咖啡碳纤维和纱线的性能研究

刘 蕊，孟家光，张琳玫，董旭凤

（西安工程大学 纺织与材料学院，陕西 西安710048）

0 引 言

随着咖啡碳纤维的面世，人们对其研究越来越多.江苏大生有限公司推出了咖啡碳纤维混纺纱线，采用咖啡碳纤维与兰精粘胶等纤维混纺，生产出具有抑菌除臭、发散负离子、抗紫外线特性的新型功能性纱线［1］；田小迪等为了提高织物的功能性，对负离子纱线和咖啡碳纱线交织物的功能性进行测试，结果得出当负离子纱线与咖啡碳纱线的纬线排列比为1∶2时，织物的蓄热保暖和释放负离子的综合性能较好［2］；吴鲜鲜对咖啡纱多功能纺织品进行研究与开发，设计出具有多功能效果及良好服用性能的床上用品及五大系列织物，并对其服用性能进行测试分析［3］.前者多是研究咖啡碳纤维与其他纤维的混纺，生产出具有某种特殊功能的新型纱线，或是提高纺织品的功能性，这些研究都是要建立在对咖啡碳功能性纤维基本性能的认识与研究的基础上，因此需要对咖啡碳纤维的基本性能进行研究.文中参考其他功能性纤维的性能测试方法［4－5］，对咖啡碳纤维及咖啡碳纤维长丝纱的基本性能进行测试与分析.

1 实 验

1.1 材料

华楙生化科技股份有公司生产的规格为75D/72F，细度为8.3tex的咖啡碳纤维长丝纱.

1.2 仪器

KYKY－2800B型台式扫描电镜，傅立叶红外光谱仪（美国Nicolet 5700型），YG020A型电子单纱强力仪，条干均匀度测试仪（YG131型），DHG－9075A型电热恒温鼓风干燥箱，JA3003N型电子天平，水浴锅，JA3003N型电子天平.

1.3 测试方法

1.3.1 截面形态 采用KYKY－2800B型台式扫描电镜，观察分析咖啡碳纤维横截面和纵向形态结构.

1.3.2 红外光谱 采用傅立叶红外光谱仪（美国Nicolet 5700型）对咖啡碳纤维进行红外光谱测试.

1.3.3 纱线强度 采用YG020A型电子单纱强力仪对咖啡碳纤维长丝纱的强度进行测试.

1.3.4 条干均匀度 采用条干均匀度测试仪（YG131型）测试咖啡碳纤维长丝纱的条干均匀度，测试指标为CV值、细节、粗节和棉结.

1.3.5 含湿量 采用DHG－9075A型电热恒温鼓风干燥箱和JA3003N型电子天平，设定烘箱温度为105±3℃.首先用天平称取5g的咖啡碳纤维纱线，然后放入温度为105±3℃的干燥箱内，烘1h后，取出纱线，迅速称取纱线的干重，然后再次将纱线放入烘箱，继续烘10min，取出纱线，第二次迅速称取纱线的干重，如此反复烘干反复称重，直至两次重量的差与后一次重量的比小于0.05%时，停止烘干，记最后一次所测得的纱线重量为纱线的干重.每次称重都应在二级标准大气条件下进行，即大气压力为1个标准大气压，温度为20℃±2℃，相对湿度为65%±3%.含水率和回潮率计算如式（1），（2）.

1.3.6 耐热性 采用DHG－9075A型电热恒温鼓风干燥箱、水浴锅和JA3003N型电子天平测试咖啡碳长丝纱的耐干热和耐湿热性能.以处理后纱线断裂强力的变化和纱线的收缩程度作为评定其耐热性的指标.耐湿热性测试采用水浴锅法，测试时间为30min；耐干热性测试采烘箱烘燥纱线，烘燥时间为30s.

1.3.7 耐酸碱性 采用数字式p H计（p HS－3C型）和水浴锅，以酸碱处理后纱线断裂强力的变化情况为测试指标.用盐酸分别配制出p H值为1，2，3，4的溶液，用碳酸钠分别配制出p H值为9，10的溶液，再用氢氧化钠分别配制出p H值为11，12的溶液，将水浴锅分别加热到25℃和100℃，然后将纱线依次放入所配溶液中，分别在水浴锅中处理30min后，取出纱线，让纱线自然晾干，然后测量经过酸碱处理后纱线的断裂强力.

