防切割用 PVA 紗線及其織物的綜合性能研究

王嘉曄 張偉 王海樓 嚴雪峰 顧云翔 瞿建剛 胡建華

摘要：針對常被用作防切割紗線原材料的超高分子量聚乙烯纖維和芳綸所存在的吸濕性差、染色困難及成本高等問題。以高強高模PVA纖維為原料制備了PVA短纖紗（31.11 tex、44.44 tex、58.89 tex）、PVA/鎢絲包芯紗（29.53 tex）、PVA/玻纖包芯紗（29.53 tex），并制備了具有防切割功能的織物。通過拉伸測試和可染性試驗，探究短纖紗的力學性能、溫度敏感性、染色性和包芯紗的耐折性；通過防切割測試、耐撕裂測試、耐磨性能測試，探究防割用PVA織物的綜合性能。研究結果表明：與PVA/玻纖包芯紗相比，PVA/鎢絲包芯紗具有更好的耐折性能；PVA紗線耐溫性優(yōu)于超高分子量聚乙烯紗線，且具有良好的染色性；短纖紗織物防切割綜合使用性能與紗線力學性能呈正相關；PVA/鎢絲包芯紗織物防切割綜合性能最優(yōu)，可達5級防切割性能。

關鍵詞：高強高模PVA纖維；包芯紗；織物；染色；防切割

中圖分類號：TS151 ?????文獻標志碼：A ??文章編號：2097-2911-（2024）02-0010-09

Research on the comprehensive performance of anti-cuttingPVA yarns and fabrics

WANG Jiaye1，ZHANG Wei1，WANG Hailou1*，YAN Xuefeng1，GU Yunxiang 2，QU Jiangang 1，HUJianhua 3

（1. School of Textile and Clothing， Nantong University， Nantong， Jiangsu 226019， China；2. Miaoli Precision Equipment （Zhangjiagang） Co.， LTD.， Zhangjiagang， Jiangsu 215600， China；3.Texhong Textile Group Nantong Chongtian Spinning Co.， LTD.， Nantong， Jiangsu 226000， China）

Abstract： At present， ultra-high molecular weight polyethylene fiber and aramid fiber are generally used as the raw materials for anti-cutting yarns， which have the disadvantages of poor moisture absorption， poor dyeability and high cost. High-strength and high-modulus PVA fibers were selected as the raw material to prepare PVA sta- ple yarns （31.11 tex， 44.44 tex， 58.89 tex）， PVA/tungsten core-spun yarns （29.53 tex）， PVA/glass fiber core-spun yarns （29.53 tex）， and anti-cutting fabrics were also prepared. The mechanical properties， temperature sensitivi- ty， dyeability and folding resistance of staple fiber yarns and core yarns were investigated by tensile test and dye- ability test; the comprehensive performance of anti-cutting PVA fabrics was investigated by anti-cutting test， tear-resistant test and abrasion-resistant test. The results show that： compared with PVA/glass fiber core-spun yarn， PVA/tungsten core-spun yarn has a better folding resistance; PVA yarn has a better temperature sensitivity than UHMWPE yarn， and has a good dyeing properties; the comprehensive performance of anti-cutting fabrics has a positive correlation with the mechanical properties of yarns; the comprehensive performance of anti-cut-ting fabrics of PVA/tungsten core-spun yarns is optimal and can reach the anti-cutting performance of grade 5. Keywords： PVA fiber with high strength and high modulus; core-spun yarn; fabric; dye; cut resistance

我國作為制造業(yè)大國，勞動人口基數(shù)龐大，但由于防護水平低下，在生產過程中受傷比例較高。隨著人類安全防護意識的提高、勞動法對勞動者個體安全防護制度的完善，安全與防護用紡織品的綜合使用性能要求與日俱增[1]。開發(fā)防切割類紡織品具有重要實際意義，其中佩戴防切割手套是手部作業(yè)時最直接有效的防護手段之一[2]。

常見的防切割手套分類有鋼絲網防切割手套、高性能纖維手套[3]、針織涂層手套[4-6]等。柔性防切割手套的紗線材料需要具備高強高模、高吸能、耐沖擊等特征[7]。目前對于防切割紗線的研究更多側重于芳綸纖維[8-9]、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維[10]、無機高性能纖維（玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維）等[11]。除了使用高強高模纖維外，防切割手套紗線[12]還會采用高性能纖維包覆其他種類纖維成紗。田鷺新[13]等指出包覆紗的拉伸性能優(yōu)于相同線密度的純紗線，而且包覆紗織物的抗割性能隨著包覆紗捻度的增加而降低。對于同一種包覆紗結構，包覆紗織物的防切割性能與包覆紗的抗拉強度呈正相關關系，其芯絲通常選擇鎢絲、不銹鋼絲[14]、玻纖[15]等高強纖維，賦予紗線更高的防切割能力。金屬纖維，具有一定延展性；而玻纖為無機纖維，其脆性明顯，斷裂后易造成穿戴不適。

