莫代爾與石墨烯莫代爾基、粘膠基、錦綸基混紡工藝探討

曾令璽,曾社平,劉建農(nóng),馮向偉,趙勝男,唐建東

(新型環(huán)保復(fù)合面料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 襄陽 441002)

0 引言

石墨烯又名單層石墨(Graphene),是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料,具有完美的大π共軛體系和最薄的單層原子厚度的結(jié)構(gòu)[1]。石墨烯特有的結(jié)構(gòu)使其具備優(yōu)良的導(dǎo)電性、電熱性、力學(xué)性、透光性、磁學(xué)性及遠(yuǎn)紅外性。目前,石墨烯纖維材料的研究與開發(fā)應(yīng)用是我國紡織行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[2]。采用石墨烯改性纖維,能有效增加纖維的功能性,且石墨烯改性纖維所紡紗線為色紡紗線,坯布無需染色,直接成衣,減少了染色過程帶來的污染。但纖維經(jīng)過石墨烯改性后,易造成纖維可紡性降低,具體表現(xiàn)為:纖維強(qiáng)力下降,抗打擊能力減弱,易產(chǎn)生短絨、形成棉結(jié),纖維間抱合力變差,成卷、成網(wǎng)困難,成紗質(zhì)量下降等。石墨烯改性粘膠纖維(GR)強(qiáng)力下降、梳棉工序不易成網(wǎng)成條,石墨烯改性莫代爾纖維(GMD)易纏結(jié)形成棉結(jié),石墨烯改性錦綸纖維(GN)加工工藝不完善,且由于石墨烯片層間較強(qiáng)的作用力使石墨烯材料分散性能較差,纖維表面摩擦因數(shù)小、抱合力差[3-4],如何成網(wǎng)成為技術(shù)難點(diǎn)。

筆者以研究莫代爾(MD)與石墨烯莫代爾基、粘膠基、錦綸基的可紡性為目的,分別開發(fā)MD/GMD 85/15 9.8 tex紗,MD/GR 85/15 9.8 tex紗以及MD/GN 85/15 9.8 tex紗。

1 紡紗試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)選取1.30 dtex×39 mm規(guī)格的MD分別與1.33 dtex×38 mm規(guī)格的GMD,GR,GN混紡。

1.2 試驗(yàn)方案及工藝流程

采取集聚紡方式紡MD/GMD,MD/GR,MD/GN 9.8 tex混紡紗,混紡比均為85∶15。

紡紗工藝流程:A002A型抓棉機(jī)→FA106C型豪豬開棉機(jī)→A045B型凝棉器→A092A型給棉機(jī)→A076C型單打手成卷機(jī)→A186D型梳棉機(jī)→FA317型并條機(jī)(頭并)→RD221C型立達(dá)并條機(jī)(二道)→FA426E型粗紗機(jī)→FA506型細(xì)紗機(jī)→AC338RM型自絡(luò)機(jī)。

1.3 各工序工藝配置及技術(shù)措施

1.3.1 原料預(yù)處理

GR與GN的比電阻大,為防止在紡紗過程中出現(xiàn)纏繞、生產(chǎn)不順等問題,需對其進(jìn)行預(yù)處理。在生產(chǎn)前,先將FK-305抗靜電劑與溫水按一定比例兌勻,然后噴灑在GR,GN原料上,在養(yǎng)生房燜放24 h以上,使體積比電阻降到108Ω·cm以下,養(yǎng)生房溫度約為25 ℃,相對濕度約為55%。因抗靜電劑的作用具有時(shí)效性,若放置時(shí)間長,抗靜電劑會(huì)失效,故原料養(yǎng)生后應(yīng)迅速投入生產(chǎn)。

1.3.2 開清工序

開清工序遵循“勤抓少抓,輕打多梳少落”的工藝原則。為減少因打擊力過大造成纖維損傷,開清工序采用短流程,各部件的速度宜低;原料送入車間后要立即使用,以確保原料與車間溫濕度達(dá)到平衡,提高纖維的可紡性[5]。

