《纺织科技进展》2024年第5期选登：竹纤维/氨纶包覆纱的制备及性能

文献引用格式:蒋少琪,兰建武,姜珊,等.竹纤维/氨纶包覆纱的制备及性能[J].纺织科技进展,2024,46(5):12-17,24.

竹纤维/氨纶包覆纱的制备及性能

蒋少琪1,2,兰建武1,2,姜 珊1,2,曹良波3,郭荣辉1,2*

(1.四川大学轻工科学与工程学院,成都 610065;

2.宜宾四川大学产业技术研究院,四川 宜宾 644002;

3.四川润厚特种纤维有限公司,四川 宜宾 645350)

第一作者:蒋少琪(2000—),男,硕士在读,研究方向为功能纺织材料。

*通信作者:郭荣辉(1976—),女,教授,博士生导师,研究方向为功能纺织材料。

摘 要:竹纤维具有较好的拉伸强度、良好的尺寸稳定性和热稳定性以及抗紫外线性,但是竹纤维的弹性较差。为解决上述问题,将竹纤维包覆弹性氨纶,获得集竹纤维的功能性及氨纶优异的弹性于一体的包覆纱。将不同类型的氨纶和竹纤维分别作为芯线和外包覆纱线制备了包覆纱,探究不同细度竹纤维包覆在氨纶表面的形貌、力学性能(拉伸性能、弹性性能和蠕变性能)、沸水收缩率、抗菌性能和防紫外线性能。结果表明,竹纤维/氨纶包覆纱力学性能优异,包覆纱断裂强度最高达14.87cN/tex,在10%拉伸时弹性回复率为99.12%,60min的蠕变伸长率仅为0.77%,沸水收缩率最低为1%。制备的抗菌包覆纱具有优异的抗菌性,抑菌率达到99.9%。用竹纤维/氨纶包覆纱制成的针织织物具有优异的防紫外性能,UPF值高达109.5。

关键词:包覆纱;力学性能;沸水收缩;抗菌;防紫外

包覆纱在纺织和工业领域的应用日益多样化,倍受关注。开发这种纱线的目的是为了同时利用2种或2种以上纤维成分的特性,达到“扬长避短”的作用[1-3]。包覆纱通常由2种不同的成分组成:外包覆纱线和芯线。芯线一般是连续的单丝或多丝,具有机械和功能特性。氨纶纤维,学名为聚氨酯纤维,拥有极为优异的断裂伸长率和弹性回复率[4]。有关弹性包覆纱的研究层出不穷,将氨纶与各种天然或化学纤维复合,纺制出的纱线能够充分利用优点来弥补各自性能的缺陷[5]。其中一些研究集中于纺纱参数对弹性包覆纱性能的影响[6]。许多科研工作者研究了氨纶牵伸比对弹性包覆纱拉伸性能和弹性恢复的影响,得出的结论是包覆纱的拉伸强度、弹性模量和伸展性随着氨纶牵伸比的增加而增加[7-8]。Bansal等[9]分析了纱线号数、捻倍数等对包覆纱拉伸强度和弹性恢复行为的定量影响。Elrys等[10]研究了纱线结构和纱支对不同类型包覆纱性能的影响。    

竹纤维具有良好的透气性、较强的耐磨性、较好的抑菌性、抗紫外线性和环保性[11-12]。竹纤维产品具有穿着舒适、凉爽、透气性好等优点[13]。纤维在工业中应用,需要有较为优异的物理机械性能。虽然竹纤维有着良好的强度,但其弹性较差。将竹纤维包覆在弹性优异的氨纶表面,所得的纱线可以获得竹纤维的优异功能性及氨纶优异的弹性。生产包覆纱时,可以改变芯线的细度和外包覆纱线的细度等条件来调整包覆纱的工艺参数,从而开发出满足各种实际应用需求的纱线。

