包覆工艺对高强弹性包覆纱的拉伸性能影响

黄浚峰，方 园

(浙江理工大学材料与纺织学院，杭州 310018)

包覆工艺对高强弹性包覆纱的拉伸性能影响

黄浚峰，方 园

(浙江理工大学材料与纺织学院，杭州 310018)

针对普通包覆纱强度低、容易露芯的缺点,采用精密包覆工艺技术以高强聚乙烯、锦纶、氨纶弹力丝为原料，研发出双层结构的包覆纱，赋予纱线强度高、耐磨性好、弹性优的性能。通过对照性试验分析，系统地对比氨纶丝的线密度、氨纶丝牵伸比、包覆捻度等因素对成纱质量的影响。研究结果表明：当锦纶/氨纶丝线密度为77.8dtex、牵伸比3.6、包覆捻度480T/m时，包覆纱的综合性能最好。

包覆工艺；包覆纱；纱线结构；影响因素；拉伸性能

0 引 言

随着人们自我防护意识的增强，对纺织品的安全防护性能提出了更高的要求，使得对纱线的要求也随之提高。断裂强力、耐磨性等逐渐成为判断纱线优劣的重要的性能指标。伴随高性能纤维材料的不断发展，如何有效利用现有的高性能纤维材料，通过与其它纤维材料(如氨纶、锦纶丝等)的再复合，开发出高附加值、高性能的产业用新型复合纱已经成为了当前国内纺织产品转型升级的一个重要内容。目前国内企业在多功能防护类产品上的生产技术方面仍存在缺乏深入研究，产品的技术含量较低、产业化生产规模较小，不能满足需求等缺点。

近年来高新技术的迅猛发展，新性能纤维不断涌现，客观上为高强高性能纱线的研发提供了条件，其中高强聚乙烯纤维以其优异的综合性能被广泛应用于军事、航天等领域，也逐渐成为生产防护材料的首选。但在高强聚乙烯与其他纤维之间的优化组合，研发出具有多种纱线优良性能方面研究相对比较缺乏[1]。

本文以高强聚乙烯，锦纶和氨纶为原料，通过包覆工艺得到高强弹性包覆纱，不仅保证纱线具有较高的弹性和透气性，而且赋予纱线良好力学性能。该纱线可被用来编织一系列防护产品，如抗切割防护手套等，从而为从业人员的安全提供保障。

1 包覆工艺

1.1 原料的选择与包覆流程

普通弹力包覆纱以连续氨纶长丝为芯纱，外层以化纤长丝或棉、化纤纯纺纱/混纺纱以螺旋状的形式缠绕在芯丝外侧，形成弹力包覆纱。这种以化纤长丝或棉为原料得到的包覆纱存在强力较低、耐磨性差、易露芯等缺点。虽然芯纱可以采用较高的牵伸比保证拉伸时不发生芯丝裸露现象，但仍无法完全避免露芯的情况出现。锦纶具有一系列优良的性能，其耐磨性居纺织纤维之首，是改善包覆纱耐磨性差的最佳选择。而近年来新型纤维的不断发展，高强聚乙烯纤维以优异的综合性能被广泛应用到各种领域。选用具有高性能的高强聚乙烯纤维、耐磨性较好的锦纶为外包材料，采用精密包覆技术，包覆氨纶、锦纶丝，通过对牵伸、加捻和卷绕工艺参数的精确控制和工艺优化，使纤维形成多向紧密型分布的线性结构，从而得到具有强度高、耐磨性好、弹性优的双层包覆纱[2]。

