加捻與包纏對UHMWPE纖維束結構與性能的影響*

李仁豪 張春華 向 鑫 吳 凡 熊自明 張中威 劉 欣

1. 武漢紡織大學材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430200；2. 南京理工大學機械工程學院, 江蘇 南京 210094；3. 中國人民解放軍陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點試驗室，江蘇 南京 210007

超高相對分子質量聚乙烯(UHMWPE)纖維和芳綸、碳纖維同屬高性能纖維，它因具有傳統高性能纖維的高強度、高模量和高耐磨等優(yōu)異性能而在國防等領域廣泛應用[1-2]。UHMWPE纖維表面非常光滑，化學惰性強。采用UHMWPE紗進行織造的過程中，單絲易發(fā)生相對滑移而使紗線松散成單絲，出現纖維糾纏、起毛等現象，甚至造成大量單絲斷裂，導致織造無法順利進行。Osterom等[3]應用離子體法對UHMWPE纖維的表面進行改性，可賦予UHMWPE纖維一定的表面粗糙度和附著力，但該方法對UHMWPE纖維表面有損傷，影響UHMWPE纖維的力學性能。加捻法和包纏法是將眾多單絲固定在一起的兩種有效方法，它們通過控制捻度使纖維束中單紗間的排列更加緊密。本文首先對UHMWPE纖維束進行加捻、包纏及熱定型處理，然后研究不同的加捻和包纏條件對UHMWPE紗線表面形貌和力學性能的影響。

1 試驗

1.1 材料與設備

型號為200D、400D、600D的3種UHMWPE無捻纖維束，湖南中泰特種裝備有限公司；無水乙醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

HFX-05型并捻聯合機(蘇州市華飛紡織科技有限公司)，HFX-A6型花式紡紗機(蘇州市華飛紡織科技有限公司)，HFX-01型絡筒機(蘇州市華飛紡織科技有限公司)，ME104型電子天平(瑞士梅特勒-托利多公司)，KBF恒溫恒濕箱(德國 BINDER 公司)，YG(B)086型縷紗測長機(溫州大榮紡織機器有限公司)，DSX510i型數碼顯微鏡(日本奧林巴斯株式會社)，JSM-IT500型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社JEOL)，VERTEX70型傅里葉紅外光譜儀(德國 BRUKER 公司)，3380型落地式萬能材料試驗機(美國Instron公司)，TG209F3型熱重分析儀(德國NETZSCH公司)。

1.2 UHMWPE纖維束的加捻

利用并捻聯合機對型號為400D的UHMWPE無捻纖維束進行加捻，加捻溫度分別為25 ℃和80 ℃，捻度分別設計為250、500、750、1000、1250 T/m。為消除纖維在拉伸過程中產生的內應力,使大分子鏈發(fā)生一定程度的松弛, 提高加捻纖維束的形狀穩(wěn)定性，改善纖維的力學性能，選擇對加捻后的UHMWPE纖維束進行熱定型。熱定型溫度分別為60、90、120 ℃，時間為60 min，具體工藝參數如表1所示。

表1 UHMWPE纖維束加捻和熱定型工藝參數設計

1.3 UHMWPE纖維束的包纏

在25 ℃環(huán)境下，采用花式紡紗機對型號為200D、400D和600D的UHMWPE纖維束進行包纏處理?；ㄊ郊徏啓C的參數設置包括環(huán)錠轉速500 r/min、前羅拉線速度2.0 m/min、包纏捻度250 T/m，流程如圖1所示。

圖1 UHMWPE纖維束加捻和包纏工藝流程

首先對這3種型號的UHMWPE纖維束進行絡筒，將芯紗筒子置于紗架上，打開搖架，使牽出的紗線依次穿過導紗桿、彈簧圈、后羅拉、導絲輪、前羅拉和導紗鉤。接著，外包纏紗通過導絲輪和導紗鉤。最后將芯紗和外包纏紗一起纏繞到管紗筒上，壓下搖架，開啟開關，芯紗加捻的同時將帶動外包纏紗呈螺旋狀包纏在芯紗外部。調節(jié)彈簧圈或后羅拉的張力，確保外包纏紗所受張力最小，并使其順利包纏在芯紗上。具體包纏方式列于表2。其中，200D-200D中，前面的200D代表外層包纏纖維束的型號，后面的200D代表芯層纖維束的型號，其他依此類推。

表2 UHMWPE纖維束包纏和熱定型工藝參數

1.4 性能測試

1.4.1 線密度

在溫度20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕室中，調濕上述未加捻的UHMWPE纖維束及制備的UHMWPE加捻紗和包纏紗試樣 48 h。隨機選取3段長度為20 m的試樣，計算線密度并記錄平均值。

