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(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院鑒湖分院，浙江紹興　312000；2.浙江省現(xiàn)代紡織工業(yè)研究院，浙江紹興　312081；3.香港理工大學(xué)紡織及服裝學(xué)系，中國(guó)香港　999077)

形狀記憶聚合物(SMP)屬于智能材料，具有受到外部刺激(熱、化學(xué)、機(jī)械、光、磁或電等)時(shí)改變形狀的能力[1]。形狀記憶聚氨酯(PUs)是一種溫敏形狀記憶材料，可通過濕法紡或熔融紡工藝紡制聚氨酯形狀記憶纖維(SMF)[2]。含SMF紡織品具有各種形狀記憶功能[3-4]。

紡織面料的服用性能包括織物的基本性能和舒適性能，廣義的織物舒適性能包括心理感覺，即美學(xué)功能。作為一種造型藝術(shù)，服飾美總是以一定的幾何形狀來表現(xiàn)的[5-6]。如用于正式場(chǎng)合穿著的西褲，為體現(xiàn)出挺括的質(zhì)感而對(duì)褲線(褲腿前片正中從上到下熨成的褶子)的要求非常高[7]，然而用常規(guī)面料裁制成的西褲，經(jīng)過洗滌后其褲線保持性差，一般須重新熨燙，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，其美觀性也不盡人意。具有良好折痕保持性的織物非常適合于制作需要褲線、褶皺、層疊等造型的服飾產(chǎn)品，因此研究SMF/棉機(jī)織物折痕的保持性對(duì)提升服飾的美觀度和服用性能具有現(xiàn)實(shí)意義。事實(shí)上含SMF的織物可以根據(jù)需要進(jìn)行壓燙成型整理，包括折皺壓燙成型或平整壓燙成型，可達(dá)到永久保型效果[8]。本文對(duì)SMF/棉機(jī)織物進(jìn)行壓燙成型整理，探討壓燙工藝對(duì)折痕保持性能的影響。

1　機(jī)理分析

作為溫敏形狀記憶材料，形狀記憶聚氨酯(PUs)的記憶性能與兩個(gè)關(guān)鍵溫度密切相關(guān)，即形狀恢復(fù)溫度TR和定型溫度TS[9]。圖1所示為形狀記憶聚氨酯的記憶原理。

圖1　形狀記憶聚氨酯記憶原理

形狀記憶聚氨酯由固定相和可逆相兩個(gè)部分組成，前者能夠記憶材料的初始形狀，而后者隨溫度變化能可逆地固化和軟化。SMF在第一次成型時(shí)(外界作用溫度須高于TS)，將外界賦予的初始形狀記憶下來，但纖維仍可發(fā)生形變并在較低的溫度下將此形變加以固定(二次成型)。當(dāng)將上述已形變纖維的溫度升高至超過TR時(shí)，材料能恢復(fù)至一次成型時(shí)的形狀。但如果在作用溫度高于TS的條件下，對(duì)其施加外力使其發(fā)生形變，則材料的初始形狀就發(fā)生了變化。如果此后作用于材料的溫度不超過TS，其初始形狀就不會(huì)再改變，這就是形狀記憶織物能夠永久保持折痕的機(jī)理。

2　試驗(yàn)方法

2.1　材料與設(shè)備

SMF/棉機(jī)織物：27.8 tex(CJ+5.6 texSMF)包芯紗/27.8 tex(CJ+5.6 texSMF)包芯紗，285根/10 cm×270根/10 cm，2/2斜紋，門幅152 cm，SMF含量17%；SMF的定型溫度185 ℃，形狀恢復(fù)溫度65 ℃。為減少包芯紗外包棉纖維之問的抱合因形狀記憶纖維芯絲的存在而受影響的程度，本研究中包芯紗捻系數(shù)的設(shè)計(jì)較相同規(guī)格純棉紗偏高15%左右，即捻度為74捻/10 cm，經(jīng)測(cè)試包芯紗斷裂強(qiáng)力為12.8 cN/tex；斷裂強(qiáng)力變異系數(shù)為7.5%，能夠滿足織染工序生產(chǎn)的要求。

純棉機(jī)織物(對(duì)照樣)：CJ 27.8 tex/CJ 27.8 tex，285根/10 cm×270根/10 cm，2/2斜紋，門幅152 cm。

設(shè)備：Wascator FOM71 CLS洗衣機(jī)(瑞典Electrolux公司),Y743N翻滾式烘干機(jī)(溫州際高檢測(cè)儀器有限公司),YP-R180-1600型滾筒熱壓機(jī)(有利機(jī)械工業(yè)(無錫)有限公司),YG026PC型電子織物強(qiáng)力測(cè)試儀(寧波紡織儀器廠),Instron5566萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)Instron公司)。

2.2　織物壓燙定型

聚氨酯形狀記憶材料的形狀恢復(fù)溫度TR和定型溫度TS都是由合成配方所確定的，其中定型溫度TS在180 ℃以上。然而在較高溫度區(qū)間對(duì)材料進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)注意控制處理的時(shí)間，否則有可能對(duì)聚氨酯材料造成損傷。實(shí)際操作中應(yīng)通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)來確定最終的處理工藝方案。