2 结果与分析

2.1 咖啡碳纤维性能

2.1.1 截面形态 咖啡碳纤维的截面形态如图1所示.从图1（a）可以看出，咖啡碳纤维的横截面呈不规则的椭圆形，且截面存在微小颗粒，具有明显的中腔结构，还存在一定的空隙；从图1（b）可以看出，纵向呈圆柱体，表面也有许多微小颗粒.这些结构有利于提高咖啡碳纤维的吸附效果.纤维纵横截面存在微小颗粒是加入了咖啡碳粉体的缘故.

图1 咖啡碳纤维的截面形态Fig.1 The cross－section of coffee carbon fiber

2.1.2 红外光谱 咖啡碳纤维和涤纶纤维的红外光谱图分别如图2～3所示.不同类型的有机化合物含有不同的官能团，而不同的官能团具有自身所独有的红外吸收峰，即特征吸收峰［6］.由图2，3可以看出，咖啡碳纤维和涤纶纤维的红外光谱图比较匹配，其主要吸收峰峰位基本相同，但是吸收峰峰强略有差别，是咖啡碳纤维中加入了咖啡碳粉体的原因.两个光谱图都在1 720cm－1左右有明显的吸收峰，1 720cm－1左右的吸收峰为C O特征峰，表明咖啡碳纤维的主要成分是涤纶［7－8］.

图2 咖啡碳纤维的红外光谱图Fig.2 Infrared spectrogram of coffee carbon fiber

图3涤纶纤维的红外光谱图Fig.3 Infrared spectrogram of polyester fiber

2.2 咖啡碳纤维长丝纱性能

2.2.1 纱线强度 实验测得，咖啡碳纤维长丝纱的断裂强力为284.56N，断裂强度为34.28c N·tex－1，断裂伸长为97.20mm，断裂伸长率为19.44%，结果表明咖啡碳纤维长丝纱的断裂强力和断裂伸长均较好.纱线强度越大，用其所编织织物的强度就越大，编织过程中纱线会受到张力和摩擦作用，因此针织用纱需要有一定的强度，其大小直接影响织物的耐用性能.此外，在编织成圈时，纱线还会受到扭转变形和弯曲，为了确保其在编织过程中顺利弯纱成圈，降低纱线的断头率，针织用纱还应该具有一定的延伸性.

2.2.2 条干均匀度 咖啡碳纤维长丝纱条干均匀度的测试结果如表1所示.纱线沿长度方向上横截面的粗细均匀程度称为纱线的条干均匀度［9－10］，条干均匀度因纤维原料性质差异而有所不同.由表1数据可得出，咖啡碳纤维长丝纱的条干均匀度较高，符合针织用纱的要求.针织用纱对条干均匀度的要求比机织用纱高，这是因为与机织物组织相比，针织物组织相对比较疏松，纱与纱之间的空隙相对较多，原纱的外观品质会在织物表面充分呈现，纱线的条干不匀会在织物表面显著表现出来［11］.

表1 咖啡碳纤维长丝纱的条干均匀度测试结果Table 1 The evenness of coffee carbon fiber filament yarn

2.2.3 含湿量 实验测得，咖啡碳纤维长丝纱的含水率为1.32%；回潮率为1.30%，比涤纶的回潮率高3倍多，这是由于咖啡碳纤维长丝纱中纳米级的咖啡渣颗粒具有许多微小孔洞，这对咖啡碳纤维纱线进行编织以及针织物在编织过程中的良好成型有着重要的意义.纱线的吸湿性较好时，在编织和穿着过程中不容易产生静电，而且用其编织的织物吸湿性也好，穿着舒适.

2.2.4 耐热性 表2为咖啡碳纤维长丝纱的耐湿热和耐干热性测试结果.表2数据显示，咖啡碳纤维长丝纱在热水中煮30min后，纱线强度下降很小，且纱线收缩也不明显.说明咖啡碳纤维纱线的耐湿热性较好.纱线在不同温度下烘干30s后，在210℃～250℃时强度开始下降，纱线开始收缩，在280℃时纱线有烧焦的味道，这表明纱线的耐干热性较好.

表2 咖啡碳纤维长丝纱的耐热性测试结果Table 2 The heat resistance testing of coffee carbon fiber filament yarn

2.2.5 耐酸碱性 表3为经酸碱处理后咖啡碳纤维长丝纱的断裂强力.由表3可知，咖啡碳纤维长丝纱在碱性条件下强力损失相对较大，说明咖啡碳纤维耐酸不耐碱，这与涤纶耐酸性较强、耐碱性较弱的性质一致.