1.4.2 纖維表面形貌

室溫下將待測試樣固定于載玻片上，利用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察經加捻和包纏的UHMWPE纖維束的微觀形貌。

1.4.3 紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜儀觀察UHMWPE纖維束試樣，分析不同加捻和包纏條件對UHMWPE纖維束微觀結構的影響。其中，掃描次數為128，分辨率為4 cm-1。

1.4.4 力學性能

采用萬能材料試驗機對UHMWPE試樣進行力學測試。設置拉伸間距為50 mm，拉伸速度為50 mm/min。每種樣品拉伸20次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 線密度

圖2 a)對比分析了400 D UHMWPE無捻纖維束及不同加捻和包纏條件處理的UHMWPE加捻紗的線密度發(fā)現，UHMWPE無捻纖維束中，大部分單絲平行排列。UHMWPE加捻紗的單絲呈螺旋狀，其扭轉程度隨捻度的增加而增加。25 ℃條件下加捻，UHMWPE加捻紗的線密度隨捻度的增加而增加。當捻度小于750 T/m時，因UHMWPE纖維表面較為光滑，單絲間的作用力不強，紗線不易定捻，故熱定型溫度對UHMWPE加捻纖維束的線密度無顯著影響。當捻度大于750 T/m時，UHMWPE加捻紗中的單絲幾乎緊密貼合，且與25 ℃下加捻得到的UHMWPE加捻紗相比， 80 ℃的加捻溫度更有利于保持UHMWPE加捻紗中纖維的形變[4-5]。捻度相同時，80 ℃下制備的UHMWPE加捻紗的線密度較25 ℃下加捻得到的UHMWPE加捻紗略有增加，這是因為加捻溫度越接近UHMWPE纖維的熱變形溫度，紗線的變形能力越好。對比由不同加捻溫度和熱定型溫度處理得到的UHMWPE加捻紗的線密度可知，UHMWPE加捻紗的線密度主要受加捻捻度的影響。

對比圖2 b)中400 D UHMWPE無捻纖維束及不同包纏方式得到的UHMWPE包纏紗的線密度可知，200D-200D UHMWPE包纏紗與型號為400D的UHMWPE包纏紗的線密度基本一致，200D-600D UHMWPE包纏紗與400D-400D UHMWPE包纏紗的線密度基本一致。這是因為UHMWPE纖維表面光滑，外層包纏纖維不能很好地包纏芯層纖維所致。但經熱定型處理的UHMWPE包纏紗的紗線密度均高于未經熱處理的UHMWPE包纏紗，其原因可能是熱定型處理利于外層包纏纖維的定型。

圖2 加捻法與包纏法對UHMWPE纖維束線密度的影響

2.2 表面形貌

觀察圖3中經加捻和熱定型處理的UHMWPE加捻紗的光學顯微鏡照片可知，與25 ℃加捻得到的UHMWPE加捻紗相比，隨著熱定型溫度的升高，UHMWPE加捻紗中的單紗存在單位長度內扭轉增加的現象。當捻度達到1250 T/m時，部分UHMWPE加捻紗試樣出現過捻現象，這不利于后續(xù)高密織物的織造[6]。因80 ℃加捻或熱定型處理有利于紗線內應力的均勻分布，故可消除UHMWPE加捻紗過捻的現象。

由圖4經不同包纏方式和熱定型處理的UHMWPE包纏紗的光學顯微鏡照片可知，以線密度較小的紗線為外包纏紗線的包纏效果更好，其原因可能是外包纏紗線越粗，其扭轉所需要的力越大，但包纏過程中外層包纏紗線所受張力較小，不利于線密度較大的紗線的均勻扭轉排列。對比僅25 ℃包纏及經25 ℃包纏+60 ℃熱定型條件包纏得到的UHMWPE包纏紗可知，后者制備的UHMWPE包纏紗表面的包纏纖維扭轉略大。