由于MD/GMD,MD/GR,MD/GN紗的混紡比均為85∶15,混紡比相差較大,因此不同混紡工藝方案對最終成紗質(zhì)量影響較大,如紗線強(qiáng)力、條干及纖維分布情況等。為解決這個(gè)問題,將GMD與MD,GR與MD,GN與MD在清花槽里先按照65∶35的比例混和,再分別與MD在并條工序按照23∶77的比例混和。使用該方案MD與GMD,GN,GR的混紡比例可達(dá)到85∶15,成紗顏色差異小,紗疵少。GR的斷裂強(qiáng)度最小,打手速度要適當(dāng)?shù)陀贕MD,以降低纖維損傷;由于MD表面光滑,纖維之間抱合力差、不易成卷,故在成卷羅拉上懸掛MD粗紗,隨棉層一起成卷,以改善成卷困難問題。

開清工序的主要工藝參數(shù):MD清花卷定量為400 g/m,打手轉(zhuǎn)速設(shè)定為420 r/min;MD/GMD 65/35混紡紗清花卷定量設(shè)定為360 g/m,打手轉(zhuǎn)速為420 r/min;MD/GR 65/35混紡紗清花卷定量為360 g/m,打手轉(zhuǎn)速為390 r/min;MD/GN 65/35混紡紗清花卷定量為360 g/m,打手轉(zhuǎn)速為400 r/min。

1.3.3 梳棉工序

梳棉工序遵循“梳理轉(zhuǎn)移適度、結(jié)雜短絨兼顧”的工藝原則。MD,GMD,GR的強(qiáng)力不高,而梳棉機(jī)的各部件速度較高,雖然梳理充分,棉結(jié)大量減少,但會(huì)造成短絨急劇增加。為此,找到短絨增加與棉結(jié)下降的平衡點(diǎn)是梳棉工序的重點(diǎn)。通過適當(dāng)降低刺輥和道夫轉(zhuǎn)速等,可減少纖維損傷、提高棉網(wǎng)清晰度、降低棉結(jié)?？紤]GR比MD,GMD,GN強(qiáng)力低的特點(diǎn),生產(chǎn)GR/MD 65/35混紡紗的刺輥轉(zhuǎn)速要低,錫刺比在2以上,以利于纖維由刺輥快速向錫林轉(zhuǎn)移,減少損傷;生產(chǎn)GR/MD 65/35混紡紗的道夫轉(zhuǎn)速稍高,利于加快纖維轉(zhuǎn)移,減少纖維在工作區(qū)重復(fù)分梳造成的纖維揉搓,同時(shí)回轉(zhuǎn)蓋板速度增加,以排除相對于另外2個(gè)品種增加的更多短絨;GN/MD 65/35混紡紗的生條定量比GMD/MD 65/35,GR/MD 65/35混紡紗的定量稍大,有助于提高成網(wǎng)能力,為此5點(diǎn)隔距稍放大。MD生條定量設(shè)計(jì)比GMD/MD 65/35,GR/MD 65/35,GN/MD 65/35混紡紗的生條定量大,5點(diǎn)隔距適當(dāng)增大,以防止纖維充塞于針布之間,造成梳理負(fù)荷大,梳理不充分。

GMD,GR,GN定量相較于MD小,棉網(wǎng)較為稀薄,易造成成網(wǎng)困難,對比MD棉網(wǎng)張力為1.36倍,GMD,GR,GN的棉網(wǎng)張力需增大為1.43倍,以引導(dǎo)棉網(wǎng)順利進(jìn)入圈條器成條。對化纖而言,針布選擇十分重要,梳理以直齒尖、淺齒深為主,纖維間摩擦力小,錫林選用具有托持纖維能力的針布齒條,有利于梳理纖維。蓋板以梳理為主,為減少纖維損傷,可減小齒深、工作角,有利于纖維轉(zhuǎn)移,使吸納和釋放結(jié)合。錫林針布選用AC2030×01540型齒條,蓋板針布選用MCB52型齒條,道夫針布選用AD4030×01890型齒條,刺輥針布選用AT5610×13109型齒條。梳棉工序具體工藝參數(shù)見表1。