表3 酸碱处理后咖啡碳纤维长丝纱的断裂强力Table 3 Yarn breaking strength after acid and alkali treatment

3 结束语

通过对咖啡碳纤维和咖啡碳纤维长丝纱的各项基本性能进行测试与分析，可知咖啡碳纤维的横截面呈不规则的椭圆形，且截面存在微小颗粒，具有明显的中腔结构，还存在一定的空隙；纵向呈圆柱体，表面也有许多微小颗粒.这些结构有利于咖啡碳纤维的吸附效果，体现出咖啡碳纤维针织物的透气性、透湿性、吸水性和抑菌除臭等优良性能.此外，咖啡碳纤维长丝的纱线强力较好，断裂伸长率也较高，耐酸不耐碱，耐湿热性和耐干热性均较好，条干均匀度好，符合针织用纱的要求.

［1］ 周云.江苏大生推出咖啡碳纤维混纺纱线［J］.纺织服装周刊，2011（6）：33.ZHOU Yun.Jiangsu Dasheng launched coffee carbon fiber blended yarn［J］.Textile and Apparel Weekly，2011（6）：33.

［2］ 田小迪，何俊，姚佳.负离子纱线和咖啡碳纱线交织物的功能性研究［J］.现代纺织技术，2013：23－25.TIAN Xiaodi，HE Jun，YAO Jia.Anion yarn and carbon coffee yarn interwoven fabric functional studies［J］.Modern Textile Technology，2013：23－25.

［3］ 吴鲜鲜.咖啡纱多功能纺织品的研究与开发［D］.杭州：浙江理工大学，2013：47－59.WU Xianxian.Research and development of coffee yarn multifunctional textile［D］.Hangzhou：Zhejiang Sci－tech University，2013：47－59.

［4］ 孟金凤，孟家光，张琳玫等.柔丝纤维混纺纱及其针织物的性能测试［J］.西安工程大学学报，2014，28（6）：663－667.MENG Jinfeng，MENG Jiaguang，ZHANG Linmei，et al.The property test of blended rose yarn and its knitted fabric［J］.Journal of Xi′an Polytechnic University，2014，28（6）：663－667.

［5］ 董旭凤，孟家光，杨银莹.珍珠纤维针织面料的服用性能测试与综合评价［J］.西安工程大学学报，2013，27（1）：33－36.DONG Xufeng，MENG Jiaguang，YANG Yinying.Pearl fiber knitted fabrics taking performance testing and comprehensive evaluation［J］.Journal of Xi′an Polytechnic University，2013，27（1）：33－36.

［6］ 胡燕琴，陈玉静，李慧华，等.反常吸收与高质量的远红外光谱［J］.光谱学与光谱分析，2012，32（2）：339－342.HU Yanqin，CHEN Yujing，LI Huihua，et al.Anomalous absorption and high quality far infrared spectrum［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2012，32（2）：339－342.

［7］ 陆永良，沈维，刘艳.红外光谱差减技术在纺织品定性分析中的应用［J］.上海纺织科技，2010（7）：1－4.LU Yongliang，SHEN Wei，LIU Yan.IR subtractive technology applied in the textile qualitative analysis［J］.Shanghai Textile Science and Technology，2010（7）：1－4.

［8］ 杨尧栋，宋广礼.针织物组织与产品设计［M］.北京：中国纺织出版社，2004：20－50.YANG Yaodong，SONG Guangli.Knit goods stitch and product design［M］.Beijing：China Textile Press，2004：20－50.

［9］ 陈玉国，王杏.基于形态学和PDE的纱线条干均匀度检测方法［J］.辽宁师范大学学报，2008，31（4）：404－406.CHEN Yuguo，WANG Xing.Yarn evenness detection method based on morphology and PDE［J］.Journal of Liaoning Normal University，2008，31（4）：404－406.

［10］ 陶家杰，张一心.纱线条干均匀度测试的发展现状［J］.纺织科技进展，2010（5）：52－54.TAO Jiajie，ZHANG Yixin.The development status of yarn evenness test［J］.Progress of Textile Science and Technology，2010（5）：52－54.

［11］ 顾维铀.针织用纱与针织产品开发［J］.现代纺织技术，2010（3）：13.GU Weiyou.Development of knitting yarn and knitting product［J］.Modern Textile Technology，2010（3）：13.