羊毛/芳纶包芯纱针织物开发及其性能

李海洋 尉 霞,b 陈成煜 张华平 吴俊雄 罗璟娴

西安工程大学 a.纺织科学与工程学院, b.功能性纺织材料及制品教育部重点实验室, 陕西 西安 710048

芳纶具有超高的强度和高模量,且耐热、阻燃、电绝缘性能优良,是理想的防护服用材料。但芳纶纤维表面光滑,表面能低,亲水性差,这严重影响了芳纶服装的舒适性[1-3]。为此,研究人员展开了很多工作,包括采取混纺的方法,以及对纤维进行改性或后整理等。吴俊雄等[4]制备了一种以芳纶为芯纱,外包阻燃腈纶的包芯纱,解决了芳纶紫外光稳定性差,易发生光降解、老化等问题。

羊毛纤维因蛋白结构独特而具有许多优异的特性,如柔软舒适,吸湿性及保暖性好等[5]。此外,羊毛是一种阻燃性好的天然材料,其氮含量(质量分数15%～21%)高、着火点(570～600 ℃)高、极限氧指数(25～26)较高、燃烧热(20.52 kJ/g)低,且燃烧时不熔融,无熔滴,离开明火后会自行熄灭[6-9]。

本文选择将羊毛与芳纶结合在一起,纺制包芯纱结构的纱线并织制成织物用于制作防护服,以期既满足防护服的特殊性能要求,又大幅改善芳纶织物的舒适性。

1 试验部分

1.1 试验材料、仪器及环锭细纱机改造

试验材料:芳纶单纱,线密度为14.8 tex,烟台泰和新材料股份有限公司;芳纶纤维,长度为51 mm,线密度为1.2 dtex,烟台泰和新材料股份有限公司;羊毛纤维,长度为65 mm,平均直径18.1～20.0 μm(即品质支数为70支),浙江新澳纺织股份有限公司。

试验仪器:B412、B423、B432、B442、B452型梳毛机,江阴市百顺科技有限公司;FB441型粗纱机,无锡第七纺织机械有限公司;HFX-B4型毛纺细纱机,南通三思机电科技有限公司;YG(B)742D型汽蒸收缩测定仪,温州大荣纺织仪器有限公司;GBW-120型络筒机,国兴机械有限公司;STOLL 12针电脑横机,德国斯托尔(STOLL)公司;YG461E型数字式透气量仪,宁波纺织仪器厂;FX3150型全自动织物透湿量测试仪,瑞士TEXTEST仪器公司;YG(B)871型毛细管效应测定仪,温州大荣纺织标准仪器厂;YG606D型平板式织物保温仪,宁波纺织仪器厂;LLY-01B型电子硬挺度仪,莱州市电子仪器有限公司;LFY-402型织物摩擦式静电测试仪,山东省纺织科学研究院;AUTO-SP01型垂直燃烧试验仪,深圳市奥德赛创精密仪器有限公司;YG(B)026D型电子织物强力机,宁波纺织仪器厂;PT-2030型耐黄变试验机,广东宝大宣力科技有限公司。

环锭细纱机的改造:在粗纱架上层额外安装1排芯丝架,粗纱架外侧安装1列导丝勾和张力导丝杆;在前罗拉上方的摇架位置安装U型结构的塑料张力轮和V型结构的金属导丝轮;固定导纱动程,确保粗纱须条匀速、稳定输出,且始终位于中间位置[10]。

1.2 包芯纱的制备

分别纺制线密度皆为30 tex的羊毛/芳纶包芯纱和纯芳纶包芯纱(即芳纶/芳纶包芯纱)。其中,芯层皆为芳纶单纱,线密度为14.8 tex。2种包芯纱的芯层质量都占包芯纱整体质量的50%。

1.3 包芯纱针织物的制备

分别采用羊毛/芳纶包芯纱和纯芳纶包芯纱在STOLL 12针电脑横机上织制包芯纱针织物。

包芯纱针织物参数:双罗纹组织,线圈长度为5.316 mm,横向密度为30.9纵行/(5 cm),纵向密度为41.7横列/(5 cm),面密度为248.8 g/m2。

