咖啡炭改性涤纶/羊毛/有机炭黑纤维复合 功能织物的开发及其性能

雒芳林　张雄　周梅花　程菊芳　周雪华

摘要：为开发蓄热保暖、抗静电、吸附异味等多功能于一体的高端毛精纺面料，采用多组分纤维混纺与织物不同组织结构变化相结合的方式，优选咖啡炭改性涤纶纤维、高品质羊毛纤维及有机炭黑纤维作为混纺原料，设计了5种不同咖啡炭改性涤纶纤维含量和4种不同组织结构的织物，对织物的复合功能性进行了测试和剖析，并运用origin软件分别建立织物保温率、温升度及对甲醛的吸附性和咖啡炭改性涤纶纤维含量之间的回归方程，获取了多组分纤维复合功能毛精纺面料的开发思路及产品成果，为新型复合功能产品研发提供了技术参考。

关键词：多组分;混纺;咖啡炭改性涤纶纤维;有机炭黑纤维;毛精纺面料;复合功能

中图分类号：TS136文献标志码：A文章编号：1009265X（2022）03014307

Development and properties of coffee carbon modified plyester/wool/organic

carbon black fiber composite functional fabric

LUO Fangling  ZHANG Xiong ZHOU Meihua  CHENG Jufang ZHOU Xuehua

Abstract： To develop multifunctional highend worsted fabric integrating heat storage， antistatic， odor absorption and other functions， multicomponent fiber blending method was adopted by combining with changes of different fabric structures. Selecting the coffee carbon modified polyester fiber， high quality wool fiber and organic carbon black fiber as the blending materials， five kinds of fabric with different contents of coffee carbon modified polyester fiber and four kinds of fabric with different structures were designed. The compound functions of the fabric were tested and analyzed. In addition， the regression equation for the fabric thermal insulation rate， temperature increment， adsorptivity of formaldehyde and the content of coffee carbon modified polyester fiber was established respectively using origin software. The development idea and the final product of multicomponent fiber compound functional wool worsted fabric were obtained， providing a technical reference for the R&D of newtype compound functional products.

Key words： multicomponent; blending; coffee carbon modified polyester fiber; organic carbon black fiber; worsted fabric; composite function

隨着人们物质生活水平的不断提高，广大消费者对纺织品的使用性能要求也越来越高，对适应新形势下的纺织技术及纺织品的发展提出了新的挑战，采用棉、麻、丝、毛及化学纤维中一种纤维制成的织物已经无法满足人们的生活需求[1]。近年来，各种高科技纤维的不断涌现，为纺织制品朝着舒适化、高档化、功能多样化及环保化的方向发展提供了新的研究方向[2]。

咖啡炭改性涤纶纤维的制备是利用废弃的咖啡渣，在较高的温度下进行煅烧，之后将其研磨成纳米粉体，在涤纶纺丝过程中加入制备好的纳米炭粉微粒，形成具有蓄热保暖、吸附异味和远红外发射的功能性纤维[34]。此外，咖啡炭改性涤纶纤维绿色环保，与竹炭改性涤纶相比，能源消耗及二氧化碳排放减少48%;与椰炭改性涤纶相比，能源消耗及二氧化碳排放减少85%[5]。

本文综合兼顾了咖啡炭改性涤纶纤维良好的蓄热保暖性和吸收异味性能，羊毛纤维较好的弹性、舒适的手感及柔和的光泽，有机炭黑纤维较好的抗静电性，解决了精纺毛织物现存的功能单一、静电现象明显及不易护理等实际应用问题[67]，开发出集蓄热保暖、抗静电、吸附异味等功能于一体的多功能织物，极大的适应市场需求，提高企业市场竞争力。

1实 验

1.1实验原料

选用的原料是江苏申州毛纺有限公司纺制的咖啡炭/羊毛/有机炭黑纤维（导电纤维）混纺纱。纺制过程中选用紧密纺纱技术，纱线规格为16.67 tex，股线结构，捻系数为145捻/10 cm，捻向为S。对实验涉及的主要原料咖啡炭改性涤纶做了基础性能测试，具体结果见表1和图1。

1.2织物中纤维含量设计

经反复试验对比和结合企业产品开发经验，实现织物功能的主要纤维含量不能低于30%[8]。因此，本实验在有机炭黑纤维含量1%;织物紧度60×48%;经纬密度328×263根/10 cm;2上2下斜纹组织的条件下，设计5种不同咖啡炭改性涤纶纤维含量的织物，如表2所示。