UHMWPE纖維是柔性防切割手套常采用的原料，但存在以下問題：①熔點為110℃左右，高溫環(huán)境對纖維性能影響大[16]；②可染性差，楊正國[17]指出由于超高分子量聚乙烯纖維不易染色，色彩較為單調，難以滿足消費者多樣化的需求；③聚乙烯分子取向度與結晶度高[18]，導致UHM- WPE 纖維卷曲性、抱合力差，難以紡制短纖紗。另外，芳綸纖維的生產成本高，不利于推廣使用。

高強高模聚乙烯醇（PVA）纖維是一種高強、高模、耐沖擊性高、耐候性好、吸濕性好的高性能纖維，能夠滿足防切割手套原材料的特性要求；其熔點為230℃左右，能夠適應高溫工作，且價格相對較低，利于推廣使用。高強高模PVA纖維性能介于芳綸與PET之間，但在價格方面優(yōu)于芳綸；與超高分子量聚乙烯纖維相比，可具有較好吸濕性、染色性[19]、耐溫性和棉感。但關于以 PVA紗線為原料的防切割制品的相關研究較少。

因此，本文選用高強高模PVA纖維作為防切割手套的原料，紡制PVA短纖紗與包芯紗以及相應的緯編織物。通過拉伸性能測試，探究高強高模PVA短纖紗與包芯紗的力學性能、耐溫性能、耐折性能；通過染色試驗探究PVA的可染性；通過織物的防切割測試、撕裂測試、耐磨測試探究 PVA緯編針織物的綜合防切割性能[20]。

1材料制備及測試方法

1.1高強高模PVA紗線及其織物制備

高強高模PVA纖維具有良好的吸濕性、耐溫性，所制備的織物具有優(yōu)異的棉感，穿戴舒適。本文所用高強高模PVA纖維來自于永安市寶華林實業(yè)發(fā)展有限公司，PVA 短纖維的長度為38 mm、細度為2 dtex，其初始模量達283 cN/dtex，斷裂強度達8 cN/dtex。

1.1.1高強高模PVA紗線制備

PVA短纖紗的主要制備工藝流程：梳理—并條—粗紗—細紗—絡筒，通過控制牽伸倍數(shù)，紡制出31.11 tex、44.44 tex、58.89 tex 的 PVA 短纖紗。

PVA包芯紗制備：選用PVA粗紗為外包紗，在細紗制備階段分別添加0.02 mm鎢絲、5.56 tex 玻璃纖維束為芯紗，在細紗機上完成包芯紗的制備，制得包芯紗細度為29.53 tex 。其中鎢絲斷裂伸長率與抗拉強度分別為：5.4%、3184 MPa；玻纖斷裂伸長率與抗拉強度分別為：3.8%、1191MPa。

1.1.2高強高模PVA織物制備

通過E18緯編針織機，將不同細度PVA短纖紗和 PVA/鎢絲包芯紗織成緯平組織結構織物?？椢锝Y構參數(shù)如表1所示。

1.2測試與表征

1.2.1紗線拉伸性能

根據 GB/T 3916-2013《紡織品單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》采用萬能材料試驗機（INSTRON，型號5969）對紗線進行拉伸測試。

1.2.2紗線色相測試

采用Datacolor 800型測配色儀，對試樣進行色相測試。

1.2.3織物防切割能

根據 ASTM F1790測量防護服用材料的抗切割性的標準試驗方法，裁剪25 mm×100mm的試樣五塊，設定刀片以2.5 mm/s 的速度運行切割試樣，以試樣被割破距離為25mm 時的切割力來表征材料抗切割性能。表2為防切割等級評價指標。

1.2.4織物耐撕裂性能

根據 GB/T3917.3-2009《紡織品織物撕破性能第3部分：梯形試樣撕破強力的測定》。按照 EN388抗撕裂等級評定，如表3所示。

1.2.5織物耐磨性能

在標準大氣壓下對直徑120 mm 試樣調濕后，采用YB522型織物耐磨儀，選定500 g砝碼，對試樣經過持續(xù)摩擦、記錄試樣表面出現(xiàn)破損時摩擦次數(shù)。按照EN388評定耐磨等級，如表3所示。

2結果與討論

2.1高強高模PVA紗線拉伸性能

2.1.1不同線密度高強高模PVA短纖紗拉伸性能

PVA短纖紗載荷-位移曲線如圖1所示。紗線斷裂強力與紗線線密度呈正相關關系；短纖紗斷裂強度基本穩(wěn)定，為4.0 cN/dtex。

2.1.2高強高模PVA紗線溫度敏感性

選用400 tex PVA 長絲紗與88.89 tex UHM- WPE長絲紗，分別在25℃、100℃、120℃溫度下測試其拉伸性能，將兩類紗線斷裂強力做歸一化處理，探究兩類紗線在高溫中的力學性能穩(wěn)定性。高溫場中試樣強力保持值如圖2所示。

