié)，靜電紡絲納米纖維包覆紗外包包纏紗的表面及其內部結構的SEM圖如圖3所示。由圖3(a)可以看出，外包紗為無捻滌綸復絲，包纏后的紗線結構相對比較緊密，但是從無捻滌綸復絲之間的孔隙中可以看到納米纖維包覆紗。為了觀測包纏紗的內部結構，解開外包紗以及包覆的納米纖維，如圖3(b)所示，可以看到納米纖維包覆在無捻滌綸復絲的芯紗表面。由此證實靜電紡絲納米纖維包覆芯紗及納米纖維包覆紗外再包纏紗線(長絲)的可行性。納米纖維和外包覆復絲之間存在一定的黏附，在解包覆過程中復絲容易拉扯黏附在一起的納米纖維或是使其磨擦移位，導致部分處于中間包覆層的納米纖維顯得雜亂無章，但是依然能夠看到部分帶有捻向的取向納米纖維。同時，根據文獻[13]可知，因為靜電紡絲的納米纖維在實際加捻過程中有較多不確定因素，部分納米纖維確實存在無序沉積在芯紗表面的現象。

當電機二轉速為6 r/min和紡絲時間為4 min時，靜電紡絲其他參數設置見1.2.3節(jié)，在電機一不同轉速下制備的包纏紗表面SEM圖如圖4所示。由圖4可知，隨著電機一轉速的增大，包纏紗外包的無捻滌綸復絲的間隙逐漸變小。因此：當電機轉速為240和300 r/min時，包纏紗有露芯現象；當電機轉速為360 r/min時，包纏紗結構相對比較緊密，包纏效果良好。

當電機一和電機二轉速分別為360和6 r/min時，不同紡絲時間下制備的包纏紗經解開外包滌綸復絲后的納米纖維包覆紗表面SEM圖如圖5所示。從圖5可以看出，經過包纏并解包纏后的納米纖維包覆結構基本沒有變化，透過納米纖維還可以看到無捻滌綸單絲構成的芯紗。由此說明，在對納米纖維包覆紗進行包纏工藝加工時，對納米纖維基本沒有損傷，能最大限度保護納米纖維包覆結構。

圖5 不同靜電紡絲時間下制得的包纏紗解開外包滌綸復絲后的納米纖維包覆紗表面SEM圖Fig.5 SEM images of the surface of nanofiber coated yarn after unwrapping the polyester multifilament from the wrapped yarn prepared at different electrospinning time

2.2 力學性能測試

當靜電紡絲時間為4 min，電機一和電機二轉速分別為360和6 r/min時，將靜電紡絲納米纖維包覆紗經包纏工藝加工后制備的復合紗線，其斷裂強度和斷裂伸長率分別為48.87 MPa和43.17%，相比包纏前靜電紡絲納米纖維包覆紗斷裂強度和斷裂伸長率(33.56 MPa，42.52%)，前者的斷裂強度有所提高，而斷裂伸長率變化不明顯。

3 空心錠包纏紗包纏機理

卷繞著長絲(紗線)的包線管固定在空心錠子上，當空心錠子沿軸向轉動時帶動包線管轉動，包線管上的紗線隨空心錠子轉動而包纏在芯紗上?？招腻V包纏紗的包纏機理與納米纖維包覆機理不太一樣，前者在包纏時空心錠上的包線管可以連續(xù)不間斷地提供外包紗用于包纏芯紗，而后者的外包纖維是間歇式的，前一取向納米纖維包覆結束后，要等后一取向納米纖維形成之后才能開始新的包覆工作?？招腻V包纏紗包纏機理有類似于絡筒工藝中的圓柱形卷繞在某一紗層的過程。

包纏加捻后，外包紗發(fā)生傾斜，加捻程度越大，外包紗傾斜就越大，將外包紗在芯紗線上的傾斜角稱為捻回角β，即外包紗與芯紗軸的夾角(如圖6所示)，可以據式(1)計算。

L0—一個捻回中外包紗長度；hn—外包紗兩個捻回之間的法向螺距；d—包纏紗直徑；T—包纏紗黏度。圖6 外包紗包纏捻回角示意圖Fig.6 Schematic diagram of the wrapping angle of the wrapped yarn

(1)

一個捻回中的外包紗長度L0可以由式(2)計算。

(2)

實際包纏加捻過程中，外包紗的直徑不可忽略,如圖7所示。因此，外包紗兩個捻回之間的法向螺距(hn)可以由(3)計算。

圖7 外包紗包纏示意圖Fig.7 Schematic diagram of the wrapped yarn

(3)

設外包紗直徑為dw，在不忽略外包紗直徑的情況下的捻回示意如圖8所示。根據包纏效果可以分為3種情況：hn>dw、hn

圖8 外包紗直徑不忽略的捻回示意圖Fig.8 Schematic diagram of twisting without ignoring the diameter of the outer yarn

(1)hn

(4)

此時，外包紗包纏系數η>1。

(2)hn=dw。在這種情況下，包纏效果最好，包纏紗外觀光滑，條干均勻。此時，外包紗包纏系數η=1。

(3)hn>dw。在這種情況下，外包紗沒有完全包纏覆蓋住芯紗，其外觀出現露芯現象。此時，外包紗包纏系數η<1。

如果外包紗為復絲時，其包纏效果會與紗線包纏有所區(qū)別。紗線可以近似于一個圓柱體，而復絲由多根單絲組合而成，設單絲直徑為df，單絲根數為s，復絲在包纏加捻時會發(fā)生擴散，設其擴散系數為ρ，該系數的大小取決于復絲本身捻度及包纏工藝，則復絲外包紗直徑dw=s·df·(1+ρ)。

包纏紗捻度T可以由式(5)計算。

(5)

式中：nk為空心錠轉速，r/min；vj為包纏紗卷繞速度，m/min。

值得注意的是，筆者在試驗中發(fā)現，采用模量比較大的麻紗包纏芯紗，其包纏效果很差，露芯現象嚴重，因此可以確定纖維模量對包覆效果有著決定性影響。經多次試驗后，選用模量相對低的無捻復絲作為外包纏紗才可解決露芯問題。本試驗中，選用的芯紗和外纏絲束都為無捻復絲，考慮到無捻復絲中的單絲在外包纏時會在一定的壓力下變扁而擴散開來，會產生一定額外的包纏效果，因此由肉眼所見未曾發(fā)現露芯問題。

3 結 語

本文通過自制靜電紡納米纖維包覆成紗裝置和空心錠包纏紗裝置，制備納米纖維包覆紗線外包包纏紗，用以解決靜電紡絲納米纖維用于傳統(tǒng)紡織方面的局限性。研究表明，當帶動空心錠的電機轉速為360 r/min時外包滌綸復絲的包纏結構相對比較緊密，包纏效果良好，而轉速為240和300 r/min時外包滌綸復絲包纏下有露芯現象。根據紗線包纏效果可以分過包纏、包纏良好和露芯等3種現象。筆者下一步將研究外包纏紗模量對于包纏效果的影響，以進一步充實包纏理論。