1.3织物组织设计

为了探究组织结构对多组份纤维复合功能精纺毛织物蓄热保暖、抗静电、吸附异味和服用性能的影响，在咖啡炭改性涤纶纤维含量40%;有机炭黑纤维含量1%;织物紧度60×48的条件下，设计了具有不同组织结构的4种织物，织物组织规格及对应组织结构图分别如表3和图2所示。

1.4性能测试

使用HD026N电子织物强力仪（南通宏达实验仪器有限公司）参照标准GB/T3923.1-2013《纺织品织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》中所规定的方法测试织物拉伸性能，并参照标准GB/T3917.4-2009《纺织品 织物撕破性能 第4部分：舌形试样（双缝）撕破强力的测试》中所规定的方法测试织物撕破性能。

使用DRP200型悬垂性测试仪（大荣科学精器制作所）参照GB/T2332.9-2009《纺织品织物悬垂性的测定》中所规定的方法测试织物悬垂性能。

使用YG502N织物起毛起球仪（南通宏达实验仪器有限公司）参照标准GB/T4802.1-2008《纺织品织物起毛起球性能的测定 第1部分：圆轨迹法》中所规定的方法测试 织物起毛起球性能。

使用KESFB2织物风格评价系统自动纯弯曲测试仪（加藤技研株式会社），剪取规格为20 cm×20 cm的织物，经向标志（↑）画在左下角，试样标签贴在右下角，均在织物正面做标记。打开计算机上KESFB操作软件，选用FB2测试系统，然后沿织物的经向用手指将试样垂直推入夹具中，待操作台上指示灯亮说明试样已放置好，然后按下“Measure”按钮，待灯开始闪烁时，按下KESMES测试织物弯曲性能。

使用YG821L织物风格仪（莱州市电子仪器有限公司）参照标准FZ/T 01146-2018《纺织物 织物起拱变形试验方法》中所规定的方法测试织物起拱变形性能。

使用YG606型平板式保温仪（宁波纺织仪器厂）参照GB/T11048-1989《纺织品 保温性能试验方法》标准测试织物保暖性能。

使用温升仪（华楙生技公司），在温度20 ℃，湿度65%的环境下进行测试。首先将两块规格为6 cm×12 cm的不同织物固定在样品架上，然后打开热源开关。热源为500 W的红外灯，照射角度35°，试样距离热源为20 cm，记录在光照射0 min、15 min时织物的温度，测试织物温升性能。

使用YGB406织物电阻率测试仪（温州大荣纺织）、YGB403织物摩擦带电测试仪（温州大荣纺织）参照标准GB/T12703.4-2010《纺织品静电性能的评定 第4部分：电阻率》和FZ/T01060-1999《织物摩擦带电电荷密度测定方法》中所规定的方法测试织物抗静电性能。

使用60 cm×30 cm×40 cm密闭性较好的长方体箱体、UV1800PC型紫外/可见分光光度计（上海美谱达仪器有限公司），采用酚试剂比色法测试，原理是甲醛分子与酚试剂反应生成嗪，嗪在酸性溶液中被高铁离子氧化形成蓝绿色化合物[9]，对此化合物进行分光光度测定，测试织物对甲醛的吸附性能。

2结果与分析

2.1咖啡炭改性涤纶纤维含量对织物性能

的影响研究咖啡炭改性涤纶纤维含量对织物力学性能的影响见表4，由表4可知，提高咖啡炭改性涤纶纤维组分在织物中的比例，对应织物的经向及纬向强力增大。其原因是织物的力学性能与纱线的强力正相关，织物中咖啡炭改性涤纶纤维组分占比越高，对应织物的力学性能测试表现越优异，所以织物K5的力学性能最好。

咖啡炭改性涤纶纤维含量对织物保形性的影响见表5，由表5可知，织物中咖啡炭改性涤纶纤维含量增加，织物的悬垂系数、弯曲刚度、弯曲滞后矩增大，起拱变形率减小，且K3、K4、K5织物抗起毛起球性能优于织物K1、K2，即随着咖啡炭改性涤纶纤维含量的增加，织物的悬垂性变差，刚度增大，保形性提高，抗起毛起球性能提升。其原因是羊毛初始模量较低，较为柔软，易于弯曲变形发生纠缠;咖啡炭改性涤纶纤维初始模量较大，且纤维截面为中腔结构，轴惯性矩较大，不易变形和形成纠缠，故织物中含咖啡炭改性涤纶纤维越多，织物刚性越大，悬垂性越差，织物越挺括，抗起毛起球性越好。

