羊毛/芳綸包芯紗針織物開發(fā)及其性能

李海洋 尉 霞,b 陳成煜 張華平 吳俊雄 羅璟嫻

西安工程大學 a.紡織科學與工程學院, b.功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室, 陜西 西安 710048

芳綸具有超高的強度和高模量,且耐熱、阻燃、電絕緣性能優(yōu)良,是理想的防護服用材料。但芳綸纖維表面光滑,表面能低,親水性差,這嚴重影響了芳綸服裝的舒適性[1-3]。為此,研究人員展開了很多工作,包括采取混紡的方法,以及對纖維進行改性或后整理等。吳俊雄等[4]制備了一種以芳綸為芯紗,外包阻燃腈綸的包芯紗,解決了芳綸紫外光穩(wěn)定性差,易發(fā)生光降解、老化等問題。

羊毛纖維因蛋白結(jié)構(gòu)獨特而具有許多優(yōu)異的特性,如柔軟舒適,吸濕性及保暖性好等[5]。此外,羊毛是一種阻燃性好的天然材料,其氮含量(質(zhì)量分數(shù)15%～21%)高、著火點(570～600 ℃)高、極限氧指數(shù)(25～26)較高、燃燒熱(20.52 kJ/g)低,且燃燒時不熔融,無熔滴,離開明火后會自行熄滅[6-9]。

本文選擇將羊毛與芳綸結(jié)合在一起,紡制包芯紗結(jié)構(gòu)的紗線并織制成織物用于制作防護服,以期既滿足防護服的特殊性能要求,又大幅改善芳綸織物的舒適性。

1 試驗部分

1.1 試驗材料、儀器及環(huán)錠細紗機改造

試驗材料:芳綸單紗,線密度為14.8 tex,煙臺泰和新材料股份有限公司;芳綸纖維,長度為51 mm,線密度為1.2 dtex,煙臺泰和新材料股份有限公司;羊毛纖維,長度為65 mm,平均直徑18.1～20.0 μm(即品質(zhì)支數(shù)為70支),浙江新澳紡織股份有限公司。

試驗儀器:B412、B423、B432、B442、B452型梳毛機,江陰市百順科技有限公司;FB441型粗紗機,無錫第七紡織機械有限公司;HFX-B4型毛紡細紗機,南通三思機電科技有限公司;YG(B)742D型汽蒸收縮測定儀,溫州大榮紡織儀器有限公司;GBW-120型絡(luò)筒機,國興機械有限公司;STOLL 12針電腦橫機,德國斯托爾(STOLL)公司;YG461E型數(shù)字式透氣量儀,寧波紡織儀器廠;FX3150型全自動織物透濕量測試儀,瑞士TEXTEST儀器公司;YG(B)871型毛細管效應測定儀,溫州大榮紡織標準儀器廠;YG606D型平板式織物保溫儀,寧波紡織儀器廠;LLY-01B型電子硬挺度儀,萊州市電子儀器有限公司;LFY-402型織物摩擦式靜電測試儀,山東省紡織科學研究院;AUTO-SP01型垂直燃燒試驗儀,深圳市奧德賽創(chuàng)精密儀器有限公司;YG(B)026D型電子織物強力機,寧波紡織儀器廠;PT-2030型耐黃變試驗機,廣東寶大宣力科技有限公司。

環(huán)錠細紗機的改造:在粗紗架上層額外安裝1排芯絲架,粗紗架外側(cè)安裝1列導絲勾和張力導絲桿;在前羅拉上方的搖架位置安裝U型結(jié)構(gòu)的塑料張力輪和V型結(jié)構(gòu)的金屬導絲輪;固定導紗動程,確保粗紗須條勻速、穩(wěn)定輸出,且始終位于中間位置[10]。

1.2 包芯紗的制備

分別紡制線密度皆為30 tex的羊毛/芳綸包芯紗和純芳綸包芯紗(即芳綸/芳綸包芯紗)。其中,芯層皆為芳綸單紗,線密度為14.8 tex。2種包芯紗的芯層質(zhì)量都占包芯紗整體質(zhì)量的50%。

1.3 包芯紗針織物的制備

分別采用羊毛/芳綸包芯紗和純芳綸包芯紗在STOLL 12針電腦橫機上織制包芯紗針織物。

包芯紗針織物參數(shù):雙羅紋組織,線圈長度為5.316 mm,橫向密度為30.9縱行/(5 cm),縱向密度為41.7橫列/(5 cm),面密度為248.8 g/m2。