結果顯示：當環(huán)境溫度升高到100℃時， UHMWPE長絲紗強力下降程度較高強高模PVA 長絲紗更大，說明PVA長絲紗在高溫場中表現(xiàn)出更好的性能穩(wěn)定性。因此以PVA紗線制備的防切割手套在高溫環(huán)境中具有更穩(wěn)定的防切割性能，可更有效地降低在作業(yè)中因環(huán)境溫度變化引起的防切割性能降低，避免安全事故發(fā)生。

2.1.3 PVA包芯紗拉伸性能

PVA/鎢絲包芯紗、PVA/玻纖包芯紗載荷-位移曲線如圖3所示。兩種不同芯絲制得的 PVA 包芯紗拉伸性能相似，包芯紗的強力主要表現(xiàn)在外包紗高強高模PVA和芯紗上。芯紗中鎢絲、玻纖的加入使得包芯紗的拉伸強力有較大提高。

PVA/鎢絲包芯紗強力經過初始線性階段后到達屈服點，再經過屈服平臺區(qū)后，紗線拉伸強力再次上揚，直至斷裂呈階梯式下降現(xiàn)象；在此拉伸過程中，PVA/鎢絲包芯紗受力由鎢絲芯紗和 PVA外包紗共同承受，直至最后斷裂階段，芯紗和外包紗形成不同時斷裂。PVA/玻纖包芯紗強力增長到一定程度后出現(xiàn)明顯的波動現(xiàn)象，然后繼續(xù)增長，最后呈斷崖式下降；在此拉伸過程中，玻纖斷裂伸長較小，較早出現(xiàn)玻璃纖維束的不同時斷裂，隨后由PVA外包紗起到主承力作用，直至紗線斷裂。

為進一步研究在織物成型及使用過程中，紗線彎折行為對紗線力學性能的影響情況，本部分實驗對試樣紗線90°彎折一次后，測試紗線的拉伸性能（圖3中虛線曲線）。利用對紗線彎折來模擬包芯紗織物及其使用過程中的彎折損傷，表征包芯紗耐折性能。與 PVA/鎢絲包芯紗相比，經彎折處理后，PVA/玻纖包芯紗的力學性能損失較嚴重。這是由于玻纖較脆、易折斷，而鎢絲延展性好，所以以鎢絲為芯紗的PVA包芯紗耐折性更強，其織物使用壽命將更持久。

另外，由于玻纖容易脆斷，且剛性較大，容易導致在折斷后露出織物表面，對皮膚造成扎傷，影響使用舒適性。因此后續(xù)的織物防切割性能研究選用PVA/鎢絲包芯紗。

2.2高強高模PVA紗線染色性

目前市面上常見的防切割手套原料為超高分子量聚乙烯紗線，但存在染色困難，難以滿足消費者需求。聚乙烯醇纖維的大分子上存在親水性基團（羥基）和疏水性基團（縮醛基），所以對大多數(shù)染料都有不同程度的親和力[21]。

本文選用分散紅對PVA短纖紗進行分散染料染色，其工藝流程為：染液配置與試樣準備—浸染（60℃升80℃;30 min）—水洗—干燥。其中染液 pH 值分別設為4、5、7，浴比1：50，染料1.5%（owf）。

從圖4可以看出，當染液pH 值為7時，PVA 短纖紗上染后的顏色最淺且顏色偏黃；隨著染液酸性濃度的增加，紗線顏色逐漸增加，染色均勻性也提高；當染液酸堿度為4時，紗線染色最深，上染過程中紗線對染料的吸附量高。

為進一步驗證在不同 pH 值下紗線染色情況，測試紗線色相（CIE H值）、明度（CIE L值）與彩度（CIE C值）。 CIE L值、CIE C值分別表征其上染顏色深度與飽和度，CIE L 值越小，顏色越深；CIE C值越大，顏色飽和度越高。

紗線上染測試值如表4所示：當染色呈酸性時，上染紗線染色深度、色彩飽和度優(yōu)于中性染液上染程度；染液 pH 值為4時，其紗線顏色深度與飽和度略高于染液 pH 值為5的上染紗線。

2.3高強高模PVA織物防切割性能

防切割手套中的防護性能是一種綜合指標，單一的防切割指數(shù)不能夠準確評價一副穿戴用柔性防切割手套。除了需要測試防切割性能外，還需涉及到織物的抗撕裂性、耐磨性等。

