PAN基功能性納米纖維復(fù)合紗線的試紡與性能分析

張喜昌,張海霞

(河南工程學(xué)院 紡織工程學(xué)院,河南 鄭州 450007)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們生活水平的提高,功能性納米紡織品越來越受到大家的青睞[1]。靜電紡絲是目前應(yīng)用最廣泛,可以直接且連續(xù)制備納米纖維的技術(shù)。利用物理或化學(xué)改性的方法可以使納米纖維實現(xiàn)功能化[2]。汪林飛等[3]向紡絲液中加入納米銀或硝酸銀進(jìn)行靜電紡絲,制備的納米纖維材料具有抗菌性。佟玉鳳[4]利用水熱合成法制備了以聚丙烯腈(PAN)納米纖維為載體、表面包覆二氧化鈦(TiO2)的復(fù)合材料,從而能夠充分發(fā)揮TiO2的光催化作用。孫復(fù)錢等[5]以鈦酸丁酯為前驅(qū)體制備了TiO2納米纖維。賈琳等[6]在PAN溶液中加入紫外線屏蔽劑TiO2,有效提高了PAN/TiO2混合納米纖維的防紫外線功能。金屬銀具有良好的韌性和延展性,也是一種抑菌材料。納米銀顆粒(AgNPs)不僅具有納米材料的大比表面積和小尺寸效應(yīng),還具有優(yōu)異的抗菌性能和防輻射性能,常被添加到化學(xué)纖維中制備功能性纖維,或用于織物的后整理。制備AgNPs的方法有很多,主要可分為物理法、化學(xué)法和生物法[7]。銀自身具有催化性能,AgNPs沉積在纖維表面,所以納米銀纖維比普通鍍銀纖維具有更好的性能[8]。目前對功能性纖維制造的研究較多,但對其紗線和織物性能的研究較少,故本研究在紡制PAN基防紫外線納米纖維復(fù)合紗線、PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線、PAN基納米纖維復(fù)合紗線和純棉紗線的基礎(chǔ)上,測試分析了復(fù)合紗線的回潮率、線密度、捻度和拉伸性能。同時,為便于分析比較紗線的防紫外線和防輻射性能,利用電腦橫機(jī)將PAN基防紫外線納米纖維復(fù)合紗線、PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線、PAN基納米纖維復(fù)合紗線和純棉紗線分別織造得到4種規(guī)格相同的針織物,并對其防紫外線和防輻射性能進(jìn)行了對比分析,以期為PAN基納米功能紡織品的開發(fā)提供參考。

1 試驗

1.1 原料

聚丙烯腈(相對分子質(zhì)量為85 000,上海金山石化有限公司),P25納米級二氧化鈦(北京上偉科林科貿(mào)有限責(zé)任公司),納米銀顆粒(宇航金屬材料有限公司),N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司),棉纖維(自備)。

1.2 紗線試紡

先用棉紡試驗機(jī)制備棉網(wǎng),之后利用靜電紡絲機(jī)將純PAN溶液、二氧化鈦PAN溶液和納米銀PAN溶液分別噴射到棉網(wǎng)表面,經(jīng)過并條、粗紗、細(xì)紗等工序,紡制出防紫外線PAN基納米纖維復(fù)合紗線、防輻射PAN基納米纖維復(fù)合紗線、PAN基納米纖維復(fù)合紗線和純棉紗線。

純棉紗線經(jīng)DHUA202型清梳試驗機(jī)、DHUA301型并條試驗機(jī)、DHUC01型粗紗試驗機(jī)、DHUX01型細(xì)紗試驗機(jī)紡制得到。

復(fù)合紗線經(jīng)DHUA202型清梳試驗機(jī)、DHUHX800型靜電紡絲機(jī)、DHUA301型并條試驗機(jī)、DHUC01型粗紗試驗機(jī)、DHUX01型細(xì)紗試驗機(jī)紡制得到。

復(fù)合紗線試紡的主要技術(shù)參數(shù)和措施如下:配制3種紡絲液,第1種是純PAN溶液,稱取一定質(zhì)量的PAN粉末放入溶液配制瓶中,加入一定質(zhì)量的DMF溶劑,配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的純PAN溶液;第2種是PAN/TiO2混合溶液,在PAN溶液中加入一定質(zhì)量的TiO2,制備TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PAN/TiO2混合溶液;第3種是PAN/AgNPs混合溶液,在PAN溶液中加入一定質(zhì)量的AgNPs,制備AgNPs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PAN/AgNPs混合溶液。利用靜電紡絲機(jī)將純PAN溶液和PAN/TiO2混合溶液、PAN/AgNPs混合溶液分別噴射到棉網(wǎng)表面,噴頭橫向移動速度為1 500 mm/min,滾筒主軸轉(zhuǎn)速為20 r/min、供液流量為30 mL/h、溫度為20 ℃,在其他條件一定時,通過控制噴絲時間可以調(diào)整噴射到棉網(wǎng)表面的納米纖維量,噴絲時間過長則納米纖維量大且成膜狀,后續(xù)紡紗時納米纖維膜易分離脫落或糾纏成團(tuán)不易分散均勻,所以紡絲過程中應(yīng)根據(jù)實際情況控制噴絲時間。并條工序采用兩道并條,頭道并條采用1并5倍牽伸,末道并條采用8并4倍牽伸。粗紗工序中,錠翼轉(zhuǎn)速為350 r/min,粗紗捻度為4.5捻/10 cm,粗紗定量為5.0 g/10 m。細(xì)紗工序中,紡紗線密度為32.8 tex,紗線捻度為1 200捻/m,后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.25,錠子轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

