纳米纤维包覆纱线外包包缠纱及其包缠机理

严涛海

(1. 闽江学院 a.福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室；b.服装与艺术工程学院，福建 福州 350121；2. 福建省运动鞋面料重点实验室(福建华峰新材料有限公司)，福建 莆田 351164)

依据现有的纺织加工技术，加工纤维或纱线细度的极限为微米级[1]。静电纺丝技术是制备纳米纤维最有可能产业化的技术之一，而纳米级纤维的断裂强力及耐磨性能相对较差，无法使用传统纺织设备进行加工[2]。定向排列的纳米纤维束及其加捻后的纱线，可以拓宽纳米级纤维在纺织服装、微电子器件和复合材料等领域的应用[3]。为了解决纳米纤维使用传统纺织技术进行加工的问题，有学者[4]将纳米纤维制备成纱线，也有学者[5]将纳米纤维包覆在传统纱线上。笔者认为，在上述基础上可做进一步加工，即在传统纱线外包覆的纳米纤维之外再包缠(包覆)传统的纱线，以解决纳米纤维耐磨性差的问题。这种方法可以使纳米纤维具有可织性，结合常规纱线和纳米纱线结构及功能性优点，可以用来生产高附加值的功能性纺织品。这种复合纱线可以应用在特殊功能的面料领域，比如抗紫外线、香味整理、储能调温和防蚊虫等功能性领域。同时，这种结构的复合纱线含有纳米纤维，具有纳米纤维的表面效应和小尺寸效应等性质，可以制备传感器织物、高吸附性织物，以及一些具有特殊的声、光、电磁、热力学性质的织物。

包缠技术是一个相对比较传统的加工花式纱线的工艺，现在也经常用来解决芯纱强力不足或耐磨性差的问题，以使纱线更适合于传统织造的加工，还有部分研究人员使用包缠技术改善复合材料的增强相和基体的浸润性能。Baghaei等[6]将聚乳酸纤维包缠在汉麻纱线上，这种包缠纱模压成型后的拉伸、弯曲和耐冲击性能都提高了2～3倍。部分学者[7-9]将包缠纱用于改善低弯曲模量玻璃纤维和碳纤维的可编织性能，也可应用于复合材料的成型技术。钟智丽等[10-11]使用丙纶长丝包缠玄武岩长丝和芳纶，芯纱的耐磨性、力学性能和外观均有较好的提升，改善了芯纱的可织性。敖利民等[12]利用加捻与空心锭子包缠两种成纱方法，不仅提高纱线力学性能，还改善了纱线条干和捻度的均匀性。本文自制静电纺丝纳米纤维成纱装置，并使用该装置制备了静电纺丝纳米纤维包覆结构纱，在纳米纤维包覆结构纱线外再包缠一层长丝，解决纳米纤维强力和耐磨性较差的问题，以便用于传统织造(针织、机织)加工。

1 材料及方法

1.1 主要材料及设备

聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)，太仓凯尔达塑胶原料有限公司，分析纯，相对分子质量为15万；N,N- 二甲基甲酰胺(DMF)，广东金华大化学试剂有限公司，分析纯；83.3 dtex/36 F无捻涤纶复丝，福建锦江科技有限公司；高压直流电源，东文高压电源(天津)有限公司；LSP-10-18型微量注射泵保，定兰格有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 自制静电纺丝纳米纤维包覆纱成纱装置

静电纺丝纳米纤维包覆纱成纱装置如图1所示。由注射泵将纺丝液经由输液管输送到单针头，聚合物在高压电场的作用下形成纳米纤维，在接地圆盘和接地圆环之间形成取向纳米纤维，芯纱退绕后依次经过圆盘中心和圆环中心，金属圆盘的旋转将取向纳米纤维加捻包覆在芯纱上形成纳米纤维包覆结构纱线，包覆纱线经卷绕装置卷绕成形。芯纱和包覆纱都是83.3 dtex/36 F无捻涤纶复丝。

