聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱的拉伸性能探讨

2021-09-14陈清清张玲丽曹海建黄晓梅

棉纺织技术 2021年9期

李杜陈清清张玲丽曹海建黄晓梅

（1.南通大学，江苏南通，226019；2.江苏锵尼玛新材料股份有限公司，江苏南通，226499）

热塑性树脂基复合材料在制备过程中由于热塑性树脂黏度较大，不利于增强纤维的分布和树脂的浸渍，为了改善这一缺点，通过预浸渍法以及后浸渍法来改善［1⁃3］。例如，采用混纺纱浸渍法，属于预浸渍法的一种，可以改善热塑性树脂基复合材料的浸渍问题。其基本原理是采用树脂基体纤维与增强体纤维混纺成纱，这种形式既能够较为准确地控制树脂含量，又极大减小了浸渍中树脂流动的距离，克服热塑性树脂浸渍难的问题［4⁃6］。包覆纱与其他混纺纱线相比，因其芯纱保持无捻状态，能够充分利用芯纱的力学性能，同时，能够使树脂基体纤维与增强体纤维均匀分布，在加工以及后续的过程中树脂基体纤维可保护增强体纤维免受机件的磨损，避免增强体纤维的强力下降等问题，且包覆纱的力学性能与复合材料的力学性能密切相关［7］。

目前，国内外研究学者对于空心锭包覆纱的制备工艺以及包覆纱的力学性能进行了很多研究。敖利民等［8⁃9］、王辉等［10］利用空心锭包覆纺纱技术进行包覆纱制备，并对其进行拉伸测试，发现包覆纱形式能够改善纱线条干，但纱线断裂强度会降低，并且断裂强度随捻度增加而减小；黄浚峰等［11］利用空心锭纺纱技术制备氨纶包覆纱，并对其力学性能分析发现：线密度以及捻度的增加都会使包覆纱的断裂强力呈现先增加后减小的趋势，而芯纱牵伸倍数的增大则会使纱线的断裂强力增加。严涛海等［12］制备丙纶/亚麻包覆纱纺织预制件以及复合材料，发现中空锭捻度和空心锭转速是影响复合材料树脂含量以及拉伸性能的重要因素。

本试验制备了聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱，重点研究了捻度、导纱钩与空心锭距离（以下简称导纱距离）对聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱拉伸断裂强力的影响规律。

1 试验部分

1.1 原料

芳纶1414：线密度444.4 dtex，断裂强力85.9 N，断裂伸长率5.7%，由烟台泰和新材料股份有限公司提供，作为增强体纤维。

聚酰胺纤维：线密度155.6 dtex，断裂强力5.7 N，断裂伸长率41.2%，由江苏锵尼玛新材料股份有限公司提供，作为树脂基体纤维。

1.2 设备与仪器

HKV 141D型包覆丝机，浙江精功科技股份有限公司；Instron 5969H型万能材料试验机，美国Instron公司。

1.3 聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱的制备

本试验采用双包方式。这种方式既能够避免单包形式易产生纱线内部结构力矩不均匀导致的严重退捻现象以及露芯严重的问题，同时也能够充分利用芳纶1414的力学性能，增加聚酰胺纤维的包覆度。

聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱的制备工艺如下。芳纶1414从纱筒上退绕，穿过弹簧张力器，进行牵伸，再从下方经过下层空心锭子的中心管；聚酰胺纤维随着铝管高速旋转，在铝管表面形成外包纱，并与芳纶1414在导纱钩处进行加捻、包覆，完成第1次包覆。将第1次的包覆纱送入上层空心锭子的中心管，聚酰胺纤维随着铝管高速旋转，在铝管表面形成外包纱，并与第1次的包覆纱在导纱钩处进行加捻、包覆，完成第2次包覆。第2次的包覆纱经导纱杆、卷绕辊以及压纱辊后，在横动导纱杆的横动引导下，逐步卷绕到纱筒表面，即可制得包覆纱。

制备聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱的捻度选择（200/160）捻/m（前者为第1次包覆捻度，后者为第2次包覆捻度，下同）、（300/240）捻/m、（400/320）捻/m、（500/400）捻/m、（600/480）捻/m共5种，导纱距离选择7.5 cm、10.5 cm、13.5 cm、15.5 cm共4种。卷绕速度18 m/min，卷绕率1.4，空心锭速度按捻度=空心锭速度（r/min）/牵伸速度（m/min）计算。

1.4 拉伸断裂强力测试

利用Instron 5969H型万能材料试验机，夹具间距200 mm，加载速度100 mm/min，每组样品测试10次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 导纱距离对包覆纱拉伸断裂强力的影响

导纱距离对聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱拉伸断裂强力的影响如图1所示。

图1 导纱距离对包覆纱拉伸断裂强力的影响

由图1可知，导纱距离在7.5 cm～15.5 cm范围内，包覆纱的拉伸断裂强力呈现先增加后减小的规律。导纱距离为10.5 cm时，包覆纱拉伸断裂强力最大。这是因为，导纱距离增加，外包纱形成的气圈变大，气圈形态较稳定，气圈张力也变大，外包纱较紧地包缠在芯纱表面，使包覆纱的断裂强力增大；但是，随着导纱距离的进一步增大，外包纱形成气圈进一步增大，使气圈的形态不稳定，气圈张力也不稳定，外包纱不能较为紧密地包缠在芯纱表面，使包覆纱断裂强力降低［13］。在包覆过程中，随着导纱距离的升高，芯纱芳纶1414、外包纱聚酰胺纤维与导丝钩产生摩擦力增加，也会导致纱线本身的力学性能受到损失。

2.2 捻度对包覆纱拉伸断裂强力的影响

捻度对聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱拉伸断裂强力的影响如图2所示。

图2 捻度对包覆纱拉伸断裂强力的影响

由图2可知，包覆纱的拉伸断裂强力随着包覆纱捻度的增加呈现先增加后减小的规律。捻度为（400/320）捻/m时，包覆纱拉伸断裂强力最大。这是因为，捻度较小时，复合纱的紧密效应以及并和效应对包覆纱断裂强力的提高起到协同作用［14⁃16］。聚酰胺纤维施加于芳纶1414上的径向向心压力，会提高纤维间抱合力，使芯纱结构更紧密，不易发生断裂；聚酰胺纤维卷绕在芳纶1414芯纱上，可提供给包覆纱轴向分力，使包覆纱的断裂强力有所提高。捻度较大时，复合纱的紧密效应不再起主导作用；相反捻度达到某一数值后，加捻作用主要表现为增加包覆纱中纤维的预应力，减小包覆纱强度的轴向分力，从而包覆纱的拉伸断裂强力随着捻度的增加开始下降［17⁃19］。

2.3 包覆纱拉伸破坏形貌分析

导纱距离10.5 cm时，不同捻度聚酰胺纤维芳纶1414包覆纱的拉伸特性曲线及破坏形貌如图3～图5所示。

由图3～图5可知，捻度较小［（200/160）捻/m］以及捻度较大［（600/480）捻/m］时，包覆纱的拉伸特性曲线均呈现两段式，其中ABC曲线是芯纱承载为主，CDE曲线是外包纱承载为主，包覆纱的断裂呈现不同时性。捻度为（400/320）捻/m时，包覆纱的拉伸性能最好，且包覆纱的断裂方式呈现同时性，原因分析与2.2类似。