生物基聚酰胺纤维经编面料开发与性能研究

2018-04-04张俊辉丛洪莲

纺织科学与工程学报 2018年1期

张俊辉，丛洪莲，高　哲

(江南大学纺织服装学院,江苏无锡　214122)

随着人们可持续发展观念的不断加强，以石油为原材料合成聚酰胺纤维的传统方法将受到严峻的挑战[1]。近些年，人们在生物基聚酰胺材料方面的研究取得了较大进展。生物基聚酰胺纺织材料指主要采用生物处理技术将烷烃、脂肪酸、生物质、油脂下脚料等[2]原材料转化成不同类型的聚酰胺产品。上海凯赛生物科技公司采用高粱、玉米和小麦等[3]为原材料，经过生物、化学和物理方法处理研发出生物基聚酰胺56纤维，并将其命名为“泰纶”。

针织经编织物以其良好的强力、延伸性、耐磨性和挺阔等性能特点，一直被应用于时装、服饰配件、家纺、渔牧业、汽车、轮船和航天等多个领域中[4]。生物基聚酰胺纤维长丝符合经编织造对纱线的断裂强力、柔软性和耐磨性等性能的要求。目前，关于生物基聚酰胺长丝在经编上的应用还没有可查阅的文献，本文以生物基聚酰胺长丝为主要原料开发了几款经编组织，为生物基聚酰胺纤维在经编上的应用提供参考依据。

1　生物基聚酰胺纤维的性能

1.1　生物基酰胺聚合物的合成及性能优势

传统合成聚酰胺纤维采用石油和天然气为原料，石油裂解和裂化得到丁二烯，再由丁二烯制得已二腈；天然气经脱氢反应等得到丙烯，再由丙烯制得丙烯腈；由已二腈和丙烯腈合成得到1，6-已二胺，1，6-已二胺再和二元酸聚合得聚酰胺66纤维。聚酰胺66大分子间形成了排列规则的氢键，导致了聚酰胺66纤维吸湿性差，染色条件要求高的缺点。生物基聚酰胺纤维是采用玉米、高粱等可再生粮食作物为主要原材料[5]，将其淀粉或糖类经过微生物处理技术转化得到1，5-戊二胺，1，5-戊二胺再与二元酸聚合得到聚酰胺56纤维。因戊二胺比己二胺少了一个碳，聚酰胺56大分子间不再有排列整齐的氢键，所以聚酰胺56纤维(以下简称“泰纶”)具有较好的吸湿性和可染性。

1.2　生物基聚酰胺纤维长丝的结构

泰纶长丝采用切片熔融纺丝方法：制备生物基聚酰胺切片、熔融、纺丝、冷却、上油、拉伸、卷绕成形，其成纤工序简单，成本低，原料的利用率较高[6]。

a. 锦纶长丝　　　　　　　b. 泰纶长丝

图1中a和b分别为切片熔融纺丝法制得的锦纶纤维长丝与泰纶纤维长丝的纵向结构图。对比a图和b图可知，与锦纶纤维长丝相比，泰纶纤维长丝极其光滑平直，纤维束排列整齐，纤维表面几乎无杂质、疵点；泰纶长丝的纵向结构使其具有一定的强度和延伸性、良好的柔软性、良好的条干均匀度、疵点少和摩擦系数小等性能特点，为其在经编机上应用提供了良好的条件。

2　生物基聚酰胺经编面料的开发

2.1　原料

采用70 D/24 f三角有光FDY泰纶长丝和70 D/24 f半光FDY锦纶长丝为原料，表1为70 D泰纶长丝的具体规格参数。将两种原料的筒子纱分别经过整经制成两组盘头，泰纶两组盘头的长丝分别穿GB1和GB2，锦纶两组盘头的长丝分别穿GB3和GB4，四把梳栉均采用一穿一空的穿纱方式。