1.3 試驗儀器與方法

紗線微觀形態(tài)采用SIGMA500型場發(fā)射掃描電子顯微鏡測試,工作距離為8.7 mm,電壓為15 kV,放大倍數(shù)為300;紗線回潮率和線密度采用YG086C型縷紗測長器和YG747型通風(fēng)式快速八籃恒溫烘箱測試;紗線捻度采用Y331N型紗線捻度儀測試;紗線拉伸性能采用HD021NS型電子單紗強(qiáng)力儀測試。

為比較紗線的防紫外線和防輻射性能,利用GE2-52C型電腦橫機(jī)將PAN基防紫外線納米纖維復(fù)合紗線、PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線、PAN基納米纖維復(fù)合紗線和純棉紗線分別織造成厚度、面質(zhì)量和線圈密度等規(guī)格基本相同的雙羅紋針織物。防紫外線性能采用UV2000F型紫外線透反射分析儀測試,將織物樣品裁剪成邊長10 cm的正方形,每個樣品在不同位置測試5次,求得紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)及UVA(紫外線波長315～400 nm)和UVB(紫外線波長280～315 nm)透過率的平均值。防輻射性能主要測試織物對手機(jī)輻射的防護(hù)性能,選用一部手機(jī),使之在試驗中始終處于亮屏狀態(tài),把織物裁剪成能夠完全覆蓋手機(jī)屏幕的長方形,調(diào)整LZT-1150型電磁輻射測試儀與手機(jī)之間的距離為15 cm,并使接收信號恰好位于手機(jī)屏幕的中心,每個樣品測試5次,求取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 紗線的微觀形態(tài)

PAN基防紫外線納米纖維復(fù)合紗線、PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線、PAN基納米纖維復(fù)合紗線和純棉紗線的微觀形態(tài)如圖1所示。

圖1 4種紗線的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscopy of four yarns

由圖1可以看出,PAN基功能性納米纖維復(fù)合紗線和PAN基納米纖維復(fù)合紗線中均含有納米纖維,并都已充分、均勻混合在純棉紗線中,因此采用該方法紡制納米纖維復(fù)合紗線是可行的。

2.2 紗線的基本性能

分別測試PAN基防紫外線納米纖維復(fù)合紗線、PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線、PAN基納米纖維復(fù)合紗線和純棉紗線的回潮率、線密度、捻度和拉伸性能,結(jié)果如表1所示。

表1 4種紗線基本性能測試結(jié)果Tab.1 Test result of basic properties of four yarns

由表1可知,PAN基防紫外線納米纖維復(fù)合紗線、PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線和PAN基納米纖維復(fù)合紗線的回潮率與線密度均小于純棉紗線,說明納米纖維復(fù)合紗線比純棉紗線細(xì),吸濕性比純棉紗線差。3種PAN基納米纖維復(fù)合紗線的捻度比較接近,均大于純棉紗線。除了PAN基防紫外線納米纖維紗線的斷裂強(qiáng)度低于純棉紗線,其他2種納米纖維復(fù)合紗線的斷裂強(qiáng)度都高于純棉紗線,而且3種納米纖維復(fù)合紗線的斷裂伸長率都比純棉紗線高,說明納米纖維復(fù)合紗線的拉伸性能比純棉紗線好。

2.3 織物的防紫外線性能

PAN基防紫外線納米纖維復(fù)合紗線織物、PAN基納米纖維復(fù)合紗線織物和純棉織物的防紫外線性能測試結(jié)果如表2所示。

由表2可知,PAN基納米纖維復(fù)合紗線織物和純棉織物的防紫外線性能相差不大,而PAN基防紫外線納米纖維復(fù)合紗線織物的防紫外線性能卻改善了很多。根據(jù)GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評定》[9],只有當(dāng)樣品的UPF值大于40且UVA透過率小于5%時,才能稱為防紫外線產(chǎn)品,因此含TiO2的PAN基納米纖維復(fù)合紗線織物可稱為防紫外線產(chǎn)品。生產(chǎn)中可以根據(jù)實際需求,向纖維中添加抗紫外線納米纖維的粒子制得具有所需性能的紗線,從而織造出相應(yīng)織物。

2.4 織物的防輻射性能

輻射照度即受照面單位面積上的輻射通量,輻射照度越小,織物的防輻射性能越好。PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線織物、PAN基納米纖維復(fù)合紗線織物和純棉織物的防輻射性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 織物防輻射性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of fabrics radiation protection

由表3可知,PAN基納米纖維復(fù)合紗線織物和純棉織物的輻射照度較為接近,純棉織物的輻射照度略大于PAN基納米纖維復(fù)合紗線織物,而PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線織物的輻射照度最小,這說明PAN基防輻射納米纖維復(fù)合紗線織物的防輻射性能最好。因此,含AgNPs的PAN基防輻射納米纖維可以較好地提升織物的防輻射性能。

3 結(jié)論

1)3種PAN基納米纖維在復(fù)合紗線中分布均勻,納米纖維復(fù)合紗線的紡制方法可行。

2)3種PAN基納米纖維復(fù)合紗線比純棉紗線細(xì),吸濕性比純棉紗線差,拉伸性能比純棉紗線好,捻度相近,均大于純棉紗線。

3)PAN基功能性納米纖維織物的防紫外線性能和防輻射性能良好,可用于開發(fā)防紫外線和防輻射功能性紡織品。