PVA短纖紗、PVA包芯紗的切割力與切割距離關系如圖5所示，兩類織物切割力與切割距離間的關系基本一致：切割距離均隨切割力的增大而減小。圖5中陰影區(qū)域內存在剛好達到有效切割距離的臨界切割力。根據最大有效切割力，確定防切割等級，如表5所示。

PVA 短纖紗織物防切割等級均只達一級； PVA/鎢絲包芯紗織物使用2200 g砝碼質量切割出有效長度，防切割等級達到5級，這是由于刀片在切割織物過程中，PVA包紗線中鎢絲阻擋了刀片對織物的持續(xù)傷害，使得 PVA/鎢絲包芯紗的防切割能力較 PVA 短纖紗織物有極大地提高。此切割等級制品可用于減少在極端切割危險中非常鋒利刀片對手部的傷害，如肉類加工、重金屬沖壓和平板玻璃工作等。

2.4織物耐撕裂性能與耐磨性能

織物的耐撕裂與耐磨性對材料的防切割綜合性能與使用壽命起著關鍵作用。織物的撕裂是指織物邊緣受到集中負荷而撕開的現(xiàn)象；耐磨性是指織物在一定條件下抵抗外界摩擦的能力，手套的耐撕裂性與耐磨性是評價手套防切割性能的綜合性指標之一。

織物橫向、縱向撕破強力如圖6所示。PVA 短纖紗織物為耐撕裂3級，PVA/鎢絲包芯紗可以達到耐撕裂4級。所有織物的縱向撕裂強度均大于橫向撕裂強度。PVA短纖紗織物縱向與橫向的撕裂強力均隨所用紗線線密度的增大而增加。

PVA/鎢絲包芯紗織物縱橫向撕裂強力明顯高于PVA短纖紗織物撕裂強力；由于鎢絲芯絲的加入提高了紗線強力，從而使得織物的耐撕裂強力也有所提高。

高強高模PVA短纖紗織物隨著紗線線密度的增加，其耐磨性變得更加優(yōu)異。耐磨性能等級如表6所示：58.89 tex PVA短纖紗織物的耐磨擦性能等級測試可達3級；PVA/鎢絲包芯紗織物耐磨等級也為3級，但其耐磨圈數(shù)遠遠大于58.89 tex PVA包芯紗，接近于4級。

織物的磨損主要歸結于織物中紗線受到機械損傷或者纖維間的聯(lián)系遭到破壞[22]。紗線力學性能的差異直接影響織物的耐磨性能。當織物結構、紗線種類相同時，紗線的細度越大，織物的耐磨性能越優(yōu)異。

在PVA短纖紗織物磨擦過程中，織物表面從整潔逐漸變得毛糙，直至紗線斷裂，形成破洞，其摩擦過程如圖7所示。在PVA/鎢絲包芯紗織物磨擦測試過程中：首先是織物表面，即高強高模 PVA紗線受到磨損，當摩擦力大于纖維強力或纖維間的抱合力時，纖維發(fā)生斷裂或被拉出形成絨毛和圈環(huán)，鎢絲開始裸露在外并承受摩擦力，織物表面生成毛羽使得布面失去光澤，如圖8所示；隨著磨擦繼續(xù)進行，鎢絲與底層PVA外包紗線斷裂，整根包芯紗斷裂，織物出現(xiàn)破洞。

3結論

本文通過制備高強高模PVA紗線及其織物，研究了紗線的拉伸性能、溫度敏感性、染色性，探討了織物的防切割綜合性能。得出以下結論：

（1）高強高模PVA紗線的拉伸性能隨著線密度的增大而提高，斷裂強度基本相同；相對于 UHMWPE長絲紗，高強高模PVA長絲紗在高溫場中的力學性能更穩(wěn)定。

（2）通過彎折紗線來模擬織物成型及其使用過程中彎折對紗線的損傷情況發(fā)現(xiàn)，PVA/鎢絲包芯紗的耐折性優(yōu)于PVA/玻纖包芯紗。

（3）采用分散染料對高強高模PVA紗線染色發(fā)現(xiàn)，高強高模PVA紗線的可染性較好，且在酸性條件下其上染率最佳。

（4）PVA短纖紗織物的防切割性能與紗線力學性能呈正相關，58.89 tex PVA短纖紗織物防切割性優(yōu)于31.11 tex、44.44 tex PVA 短纖紗織物； PVA/鎢絲包芯紗織物防切割性能優(yōu)于PVA短纖紗織物，可達5級防切割標準。

（5）在耐撕裂性、耐磨性能方面，PVA/鎢絲包芯紗織物也均優(yōu)于PVA短纖紗織物，其耐撕裂等級達4級、耐磨等級達3級，防切割綜合性能最佳。

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（責任編輯：周莉）