包覆主要包括原料的上机、牵伸、外层丝包覆、卷绕等工序，在包覆过程中以单根氨纶纤维作为芯丝，被牵伸至一定的长度，这样的牵伸会一直保持到纱线完成包覆动作，最后被卷装至成品筒子上。包覆时通过恒张力纱线喂入装置保证包覆纱以一定的张力喂入织机。包覆纱的内层以锦纶为原料通过S捻包覆芯丝氨纶，外层使用高强聚乙烯丝以Z捻包覆内层纱线。包覆时内层的锦纶丝会在锦纶丝筒子上通过退捻然后被加捻包覆至氨纶丝上，锦纶丝在卷绕至芯丝上后，会在张力的作用下自发的覆盖芯丝，形成良好的包覆形态，完成一次包覆。高强聚乙烯通过Z向加捻包覆在单层锦纶/氨纶纱上完成二次包覆，得到高强弹性包覆纱，包覆流程如图1所示。

图1 氨纶丝的包覆流程

1.2 高强弹性包覆纱的成纱机理

弹性包覆纱成纱过程是锭子高速回转，外层纱线在外力作用下不断包覆芯纱的过程。本文研发的高强弹性包覆纱是以氨纶丝、锦纶丝、高强聚乙烯纤维3种纤维原料在空心锭子包覆机上经过两次包覆后纺制而成，如图2(a)。

包覆机工作时，由纱筒子上引出氨纶丝，在皮辊牵伸机构的牵拉下以一定的牵伸比引入到包覆机构[3]。空心锭子在龙带的带动下高速旋转，内层锦纶丝迅速从空心锭子上退绕，包覆在氨纶芯纱上，完成一次包覆，此后以相同方式在单层锦纶/氨纶纱上继续包覆外层高强聚乙烯，在龙带的作用下两个锭子呈反向旋转，由于惯性的作用，包覆纱自身回转退绕而被引出，经过加捻，缠绕在经空心锭子引出的氨纶丝上，最后在引纱辊、往复导纱器的引导下卷绕成平行筒子，如图2(b)所示。

图2 高强弹性包覆纱的成纱过程

1.3 高强弹性包覆纱的结构

相比普通包覆纱在张紧状态下有露芯的缺点，而研发的高强弹性包覆纱采用二次包覆的方式，内外层分别包覆。二次包覆形成复合弹性纱具有紧密分布的线性结构，不但保证纤维间相互配合，而且解决了芯纱裸露的难题，赋予纱线优良的综合性能[4]。

经过纺制得到结构如图3所示的包覆纱，芯纱氨纶在牵伸后使包覆纱具有良好的弹性；中层的锦纶以S捻包覆在氨纶丝外面，赋予纱线一定的弹性、透气性；最外层的高强聚乙烯纤维以Z捻包覆在单层包覆纱外层，保护内层纱线，使包覆纱不仅具有锦纶耐磨的优点，而且赋予纱线高性能纤维高强、高模、耐冲击等优良的力学性能。使用Carl Ziess实体显微镜在30倍放大下观察包覆纱的结构，电镜照片如图4所示。

图3 高强弹性包覆纱结构形态

图4 高强弹性包覆纱电镜照片

2 影响包覆纱拉伸性能的因素分析

包覆纱的成纱质量与许多因素有关，在包覆生产工艺过程中，包覆纱拉伸性能的优劣与纱线的线密度、牵伸倍数、包覆捻度息息相关[5]。将这三种因素对包覆纱拉伸性能的影响在HDOZIN型强力测试机上进行分析研究。测试时参照GB/T 3916标准，拉伸速度250mm/min；隔距500mm；预加张力(0.05±0.01)cN/dtex；环境温度21℃，湿度64%。在分析纱线拉伸性能时保持高强聚乙烯作为外层包覆丝参数不变，以锦纶/氨纶丝线密度、捻度和牵伸倍数三个因素作为包覆纱性能分析时的变量。

2.1 线密度对包覆纱拉伸性能的影响

线密度对纱线成纱质量的影响很大，以线密度为222.2dtex高强聚乙烯长丝保持不变，锦纶/氨纶丝预牵伸倍数为3.6，捻度为480T/m为定值，锦纶/氨纶丝的线密度分别取33.3、44.4、77.8、116.7dtex，经过空心锭子包覆机纺制的包覆纱为测试对象[6]。纺制后的纱线在标准条件下平衡48h后对包覆纱拉伸性能进行测试，结果如表1。由表1可以发现，随着线密度的增加包覆纱的断裂强力先增加到一定大小，随着线密度的持续增加，断裂强力开始逐渐减小；而纱线的断裂伸长率则随着线密度的增大而增大。