1.4 性能表征

1.4.1 透气性

以透气率表征包芯纱针织物的透气性。根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》,取20 cm2的圆形试样,使用YG461E型数字式透气量仪测量试样不同位置的气流量5次,取平均值。测试时,设置压强为100 Pa。试样的透气率计算式:

(1)

式中:R为透气率,mm/s;qV为平均气流量,dm3/min;A为试样面积,cm2。

1.4.2 透湿性

以透湿量表征包芯纱针织物的透湿性。根据GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分:吸湿法》,取直径为3 cm的圆形试样,使用FX3150型全自动织物透湿量测试仪在温度为38 ℃、相对湿度为50%的环境中展开测试。试样的透湿率计算式:

(2)

式中:rWVT为透湿率,g/(m2·d);Δm为同一试验组合体2次称量的质量之差,g;S为试样有效试验面积,m2;t为试验时间,h。

1.4.3 导湿性

以芯吸高度表征包芯纱针织物的导湿性。按照FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》,使用YG(B)871型毛细管效应测定仪进行测试,记录液体芯吸高度的最大值,结果取平均值。测试时,试样尺寸取250 mm×30 mm。

1.4.4 保暖性

以保暖率表征包芯纱针织物的保暖性。按照GB/T 11048—1989 《纺织品 保温性能的测定》,使用YG606D型平板式织物保温仪测定针织物的保暖率。测试时,试样尺寸取300 mm×300 mm。试样的保暖率计算式:

(3)

式(3)中:Q为保暖率,%;Q1为无试样时的散热量,W/℃;Q2为有试样时的散热量,W/℃。

1.4.5 刚柔性

以抗弯刚度表征包芯纱针织物的刚柔性。根据GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分:斜面法》,试样尺寸取200 mm×25 mm,使用LLY-01B型电子硬挺度仪测试试样的弯曲长度3次,取平均值。试样的抗弯刚度计算式:

G=m×C3×10-3

(4)

式(4)中:G为抗弯刚度,mN·cm;m为面密度,g/m2;C为平均弯曲长度,cm。

1.4.6 抗静电性

以摩擦带电电压表征包芯纱针织物的抗静电性。根据GB/T 12703.5—2010《纺织品 静电性能的评定 第5部分:摩擦带电电压》,试样尺寸取80 mm×80 mm,使用LFY-402型织物摩擦式静电测试仪测量试样摩擦带电电压的最大值。测试时,设置运转速度为400 r/min,测试时间为1 min,负载质量为500 g。

1.4.7 阻燃性

以续燃时间、阴燃时间、损毁长度和燃烧状态表征针织物的阻燃性。根据GB/T 5455—2014《纺织品 燃烧性能 垂直方向 损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》,试样尺寸取300 mm×80 mm,使用AUTO-SP01型垂直燃烧试验仪进行测试。设置点燃时间为12 s。

1.4.8 抗紫外老化性

采用PT-2030型耐黄变试验机对包芯纱针织物进行紫外灯照射,以紫外灯照射包芯纱针织物前后的顶破强力表征针织物的抗紫外老化性。具体为,将试样裁剪成直径为5 cm的圆形试样;距离试样100 mm,使用30 W紫外灯进行照射;根据GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》,使用YG(B)026D型电子织物强力机测试试样经紫外光照射不同时间后的顶破强力。

2 结果与讨论

2.1 包芯纱针织物的服用性能

2种包芯纱针织物的透气性、透湿性、导湿性及保暖性结果如表1所示。从表1可以看出,在相同的织造工艺条件下,羊毛/芳纶包芯纱针织物与纯芳纶包芯纱针织物相比,前者的透气率提高了66.0%,透湿量提高了16.9%,芯吸高度提高了80.5%,保暖率提高了52.8%。这是因为羊毛纤维较细,且带有天然的卷曲结构,所以含羊毛的针织物内部蓬松多孔,这有利于形成良好的气体和水分扩散通道,令羊毛/芳纶包芯纱针织物具有更优异的透气性、透湿性和导湿性;同时,多孔蓬松的结构也使得内部热量不易散失,故而具有更好的保暖性。

