石墨烯锦纶混纺纱产品开发及性能

张亚芳　徐伯俊　苏旭中　刘新金　吉宜军

摘 要：为了开发石墨烯锦纶纱线，解决纺纱成卷困难问题，并找到与石墨烯锦纶混纺后成纱综合性能较优的纤维。采用相同纺纱设备、工艺参数和混纺比，试纺并对比GN40/C60、GN40/B60和GN/30/C30/M30纺纱各道工序的关键技术及成纱质量。发现用石墨烯改性的锦纶抗静电性增强，省去开清前抗静电剂处理。石墨烯锦纶存在纤维间抱合力小、成卷困难问题，可在开清工序混入30%混纺纤维，并条工序调整并合比例使成纱达到预设的混纺比。石墨烯加入削弱纤维强度，需在粗纱和细纱工序将捻系数调大10%左右，得到石墨烯锦纶与竹纤维混合时成纱综合性能效果最优。

关键词：石墨烯锦纶;混纺纤维;成卷;工艺调整;成纱性能对比

中图分类号：TS151.9

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）03-0038-05

Development and Performance of Graphene Nylon Blended Yarn

ZHANG Yafang1， XU Bojun1， SU Xuzhong1， LIU Xinjin1， JI Yijun2

（1.Key Laboratory of Science & Technology of Eco-Textile Ministry of Education， Jiangnan University，Wuxi 214122， China; 2.Nantong Double Great Textile Co.， Ltd.， Nantong 226661， China）

Abstract：In order to develop graphene nylon yarn， solve the problem of spinning into a roll and find out a fiber with better comprehensive performance after blending with graphene nylon， the same spinning equipment， process parameters and blending ratio were used to spin and compare the key technologies of various spinning processes and yarn quality of the GN40/C60， GN40/B60 and GN/30/C30/M30. It was found that the anti-static property of the nylon modified with graphene was enhanced， and the antistatic agent treatment before opening was omitted. Graphene nylon has the problems that the cohesion between fibers is small and the rolling is difficult. 30% blended fiber can be mixed in the opening process， and the drawing process can be adjusted and proportioned to make the yarn reach the preset blending ratio. The addition of graphene weakens the fiber strength， and the twist coefficient need to increase by about 10% in the roving and spun yarn processes. Under such conditions， the comprehensive performance of the yarn is optimal when the graphene nylon and bamboo are mixed.

Key words：graphene nylon; blended fiber; rolling; process adjustment; yarn performance comparison

石墨烯在紡织领域的应用显示出较大的优越性，可以提升纤维断裂强度，使纺织品具有很强的抗菌性[1]。石墨烯锦纶可与棉、竹、莫代尔等纤维混和纺纱，使纤维特性得到优化与互补，织成的面料具有石墨烯的优良特性，同时耐磨保形、穿着舒适。为了提高纱线的可纺性，提高成纱质量，纺纱过程中需要注意一些问题。

a）石墨烯片层内部极强的作用力削弱了两根石墨烯改性锦纶纤维间作用力[2]，使纤维表面摩擦系数小、抱合力差。这不仅关系其后道加工能否顺利进行，影响其成纱质量，而且还会阻碍石墨烯锦纶纺织品的开发以及产业化生产。

b）成卷困难。梳棉工序缠锡林、缠道夫、棉网飘逸不能剥取。

c）并丝、硬丝带来的颜色疵点。虽然石墨烯锦纶纤维是化学纤维，但是也夹杂着一些并丝、硬丝，需要及时去除，否则染色后在织物上易出现颜色疵点[3]。

d）并条、粗纱工序堵塞圈条斜管、绕皮辊、绕罗拉，纱线毛羽、断头增多。

以原位聚合尼龙6切片为原料，采用预制母粒工艺，将氧化石墨烯均匀的分散在聚酰胺切片中，得到氧化石墨烯含量为2.5‰的石墨烯锦纶改性聚酰胺纤维。石墨烯锦纶纤维在与其他纤维混纺时，参与混纺的另一种纤维种类对混纺纱的可纺性、成纱质量、生产成本及后续的整理工序都有很大影响。将石墨烯锦纶纤维与棉、竹、莫代尔/棉3种不同种类纤维（以下简称X，其中GN代表石墨烯锦纶、N代表锦纶、C代表棉、B代表竹、M代表莫代尔）进行纺纱试验，探讨并对比石墨烯锦纶/棉、石墨烯锦纶/竹纤维、石墨烯锦纶/莫代尔/棉3种混纺纱的纺纱工艺和成纱的质量。