表1　70D泰纶长丝规格

2.2　机械设备

机型：TS4-EL特里科经编机

机号：E28

工作幅宽：70英寸

机速：370 rpm

梳栉数：4把

2.3　工艺设计

工艺设计采用江南大学针织技术工程中心自主研发的WKCAD经编工艺软件进行设计。本课题开发的四款经编组织均采用一穿一空的穿纱方式，此穿纱方式决定了四款经编组织的花宽均为2纵行，花高则由一个最小单元的垫纱数码决定。

2.3.1小网眼组织设计开发

(1)纹理网眼组织

GB1:1-0/1-2/2-3/2-1//

4×1250mm/rack,

GB2:2-3/2-1/1-0/1-2//

4×1250mm/rack,

GB3:1-0/2-3//

4×1750mm/rack,

GB4:1-0/2-3//

4×1750mm/rack。

以上是纹理网眼组织各梳栉的垫纱数码和送经量，花高为4横列，GB1和GB2做对称垫纱运动，GB3和GB4做相同的垫纱运动；这样的垫纱运动既能保证布面的平整，又具有一定的凹凸感，形成了带纹理的网眼效应。

(2)斜纹网眼组织

GB1:1-0/1-2/1-0/2-3/2-1/2-3//

6×1350mm/rack,

GB2:2-3/2-1/2-3/1-0/1-2/1-0//

6×1350mm/rack,

GB3:1-0/2-3//

6×1750mm/rack,

GB4:1-0/2-3//

6×1750mm/rack。

与纹理网眼组织相似，斜纹网眼组织的GB1和GB2也做对称垫纱运动，GB3和GB4做相同的垫纱运动，但GB1、GB2的最小花高从4横列变成了6横列，从而形成了与纹理网眼不同的网眼效果；与纹理网眼组织相比，斜纹网眼组织的网眼效果更明显，面料较挺阔，凹凸感更强，但面料的柔软性不及纹理网眼组织。