1.2.3 静电纺丝及纳米纤维包覆纱

添加PAN粉末到DMF溶剂中，恒温40 ℃搅拌12 h,制备PAN质量分数为12%的静电纺丝溶液。按照图1布置静电纺丝纳米纤维包覆纱成纱装置。具体参数如下：接收金属圆盘的半径为10 cm，厚度为1 mm，材质为不锈钢，中间开孔，孔直径为1.0 cm；针管尖端所在平面与圆盘中心的距离为9 cm，针管内径为1.0 mm，外径为1.4 mm，针管长为13 mm；针管与圆盘夹角为45 °；圆环与圆盘中心在一条直线上，两者之间距离为5 cm，圆环材质为不锈钢，外环半径为0.5 cm，内环半径为0.3 cm，厚度为2 mm；电压为18 kV，流量泵流速为0.6 mL/h，圆盘转速为80 r/min。环境温度为25 ℃，环境相对湿度为65%。静电纺纳米纤维包覆结构纱线的形成是因为圆盘和圆环之间形成了大量的取向纳米纤维，随着圆盘的旋转带动取向纳米纤维以一定的角度将取向纳米纤维包覆在芯纱上。采用圆环和带孔圆盘可以将加捻形成的纱线从圆环中心拉出，从而形成连续纱线。

1.2.4 自制空心锭包缠纱装置小样机

空心锭包缠纱小样机要求体积小、操作简单并能配合静电纺丝纳米纤维包覆纱成纱装置，其有3个基本系统：芯纱退绕系统、空心锭包缠系统和卷绕系统。空心锭包缠纱小样机结构示意如图2所示。芯纱退绕系统：因卷绕系统对纱线产生牵引力，芯纱从纱筒上被动退绕下来。空心锭包缠系统：卷绕着长丝(纱线)的包线管固定在转动的空心锭子上，当空心锭子沿轴向转动时带动包线管转动，包线管上的纱线随空心锭子转动时包缠在芯纱上。卷绕系统：利用摩擦传动进行卷绕，包缠纱因槽筒的导纱和花式纱筒的转动而卷装成形。

空心锭包缠纱小样机的动力由电机一和电机二通过传送带传导提供。小样机系统工作原理概述如下：由电机二(12)传动的卷绕系统引起的牵伸作用将芯纱(2)从芯纱筒子(1)上缓慢退绕出来，因张力器(3)和导纱器(4)配合电机二(12)匀速牵伸，芯纱(2)受恒定张力而被动退绕。当芯纱(2)进入空心锭子(5)时，由电机一(11)带动的空心锭子(5)沿轴向转动，空心锭子(5)带动固定在其上的包线管(7)转动，而包线管(7)的转动使包线管上的外包纱(8)随之转动并卷绕包缠在芯纱上，空心锭子(5)每转动一圈使外包纱(8)在芯纱上包缠一个捻回，外包纱(8)在包缠的同时还随包缠纱(17)的卷绕而发生被动退绕，因为摩擦张力补偿器(6)的作用给外包纱(8)均匀的张力，使其能够均匀退绕并顺利包缠芯纱。经过空心锭子后的包缠工艺形成包缠纱(17)，由导纱器(18)和张力器(19)的配合进入卷绕系统，电机二(12)带动槽筒(13)，槽筒(13)上沟槽的导纱作用使包缠纱(17)有规律地卷绕在花式纱管(14)上形成良好卷装。其中花式纱管(14)固定在纱筒架(15)上，纱筒架(15)上的大张力弹簧(16)提供的拉力使花式纱管(14)能紧贴在槽筒(13)上，因槽筒(13)与花式纱管(14)之间的摩擦传动而转动，还能保证包缠纱(17)有良好的卷装。

为了将空心锭包缠纱小样机和静电纺丝纳米纤维包覆纱成纱装置进行配合，以形成连续制备的效果，需要将芯纱(2)在导纱器(4)和空心锭子(5)之间穿过金属圆盘和圆环中间，即金属圆盘、圆环和空心锭子中心在一条水平线上，经过静电纺丝工艺在金属圆盘和圆环之间形成取向纳米纤维，而金属圆盘的选择可以实现取向纳米纤维在加捻后包覆在芯纱上，同时能保证包覆在芯纱表面的纳米纤维没有经过其他部件的摩擦而顺利进入空心锭子进行包缠工艺加工 。