1 试验前准备

1.1 纤维性能测定

所用各类纤维的基本性能如表1所示。

由表1可知，石墨烯锦纶纤维的力学性能比普通锦纶纤维的稍差，这是由于生物质石墨烯分散在锦纶纤维中，增加了纤维中的空隙，削弱了纤维的纵向力学性能。但比电阻明显比普通锦纶的小，这是石墨烯导电性好的缘故。其他几种纤维，断裂强度：石墨烯锦纶>莫代尔>棉>竹;断裂强力不匀率：石墨烯锦纶>棉>竹>莫代尔;断裂伸长率：石墨烯锦纶>竹>莫代尔>棉。回潮率：竹>莫代尔>棉>石墨烯锦纶;比电阻：石墨烯锦纶>棉;平均长度：竹>莫代尔>石墨烯锦纶>棉;线密度：石墨烯锦纶>棉>竹>莫代尔。

1.2 纺纱方案及工艺流程

将锦纶/棉、石墨烯锦纶/棉、石墨烯锦纶/竹、石墨烯锦纶/棉/莫代尔采用三罗拉网格圈型紧密赛络纺[4]法纺14.8 tex、混纺比均为40/60的混纺纱。试验使用的设备如下，纺纱工艺流程如图1所示。

纺纱所用机型：FA002C型抓棉机→FA035B型混棉机→FA106A型开棉机→FA161型给棉机→AO76E型成卷机→FA201B型梳棉机→JWF1310型并条机（三道并条）→JWF1415型粗纱机→EJM128K型细纱机→AUTOCONER X5型自动络筒机。

2 纺纱关键技术

纺纱的实践表明，在棉纺紧密赛络系统设备上，经过调整纺纱方案和工艺，纺纱能够顺利进行。各工序影响纺纱顺利进行及产品质量的一些主要因素如下。

2.1 开 清

在进行混纺时发现，石墨烯的添加改善了锦纶纤维的抗静电性，但石墨烯锦纶纤维蓬松，纤维间摩擦系数小，纤维表面光滑，单独成条较为困难，在成卷时，由于纤维与纤维间的抱合力小，不易成卷，即使勉强成卷，在梳棉工序退卷也很困难，层与层之间粘连不清晰[5]。为解决这些问题，笔者提出3个解决方案。方案一：石墨烯锦纶和X纤维分别单独加工成条，在并条工序混合至成纱;方案二：石墨烯锦纶和X纤维在清花工序完全人工混合至成纱;方案三：石墨烯锦纶和X纤维在清花工序部分人工混合生产，制成的混合生条与精梳棉在并条工序混合至成纱。通过对这3个方案进行试验，最后得出：进行GN/C 40/60、GN/C/M 40 /30/30纺纱时，方案三效果最优，配棉工序混合比例分别在（30±1）%和（17.8±1）%范围内。在进行GN/B 40/ 60混纺时，采用方案二能够改善石墨烯锦纶纤可纺性，且效果最优。各类混纺纱配棉比例如表2所示。

2.2 梳 棉

石墨烯锦纶纤维的主体是锦纶，石墨烯锦纶/X混纺的梳棉工艺和设备的调整应基于加工锦纶纤维的特点。在纺锦纶纱线的基础上探索纺石墨烯锦纶/X混纺的梳棉工艺。由于刺辊速度、锡林速度及锡林盖板隔距等为梳棉重要工艺参数，且对生条棉结有重要影响，采用正交试验，列出3因素3因子水平表，并结合试验数据处理分析，找出减少石墨烯锦纶与棉纤维混合生条的最佳参数[5]。制得的混和条干定量为21.5 g/5m，棉網清晰，生条棉结≤12粒/g。梳棉工艺正交试验如表3所示。

根据试验方案调整参数进行梳棉，生条定量均为21.5 g/5 m，将输出生条用条干测试仪进行测试得到生条棉结数。由表3可看出，试验号2、4手拣疵点含量较少。采用极差分析法对正交试验所得的结果进一步分析，第一步是要求出各水平间极差，第二步是根据极差大小对各因素影响程度进行排序，最后确定在该指标下的最优工艺方案。在相同情况下棉结可以间接反映梳棉生条中的疵点含量，计算结果如表4所示。

由实验得出，最好水平组合是A1、B2、C2，即刺辊速度800 r/min，锡林速度360 r/min，锡林与盖板隔距0.228 6，0.203 2，0.177 8，0.177 8，0.203 2 mm。对梳棉工艺进行A1、B2、C2组合调整，并对所得的生条棉结测试，得到生条棉结含量为10粒/g，小于12粒/g，取得了预期效果。

2.3 并 条

并条工序是实现纱线混合、达到预期混纺比以及改善条干的关键。表5列出了要得到GN40/C60、GN40/B60、GN40/M30/C30的混纺纱，在并条阶段（分为预并，头道，二道，末道）各关键工艺参数的设置。