1.4 性能表征

1.4.1 透氣性

以透氣率表征包芯紗針織物的透氣性。根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》,取20 cm2的圓形試樣,使用YG461E型數(shù)字式透氣量儀測量試樣不同位置的氣流量5次,取平均值。測試時,設(shè)置壓強為100 Pa。試樣的透氣率計算式:

(1)

式中:R為透氣率,mm/s;qV為平均氣流量,dm3/min;A為試樣面積,cm2。

1.4.2 透濕性

以透濕量表征包芯紗針織物的透濕性。根據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分:吸濕法》,取直徑為3 cm的圓形試樣,使用FX3150型全自動織物透濕量測試儀在溫度為38 ℃、相對濕度為50%的環(huán)境中展開測試。試樣的透濕率計算式:

(2)

式中:rWVT為透濕率,g/(m2·d);Δm為同一試驗組合體2次稱量的質(zhì)量之差,g;S為試樣有效試驗面積,m2;t為試驗時間,h。

1.4.3 導濕性

以芯吸高度表征包芯紗針織物的導濕性。按照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》,使用YG(B)871型毛細管效應測定儀進行測試,記錄液體芯吸高度的最大值,結(jié)果取平均值。測試時,試樣尺寸取250 mm×30 mm。

1.4.4 保暖性

以保暖率表征包芯紗針織物的保暖性。按照GB/T 11048—1989 《紡織品 保溫性能的測定》,使用YG606D型平板式織物保溫儀測定針織物的保暖率。測試時,試樣尺寸取300 mm×300 mm。試樣的保暖率計算式:

(3)

式(3)中:Q為保暖率,%;Q1為無試樣時的散熱量,W/℃;Q2為有試樣時的散熱量,W/℃。

1.4.5 剛?cè)嵝?/p>

以抗彎剛度表征包芯紗針織物的剛?cè)嵝?。根?jù)GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分:斜面法》,試樣尺寸取200 mm×25 mm,使用LLY-01B型電子硬挺度儀測試試樣的彎曲長度3次,取平均值。試樣的抗彎剛度計算式:

G=m×C3×10-3

(4)

式(4)中:G為抗彎剛度,mN·cm;m為面密度,g/m2;C為平均彎曲長度,cm。

1.4.6 抗靜電性

以摩擦帶電電壓表征包芯紗針織物的抗靜電性。根據(jù)GB/T 12703.5—2010《紡織品 靜電性能的評定 第5部分:摩擦帶電電壓》,試樣尺寸取80 mm×80 mm,使用LFY-402型織物摩擦式靜電測試儀測量試樣摩擦帶電電壓的最大值。測試時,設(shè)置運轉(zhuǎn)速度為400 r/min,測試時間為1 min,負載質(zhì)量為500 g。

1.4.7 阻燃性

以續(xù)燃時間、陰燃時間、損毀長度和燃燒狀態(tài)表征針織物的阻燃性。根據(jù)GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向 損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間的測定》,試樣尺寸取300 mm×80 mm,使用AUTO-SP01型垂直燃燒試驗儀進行測試。設(shè)置點燃時間為12 s。

1.4.8 抗紫外老化性

采用PT-2030型耐黃變試驗機對包芯紗針織物進行紫外燈照射,以紫外燈照射包芯紗針織物前后的頂破強力表征針織物的抗紫外老化性。具體為,將試樣裁剪成直徑為5 cm的圓形試樣;距離試樣100 mm,使用30 W紫外燈進行照射;根據(jù)GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》,使用YG(B)026D型電子織物強力機測試試樣經(jīng)紫外光照射不同時間后的頂破強力。

2 結(jié)果與討論

2.1 包芯紗針織物的服用性能

2種包芯紗針織物的透氣性、透濕性、導濕性及保暖性結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,在相同的織造工藝條件下,羊毛/芳綸包芯紗針織物與純芳綸包芯紗針織物相比,前者的透氣率提高了66.0%,透濕量提高了16.9%,芯吸高度提高了80.5%,保暖率提高了52.8%。這是因為羊毛纖維較細,且?guī)в刑烊坏木砬Y(jié)構(gòu),所以含羊毛的針織物內(nèi)部蓬松多孔,這有利于形成良好的氣體和水分擴散通道,令羊毛/芳綸包芯紗針織物具有更優(yōu)異的透氣性、透濕性和導濕性;同時,多孔蓬松的結(jié)構(gòu)也使得內(nèi)部熱量不易散失,故而具有更好的保暖性。