1 试验部分

1.1 原材料

氨纶560D、氨纶540A、竹纤维21S(27.8tex)、竹纤维40S(14.6tex)、竹纤维60S(9.7tex)、竹纤维YB(14.6tex)。

1.2 设备及仪器    

YM061FQ-120电子单纱强力机、YG(B)912E防紫外线性能测试仪、光学显微镜、烘箱、水浴锅、直尺。

1.3 包覆纱的制备

利用HY310G有边化纤倍捻机制备竹纤维/氨纶包覆纱纱线,分别以竹纤维21S、竹纤维40S、竹纤维60S和竹纤维YB 作为外包覆纱,氨纶540A 和氨纶560D作为芯线制备包覆纱。表1列出了制备的8种包覆纱在该研究中使用的缩写。

将21S-D 竹纤维/氨纶包覆纱在质量分数0.5%的十四烷基二甲基苄基氯化铵溶液中浸泡2h,然后再将包覆纱放到70℃烘箱中2h进行烘干,得到抗菌包覆纱。

1.4 包覆纱性能测试

1.4.1 形貌观察

将光学显微镜M230-3M180连接至电脑,对纱线形貌进行拍照观察,该光学显微镜的光学放大倍数为500倍。

1.4.2 拉伸性能

参考GB/T14344—2008《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》标准。利用电子单纱强力仪对上述纱线进行一次拉伸断裂实验。实验中预加张力0.1cN,夹持距离50mm,拉伸速度100mm/min。每种纱线分别测试10次,结果取平均值。

1.4.3 弹性性能    

参考FZ/T70006—2022《针织物拉伸弹性回复率试验方法》标准,采用定伸长循环拉伸实验方法,利用电子单纱强力仪对纱线进行弹性测试实验,实验中夹持距离100 mm,并施加一定预加张力;以100mm/min的速度将纱线拉伸10 mm,再回复至原始长度,重复5次。第6次拉伸至定伸长,停顿5s后等速回复至初始位置,停顿5s后将纱线拉伸至其应力等于预加张力,此时纱线长度为L2。试样原始长度为L0,拉伸后长度为L1。F0 为拉伸至L1 时的力;F1 为拉伸前的力,单位为cN。

1.4.4 蠕变性能

利用电子单纱强力仪对纱线进行蠕变实验。实验中夹持距离为200mm,预加张力0.24cN/tex,拉伸速度为500mm/min,施加载荷为40cN,蠕变时间为60min。将纱线拉伸到设定的负荷值,记录其对应的初始伸长值及纱线在一定时间内因蠕变而产生的伸长和蠕变后强力。

1.4.5 沸水收缩率

参照GB/T6505—2008《化学纤维长丝热收缩率试验方法》,采用单根法进行测试。在规定条件下,将试样放入100℃的沸水中煮沸30min,测量处理前后的长度变化,计算其对原试样长度的百分比,由此得到沸水收缩率。沸水收缩率按式(4)计算。

式中:L1 为热处理后的长度;L0 为长丝原长。    

1.4.6 抗菌性能

参考GB/T20944.3—2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分:振荡法》进行实验。首先,将100mg抗菌改性包覆纱样品放在超净工作台上,用紫外线对样品进行15min的灭菌。将100μL大肠杆菌和金黄色葡萄球菌母液加入900μL 液体培养基中,置于37℃恒温培养箱中12h,得到饱和细菌悬浮液(108~109CFU/mL),将细菌悬浮液稀释到105 CFU/mL。其次,将灭菌后的样品浸入10mL的稀释后的细菌悬浮液中,在37℃恒温水浴振荡器中以250r/min振荡培养24h。选择纯细菌悬浮液作为对照。最后,取100μL液体均匀涂布在琼脂平板上,在37 ℃恒温培养箱中培养24h。记录细菌生长结果,抑菌率按式(5)计算。

式中:A0 和A 分别代表对照组和实验组样品的细菌数。

1.4.7 防紫外线性能

将21S-D、40S-D和YB-D通过针织机将其按照纬平组织织成面料,将针织织物放到YG(B)912E型防紫外线性能测试仪,对织物的UVA、UVB 透过率进行测试。