表1 不同线密度下纱线拉伸强力的测试结果

这是因为一方面纱线的线密度越大，纱线横截面内所包含纤维数越多，单位面积内受力纤维越多，能承受的外力越大，纱线的强力就越高，但另一方面由于氨纶丝虽然弹性好、断裂伸长率高，但是断裂强力却很低。当氨纶线密度继续增大时，纤维的直径也会随着增大，降低了外层纤维之间的抱合力，从而使包覆纱的断裂强力下降。同时，纤维间抱合力降低也会使纱线间作用力减少，导致纱线内部的纤维的滑移量增大，致使包覆纱的断裂伸长随着氨纶线密度的增大而增大[7]。通过测试分析，结合纱线强力和伸长率的变化趋势认为在实际生产应用中，选用77.8dtex的锦纶/氨纶丝不但能够保证纱线具有良好弹性，而且能够充分发挥纱线的力学性能。

2.2 氨纶丝牵伸倍数包覆纱拉伸性能的影响

氨纶丝喂入量的变化决定了氨纶丝牵伸变形量和氨纶丝张力的变化，氨纶丝的张力大小对保持纱线包覆结构稳定、包覆丝良好回弹性和包覆度的均匀性影响较大，通过控制氨纶丝喂入速度和弹性包覆纱卷绕速度可改变氨纶丝牵伸倍数。

保持高强聚乙烯线密度222.2dtex不变，选定锦纶/氨纶丝线密度为77.8dtex、捻度480T/m，分别取预牵伸倍数为2.8、3.2、3.6、4.0四种比例的锦纶/氨纶丝，在空心锭子包覆机纺制成包覆纱。在标准条件下平衡48h后，对不同氨纶丝牵伸倍数条件下包覆纱进行性能测试，测试结果如表2。由表可以发现，当氨纶丝的牵伸倍数增大时，包覆纱的断裂强力也随之增强；断裂伸长率呈先增大后减小的趋势，在牵伸倍数为3.6左右时，断裂伸长率达到最大值[8]。

表2 不同牵伸倍数下纱线拉伸强力的测试结果

这是由于当牵伸倍数较小时，芯纱氨纶的弹性性能没有被充分的利用，从而造成包覆纱的断裂伸长率比较低。随着牵伸倍数的增大，断裂强力和断裂伸长随之增加，但牵伸倍数存在一个限度，超过这一限度时包覆纱的强度和伸长率反而会下降。综合考虑，取锦纶/氨纶丝牵伸比为3.6时最为合理。

2.3 捻度对包覆纱拉伸性能的影响

纱线捻度是纱线结构的重要内容，包覆纱的捻度不仅会影响纱线的包覆度，而且对包覆纱的强力产生影响。选定锦纶/氨纶牵伸倍数为3.6、线密度为77.8dtex、高强聚乙烯线密度为222.2dtex，分别取捻度为280、320、360、480、520T/m 5种包覆捻度，在包覆机上纺制成高强弹性包覆纱。对不同包覆捻度条件下包覆纱进行性能测试，结果如表3所示。随着包覆捻度的增加，包覆纱的断裂强力也随之增大。当捻度为480T/m时，断裂强力达到最大值，随着捻度的持续增加，断裂强力开始减小；而断裂伸长率与包覆捻度呈正相关，随着捻度的增加，断裂伸长率也随之增大。

表3 不同包覆捻度下纱线拉伸性能

这是因为当包覆捻度较小时，外层纤维之间的抱合力比较小，使纤维之间容易产生滑移，从而使包覆纱的强力较低；捻度的增加会造成纱线轴向的压力增强，使得纤维间摩擦力变大，从而使纱线滑移量减小，纱线强力增大，但当捻度过大时，会导致纤维过度倾斜，降低了纱线轴向上的有效分力，反而使纱线强力降低，消弱了纱线的力学性能。同时，捻度过高还会影响包覆纱的手感，使柔软性降低、手感较硬[9]。