本研究的壓燙定型實(shí)驗(yàn)是在YP-R180-1600型滾筒熱壓機(jī)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中通過改變溫度和時(shí)間這2個(gè)參數(shù)，共制備25個(gè)試樣，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1　試樣制備實(shí)驗(yàn)方案

2.3　性能測(cè)試

2.3.1折痕保持性能

按照ISO 7769—2009《紡織品 經(jīng)清洗后織物褶裥外觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定。這一方法可用于評(píng)價(jià)經(jīng)反復(fù)家庭洗滌后，織物折痕的保持性能。圖2為該方法的評(píng)價(jià)示意圖，將水洗烘干后織物的折痕保持狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)樣品折痕對(duì)比，即可評(píng)價(jià)出織物折痕的耐水洗性和形狀記憶特征。標(biāo)準(zhǔn)樣品折痕分5個(gè)等級(jí)，將最接近試樣外觀的標(biāo)準(zhǔn)樣照的級(jí)數(shù)作為評(píng)價(jià)結(jié)果，如試樣折痕外觀介于整數(shù)標(biāo)準(zhǔn)樣照之間，則確定為中間級(jí)(半級(jí))。

2.3.2形變固定率和形狀回復(fù)率

形變固定率和形狀回復(fù)率是除了折痕保持性能之外表征形狀記憶性能的兩個(gè)主要技術(shù)參數(shù)。

形變固定率是表征織物固定瞬時(shí)形變能力的指標(biāo)。將織物在一定溫度下實(shí)施形變，釋負(fù)后織物發(fā)生部分回縮，這部分形變系普通形變，未回縮的形變則為固定形變，計(jì)算如式(1)[9]。

(1)

形狀回復(fù)率是描述織物在經(jīng)歷一系列的熱機(jī)械變形后恢復(fù)其原來形狀的能力的指標(biāo)，計(jì)算如式(2)[9]。

(2)

圖2　折痕保持性評(píng)價(jià)示意

在Instron5566試驗(yàn)機(jī)上采用熱循環(huán)拉伸法對(duì)織物進(jìn)行形變固定率和形狀回復(fù)率的測(cè)試，具體步驟如下：將試樣緊固在夾持器內(nèi)，預(yù)加張力為0.1 N，升溫至70 ℃，開啟拉伸，使試樣伸長(zhǎng)15%，然后將其冷卻至室溫(21 ℃)，夾頭回復(fù)至起始位置，得到拉伸-回復(fù)曲線和數(shù)據(jù)。重復(fù)上述測(cè)試循環(huán)3次。根據(jù)式(1)和式(2)分別計(jì)算形變固定率和形狀回復(fù)率，每個(gè)試樣測(cè)試5次，求取平均值。

通常認(rèn)為，織物的形變固定率和形狀回復(fù)率的數(shù)值均超過80%時(shí)具有優(yōu)良的形狀記憶性能。

2.3.3縮水率

按照ISO 5077—2007《紡織品 洗滌和干燥后尺寸變化的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。

2.3.4平整度

按照ISO 7768—2009《紡織品 評(píng)定織物經(jīng)洗滌后外觀平整度的試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定。

3　結(jié)果與討論

由于SMF在包芯紗中充當(dāng)芯絲，因此SMF/棉機(jī)織物能夠保留純棉織物吸濕好、靜電少、不易起毛起球、穿著舒適等優(yōu)點(diǎn)。以下討論壓燙工藝對(duì)SMF/棉機(jī)織物形狀記憶性能以及其它相關(guān)性能的影響。

3.1　壓燙定型工藝對(duì)折痕保持性的影響

表2所示為經(jīng)受壓燙定型整理的SMF/棉機(jī)織物經(jīng)水洗、烘干后其折痕保持性測(cè)試結(jié)果。

由表1和表2可見，在壓燙時(shí)間不變的情況下，隨著壓燙溫度的提高，SMF/棉機(jī)織物的折痕保持性能(CR值)呈上升態(tài)勢(shì)。但無論對(duì)于哪一個(gè)壓燙時(shí)間，織物的CR值均未在壓燙溫度等于TS(185 ℃)時(shí)達(dá)到最高值(5級(jí))，而是升至190 ℃才達(dá)到的；此外在壓燙溫度低于TS尚有一定幅度時(shí)(180 ℃)，織物的CR值已有不同程度的上升，其上升幅度取決于壓燙的時(shí)間，壓燙時(shí)間越長(zhǎng)，上升幅度就越大。分析認(rèn)為聚氨酯形狀記憶材料的TS值實(shí)際上表現(xiàn)為一個(gè)溫度區(qū)間，在壓燙溫度低于名義TS尚有一定幅度時(shí)，織物的折痕保持性能就趨于上升，而只有當(dāng)外界作用溫度高于其名義TS一定幅度時(shí)，織物的折痕保持性能才達(dá)到理想的水平。