电机一参数：15 W、220 V、0.12 A、1.5 μF、50 Hz，配合15 W调速器使用；电机二参数：6 W、220 V、0.13 A、0.8 μF、50/60 Hz，配合6 W调速器使用。电机一的转速需配合电机二的转速才能实现良好的包覆。电机一若转速过慢，会导致包缠加捻过低而出现漏芯现象；电机一若转速过快，会使外包纱的包覆过于紧密和叠纱，即包缠加捻过度导致出现外包纱重叠的现象。

1.2.5 分析测试方法

利用JSM-6390型扫描电子显微镜(SEM)对静电纺丝纳米纤维包覆纱及其包缠纱的表面形貌进行研究，电压为15 kV，倍率为200、300及5 000倍。使用Adobe Acrobat 9 Pro软件对SEM图进行分析，计算纱线和纤维平均直径。根据GB/T 3916—2013，利用Instron 3365型电子强力仪对制备的纱线进行拉伸测试，每个样本重复测试10次后取平均值。

2 试验及结果分析

2.1 包缠纱表面及内部结构

当电机一和电机二转速分别为360和6 r/min，以及纺丝时间为4 min时，静电纺丝其他参数设置见1.2.3节，静电纺丝纳米纤维包覆纱外包包缠纱的表面及其内部结构的SEM图如图3所示。由图3(a)可以看出，外包纱为无捻涤纶复丝，包缠后的纱线结构相对比较紧密，但是从无捻涤纶复丝之间的孔隙中可以看到纳米纤维包覆纱。为了观测包缠纱的内部结构，解开外包纱以及包覆的纳米纤维，如图3(b)所示，可以看到纳米纤维包覆在无捻涤纶复丝的芯纱表面。由此证实静电纺丝纳米纤维包覆芯纱及纳米纤维包覆纱外再包缠纱线(长丝)的可行性。纳米纤维和外包覆复丝之间存在一定的黏附，在解包覆过程中复丝容易拉扯黏附在一起的纳米纤维或是使其磨擦移位，导致部分处于中间包覆层的纳米纤维显得杂乱无章，但是依然能够看到部分带有捻向的取向纳米纤维。同时，根据文献[13]可知，因为静电纺丝的纳米纤维在实际加捻过程中有较多不确定因素，部分纳米纤维确实存在无序沉积在芯纱表面的现象。

当电机二转速为6 r/min和纺丝时间为4 min时，静电纺丝其他参数设置见1.2.3节，在电机一不同转速下制备的包缠纱表面SEM图如图4所示。由图4可知，随着电机一转速的增大，包缠纱外包的无捻涤纶复丝的间隙逐渐变小。因此：当电机转速为240和300 r/min时，包缠纱有露芯现象；当电机转速为360 r/min时，包缠纱结构相对比较紧密，包缠效果良好。

当电机一和电机二转速分别为360和6 r/min时，不同纺丝时间下制备的包缠纱经解开外包涤纶复丝后的纳米纤维包覆纱表面SEM图如图5所示。从图5可以看出，经过包缠并解包缠后的纳米纤维包覆结构基本没有变化，透过纳米纤维还可以看到无捻涤纶单丝构成的芯纱。由此说明，在对纳米纤维包覆纱进行包缠工艺加工时，对纳米纤维基本没有损伤，能最大限度保护纳米纤维包覆结构。

图5 不同静电纺丝时间下制得的包缠纱解开外包涤纶复丝后的纳米纤维包覆纱表面SEM图Fig.5 SEM images of the surface of nanofiber coated yarn after unwrapping the polyester multifilament from the wrapped yarn prepared at different electrospinning time

2.2 力学性能测试

当静电纺丝时间为4 min，电机一和电机二转速分别为360和6 r/min时，将静电纺丝纳米纤维包覆纱经包缠工艺加工后制备的复合纱线，其断裂强度和断裂伸长率分别为48.87 MPa和43.17%，相比包缠前静电纺丝纳米纤维包覆纱断裂强度和断裂伸长率(33.56 MPa，42.52%)，前者的断裂强度有所提高，而断裂伸长率变化不明显。

