生物基石墨烯改性莫代爾纖維混紡紗線的開發(fā)

賀光福

（珠海勵聯(lián)紡織染工業(yè)有限公司，廣東珠海，519050）

目前紡織行業(yè)融合新纖維、功能化、綠色健康的產品，更能贏得用戶的關注和市場消費者的青睞。生物基石墨烯以天然綠色植物秸稈為原料，采用基于基團配位組裝析碳原理的熱裂解法制備而成，除了具有石墨烯良好的熱學、抗菌抑菌特性外，生產過程無化學污染，天然環(huán)保［1］。根據(jù)市場需求以及紡織行業(yè)的發(fā)展趨勢，以生物基石墨烯改性莫代爾纖維（以下簡稱石墨烯纖維）、柔軟吸濕的棉纖維、輕柔而有彈性的羊毛為原料，選擇合適的紡紗設備，并優(yōu)化工藝流程及紡紗參數(shù)，設計開發(fā)石墨烯纖維與棉、羊毛混紡的功能性針織紗線。

1 混紡紗原料及紗線工藝設計

1.1 原料的選擇

3種纖維主要性能指標如表1所示。

表1 原料主要性能指標

其中，石墨烯纖維購于山東圣泉新材料股份有限公司，纖維細度1.33 dtex；棉纖維采用浙江吉祥鳥紡織有限公司的229精梳棉條，纖維細度1.55 dtex；為使面料手感光滑，羊毛采用張家港揚子精梳毛條有限公司的絲光羊毛條，纖維細度19.40μm。

1.2 紗線規(guī)格

石墨烯改性纖維一般是將石墨烯粉末顆粒加入紡絲液復合制造而成，石墨烯本身價格較高，且由于石墨烯顆粒加入紡絲液中會破壞纖維原有的結晶區(qū)結構，從而影響纖維的單纖維強力和斷裂伸長率［2］。因此，為了減少對纖維物理指標的影響，并考慮生產成本控制的因素，目前市場上石墨烯改性纖維中石墨烯含量通常不超過3%，但石墨烯含量直接影響纖維的熱學和抗菌性能。石墨烯含量越高時，其優(yōu)良性能越容易表現(xiàn)出來，所以石墨烯改性纖維中石墨烯含量是紗線開發(fā)中重點考慮的指標。山東圣泉新材料股份有限公司生產的石墨烯纖維內含質量分數(shù)2.5%的生物基石墨烯，為保障成品面料的功能性測試，纖維在混紡紗線中所占的比例必須大于20%。為了使混紡紗產品能夠更好地體現(xiàn)石墨烯優(yōu)良的抗菌性能，紗線設計石墨烯纖維含量為30%。紗線的具體規(guī)格為棉/石墨烯纖維/羊毛60/30/10 27.8 tex×2針織紗線。

1.3 紗線工藝設計

由于石墨烯本身是黑色，所以石墨烯纖維已是有色纖維，色紡紗只需考慮染其他混紡成分的顏色［3］。紡紗采用毛紡半精紡紡紗工藝流程。先將混紡紗中棉纖維與羊毛纖維按產品顏色分別染色，然后將染色后的纖維按混紡比例混紡成紗。紡紗具體工藝流程：BC262型和毛機→FB220型梳棉機→FA 306型并條機→A 454型粗紗機→FA 528型細紗機→Savio Polar M型絡筒機→AW22型高速并線機→WH196型倍捻機。

2 紡紗生產工藝

2.1 混毛工序

石墨烯纖維手感柔軟，但比未改性的莫代爾纖維稍顯粗糙，不夠爽滑，這是因為在復合紡絲時，有部分石墨烯粉末顆粒分布在纖維表面，形成微小凸起，使得纖維表面粗糙，纖維表面摩擦因數(shù)增加，纖維間的抱合力強，與棉纖維、羊毛混和時，取纖維質量0.5%的CTA?2886和毛油和纖維質量6%的水配成混合溶液，均勻噴散到纖維中，由于生物基石墨烯有優(yōu)良的導電性，混毛時可不加入抗靜電劑。

將混和均勻的混料燜放24 h以上，以確保和毛油、水均勻滲透到纖維中，使纖維得到較好的潤滑，提高纖維柔軟性和韌性，保護纖維在后續(xù)梳理時不易被拉斷，同時和毛油及水分可提高原料上機回潮率，減少加工過程中的飛毛、落花，提高混紡紗制成率和質量［4］。

2.2 梳理工序

梳理工序的重點是加強纖維分梳，有效排除色點、雜質，石墨烯纖維和棉纖維細度細，韌性差，工藝上應以“減少纖維損傷，提高棉條質量，降低棉結”為原則［5］，采用“多分梳，緊隔距，低速度，快轉移”的工藝設計，適當降低道夫轉速和減小生條定量，有利于梳理、除雜和纖維轉移，并采用“刺輥低速，錫林高速”的工藝，以提高生條質量，在錫林和刺輥間采用較大的線速比（2.1）和較小的隔距，以減少纖維返花和棉結產生，錫林與活動蓋板采用緊隔距，即0.20 mm、0.17 mm、0.15 mm、0.15 mm、0.18 mm，以增強纖維梳理強度，道夫與錫林間隔距0.13 mm，有利于梳棉過程中纖維轉移。其他主要工藝參數(shù)：生條定量19.5 g/5 m，錫林轉速340 r/min，刺輥轉速760 r/min，道夫轉速20 r/min。