设置并条工序罗拉隔距为10 mm×16 mm，出条速度为260 r/min。在并条阶段，头道并入其他条子时，并和比例的分配是影响最后能否实现预定成

纱比例的关键[6]，经多次试纺，得出3种混纺类型并合数分配方式分别为3JC+2GN/C、6并、4GN/C/M+1JC时，能得到最后GN40/C60、GN40/B60、GN40/M30/C30的混纺纱。通过对条干CV%的分析可知，在并条工序中，当并条工序工艺参数相同时，石墨烯锦纶纤维与X混纺，各道工序条干CV%均为GN/C最大，GN/C/M其次，GN/B最小。

2.4 粗 纱

由于石墨烯的加入削弱了石墨烯锦纶纤维的强度[7]，且石墨烯锦纶纤维间抱合力差，所以粗纱的捻系数需调大10%左右，这里分别设为GN/C 53.3，GN/B 46.47，GN/C/M 51.788。得到的粗纱退绕无断头，细纱牵伸无硬头，条干CV≤16。粗纱各关键工艺参数如表6所示。

2.5 细 纱

采用三罗拉网格圈型紧密赛络纺相结合的纺纱方法，如图2所示。细纱罗拉隔距设为18、35 mm，锭子转速14 000 r/min，前罗拉转速191 r/min，尽量减小牵伸不匀。罗拉加压应加大。细纱捻系数应调大10%左右，设为358，以保证成纱强力，减少断头。将成纱织成平方米质量为155 g/m2的相同规格的针织物，经测试，各项织物手感风格良好。

2.6 络 筒

石墨烯锦纶纤维混纺纱强力偏低，必须减小络纱张力。槽筒速度偏低，本次设为800 m/min。合理设定空气捻接器参数[7]，控制好捻接头质量，合理设定电子清纱参数，确保有害纱疵被有效清除。

3 成纱质量分析

3.1 成纱条干分析

条干CV%、毛羽含量、粗细节与混纺种类的关系如表7所示。

由表7可知，相同混纺比和工艺下，与普通锦纶混纺纱相比，石墨烯改性锦纶混纺纱改善了成纱的条干。主要原因是石墨烯的高导电率增加了纤维间的抱合[8]，纺纱过程中产生的纱疵少，成纱条干均匀度好。石墨烯锦纶纤维与X混纺，成纱CV%为GN/C的条干CV%最大，GN/C/M的其次，GN/B最小。主要原因是棉纤维为天然纤维，所含杂质较多，纤维间差异较大，在纺纱各道工序中，造成条干不匀、毛羽增多的几率较大，成纱条干均匀度较差，毛羽含量较多[9]。而竹纤维、莫代尔和石墨烯锦纶纤维都属合成纤维，纤维所含杂质少，纤维长度较长，长度整齐度較好，纤维间差异较小，造成条干不匀、毛羽增多的几率较小。

3.2 成纱强伸性能分析

成纱强伸性能与混纺种类的关系如表8所示。

由表8可知，石墨烯改性锦纶纤维混纺纱的力学性能比普通锦纶纤维混纺纱的力学性能差，这是石墨烯的加入削弱了锦纶强力造成的[10]。GN/C/M的成纱的力学性能最好，GN/B次之，GN/C最差。原因是纱线力学性能与纤维本身的力学性能有关[11]，由表1可知，参与混纺的3种纤维中，竹纤维的力学性能最差，棉纤维的其次，但仅为竹纤维的1.2倍，莫代尔的力学性能最好，且是竹纤维的1.7倍。而在成纱强力中，GN/C的成纱的力学性能最差，GN/B的力学性能相对增大，GN/C/M的成纱力学性能最好，为GN/B的1.1倍。说明石墨烯锦纶与莫代尔/棉纤维混纺，成纱力学性能效果最优。

4 结 语

a）石墨烯改性锦纶纤维存在纤维表面维蓬松光滑，抱合力小，成卷困难的问题。可在开清工序混入17.8%左右的X纤维，在混并工序以调整对应的并合数与并合比例，使成纱达到GN/X 40/60的混纺比。

b）采用正交试验，列出3因素3因子水平表，并结合试验数据处理分析，找出减少石墨烯锦纶与X纤维混合生条疵点的最佳参数。得出，最好水平组合是是刺辊速度800 r/min，锡林速度360 r/min，锡林与盖板隔距0.228 6，0.203 2，0.177 8，0.177 8，0.203 2 mm。并条工序3种混纺类型并合数分配方式分别为3JC+2GN/C、6并、4GN/C/M+1JC时，能得到最后GN40/C60、GN40/B60、GN40/M30/C30比例的混纺纱。

c）石墨烯的加入削弱了石墨烯锦纶的强度，且为防止意外牵伸带来的粗纱条干不匀，需在粗纱工序将捻系数调大10%左右;牵伸倍数要减小为11.67，钳口隔距设为6.5 mm来控制浮游纤维，降低条干不匀;前罗拉转速提高为215 r/mim，来提高生产效率。参与混纺的三种纤维中，石墨烯锦纶与莫代尔/棉混合时成纱条干和机械性能效果最优。

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