3 空心锭包缠纱包缠机理

卷绕着长丝(纱线)的包线管固定在空心锭子上，当空心锭子沿轴向转动时带动包线管转动，包线管上的纱线随空心锭子转动而包缠在芯纱上。空心锭包缠纱的包缠机理与纳米纤维包覆机理不太一样，前者在包缠时空心锭上的包线管可以连续不间断地提供外包纱用于包缠芯纱，而后者的外包纤维是间歇式的，前一取向纳米纤维包覆结束后，要等后一取向纳米纤维形成之后才能开始新的包覆工作。空心锭包缠纱包缠机理有类似于络筒工艺中的圆柱形卷绕在某一纱层的过程。

包缠加捻后，外包纱发生倾斜，加捻程度越大，外包纱倾斜就越大，将外包纱在芯纱线上的倾斜角称为捻回角β，即外包纱与芯纱轴的夹角(如图6所示)，可以据式(1)计算。

L0—一个捻回中外包纱长度；hn—外包纱两个捻回之间的法向螺距；d—包缠纱直径；T—包缠纱黏度。图6 外包纱包缠捻回角示意图Fig.6 Schematic diagram of the wrapping angle of the wrapped yarn

(1)

一个捻回中的外包纱长度L0可以由式(2)计算。

(2)

实际包缠加捻过程中，外包纱的直径不可忽略,如图7所示。因此，外包纱两个捻回之间的法向螺距(hn)可以由(3)计算。

图7 外包纱包缠示意图Fig.7 Schematic diagram of the wrapped yarn

(3)

设外包纱直径为dw，在不忽略外包纱直径的情况下的捻回示意如图8所示。根据包缠效果可以分为3种情况：hn>dw、hn

图8 外包纱直径不忽略的捻回示意图Fig.8 Schematic diagram of twisting without ignoring the diameter of the outer yarn

(1)hn

(4)

此时，外包纱包缠系数η>1。

(2)hn=dw。在这种情况下，包缠效果最好，包缠纱外观光滑，条干均匀。此时，外包纱包缠系数η=1。

(3)hn>dw。在这种情况下，外包纱没有完全包缠覆盖住芯纱，其外观出现露芯现象。此时，外包纱包缠系数η<1。

如果外包纱为复丝时，其包缠效果会与纱线包缠有所区别。纱线可以近似于一个圆柱体，而复丝由多根单丝组合而成，设单丝直径为df，单丝根数为s，复丝在包缠加捻时会发生扩散，设其扩散系数为ρ，该系数的大小取决于复丝本身捻度及包缠工艺，则复丝外包纱直径dw=s·df·(1+ρ)。

包缠纱捻度T可以由式(5)计算。

(5)

式中：nk为空心锭转速，r/min；vj为包缠纱卷绕速度，m/min。

值得注意的是，笔者在试验中发现，采用模量比较大的麻纱包缠芯纱，其包缠效果很差，露芯现象严重，因此可以确定纤维模量对包覆效果有着决定性影响。经多次试验后，选用模量相对低的无捻复丝作为外包缠纱才可解决露芯问题。本试验中，选用的芯纱和外缠丝束都为无捻复丝，考虑到无捻复丝中的单丝在外包缠时会在一定的压力下变扁而扩散开来，会产生一定额外的包缠效果，因此由肉眼所见未曾发现露芯问题。

3 结 语

本文通过自制静电纺纳米纤维包覆成纱装置和空心锭包缠纱装置，制备纳米纤维包覆纱线外包包缠纱，用以解决静电纺丝纳米纤维用于传统纺织方面的局限性。研究表明，当带动空心锭的电机转速为360 r/min时外包涤纶复丝的包缠结构相对比较紧密，包缠效果良好，而转速为240和300 r/min时外包涤纶复丝包缠下有露芯现象。根据纱线包缠效果可以分过包缠、包缠良好和露芯等3种现象。笔者下一步将研究外包缠纱模量对于包缠效果的影响，以进一步充实包缠理论。