表1 包芯紗針織物的服用性能Tab.1 Wearable performance of core-spun knitted fabrics

圖1展示了2種包芯紗針織物的剛?cè)嵝?。從圖1可以看出,羊毛/芳綸包芯紗針織物緯向抗彎剛度比純芳綸包芯紗針織物的低38.0%,經(jīng)向抗彎剛度比純芳綸包芯紗針織物的低18.3%。這是因為羊毛纖維的模量和剛度均比芳綸的小,加之羊毛纖維具有天然的卷曲度,且較為柔軟,所以羊毛/芳綸包芯紗針織物具有更加柔軟、舒適的觸感。

圖1 包芯紗針織物的抗彎剛度Fig.1 Bending stiffness of core-spun knitted fabrics

2.2 抗靜電性

表2列出了2種包芯紗針織物在1 min內(nèi)的摩擦靜電測試結(jié)果。從表2可以看出,羊毛/芳綸包芯紗針織物摩擦帶電電壓比純芳綸包芯紗針織物的高1 722 V,較純芳綸包芯紗針織物的提高了166.4%。芳綸本身就具備極好的電絕緣性[11],其產(chǎn)生的靜電不容易釋放,抗靜電性能較差。羊毛纖維表面覆蓋有鱗片,其摩擦因數(shù)較大,也容易產(chǎn)生靜電。因此,羊毛纖維加入后會導致羊毛/芳綸包芯紗針織物的抗靜電性變差。

表2 包芯紗針織物抗靜電性Tab.2 Antistatic performance of core-spun knitted fabrics

2.3 阻燃性

2種包芯紗針織物的阻燃性測試結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,羊毛/芳綸包芯紗針織物的續(xù)燃時間比純芳綸包芯紗針織物的增加了3.90 s,陰燃時間增加了2.14 s,損毀長度增加了7.12 cm,但燃燒過程中未出現(xiàn)火焰蔓延,以及熔融滴落和熔洞現(xiàn)象,故不會對人體造成燙傷等二次傷害。盡管相較于純芳綸包芯紗針織物,羊毛/芳綸包芯紗針織物的阻燃性能有所下降,但根據(jù)GB/T 17591—2006《阻燃織物》對織物燃燒性能的規(guī)定和要求,本文織制的羊毛/芳綸包芯紗針織物仍屬阻燃織物。

表3 包芯紗針織物阻燃性Tab.3 Flame retardancy of core-spun knitted fabrics

2.4 抗紫外老化性

圖2展示了2種包芯紗針織物頂破強力隨紫外燈照射時間的變化狀況。從圖2可以看出:純芳綸包芯紗針織物受到紫外燈照射后,頂破強力一開始就逐步下降,由最初的859.5 N(未照射)下降至842.1 N(4.5 h)、831.5 N(9.0 h)、804.0 N(18.0 h),分別降低了2.0%、3.3%、6.5%。而羊毛/芳綸包芯紗針織物紫外燈照射9.0 h內(nèi),頂破強力無明顯下降;紫外燈照射9.0 h后,頂破強力呈明顯的下降趨勢;紫外燈照射18.0 h后,頂破強力由741.7 N(9.0 h)下降至710.2 N(18.0 h),降低了4.2%。這是因為羊毛角蛋白分子中含有芳香族氨基酸,其對紫外光具有良好的吸收能力[12]。當羊毛纖維用作包芯紗的外層時,羊毛可以有效吸收紫外線,對芯層芳綸形成保護,從而使含芳綸的針織物具有一定的抗紫外老化能力,羊毛/芳綸包芯紗針織物暴露于陽光下一段時間仍能保持原有的強度。

圖2 紫外燈輻照不同時間后包芯紗針織物的頂破強力Fig.2 Bursting strength of core-spun knitted fabrics after UV light irradiation for different time

3 結(jié)論

(1)羊毛/芳綸包芯紗針織物的透氣性、透濕性、導濕性、保暖性及剛?cè)嵝韵啾燃兎季]包芯紗針織物的均有所改善,但抗靜電性有所下降。整體上,羊毛/芳綸包芯紗針織物的舒適性優(yōu)于純芳綸包芯紗針織物的舒適性。

(2)相較于純芳綸包芯紗針織物,羊毛/芳綸包芯紗針織物的阻燃性有所降低,但仍符合GB/T 17591—2006《阻燃織物》對阻燃織物燃燒性能的規(guī)定和要求。羊毛/芳綸包芯紗針織物與純芳綸包芯紗針織物均屬阻燃織物。

(3)羊毛/芳綸包芯紗針織物比純芳綸包芯紗針織物具有更好的抗紫外老化性,這種利用羊毛包纏芳綸的方法能獲得更持久的抗紫外老化性,且未采取后整理工藝,不會對環(huán)境造成污染。