2.3.2变化网眼组织设计开发

与小网眼组织相比，变化网眼组织的垫纱数码更加复杂，且需采用分段多速送经方式送经。

(1)六角网眼组织

图2六角网眼组织垫纱运动图

图2为六角网眼组织的垫纱运动图，六角网眼组织的花高为14横列，GB1和GB3的垫纱数码相同，GB1和GB2做对称垫纱，GB3和GB4做对称垫纱。

六角网眼组织送经量：

GB1:2×1240mm/rack,5×1650mm/rack,2×1240mm/rack,5×1650mm/rack,

GB2:2×1250mm/rack,5×1660mm/rack,2×1250mm/rack,5×1660mm/rack,

GB3:2×1330mm/rack,5×1735mm/rack,2×1330mm/rack,5×1735mm/rack，

GB4:2×1330mm/rack,5×1735mm/rack,2×1330mm/rack,5×1735mm/rack。

六角网眼组织的四把梳栉均分为四段送经，GB1与GB2虽做对称垫纱，但其对应的各送经段的送经量经上机织造调试后略有差异。

(2)横纹网眼组织

图3　横纹网眼组织垫纱运动图

图3为横纹网眼组织垫纱运动图，横纹网眼组织花高为8横列，GB1和GB2做对称垫纱，GB3和GB4做对称垫纱。

横纹网眼组织送经量：

GB1:2×1260mm/rack,6×1650mm/rack,

GB2:2×1250mm/rack,6×1660mm/rack,

GB3:1×1735mm/rack,2×1330mm/rack,5×1735mm/rack,

GB4:1×1735mm/rack,2×1330mm/rack,5×1735mm/rack。

横纹网眼的GB1与GB2分两段送经，GB3与GB4分三段送经，GB1与GB2对应的各送经段的送经量经上机织造调试后略有差异。

3　生物基聚酰胺经编面料性能测试

3.1　试样准备

对四种组织白坯布进行染整处理，主要包括：(1)预定型：在189℃温度下，在织物上加入的3%除油剂，将织物经过预定型机处理；去除纱线本身的油脂和织造时的机械油剂，防止织物在高温染色条件下泛黄色，影响染色效果；对织物尺寸进行预先定型，防止染色过程中尺寸的过度变化；(2)煮练：浴比为1:20，加入皂粉5g/L，去除织物上的杂质；(3)染色：浴比为1:15，染液pH值在6～7之间，以2℃/min的升温速度将染液温度升至100℃，在100℃下保温染色40min；(4)固色处理：染色阶段完成后，经清水漂洗，在70℃下加入3%固色剂，固色处理30min；(5)热定型：在165℃温度下，将织物门幅扩至需要的宽度，对织物进行热定型处理；热定型过程中，加入5%的柔软剂，以改善织物手感。表2为经染色整理后的四种组织的成品规格参数，一、二、三、四分别表示纹理网眼组织、斜纹网眼组织、六角网眼组织和横纹网眼组织。

表2　织物成品规格

3.2　织物性能测试

根据GB/T 5453-1997《纺织品织物透气性的测定》，采用YG461E-Ⅱ型织物透气仪对织物透气性进行测试。

根据GB/T 11048-1989《纺织品织物起球实验圆轨迹法》，采用YG501型圆磨织物起球仪对织物进行抗起毛起球实验。

根据FZ/T 01045-1996《织物悬垂性实验方法》，采用Y811型织物悬垂性实验仪对织物进行悬垂性测试。

根据GB/T 3923.1-1997《织物拉伸性能断裂强力和断裂伸长率的测定》，采用YG026A型电子织物强力试验机对织物进行拉伸断裂性测试。

4　实验结果与分析

4.1　织物拉伸断裂性能分析

对四种经编织物进行拉伸断裂性能测试，根据行业标准 FZT 43012-2013 规定，锦纶丝织物的断裂强力不小于200N。

由图4可知，四种经编织物无论是纵向还是横向的拉伸断裂强力均远远超过了行标的最低标准。从a中可看出，两种变化网眼组织的断裂强力较高。六角网眼组织的延展线较多，纱线的经向抱合力较强，不易产生滑移，在受到纵向拉伸时能够承受更多的负载，所以其纵向断裂强力最高，但正因其延展线较密集，所以其纵向伸长率较差。从图4中b可看出，两种小网眼组织的横向断裂强力高于两种变化网眼组织；六角网眼组织由于其网孔效应，当受到横向拉伸时，横向承受负载的纱线较少且纱线间的抱合力较差，导致其横向断裂强力较低。

a.纵向拉伸

b.横向拉伸

4.2　织物悬垂性能分析

评价织物的悬垂性通常将悬垂系数作为最重要的考量指标[7]。悬垂系数指织物放在圆盘上自然下垂或在旋转状态下的投影面积减去圆盘面积的差值与试样面积的百分比[8]；悬垂系数越小，织物的悬垂性越好[9]。

实验测得的纹理网眼组织、斜纹网眼组织、六角网眼组织和横纹网眼组织的静态悬垂系数依次为：46.27%，36.35%，56.83%，29.09%，织物的实际悬垂效果如图5。从静态悬垂系数和悬垂效果图可知横纹网眼组织和斜纹网眼组织的悬垂性较好，另两种组织的悬垂性较差。

图5　织物悬垂性测试结果

4.3　织物抗起毛起球性和透气性能分析

表3为四种织物的抗起毛起球性和透气性的测试结果。根据GBT 22848-2009 规定，针织成品布优等品抗起球级数不小于3.5，合格产品抗起球级数不小于3。根据FZT 72009-2008 规定，针织吸湿牛仔布的透气率不小于350mm/s。

表3　抗起毛起球性和透气性测试结果

由表3可知，四种组织的抗起毛起球级别均达到了国标规定的针织成品布优等品的级别，两种变化网眼组织的抗起毛起球性优于两种小网眼组织。由表3可得织物透气率的测试结果，织物的透气性常用透气率作为衡量标准[10]。四种织物的透气率均超过了行业规定标准。斜纹网眼组织的透气性优于纹理网眼组织，六角网眼的透气性优于横纹网眼组织。