表1 梳棉工序工藝參數(shù)

在生產(chǎn)石墨烯粘膠基時(shí)發(fā)現(xiàn)生條棉結(jié)多,經(jīng)分析是由于粘膠溶液中間制品發(fā)粘造成不易分梳而導(dǎo)致,為此采用增加錫林齒密的辦法減少生條棉結(jié),錫林針布型號更改為AC1830×01550D型,生條棉結(jié)由6個(gè)/g～8個(gè)/g下降為2個(gè)/g～4個(gè)/g。

1.3.4 并條工序

并條工序遵循“定量合適、慢速度、重加壓”的工藝原則[6]。由于纖維表面光滑、抱合差、定量大、羅拉負(fù)荷大,容易產(chǎn)生意外牽伸,造成條干不勻,故GMD/MD 65/35,GR/MD 65/35,GN/MD 65/35混紡紗在并條工序采用8×8×8的混合方式,3種混紡紗的定量偏小設(shè)計(jì),以改善混合不勻與質(zhì)量不勻;頭并采取較大后區(qū)牽伸倍數(shù)(接近2)減少后彎鉤纖維,提高條子中纖維的伸直平行度。經(jīng)長期實(shí)踐證明,頭并在立達(dá)并條機(jī)上纖維之間的混合效果不如普通并條機(jī)好,這是因?yàn)榱⑦_(dá)并條機(jī)運(yùn)行速度快,纖維在牽伸過程中的混合時(shí)間極短,無法達(dá)到充分混合的效果,而普通并條機(jī)速度慢,并條牽伸過程中的混合時(shí)間增加,能夠充分混合,減少布面顏色不勻,故頭并選用FA317型并條機(jī);在三并上采用較小后區(qū)牽伸倍數(shù)(約1.3),并條輸出速度不宜過高,前羅拉轉(zhuǎn)速控制為300 r/min～350 r/min,使纖維變速穩(wěn)定、條子條干均勻。

GN/MD 65/35混紡紗的生條定量須適當(dāng)增加,采用同樣的牽伸倍數(shù),對比GMD/MD 65/35和GR/MD 65/35混紡紗,粗紗定量增大,斷粗紗減少。GR/MD 65/35混紡紗的纖維抱合力優(yōu)于GMD/MD 65/35和GN/MD 65/35混紡紗,并條輸出速度可稍大。羅拉握持距除了與纖維長度有關(guān),還與條子定量有關(guān),定量大、應(yīng)適當(dāng)放大握持距,以防止?fàn)可觳婚_,故GN/MD 65/35混紡紗握持距比GR/MD 65/35,GMD/MD 65/35混紡紗稍大。并條膠輥硬度應(yīng)偏小選擇,選用邵爾A硬度為78度的并條膠輥。膠輥硬度小,在搖架壓力的作用下,膠輥?zhàn)冃卧黾?與纖維的接觸面增加,摩擦力界向前延伸,對浮游纖維的握持力增加,使浮游纖維變速穩(wěn)定,條干水平改善,并條工序主要工藝參數(shù)見表2～表4。

表2 紡MD/GMD 85/15 9.8 tex紗并條工藝參數(shù)

表3 紡MD/GR 85/15 9.8 tex紗并條工藝參數(shù)

表4 紡MD/GN 85/15 9.8 tex紗并條工藝參數(shù)

