聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的拉伸性能探討

李 杜 陳清清 張玲麗 曹海建 黃曉梅

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司，江蘇南通，226499）

熱塑性樹脂基復(fù)合材料在制備過程中由于熱塑性樹脂黏度較大，不利于增強(qiáng)纖維的分布和樹脂的浸漬，為了改善這一缺點(diǎn)，通過預(yù)浸漬法以及后浸漬法來改善［1?3］。例如，采用混紡紗浸漬法，屬于預(yù)浸漬法的一種，可以改善熱塑性樹脂基復(fù)合材料的浸漬問題。其基本原理是采用樹脂基體纖維與增強(qiáng)體纖維混紡成紗，這種形式既能夠較為準(zhǔn)確地控制樹脂含量，又極大減小了浸漬中樹脂流動(dòng)的距離，克服熱塑性樹脂浸漬難的問題［4?6］。包覆紗與其他混紡紗線相比，因其芯紗保持無捻狀態(tài)，能夠充分利用芯紗的力學(xué)性能，同時(shí)，能夠使樹脂基體纖維與增強(qiáng)體纖維均勻分布，在加工以及后續(xù)的過程中樹脂基體纖維可保護(hù)增強(qiáng)體纖維免受機(jī)件的磨損，避免增強(qiáng)體纖維的強(qiáng)力下降等問題，且包覆紗的力學(xué)性能與復(fù)合材料的力學(xué)性能密切相關(guān)［7］。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于空心錠包覆紗的制備工藝以及包覆紗的力學(xué)性能進(jìn)行了很多研究。敖利民等［8?9］、王輝等［10］利用空心錠包覆紡紗技術(shù)進(jìn)行包覆紗制備，并對(duì)其進(jìn)行拉伸測(cè)試，發(fā)現(xiàn)包覆紗形式能夠改善紗線條干，但紗線斷裂強(qiáng)度會(huì)降低，并且斷裂強(qiáng)度隨捻度增加而減?。稽S浚峰等［11］利用空心錠紡紗技術(shù)制備氨綸包覆紗，并對(duì)其力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)：線密度以及捻度的增加都會(huì)使包覆紗的斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而芯紗牽伸倍數(shù)的增大則會(huì)使紗線的斷裂強(qiáng)力增加。嚴(yán)濤海等［12］制備丙綸/亞麻包覆紗紡織預(yù)制件以及復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)中空錠捻度和空心錠轉(zhuǎn)速是影響復(fù)合材料樹脂含量以及拉伸性能的重要因素。

本試驗(yàn)制備了聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗，重點(diǎn)研究了捻度、導(dǎo)紗鉤與空心錠距離（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)紗距離）對(duì)聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

芳綸1414：線密度444.4 dtex，斷裂強(qiáng)力85.9 N，斷裂伸長(zhǎng)率5.7%，由煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司提供，作為增強(qiáng)體纖維。

聚酰胺纖維：線密度155.6 dtex，斷裂強(qiáng)力5.7 N，斷裂伸長(zhǎng)率41.2%，由江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司提供，作為樹脂基體纖維。

1.2 設(shè)備與儀器

HKV 141D型包覆絲機(jī)，浙江精功科技股份有限公司；Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Instron公司。

1.3 聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的制備

本試驗(yàn)采用雙包方式。這種方式既能夠避免單包形式易產(chǎn)生紗線內(nèi)部結(jié)構(gòu)力矩不均勻?qū)е碌膰?yán)重退捻現(xiàn)象以及露芯嚴(yán)重的問題，同時(shí)也能夠充分利用芳綸1414的力學(xué)性能，增加聚酰胺纖維的包覆度。

聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的制備工藝如下。芳綸1414從紗筒上退繞，穿過彈簧張力器，進(jìn)行牽伸，再?gòu)南路浇?jīng)過下層空心錠子的中心管；聚酰胺纖維隨著鋁管高速旋轉(zhuǎn)，在鋁管表面形成外包紗，并與芳綸1414在導(dǎo)紗鉤處進(jìn)行加捻、包覆，完成第1次包覆。將第1次的包覆紗送入上層空心錠子的中心管，聚酰胺纖維隨著鋁管高速旋轉(zhuǎn)，在鋁管表面形成外包紗，并與第1次的包覆紗在導(dǎo)紗鉤處進(jìn)行加捻、包覆，完成第2次包覆。第2次的包覆紗經(jīng)導(dǎo)紗桿、卷繞輥以及壓紗輥后，在橫動(dòng)導(dǎo)紗桿的橫動(dòng)引導(dǎo)下，逐步卷繞到紗筒表面，即可制得包覆紗。