结合高强聚乙烯纤维高强、高模，锦纶丝耐磨性高，氨纶弹性优的特点，综合考虑各项测试数据，认为当捻度为480T/m左右时，能够最大发挥各种纱线原料的性能，使包覆纱具有较高的强力和理想的弹性性能[10]。

3 结 论

通过对纤维原料的选择、纱线成纱机理，结合实验测试，可得到以下结论：

a) 高强弹性包覆纱是一种多组分双层包覆结构的纱线，通过采用精密包覆技术，内外层包覆，结合原料自身的特点，不仅赋予纱线较好的柔软性和较高的弹性，而且搭配耐磨性能优良的锦纶纤维，解决纱线耐磨性差的缺陷，同时外层包覆高性能纤维，保证包覆纱具有优良的综合性能。

b) 在氨纶丝工艺上，影响包覆纱质量的因素大致可归纳为线密度、氨纶丝牵伸倍数和捻度。其中随着线密度、捻度的增大会使包覆纱的断裂强力呈现先增大后减少的规律，而纱线断裂强力则随着牵伸倍数的增大而增大。

c) 测试结果表明，当选定222.2dtex高强聚乙烯纤维搭配参数为：77.8dtex锦纶/氨纶丝、捻度为480T/m、牵伸倍数为3.6时，经过包覆工艺研发形成的高强弹性包覆纱具有较高的强度和伸长率，具有良好的可编性。

[1] 薛 元.芯鞘型长丝/短纤包芯复合成纱机理及其产品开发展望[J].纺织导报，2002(5)：159-161.

[2] 庄兴民.聚乙烯自增强复合材料的制备与力学性能研究[D].上海：东华大学，2005，14-22.

[3] 马秀凤.粘/氨包覆纱纺纱工艺研究及其产品开发[D].青岛：青岛大学，2007，22-24.

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[5] 乌军峰，毛 雷.涤纶氨纶包覆纱性能测试与分析[J].棉纺织技术，2009(9)：19-21.

[6] 王静荣，李杰新，谢莉青，等.环锭细纱机纺包芯纱的成纱机理研究[J].青岛大学学报，2002(17)，82-85.

[7] 于伟东，储才元.纺织物理[M].上海：中国纺织大学出版社，2009：71.

[8] 李云燕，胡传荣.实验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社，20008：124.

[9] 高广远，张玉清.捻系数与氨纶预牵伸倍数对天丝弹力包芯纱力学性能的影响[J].中国纤检，2007(10)：50-52.

[10] 官江明，商大伟，李成波，等.莱赛尔/氨纶包芯纱的开发及成纱性能的试验分析[J].上海毛麻科技，2012(2)：2-5.

(责任编辑：许惠儿)

Effect of Covering Technology on Tensile Properties of Coated Yarn with High-Strength Elasticity Yarn

HUANGJunfeng,FANGYuan

(College of Materials and Textiles; Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

In allusion to low intensity and easiness of core exposure of ordinary coated yarn, coated yarn with double-layer structure was researched and developed by precise coating process and high-strength polyethylene/nylon/spandex as raw materials to improve yarn intensity, abrasive resistance and elasticity. The effects of linear density, draw ratio and coating twist of spandex on yarn quality were compared through control experiment. The results show that comprehensive performance of covered yarn is best under the following conditions: line density of spandex 77.8 dtex, draft ratio 3.6 and coating twist 480 T/m.

coating process; coated yarn; yarn structure; influence factors; tensile properties

2014-12-19

浙江省经济和信息化委员会2012年创新专项(2012-548)

黄浚峰(1989-)，男，安徽淮北人，硕士研究生，主要从事纺织新产品开发与现代纺织技术的研究。

TS104.7

A

1009-265X(2015)05-0004-04