2.3 并粗工序

并條工序的重點是確保條子的顏色混合均勻，采用適當?shù)臓可?，提高纖維的伸直度和分離度。牽伸倍數(shù)分配采用倒牽伸方式，即頭并牽伸大，二并牽伸小，這樣更有利于改善條干均勻度，采用三道并條工藝可以改善長片段條干均勻度和提高混色效果［6?7］。并條工序主要工藝參數(shù)：頭道定量18.57 g/5 m，總牽伸6.3倍，后區(qū)牽伸1.65倍，并合數(shù)6根；二道定量17.9 g/5 m，總牽伸8.3倍，后區(qū)牽伸1.35倍，并合數(shù)8根；三道定量17.5 g/5 m，總牽伸8.2倍，后區(qū)牽伸1.30倍，并合數(shù)8根。

粗紗工序控制好牽伸質量，提高纖維的伸直度和紗條均勻度，石墨烯纖維、棉和羊毛的纖維間抱合力較好，工藝上采用“輕定量，低捻系數(shù)，慢車速”的工藝設計，以減輕細紗工序的牽伸負荷，改善成紗條干均勻度。由于天然纖維間長度差異大，應減少羅拉握持距離，適當增加羅拉加壓，以有效控制浮游纖維［8］。粗紗工序主要工藝參數(shù)：公制捻系數(shù)50，粗紗定量5.83 g/10 m，后區(qū)牽伸1.21倍，總牽伸6.0倍，錠速830 r/min，羅拉加壓200 N×150 N×150 N。

2.4 細紗工序

細紗是紡紗過程中最后一道工序，工藝的關鍵是控制好牽伸和對纖維的握持，避免牽伸不勻，產生短粗節(jié)、棉結等紗疵。由于石墨烯纖維較細，容易產生棉結，所以細紗生產時應適當降低車速，并加大捻系數(shù)以減少細紗斷頭。細紗工序主要工藝參數(shù)：細紗定量2.78 g/100 m，公制捻系數(shù)130，后區(qū)牽伸1.25倍，總牽伸21倍，錠速8 500 r/min。

2.5 筒并捻工序

絡筒工序要掌握好筒子的卷繞密度，保證成形良好，切除細紗中的棉結、短粗節(jié)，同時要檢查斷頭自停裝置以保障結頭質量，降低絡筒車速，即750 m/min，減小因絡筒造成的棉結和毛羽，合理設置清紗參數(shù)以清除有害疵點。主要清紗參數(shù)：棉結+280%，短粗節(jié)+180%×20 mm，長粗節(jié)+50%×20 cm，長細節(jié)-50%×20 cm。

并紗、捻線工序主要減少紗線斷頭率，提高生產效率，并線機速度設定為650 m/min。倍捻機股線捻度428捻/m，同時為了減少毛羽和斷頭，倍捻機錠速設定為7 000 r/min，并配置上蠟裝置，增加紗線表面蠟質，減少紗線毛羽和提高后道織機效率。

3 針織物性能測試

經(jīng)實測，棉/石墨烯纖維/羊毛60/30/10 27.8 tex×2針織紗線的主要物理性能指標：線密度偏差1.6%，條干CV值12.3%，斷裂強力360 cN，斷裂伸長率13.5%，2 h起球等級/起球箱法4級。其質量滿足FZ/T 71008—2008《半精紡毛針織紗線標準》優(yōu)等品標準要求。

根據(jù)GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》對所織的針織物進行抗菌性能測試，并采用標準中的10.1.1的洗滌程序對織物進行20次水洗，以測試紗線的抗菌耐洗性能［9?10］。紗線抗菌性能測試結果如表2所示。

表2 混紡紗抑菌率測試結果

由表2可以看出，混紡紗線所織的針織物對3種菌種均具有較好的抗菌效果，織物在洗滌20次后，其抗菌性能有所降低，但整體抑菌率仍在90%以上，說明石墨烯纖維混紡紗線織物具有優(yōu)良的抗菌性能和耐洗滌性能。

4 結語

生物基石墨烯賦予了改性纖維對人體有益的抗菌特性，纖維中石墨烯含量直接影響其抗菌功效。為保證混紡紗有較好的抗菌性能，紗線中混紡石墨烯纖維的比例不能小于20%；石墨烯纖維混紡針織紗線的生產，需針對各個纖維性能特點，合理選擇各工序紡紗參數(shù)。生產實踐表明，所紡制的紗線具有良好的物理性能，其織物具有優(yōu)良的抗菌性能和耐洗滌性能。石墨烯纖維混紡針織紗線的開發(fā)，拓展了功能性針織面料的設計思路。由于石墨烯本身是黑色，因此石墨烯纖維顏色偏黑灰。雖然色紡混紡紗線拓寬了其在多彩紡織品中的應用，但對于一些淺色以及顏色鮮艷紗線的開發(fā)仍受到一定的限制。