制備聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的捻度選擇（200/160）捻/m（前者為第1次包覆捻度，后者為第2次包覆捻度，下同）、（300/240）捻/m、（400/320）捻/m、（500/400）捻/m、（600/480）捻/m共5種，導(dǎo)紗距離選擇7.5 cm、10.5 cm、13.5 cm、15.5 cm共4種。卷繞速度18 m/min，卷繞率1.4，空心錠速度按捻度=空心錠速度（r/min）/牽伸速度（m/min）計(jì)算。

1.4 拉伸斷裂強(qiáng)力測(cè)試

利用Instron 5969H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，夾具間距200 mm，加載速度100 mm/min，每組樣品測(cè)試10次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)紗距離對(duì)包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力的影響

導(dǎo)紗距離對(duì)聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力的影響如圖1所示。

圖1 導(dǎo)紗距離對(duì)包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力的影響

由圖1可知，導(dǎo)紗距離在7.5 cm～15.5 cm范圍內(nèi)，包覆紗的拉伸斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。導(dǎo)紗距離為10.5 cm時(shí)，包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力最大。這是因?yàn)?，?dǎo)紗距離增加，外包紗形成的氣圈變大，氣圈形態(tài)較穩(wěn)定，氣圈張力也變大，外包紗較緊地包纏在芯紗表面，使包覆紗的斷裂強(qiáng)力增大；但是，隨著導(dǎo)紗距離的進(jìn)一步增大，外包紗形成氣圈進(jìn)一步增大，使氣圈的形態(tài)不穩(wěn)定，氣圈張力也不穩(wěn)定，外包紗不能較為緊密地包纏在芯紗表面，使包覆紗斷裂強(qiáng)力降低［13］。在包覆過程中，隨著導(dǎo)紗距離的升高，芯紗芳綸1414、外包紗聚酰胺纖維與導(dǎo)絲鉤產(chǎn)生摩擦力增加，也會(huì)導(dǎo)致紗線本身的力學(xué)性能受到損失。

2.2 捻度對(duì)包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力的影響

捻度對(duì)聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力的影響如圖2所示。

圖2 捻度對(duì)包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力的影響

由圖2可知，包覆紗的拉伸斷裂強(qiáng)力隨著包覆紗捻度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。捻度為（400/320）捻/m時(shí)，包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力最大。這是因?yàn)?，捻度較小時(shí)，復(fù)合紗的緊密效應(yīng)以及并和效應(yīng)對(duì)包覆紗斷裂強(qiáng)力的提高起到協(xié)同作用［14?16］。聚酰胺纖維施加于芳綸1414上的徑向向心壓力，會(huì)提高纖維間抱合力，使芯紗結(jié)構(gòu)更緊密，不易發(fā)生斷裂；聚酰胺纖維卷繞在芳綸1414芯紗上，可提供給包覆紗軸向分力，使包覆紗的斷裂強(qiáng)力有所提高。捻度較大時(shí)，復(fù)合紗的緊密效應(yīng)不再起主導(dǎo)作用；相反捻度達(dá)到某一數(shù)值后，加捻作用主要表現(xiàn)為增加包覆紗中纖維的預(yù)應(yīng)力，減小包覆紗強(qiáng)度的軸向分力，從而包覆紗的拉伸斷裂強(qiáng)力隨著捻度的增加開始下降［17?19］。

2.3 包覆紗拉伸破壞形貌分析

導(dǎo)紗距離10.5 cm時(shí)，不同捻度聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的拉伸特性曲線及破壞形貌如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可知，捻度較?。郏?00/160）捻/m］以及捻度較大［（600/480）捻/m］時(shí)，包覆紗的拉伸特性曲線均呈現(xiàn)兩段式，其中ABC曲線是芯紗承載為主，CDE曲線是外包紗承載為主，包覆紗的斷裂呈現(xiàn)不同時(shí)性。捻度為（400/320）捻/m時(shí)，包覆紗的拉伸性能最好，且包覆紗的斷裂方式呈現(xiàn)同時(shí)性，原因分析與2.2類似。

圖3 （200/160）捻/m包覆紗的拉伸特性曲線及破壞形貌

圖4 （400/320）捻/m包覆紗的拉伸特性曲線及破壞形貌

圖5 （600/480）捻/m包覆紗的拉伸特性曲線及破壞形貌

3 結(jié)論

（1）導(dǎo)紗距離在7.5 cm～15.5 cm范圍內(nèi)，聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的拉伸斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；且導(dǎo)紗距離為10.5 cm時(shí)，包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力最大。

（2）隨著捻度的增加，聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的拉伸斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；且捻度為（400/320）捻/m時(shí)，包覆紗拉伸斷裂強(qiáng)力最大。

（3）隨著捻度的不同，聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗呈現(xiàn)出同時(shí)斷裂或不同時(shí)斷裂兩種方式。