圖3 經不同加捻溫度和熱定型處理的UHMWPE加捻紗的光學顯微鏡照片

圖4 經不同包纏方式及熱定型處理的UHMWPE纖維束的光學顯微鏡照片

2.3 紅外光譜分析

由圖5 a)的3種UHMWPE無捻纖維束的紅外光譜圖發(fā)現，3種型號的UHMWPE纖維束的特征峰一致，在2912 cm-1和2845 cm-1處存在兩個—CH2引起的伸縮振動峰，1466 cm-1處存在因—CH2不對稱變角振動導致的峰[7]，718 cm-1處為—CH2搖擺振蕩峰[8]。由圖5 b) UHMWPE加捻紗的紅外光譜圖可知，與25 ℃下加捻得到的UHMWPE加捻紗相比，熱定型處理與80 ℃下加捻得到的UHMWPE加捻紗的特征峰沒有明顯變化，說明在25～120 ℃溫度范圍內，加捻和熱定型這兩種處理方式不會破壞UHMWPE纖維的化學結構。對比圖5 c)不同包纏方式和熱定型條件得到的UHMWPE包纏紗的紅外光譜圖可知，各UHMWPE包纏紗試樣的特征峰與未處理的UHMWPE無捻纖維束基本相同，說明包纏工藝也基本不會改變UHMWPE纖維的化學結構。

圖5 各試樣的紅外光譜圖

2.4 力學性能

圖6是400D UHMWPE無捻紗及其加捻紗和包纏紗的SEM照片，可以看出，UHMWPE纖維束中，單絲表面光滑且平行排列，當捻度超過500 T/m時，cosθ減小。觀察圖7經不同加捻溫度和熱定型處理的UHMWPE纖維束的拉伸力學性能對比可知，隨捻度的增加，UHMWPE纖維束的拉伸斷裂強力總體呈現先上升后下降的趨勢，這與Ozgen等[9-10]的研究結果一致。由不同加捻紗的SEM圖(圖3)可以看出，當捻度在250～500 T/m時，松散的纖維在加捻作用下相互抱合，增加了單絲間的摩擦和糾纏，提高了UHMWPE纖維束的力學性能。但捻度過大會減小UHMWPE纖維束中單絲的預張力，最終降低UHMWPE纖維束強度。此外，捻度為250 T/m，25 ℃下加捻得到的UHMWPE加捻紗的拉伸斷裂強力最大，其較型號為400D 的UHMWPE纖維束提高了約17.2%。隨捻度的增加，UHMWPE加捻紗的斷裂應變總體上呈現上升趨勢，這與Gao等[11]的研究結果相吻合。對UHMWPE纖維束進行加捻，單絲局部獲得“彈簧結構”，這為受力時局部螺旋紗的打開提供了較大的應變空間。25 ℃加捻條件下得到的捻度為1250 T/m UHMWPE纖維束的斷裂應變較型號為400D 的UHMWPE無捻纖維束提高了9倍多。與經熱加捻處理或熱定型處理的UHMWPE加捻紗的力學性能相比，在250～1000 T/m捻度范圍內，經25 ℃加捻和60 ℃熱定型共同處理的UHMWPE加捻紗的總體強力較優(yōu)。

圖8為包纏方式過對UHMWPE包纏紗拉伸力學性能影響的對比圖。經60 ℃熱定型處理的200D-200D UHMWPE包纏紗的斷裂強力為(84.2±7.8)N，較未熱定型的200D-200 D UHMWPE纖維束增加了約33.1%，較線密度相近的經25 ℃加捻處理、捻度為250 T/m的UHMWPE加捻紗提高了約62.7%。而經60 ℃熱定型處理的其他UHMWPE包纏紗的拉伸斷裂強力略低，這可能是由于內外紗線傾斜角的不一致所致。200D-200D的UHMWPE包纏紗經60 ℃熱定型處理后的拉伸斷裂應變?yōu)?4.5±0.6)%，較未熱定型的200D-200D的UHMWPE纖包纏紗增加了約10.9%。經60 ℃熱定型處理的其他UHMWPE包纏紗的拉伸斷裂強力和斷裂應變均較低。

3 結論

采用加捻工藝和包纏工藝成功制備了不同規(guī)格的UHMWPE加捻紗和包纏紗并對其進行了不同溫度的熱定型處理。經測試分析可知，隨著捻度的增加，UHMWPE加捻紗的線密度呈上升趨勢，熱處理對高捻度紗線的過捻現象有一定的改善作用。紅外光譜結果表明，熱定型處理溫度(25～120 ℃)不會影響UHMWPE加捻紗的化學結構。力學測試結果表明，25 ℃條件下加捻得到的捻度為250 T/m的UHMWPE加捻紗的拉伸斷裂強力最佳，較400D UHMWPE無捻纖維束提高了17.2%，80 ℃加捻或熱處理有利于提高高捻度紗線的力學性能。此外，60 ℃熱定型處理的200D-200D UHMWPE包纏紗較未熱定型的200D-200D UHMWPE包纏紗的拉伸斷裂強力提高了33.1%。

圖6 SEM照片

圖7 加捻對UHMWPE加捻紗拉伸斷裂強力和斷裂應變的影響

圖8 不同UHMWPE纖維束的拉伸斷裂強力和應變