2 结果与讨论

2.1 形貌结构

不同型号竹纤维、氨纶、包覆纱在光学显微镜下的形貌如图1~图3所示。

图1 不同型号竹纤维在光学显微镜下的形貌图

图2 不同型号氨纶在光学显微镜下的形貌图

图3 不同包覆纱在光学显微镜下的形貌图

从图1中可以看出,竹纤维的表面都比较粗糙,有零散的单纤维丝,竹纤维的直径从竹纤维40S、竹纤维YB、竹纤维60S依次减小。从图2中可以看出,2种氨纶的表面都很光滑,没有零散的纤维丝,氨纶560D 的直径明显大于氨纶540A 的直径。从图3中可以看出40S-A、YB-A、60S-A 表现出蓬松外观以及有明显的粗细节,这是中间氨纶540A 的弹性回缩导致外面包覆的竹纤维卷缩,从而产生粗节。40S-D、YB-D、60S-D的表面均匀缠绕竹纤维,没有表现出蓬松外观以及明显的粗细节,这是因为氨纶560D 比较粗,弹性回缩不大,竹纤维可以均匀缠绕在氨纶上。    

2.2 拉伸性能

纱线和包覆纱的拉伸断裂曲线如图4所示。从图4(a)中可以得出,3种不同的竹纤维断裂强度相差不大,竹纤维21S的断裂强度和伸长率稍优于其他2种竹纤维。从图4(b)中可以得出,氨纶560D 断裂伸长率比氨纶540A 优异,但是断裂强度低于氨纶540A。从图4(c)可以得出,4种氨纶540A 的竹纤维包覆纱的断裂伸长约在150%。其中21S-A 的断裂强度最高,达到了14.87cN/tex,YB-A 的断裂强度最低。从图4(d)中得出,4种560D 的竹纤维包覆纱具有很高的断裂伸长,均达到了200%。21S-D 和YB-D 的断裂强度和断裂伸长率都稍大于40S-D和60S-D,YB-D达到了221%。氨纶560D具有比氨纶540A 更高的断裂伸长率,可以更好改善竹纤维的断裂伸长率。氨纶540A 具有比氨纶560D更高的断裂强度,可以更好改善竹纤维的断裂强度。

图4 纱线和包覆纱的拉伸断裂曲线

2.3 弹性性能    

从表2中可以看出,3种不同的竹纤维的塑性变形率、弹性回复率和应力松弛率相差不大,其塑性变形率和弹性回复率都较差。2种氨纶的塑性变形率、弹性回复率和应力松弛率都很优异。将竹纤维和氨纶制成包覆纱,可以明显改善竹纤维的塑性变形率和弹性回复率。氨纶560D的竹纤维包覆纱的塑性变形率都具有小的塑性变形率和优异的弹性回复率以及超低的应力松弛率。40S-D和60S-D的弹性回复率比21S-D和YB-D略优异。氨纶540A 的竹纤维包覆纱具有低的塑性变形率和高弹性回复率和超低的应力松弛率。将竹纤维和氨纶制成包覆纱,可以明显改善竹纤维的塑性变形率和弹性回复率。在10%拉伸时,氨纶芯线的弹性起作用,使竹纤维/氨纶包覆纱具有优异的弹性性能。

2.4 蠕变性能

纱线和包覆纱的蠕变曲线如图5所示。由图5(a)可知,竹纤维/氨纶包覆纱、竹纤维21S、竹纤维40S、竹纤维60S的尺寸稳定性较好。随着时间的延长,蠕变产生的应变总体维持在较小水平。在60min中竹纤维21S未产生应变。随着时间的延长,竹纤维40S、竹纤维60S蠕变速率逐渐降低,最终趋于稳定。由图5(b)可知,氨纶540A 和氨纶560D的尺寸稳定性较差。氨纶540A 在60 min的蠕变伸长率就达到了90%。氨纶540A 和氨纶560D虽然随着时间的延长,蠕变速率在逐渐减小,但是在60min时应变未稳定,后续还会继续蠕变,最终趋于稳定。由图5(c)可知,氨纶540A 的竹纤维包覆纱的尺寸稳定性都较好,60min蠕变产生的应变都低于1.5%,且都在60min前蠕变稳定。其中21S-A 尺寸稳定性最好,在60min的蠕变伸长率只有0.77%。这是因为21S竹纤维的尺寸稳定性比40S和60S的尺寸稳定性更优异,更好地改善氨纶540A 的尺寸稳定性。由图5(d)可知,氨纶560D的竹纤维包覆纱的尺寸稳定性较差,21S-D 的尺寸稳定性最差,YB-D的尺寸稳定性最好。    