1.3.5 粗紗工序

粗紗工序的工藝設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“較低車速、較大捻系數(shù)、小后區(qū)牽伸倍數(shù)”的工藝原則。速度高、捻度低,在卷繞過程中,由于離心力的作用,纖維易飛散、粗紗表面變毛;同時(shí)捻度低,在細(xì)紗退繞時(shí),易斷粗紗,結(jié)合GR的抱合力優(yōu)于GMD,粗紗捻系數(shù)有所不同,適當(dāng)增加GMD的粗紗捻度,增大粗紗強(qiáng)力,防止卷繞過程中斷粗紗。GN的實(shí)際紗號粗,捻系數(shù)可稍小,防止細(xì)紗出硬頭。此外,GR的速度適當(dāng)增加,可增加產(chǎn)量。由于MD,GMD,GR,GN整體光滑,故隔距塊宜偏小掌握,在保證不出竹節(jié)的情況下,增加對纖維叢的握持,以改善條干不勻,降低后工序紗疵。粗紗伸長率控制在1.8%以內(nèi),內(nèi)外排粗紗伸長率差異控制在1%以內(nèi),伸長過長易產(chǎn)生粗細(xì)節(jié),造成條干不勻。此外,由于石墨烯纖維為黑色,須做好隔離防護(hù)工作,嚴(yán)防半成品碰撞及纖維飄浮,造成混纖問題[7]。羅拉隔距為12 mm×25 mm×35 mm。粗紗工序具體工藝參數(shù)配置見表5。

表5 粗紗工藝參數(shù)

1.3.6 細(xì)紗工序

細(xì)紗工藝設(shè)計(jì)遵循“較大捻度、較大壓力、降低速度”的工藝原則。較大捻度可增加紗線強(qiáng)力,較大壓力能增加對纖維的握持,降低速度有利于減少纖維斷頭;取消導(dǎo)紗動(dòng)程,有助于纖維在網(wǎng)格圈集聚,減少須條在網(wǎng)格圈表面左右滑動(dòng),使用抗靜電網(wǎng)格圈可改善條干。因環(huán)錠紡易纏繞前羅拉、形成紗疵,故采用集聚紡的方式紡MD/GMD 85/15 9.8 tex,MD/GR 85/15 9.8 tex與MD/GN 85/15 9.8 tex混紡紗,集聚紡采用LXC-870型鋁襯管前膠輥,PG1/2-3854型鋼領(lǐng),TPJM 1/2 ES gc型鋼絲圈。石墨烯纖維混紡紗短絨率高,在細(xì)紗卷繞時(shí),易在鋼絲圈、鋼領(lǐng)和紗線三者接觸處形成頭大尾細(xì)的黑色棉結(jié),為此揩車周期縮短約為10 d比較合適;膠輥膠圈表面會(huì)變黑,更換后可用來紡制檔次較低的品種。羅拉隔距為19 mm×38 mm。細(xì)紗工序工藝參數(shù)配置見表6。

表6 細(xì)紗工藝參數(shù)

1.3.7 絡(luò)筒工序

絡(luò)筒工序的作用是清除紗疵。合理設(shè)置工藝參數(shù),能有效清除有害紗疵,保證布面質(zhì)量,混紡纖維之間的抱合差,絡(luò)筒速度不宜過高,過高會(huì)增加棉結(jié),須設(shè)置為1000 m/min。由于石墨烯改性纖維為黑色,在紗線上容易形成色結(jié),這種色結(jié)既包括黑色、灰色色結(jié),又包括白色色結(jié)。電子清紗器以棉結(jié)大小作為清除依據(jù),而不是以顏色為依據(jù),為此可使用異纖功能深色中切淺色來切除白色色結(jié)。筆者公司經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),石墨烯含量占比為15%時(shí),在烏斯特條干儀與洛菲電子清紗器上切疵存在一定差距,洛菲電子清紗器切除含有導(dǎo)電物質(zhì)的紗線效果較好,需打開異纖D&B模式,用來切除白色色結(jié)。洛菲電子清紗器的主要參數(shù)設(shè)定:棉結(jié)直徑(N)為3.5倍,短粗節(jié)直徑(DS)為2.3倍,短粗節(jié)長度(LS)為1.3 cm,長粗節(jié)直徑(DL)為1.23倍,長粗節(jié)長度(LL)為40 cm。