运用origin软件建立织物保温率和咖啡炭改性涤纶纤维含量之间的回归方程为y=0.0784x+32.27，R2=0.9571，如图3所示。织物的保温性能和所用纤维中静止空气的多少关系较为密切，在本文开发的织物中除了咖啡炭改性涤纶纤维的中腔结构使得所含静止空气增多保温性较好之外，羊毛的天然卷曲两侧结构，也使其具有很好的保温性[10]。从图3和回归方程可知，随着咖啡炭改性涤纶纤维含量的上升，织物保温性略微上升但幅度不大，其原因可能是咖啡炭改性涤纶纤维中静止空气含量和羊毛纤维中差异不明显，故随着咖啡炭改性涤纶纤维含量上升时，不能明显体现出咖啡炭改性涤纶纤维的保温效果。

织物温升度和咖啡炭改性涤纶纤维含量之间的回归方程为y=0.236x+35.94，R2=0.9642，如图4所示。研究发现K1、K2、K3、K4、K55种织物在相同测试条件下对应温升度依次增加，即随着咖啡炭改性涤纶纤维含量的升高，织物的温升性能越好，其原因是对应织物中咖啡炭改性涤纶纤维含量依次增加，咖啡炭改性涤纶纤维中的咖啡粉体结构增加了纤维的比表面积，能够吸收大量的热能，且前人已经证明纳米咖啡炭粉体具有良好的远红外发射功能，使得织物具有较好的温升性[11]。

织物对甲醛的吸附性和咖啡炭改性涤纶纤维含量之间的回归方程为y=-0.44x+65.56，R2=0.9503，如图5所示。由图5可知，织物中咖啡炭改性涤纶纤维含量提高，织物对甲醛的吸附量减少。其原因可能是羊毛纤维对甲醛分子具有优异的吸附性能，羊毛纤维结构中的空隙对甲醛分子有一定的吸附作用且羊毛纤维结构中的—NH2可与甲醛分子发生化学反应，生成稳定的化合物，此过程是不可逆的[12]，对羊毛纤维的结构和性能均有不利影响，进而影响羊毛纤维的使用寿命。与羊毛纤维相比，咖啡炭改性涤纶纤维结构稳定，自身吸附性能的耐久性较好。本实验研究目的主要是为了探究开发的咖啡炭改性涤纶纤维织物异味吸附性能，由于实验条件有限，仅选择甲醛作为了研究对象。通过异味吸附性能效果测试，结合咖啡炭改性滌纶纤维自身结构特点，可以明确，开发含有咖啡炭改性涤纶的混纺面料，能赋予织物明显的异味吸附性能，为开发新型纤维和羊毛纤维混纺织物并获得优良的功能性特点提供技术思路。

咖啡炭改性涤纶纤维含量对织物抗静电性能的影响见表6，由表6可知，K1、K2、K3、K4、K55种织物表面比电阻都在109数量级，说明5种织物都具有很好的抗静电性效果。而随着咖啡炭改性涤纶纤维含量的提高，织物表面比电阻和面密度电荷略微增大但不明显，故咖啡炭改性涤纶纤维含量高低对织物抗静电影响不明显。

2.2含咖啡炭改性涤纶纤维织物与普通毛

涤织物性能对比为进一步了解咖啡炭改性涤纶混纺毛织物的功能特性，选用相同规格毛/涤混纺织物作为参照，分

别对不同织物的保温性、温升性、异味吸附性和表面比电阻进行测试分析，具体结果如表7。由表7可知，羊毛含量一定的情况下，含咖啡炭改性涤纶纤维的织物相比同规格含普通涤纶的织物，保温率提高了8.43%，织物温升幅度提高了12.3 ℃，甲醛吸附量提高了7.7 g/cm2，抗静电性能指标提高了2个数量级，说明含咖啡炭改性涤纶纤维的织物相比同规格含普通涤纶的织物对其保暖性、温升性、抗静电及异味吸附功能具有明显有益效果。