表1 包芯纱针织物的服用性能Tab.1 Wearable performance of core-spun knitted fabrics

图1展示了2种包芯纱针织物的刚柔性。从图1可以看出,羊毛/芳纶包芯纱针织物纬向抗弯刚度比纯芳纶包芯纱针织物的低38.0%,经向抗弯刚度比纯芳纶包芯纱针织物的低18.3%。这是因为羊毛纤维的模量和刚度均比芳纶的小,加之羊毛纤维具有天然的卷曲度,且较为柔软,所以羊毛/芳纶包芯纱针织物具有更加柔软、舒适的触感。

图1 包芯纱针织物的抗弯刚度Fig.1 Bending stiffness of core-spun knitted fabrics

2.2 抗静电性

表2列出了2种包芯纱针织物在1 min内的摩擦静电测试结果。从表2可以看出,羊毛/芳纶包芯纱针织物摩擦带电电压比纯芳纶包芯纱针织物的高1 722 V,较纯芳纶包芯纱针织物的提高了166.4%。芳纶本身就具备极好的电绝缘性[11],其产生的静电不容易释放,抗静电性能较差。羊毛纤维表面覆盖有鳞片,其摩擦因数较大,也容易产生静电。因此,羊毛纤维加入后会导致羊毛/芳纶包芯纱针织物的抗静电性变差。

表2 包芯纱针织物抗静电性Tab.2 Antistatic performance of core-spun knitted fabrics

2.3 阻燃性

2种包芯纱针织物的阻燃性测试结果如表3所示。从表3可以看出,羊毛/芳纶包芯纱针织物的续燃时间比纯芳纶包芯纱针织物的增加了3.90 s,阴燃时间增加了2.14 s,损毁长度增加了7.12 cm,但燃烧过程中未出现火焰蔓延,以及熔融滴落和熔洞现象,故不会对人体造成烫伤等二次伤害。尽管相较于纯芳纶包芯纱针织物,羊毛/芳纶包芯纱针织物的阻燃性能有所下降,但根据GB/T 17591—2006《阻燃织物》对织物燃烧性能的规定和要求,本文织制的羊毛/芳纶包芯纱针织物仍属阻燃织物。

表3 包芯纱针织物阻燃性Tab.3 Flame retardancy of core-spun knitted fabrics

2.4 抗紫外老化性

图2展示了2种包芯纱针织物顶破强力随紫外灯照射时间的变化状况。从图2可以看出:纯芳纶包芯纱针织物受到紫外灯照射后,顶破强力一开始就逐步下降,由最初的859.5 N(未照射)下降至842.1 N(4.5 h)、831.5 N(9.0 h)、804.0 N(18.0 h),分别降低了2.0%、3.3%、6.5%。而羊毛/芳纶包芯纱针织物紫外灯照射9.0 h内,顶破强力无明显下降;紫外灯照射9.0 h后,顶破强力呈明显的下降趋势;紫外灯照射18.0 h后,顶破强力由741.7 N(9.0 h)下降至710.2 N(18.0 h),降低了4.2%。这是因为羊毛角蛋白分子中含有芳香族氨基酸,其对紫外光具有良好的吸收能力[12]。当羊毛纤维用作包芯纱的外层时,羊毛可以有效吸收紫外线,对芯层芳纶形成保护,从而使含芳纶的针织物具有一定的抗紫外老化能力,羊毛/芳纶包芯纱针织物暴露于阳光下一段时间仍能保持原有的强度。

图2 紫外灯辐照不同时间后包芯纱针织物的顶破强力Fig.2 Bursting strength of core-spun knitted fabrics after UV light irradiation for different time

3 结论

(1)羊毛/芳纶包芯纱针织物的透气性、透湿性、导湿性、保暖性及刚柔性相比纯芳纶包芯纱针织物的均有所改善,但抗静电性有所下降。整体上,羊毛/芳纶包芯纱针织物的舒适性优于纯芳纶包芯纱针织物的舒适性。

(2)相较于纯芳纶包芯纱针织物,羊毛/芳纶包芯纱针织物的阻燃性有所降低,但仍符合GB/T 17591—2006《阻燃织物》对阻燃织物燃烧性能的规定和要求。羊毛/芳纶包芯纱针织物与纯芳纶包芯纱针织物均属阻燃织物。

(3)羊毛/芳纶包芯纱针织物比纯芳纶包芯纱针织物具有更好的抗紫外老化性,这种利用羊毛包缠芳纶的方法能获得更持久的抗紫外老化性,且未采取后整理工艺,不会对环境造成污染。