2 成紗質(zhì)量分析

采用烏斯特條干儀檢測紗線條干質(zhì)量,用長嶺YG136型單紗強(qiáng)力儀檢測紗線強(qiáng)力,紗線的具體成紗質(zhì)量指標(biāo)見表7。

表7 成紗質(zhì)量指標(biāo)

從表7可以看出,MD/GR 85/15 9.8 tex紗的條干水平優(yōu)于MD/GMD 85/15 9.8 tex紗,主要原因?yàn)?GR表面具有少許溝槽,纖維之間的抱合性能好,纖維在牽伸過程中分布比較均勻;MD/GMD表面光滑,在梳棉工序比MD/GR成網(wǎng)困難,短絨率高0.5%～0.8%,故-40%細(xì)節(jié)、+35%粗節(jié)及棉結(jié)都增加。MD/GR 85/15 9.8 tex紗的強(qiáng)力低于MD/GMD 85/15 9.8 tex紗,這是由于GMD強(qiáng)力高于GR;對紗線強(qiáng)力而言,纖維本身強(qiáng)力為主要因素,纖維間的抱合為次要因素。MD/GN 85/15 9.8 tex紗的條干水平最差,這是因?yàn)榧尤胧┑腉N保留了錦綸的絕大部分性能,纖維具有一定的回彈性且易產(chǎn)生靜電,在梳棉工序難以單獨(dú)成網(wǎng),必須與其他纖維混和才能成網(wǎng),2種混和的纖維在梳棉工序設(shè)置工藝以占主體的纖維為主,同時(shí)兼顧另一種纖維,在梳理時(shí)若梳理力過大,會(huì)加劇GN回彈,碰撞附近纖維,造成GN與MD梳理不充分,增加棉結(jié),最終導(dǎo)致成紗條干質(zhì)量變差。MD/GN 85/15 9.8 tex紗的斷裂強(qiáng)力較低,理論上GN單纖維強(qiáng)力高,最終紗線強(qiáng)力也會(huì)較高,實(shí)際上雖然GN纖維強(qiáng)力高,但占比較少,紗線主體還是MD,且伸長差異大,造成纖維滑脫,斷裂不同步,進(jìn)而影響強(qiáng)力。

3 結(jié)語

3.1GMD,GR,GN分別與MD采用65/35的比例在清花槽里混和,再分別與MD在并條工序按照23∶77的比例混合,大幅改善了混不勻,色差大等問題;以前為了混合均勻,GMD,GR,GN與MD的 4種纖維在清花工序單獨(dú)上槽,做成生條,再經(jīng)過四道并合(GMD的生條與MD生條并合4次,GR的生條與MD生條并合4次,GN的生條與MD生條并合4次),會(huì)造成色結(jié)多、布面紗疵高等問題,該混合方式使這些問題得到改善。

3.2經(jīng)過石墨烯改性,基體纖維性能會(huì)發(fā)生部分改變,但保留大部分性能,即某種纖維加入石墨烯的性能與未加入石墨烯時(shí)的性能存在共性與特性,對此需要有針對性的設(shè)計(jì)工藝,不能完全按照基體纖維設(shè)計(jì)工藝,如石墨烯改性后纖維強(qiáng)力下降、容易形成短絨,各機(jī)件速度、隔距須做相應(yīng)調(diào)整。

3.3不同纖維性能不同,不能完全照搬其他纖維的工藝,如GN與GR抱合力不同,GN表面無溝槽,纖維間抱合差,體積比電阻大,梳棉成網(wǎng)比GR困難。因此雖然都是石墨烯改性,但各工序工藝不同。

3.4MD/GMD 85/15 9.8 tex紗,MD/GR 85/15 9.8 tex紗及MD/GN 85/15 9.8 tex紗的成紗條干、強(qiáng)力等受多個(gè)因素影響,不僅僅是纖維本身性能的影響,如在同等成紗工藝條件下,成紗強(qiáng)力既與纖維強(qiáng)力有關(guān),又與纖維之間抱合力有關(guān)。