2.3织物组织对织物性能的影响研究

不同组织的织物力学性能见8，由表8可知，鸟眼织物Z4的断裂强力低于Z1、Z2、Z3织物断裂强力，其原因是鸟眼组织相对斜纹、方平和小提花组织平均浮长线较长，拉伸过程中受拉系统的纱线被非受拉系统纱线的挤压力较小，经纬纱切向滑移阻力较小，故鸟眼组织的强力相对较低。此外，鸟眼织物平均浮长线较长，纱线屈曲数降低，拉伸织物时屈曲纱线由弯曲到伸直过程中，织物的伸长较短，从而使得鸟眼织物的断裂伸长率也相对较低。从表中还可看出，鸟眼组织的撕破强力相对较大，其原因是鸟眼组织平均浮长线较长，纱线间较易发生滑移现象，使得受力三角形变大，故其撕破强力较大。

织物组织对织物保形性的影响见表9，由表9可知，悬垂系数和弯曲刚度：Z3>Z1>Z2>Z4，即悬垂系数和弯曲刚度由大到小依次为：小提花组织、斜纹组织、方平组织、鸟眼组织，起拱变形率正好相反，其原因是小提花组织，平均浮长线较短，纱线间嵌合和接触面积较大，纤维间摩擦阻力较大，从而增加了织物的刚度，使得织物保形性较好。斜纹和方平两种组织，虽然平均浮长线相同，但经纬纱线的存在状态不同，方平组织相邻两根经纱相比斜纹组织的易于重叠，使得方平组织较为松软，从而其刚柔性不如斜纹组织。

织物组织对织物保温、温升和吸附性能的影响见表10，由表10可知，织物保温性由好到差顺序为：鸟眼组织、斜纹组织、方平组织、小提花组织;温升性和甲醛吸附性由好到差为：鸟眼组织、方平组织、斜纹组织、小提花组织。其原因是鸟眼组织Z4平均浮长线较长，织物较为松软，纱线间空隙相对较多，故织物保温性、温升性和吸附性相对较好;小提花组织Z3交织点较多，浮长线较短，其结构较为紧密，对静止空气的储存量较少，热量分子和甲醛分子不易进入织物中，故它的保温率、温升幅度和对甲醛分子的吸附性相对较差。斜纹组织和方平组织虽平均浮长线相同，但斜纹组织相邻两根纱线的重叠程度没有方平组织的大，即斜纹组织相对紧密，阻止了空气的相对流动，故斜纹织物的保温率好于方平组织。

织物组织对织物抗静电性能的影响见表11，由表11可看出，织物抗静电效果由好到差顺序为：鸟眼组织、斜纹组织、方平组织、小提花组织。其原因是鸟眼组织交织点较少，浮长线较长，有机炭黑导电纤维易于露出织物表面，故织物的抗静电效果较好。斜纹组织和方平组织虽然平均浮长线相同，但是方平织物结构较为松软，因此织物的抗静电效果不如斜纹组织好。

综上可知，鸟眼织物保温性和温升性相对较好，但保形性效果较差;小提花组织保形性较好，但保温性和吸附性相对较差;方平组织和斜纹组织其各项性能处于鸟眼组织和小提花组织之间。结合织物组织对织物性能的影响关系，以及咖啡炭改性涤纶纤维自身结构特点，可以更为有效的开发出具有不同性能特点的面料，为工厂迎合市场需求提供更丰富的技术基础。

3结论

结合开发蓄热保暖、抗静电、吸附异味等多功能于一体的高端毛精纺面料的研究过程，得到以下几点结论：

a）咖啡炭改性涤纶纤维含量增加，织物力学性能增大，保形性提高，温升幅度增大，保温率略微增大，吸附性能相对下降。

b）相比同规格普通毛涤织物，咖啡炭改性涤纶织物具有更好的保暖性、温升性、抗静电及异味吸附功能。

c）鸟眼织物保温性和温升性相对较好，但保形性效果较差;小提花组织保形性较好，但保温性和吸附性相对较差;方平组织和斜纹组织其各项性能处于鸟眼组织和小提花组织之间。

基于目前实验采用的多组分纤维混纺及不同组织结构变化相结合的面料开发思路，能获取理想的面料开发效果，后续研究方向将引进织物功能整理的思路，为进一步拓展毛精纺面料的多功能化产品开发提供技术参考。

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收稿日期：20210421网络出版日期：20210826

作者简介：雒芳林（1992-），女，甘肃白银人，硕士，主要从事纺织材料与纺织品设计方面的研究。