图5 纱线和包覆纱的蠕变曲线

竹纤维的包覆改善了氨纶的尺寸稳定性,氨纶540A 的竹纤维包覆纱的尺寸稳定性优于氨纶560D的竹纤维包覆纱。这是因为氨纶细度太小,而外包竹纤维的细度大,导致蠕变的主要作用力在竹纤维上。

2.5 沸水收缩率

由表3可知,3种竹纤维的沸水收缩率都较好,其拥有良好纤维热定型程度和尺寸稳定性。2 种氨纶中,氨纶560D的热定型程度较好,这是因为氨纶560D的结晶度高于氨纶540A,在高温时取向态的非晶区变成无规状态速度加快,造成收缩。由表4可知,4种氨纶540A 的竹纤维包覆纱的沸水收缩率都较低,拥有较好的热定型程度和尺寸稳定性。这是因为氨纶细度太小,而外包竹纤维的细度大,纤维内应力降低,导致氨纶芯线的收缩受到阻碍。4种氨纶560D 的竹纤维包覆纱的沸水收缩率都较高,这是因为竹纤维与氨纶560D包覆过后导致包覆纱内应力增加。    

2.6 抗菌性能

由图6可知,未浸泡十四烷基二甲基苄基氯化铵溶液的包覆纱作为对照组,相应培养皿中有许多明显的金黄色葡萄球菌菌落和大肠杆菌菌落,而抗菌包覆纱组的培养皿中几乎无金黄色葡萄球菌和大肠杆菌菌落生长,由此可以看出制备的抗菌包覆纱具有优异的抗菌性能,对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率达到了99.9%。    

图6 抗菌包覆纱的抗菌性能

2.7 防紫外线性能

防紫外线性能见表5。由表5可知,21S-D包覆纱针织物UVB透过率仅为0.94%,该织物对于中波段(275~320nm)紫外线具有极其优异的防护性能。21S-D包覆纱针织布的UVA 透过率为2.48%,该针织物具有优异的长波段紫外线防护性能。其防护系数UPF达到了109.5,可以将其归类为“极好的防护”等级。40S-D包覆纱针织布UVA 透过率、UVB透过率和防护系数分别为1.93%、1.25% 和71.32%,说明40S-D包覆纱针织物对中波段和长波段紫外线都具有优异的防护性能。YB-D包覆纱针织布UVA 透过率、UVB透过率和防护系数分别为2.08%、1.12% 和78.92%,说明YB-D包覆纱针织物对中波段和长波段紫外线都具有优异的防护性能。当样品的UPF值大于40,并且UVA 的透过率小于5%时,才能称之为“防紫外线产品”。21S-D、40S-D 和YB-D 制成的针织物的UPF值均大于40,均具有优异的紫外线防护性能,符合“防紫外线产品”要求。    

3 结 论

(1)氨纶560D的竹纤维包覆纱的断裂伸长率高于氨纶540A 的竹纤维包覆纱的断裂伸长率,但是氨纶540A 的竹纤维包覆纱的断裂强度高于氨纶560D的竹纤维包覆纱的断裂强度。

(2)氨纶540A 制成的竹纤维包覆纱比氨纶560D制成的竹纤维包覆纱在10%应变下具有更低的塑性变形率和更好的弹性回复以及更低的应力松弛率。

(3)氨纶540A 的尺寸稳定性极差甚至远低于氨纶560D,但经竹纤维的包覆后,以氨纶540A 为芯线的包覆纱的尺寸稳定性更好于氨纶560D。

(4)使用氨纶540A 为芯线的竹纤维包覆纱具有优异的热稳定性和尺寸稳定性,性能优于以氨纶560D为芯线的竹纤维包覆纱。

(5)制备的抗菌包覆纱具有优异的抗菌性能,对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率都达到了99.9%。

(6)利用21S-D、40S-D 和YB-D 制成的针织物均是防紫外线产品,具有优异的紫外线防护性能。    

参考文献见《纺织科技进展》2024年第5期。

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