生物基石墨烯改性莫代尔纤维混纺纱线的开发

贺光福

（珠海励联纺织染工业有限公司，广东珠海，519050）

目前纺织行业融合新纤维、功能化、绿色健康的产品，更能赢得用户的关注和市场消费者的青睐。生物基石墨烯以天然绿色植物秸秆为原料，采用基于基团配位组装析碳原理的热裂解法制备而成，除了具有石墨烯良好的热学、抗菌抑菌特性外，生产过程无化学污染，天然环保［1］。根据市场需求以及纺织行业的发展趋势，以生物基石墨烯改性莫代尔纤维（以下简称石墨烯纤维）、柔软吸湿的棉纤维、轻柔而有弹性的羊毛为原料，选择合适的纺纱设备，并优化工艺流程及纺纱参数，设计开发石墨烯纤维与棉、羊毛混纺的功能性针织纱线。

1 混纺纱原料及纱线工艺设计

1.1 原料的选择

3种纤维主要性能指标如表1所示。

表1 原料主要性能指标

其中，石墨烯纤维购于山东圣泉新材料股份有限公司，纤维细度1.33 dtex；棉纤维采用浙江吉祥鸟纺织有限公司的229精梳棉条，纤维细度1.55 dtex；为使面料手感光滑，羊毛采用张家港扬子精梳毛条有限公司的丝光羊毛条，纤维细度19.40μm。

1.2 纱线规格

石墨烯改性纤维一般是将石墨烯粉末颗粒加入纺丝液复合制造而成，石墨烯本身价格较高，且由于石墨烯颗粒加入纺丝液中会破坏纤维原有的结晶区结构，从而影响纤维的单纤维强力和断裂伸长率［2］。因此，为了减少对纤维物理指标的影响，并考虑生产成本控制的因素，目前市场上石墨烯改性纤维中石墨烯含量通常不超过3%，但石墨烯含量直接影响纤维的热学和抗菌性能。石墨烯含量越高时，其优良性能越容易表现出来，所以石墨烯改性纤维中石墨烯含量是纱线开发中重点考虑的指标。山东圣泉新材料股份有限公司生产的石墨烯纤维内含质量分数2.5%的生物基石墨烯，为保障成品面料的功能性测试，纤维在混纺纱线中所占的比例必须大于20%。为了使混纺纱产品能够更好地体现石墨烯优良的抗菌性能，纱线设计石墨烯纤维含量为30%。纱线的具体规格为棉/石墨烯纤维/羊毛60/30/10 27.8 tex×2针织纱线。

1.3 纱线工艺设计

由于石墨烯本身是黑色，所以石墨烯纤维已是有色纤维，色纺纱只需考虑染其他混纺成分的颜色［3］。纺纱采用毛纺半精纺纺纱工艺流程。先将混纺纱中棉纤维与羊毛纤维按产品颜色分别染色，然后将染色后的纤维按混纺比例混纺成纱。纺纱具体工艺流程：BC262型和毛机→FB220型梳棉机→FA 306型并条机→A 454型粗纱机→FA 528型细纱机→Savio Polar M型络筒机→AW22型高速并线机→WH196型倍捻机。

2 纺纱生产工艺

2.1 混毛工序

石墨烯纤维手感柔软，但比未改性的莫代尔纤维稍显粗糙，不够爽滑，这是因为在复合纺丝时，有部分石墨烯粉末颗粒分布在纤维表面，形成微小凸起，使得纤维表面粗糙，纤维表面摩擦因数增加，纤维间的抱合力强，与棉纤维、羊毛混和时，取纤维质量0.5%的CTA⁃2886和毛油和纤维质量6%的水配成混合溶液，均匀喷散到纤维中，由于生物基石墨烯有优良的导电性，混毛时可不加入抗静电剂。

将混和均匀的混料焖放24 h以上，以确保和毛油、水均匀渗透到纤维中，使纤维得到较好的润滑，提高纤维柔软性和韧性，保护纤维在后续梳理时不易被拉断，同时和毛油及水分可提高原料上机回潮率，减少加工过程中的飞毛、落花，提高混纺纱制成率和质量［4］。

2.2 梳理工序

梳理工序的重点是加强纤维分梳，有效排除色点、杂质，石墨烯纤维和棉纤维细度细，韧性差，工艺上应以“减少纤维损伤，提高棉条质量，降低棉结”为原则［5］，采用“多分梳，紧隔距，低速度，快转移”的工艺设计，适当降低道夫转速和减小生条定量，有利于梳理、除杂和纤维转移，并采用“刺辊低速，锡林高速”的工艺，以提高生条质量，在锡林和刺辊间采用较大的线速比（2.1）和较小的隔距，以减少纤维返花和棉结产生，锡林与活动盖板采用紧隔距，即0.20 mm、0.17 mm、0.15 mm、0.15 mm、0.18 mm，以增强纤维梳理强度，道夫与锡林间隔距0.13 mm，有利于梳棉过程中纤维转移。其他主要工艺参数：生条定量19.5 g/5 m，锡林转速340 r/min，刺辊转速760 r/min，道夫转速20 r/min。