表2　折痕保持性測(cè)試結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示只有當(dāng)壓燙溫度≥190 ℃，且壓燙時(shí)間≥50 s時(shí)，織物的折痕保持性才能達(dá)到5級(jí)，因此對(duì)于SMF/棉機(jī)織物的壓燙定型來說，最佳工藝應(yīng)設(shè)定為：壓燙溫度190 ℃，壓燙時(shí)間50 s。壓燙溫度低于190 ℃，或壓燙時(shí)間少于50 s，會(huì)使得織物的折痕保持性能達(dá)不到理想的水準(zhǔn)；但壓燙溫度過高或壓燙時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，一方面織物的力學(xué)性能會(huì)受影響，另一方面也會(huì)增加不必要的加工成本。

3.2　織物形變固定率與形狀回復(fù)率分析

對(duì)6個(gè)折痕保持性達(dá)到5級(jí)的織物試樣(14 、15 、19 、20 、24 、25 )以及對(duì)照樣壓燙定型前后的形變固定率和形狀回復(fù)率進(jìn)行測(cè)試，表3所示為測(cè)試結(jié)果。

由表3可見，一方面在總共48個(gè)形變固定率和形狀回復(fù)率的指標(biāo)值(不含對(duì)照樣的指標(biāo)值)上，有45個(gè)數(shù)值(占總數(shù)93.75%)達(dá)到80%以上，表明加入SMF后的棉織物在具有良好的折痕保持性能的同時(shí)，也具有較高的形變固定率和形狀回復(fù)率，相比較之下，對(duì)照樣(純棉織物)的指標(biāo)值僅為39.4%～61.3%；另一方面實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示壓燙定型前后形變固定率和形狀回復(fù)率的指標(biāo)值未表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，表明研究中所選擇的壓燙工藝沒有對(duì)聚氨酯材料造成損傷。

表3　織物形變固定率與形狀回復(fù)率測(cè)試結(jié)果

3.3　織物相關(guān)性能分析

同樣對(duì)6個(gè)折痕保持性達(dá)到5級(jí)的織物試樣(14 、15 、19 、20 、24 、25 )以及對(duì)照樣進(jìn)行其它相關(guān)性能測(cè)試，包括縮水率和平整度，測(cè)試結(jié)果見表4所示。

由表4可見，所有試樣的縮水率均未超過3.5%，其中經(jīng)向縮水率的平均值為3.1%，緯向縮水率的平均值為2.8%，分別小于對(duì)照樣的4.1%和3.3%。分析其原因，一方面包芯紗中棉纖維含量?jī)H為83%(其余為SMF)，從而因棉纖維溶脹引起紗線直徑增粗進(jìn)而使得織物縮水率增大的程度較純棉織物要?。坏硪环矫姘炯喣硐禂?shù)比純棉紗要高出15%，則因棉纖維溶脹而激發(fā)紗線退捻進(jìn)而使得織物縮水率增大的程度較純棉織物要大；此外具有形狀記憶性能的SMF芯絲可產(chǎn)生“骨架效應(yīng)”，能在一定程度上阻礙紗線沿長(zhǎng)度方向的收縮(因織物中經(jīng)緯紗交織原因，紗線不可能自由退捻而導(dǎo)致其長(zhǎng)度縮短)。分析認(rèn)為上述3種效應(yīng)疊加的結(jié)果，使得SMF/棉機(jī)織物的縮水率小于純棉機(jī)織物。此外所有試樣的平整度均達(dá)到4級(jí)以上，在較大程度上優(yōu)于普通純棉織物(表4顯示對(duì)照樣的平整度僅為2.5級(jí))。分析認(rèn)為其機(jī)理在于實(shí)驗(yàn)中在對(duì)試樣折痕部位的SMF進(jìn)行折皺壓燙定型的同時(shí)，也對(duì)試樣其余部位的SMF進(jìn)行了平整壓燙定型，從而使得織物獲得了良好的平整性。上述結(jié)果表明通過壓燙定型整理后的SMF/棉機(jī)織物在具備優(yōu)異的形狀記憶性能的同時(shí)，其尺寸穩(wěn)定性和布面平整度均處于較好的水準(zhǔn)。

表4　織物相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果

4　結(jié)　論

a)通過實(shí)驗(yàn)探索壓燙工藝對(duì)SMF/棉機(jī)織物折痕保持性能的影響規(guī)律，得出最佳壓燙定型工藝，即溫度190 ℃、時(shí)間50 s。此外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SMF的TS值實(shí)際上表現(xiàn)為一個(gè)溫度區(qū)間，在壓燙溫度低于TS尚有一定幅度時(shí)，織物的CR值已有不同程度的

上升，壓燙時(shí)間越長(zhǎng)，上升幅度越大。要使織物的折痕保持性能達(dá)到理想的水平，必須使外界作用溫度高于其名義TS一定的幅度。

b)由于SMF在包芯紗中充當(dāng)芯絲，因此SMF/棉機(jī)織物在保留純棉織物固有的風(fēng)格、性能的同時(shí)，也具有良好的形狀記憶性能(除了折痕保持性能外，還包括形變固定率和形狀回復(fù)率)，此外經(jīng)壓燙成型整理后的SMF/棉機(jī)織物具有優(yōu)于純棉織物的布面平整度和尺寸穩(wěn)定性。