2.3 并粗工序

并条工序的重点是确保条子的颜色混合均匀，采用适当的牵伸，提高纤维的伸直度和分离度。牵伸倍数分配采用倒牵伸方式，即头并牵伸大，二并牵伸小，这样更有利于改善条干均匀度，采用三道并条工艺可以改善长片段条干均匀度和提高混色效果［6⁃7］。并条工序主要工艺参数：头道定量18.57 g/5 m，总牵伸6.3倍，后区牵伸1.65倍，并合数6根；二道定量17.9 g/5 m，总牵伸8.3倍，后区牵伸1.35倍，并合数8根；三道定量17.5 g/5 m，总牵伸8.2倍，后区牵伸1.30倍，并合数8根。

粗纱工序控制好牵伸质量，提高纤维的伸直度和纱条均匀度，石墨烯纤维、棉和羊毛的纤维间抱合力较好，工艺上采用“轻定量，低捻系数，慢车速”的工艺设计，以减轻细纱工序的牵伸负荷，改善成纱条干均匀度。由于天然纤维间长度差异大，应减少罗拉握持距离，适当增加罗拉加压，以有效控制浮游纤维［8］。粗纱工序主要工艺参数：公制捻系数50，粗纱定量5.83 g/10 m，后区牵伸1.21倍，总牵伸6.0倍，锭速830 r/min，罗拉加压200 N×150 N×150 N。

2.4 细纱工序

细纱是纺纱过程中最后一道工序，工艺的关键是控制好牵伸和对纤维的握持，避免牵伸不匀，产生短粗节、棉结等纱疵。由于石墨烯纤维较细，容易产生棉结，所以细纱生产时应适当降低车速，并加大捻系数以减少细纱断头。细纱工序主要工艺参数：细纱定量2.78 g/100 m，公制捻系数130，后区牵伸1.25倍，总牵伸21倍，锭速8 500 r/min。

2.5 筒并捻工序

络筒工序要掌握好筒子的卷绕密度，保证成形良好，切除细纱中的棉结、短粗节，同时要检查断头自停装置以保障结头质量，降低络筒车速，即750 m/min，减小因络筒造成的棉结和毛羽，合理设置清纱参数以清除有害疵点。主要清纱参数：棉结+280%，短粗节+180%×20 mm，长粗节+50%×20 cm，长细节-50%×20 cm。

并纱、捻线工序主要减少纱线断头率，提高生产效率，并线机速度设定为650 m/min。倍捻机股线捻度428捻/m，同时为了减少毛羽和断头，倍捻机锭速设定为7 000 r/min，并配置上蜡装置，增加纱线表面蜡质，减少纱线毛羽和提高后道织机效率。

3 针织物性能测试

经实测，棉/石墨烯纤维/羊毛60/30/10 27.8 tex×2针织纱线的主要物理性能指标：线密度偏差1.6%，条干CV值12.3%，断裂强力360 cN，断裂伸长率13.5%，2 h起球等级/起球箱法4级。其质量满足FZ/T 71008—2008《半精纺毛针织纱线标准》优等品标准要求。

根据GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价第3部分：振荡法》对所织的针织物进行抗菌性能测试，并采用标准中的10.1.1的洗涤程序对织物进行20次水洗，以测试纱线的抗菌耐洗性能［9⁃10］。纱线抗菌性能测试结果如表2所示。

表2 混纺纱抑菌率测试结果

由表2可以看出，混纺纱线所织的针织物对3种菌种均具有较好的抗菌效果，织物在洗涤20次后，其抗菌性能有所降低，但整体抑菌率仍在90%以上，说明石墨烯纤维混纺纱线织物具有优良的抗菌性能和耐洗涤性能。

4 结语

生物基石墨烯赋予了改性纤维对人体有益的抗菌特性，纤维中石墨烯含量直接影响其抗菌功效。为保证混纺纱有较好的抗菌性能，纱线中混纺石墨烯纤维的比例不能小于20%；石墨烯纤维混纺针织纱线的生产，需针对各个纤维性能特点，合理选择各工序纺纱参数。生产实践表明，所纺制的纱线具有良好的物理性能，其织物具有优良的抗菌性能和耐洗涤性能。石墨烯纤维混纺针织纱线的开发，拓展了功能性针织面料的设计思路。由于石墨烯本身是黑色，因此石墨烯纤维颜色偏黑灰。虽然色纺混纺纱线拓宽了其在多彩纺织品中的应用，但对于一些浅色以及颜色鲜艳纱线的开发仍受到一定的限制。