金關(guān)秀 胡金蓮 呂 晶

（1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興，312000；2.香港城市大學(xué)，中國(guó)香港；3.香港理工大學(xué)，中國(guó)香港）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)服飾功能性、舒適性的要求越來(lái)越高，擁有可設(shè)計(jì)的形狀固形與回復(fù)性能的形狀記憶紡織品越來(lái)越受關(guān)注［1?2］。形狀記憶聚氨酯（以下簡(jiǎn)稱Pus）系熱敏形狀記憶材料，其特性在于常溫下可以形成穩(wěn)定的臨時(shí)形狀，而在受到熱刺激時(shí)可回復(fù)至原來(lái)的形狀［3］。原因在于形狀記憶聚氨酯高分子微相結(jié)構(gòu)中具有固定相與可逆相，固定相能使聚合物保持其固有形狀，而可逆相則可隨外部環(huán)境即溫度的改變而使聚合物作軟化與硬化的可逆變化［4］。通過(guò)濕法紡絲可制備出形狀記憶聚氨酯纖維（以下簡(jiǎn)稱SMF）［5］。

SMF 目前主要以制成包芯紗的方式應(yīng)用于各類紡織品，含SMF 織物具備起拱回復(fù)、折痕保持以及對(duì)皮膚保持恒定的微小壓力等功能［6?7］。以SMF 為芯絲的包芯紗的形狀記憶性能不僅與SMF 本身的記憶性能直接相關(guān)，而且與包芯紗的制備技術(shù)條件有著密切的關(guān)系，由于包芯紗的捻系數(shù)對(duì)紗線及其所制成織物的性能和風(fēng)格具有直接的影響，且SMF 對(duì)張力極其敏感，因此本研究就SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)和紗線捻系數(shù)對(duì)棉SMF 包芯紗形狀記憶性能的影響進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

原料：SMF（4.4 tex/24 F，聚醚型，成形溫度180 ℃，形變回復(fù)溫度65 ℃，斷裂強(qiáng)度1.1 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率130%，形變固定率95%，形狀回復(fù)率97%，彈性回復(fù)率11%）；純棉粗紗條（精梳棉纖維，定量4.6 g/10 m，捻系數(shù)80）。試樣設(shè)備為加裝了包芯紗紡紗裝置的FA502 型細(xì)紗機(jī)，試驗(yàn)中分別設(shè)定不同的SMF預(yù)牽伸倍數(shù)和紗線捻系數(shù)制備JC 14.6 tex（44 dtex SMF）紗。SMF 對(duì)張力很敏感，在包芯紗加工過(guò)程中應(yīng)盡可能降低冷拉伸的程度，否則會(huì)導(dǎo)致SMF 形狀記憶性能過(guò)早發(fā)生效應(yīng)，從而擴(kuò)大包芯紗沿長(zhǎng)度方向片段之間的應(yīng)力差異，影響后道工序的加工以及所制成織物的平整度等，因此預(yù)牽伸倍數(shù)不宜設(shè)定過(guò)高。包芯紗的形狀記憶性能是由芯絲SMF 提供的，強(qiáng)力和耐磨性則由包覆在外面的棉纖維承擔(dān)，而SMF 芯絲的存在使得外包棉纖維的抱合力減弱，導(dǎo)致包芯紗的強(qiáng)力和耐磨性降低，由此應(yīng)適當(dāng)增大捻系數(shù)以增強(qiáng)纖維之間的抱合力，本試驗(yàn)將包芯紗的捻系數(shù)設(shè)計(jì)成高于相同規(guī)格紗線10%～20%。其他設(shè)備工藝條件：羅拉隔距19 mm×33 mm；后區(qū)牽伸1.25 倍；鉗口隔距3 mm，前羅拉速度168 r/min。

1.2 形狀記憶性能測(cè)試與表征

用于客觀描述材料形狀記憶性能的參數(shù)主要有形變固定率、形狀回復(fù)率和起拱回復(fù)性。其中起拱回復(fù)性僅能用于片狀材料（如織物）的形狀記憶性能評(píng)價(jià)；形變固定率和形狀回復(fù)率這兩個(gè)指標(biāo)則既可表征片狀材料，亦可表征線狀材料的記憶性能，這兩個(gè)指標(biāo)的數(shù)值越大，材料的形狀記憶性能就越好［8］。由于所研究對(duì)象為紗線（線狀材料），故采用形變固定率和形狀回復(fù)率對(duì)棉SMF 包芯紗的記憶性能進(jìn)行表征。

本研究采用熱循環(huán)拉伸法在Instron5566 型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行包芯紗形變固定率和形狀回復(fù)率的測(cè)試，過(guò)程按照加熱?變形?固形?回復(fù)的程序進(jìn)行。將紗線加溫至高于SMF 的形變回復(fù)溫度的70 ℃時(shí)拉伸15%（記為總形變T）并維持，將其冷卻至21 ℃，釋負(fù)，紗線將產(chǎn)生部分回縮，未回縮的部分稱為固定形變F。將紗線再次加熱到70 ℃，紗線將逐漸回復(fù)到原來(lái)形狀，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄已恢復(fù)的形變R。以上測(cè)試循環(huán)重復(fù)3 次。按照公式（1）、（2）分別計(jì)算形變固定率Rf（表征紗線固定形變的能力）和形狀回復(fù)率Rr（表征紗線經(jīng)變形后恢復(fù)其原有形狀的能力）的數(shù)值［8］，計(jì)算5 個(gè)試樣測(cè)試結(jié)果的平均值，作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)對(duì)包芯紗記憶性能的影響

圖1 為SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響。各包芯紗捻系數(shù)均為420。

圖1 SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響

由圖1 可見(jiàn)，隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，包芯紗的形變固定率呈單調(diào)下降趨勢(shì)，SMF 預(yù)牽伸從1.0 倍增大至1.5 倍時(shí)，包芯紗形變固定率由92.7%下降至85.5%。分析認(rèn)為，在微觀相結(jié)構(gòu)方面形狀記憶聚氨酯與普通聚氨酯不同的是，前者是通過(guò)控制大分子鏈硬段的含量和軟段的分子量而具備形狀記憶性能，其彈性遠(yuǎn)低于普通聚氨酯，但仍具有一定的彈性回復(fù)率（11%），隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增大，SMF 芯絲彈性回復(fù)長(zhǎng)度的絕對(duì)值隨之增大，使得其形變固定部分的量值減小，由此導(dǎo)致包芯紗的形變固定率下降。

由圖1 還可見(jiàn)，隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，包芯紗的形狀回復(fù)率呈單調(diào)上升趨勢(shì)，SMF預(yù)牽伸從1.0 倍增大至1.5 倍時(shí)，包芯紗形狀回復(fù)率由86.6%上升至93.1%。分析認(rèn)為，SMF的形狀回復(fù)的量值實(shí)質(zhì)上是釋負(fù)后記憶回復(fù)量和彈性回復(fù)量這兩者的疊加。隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增大，SMF 芯絲彈性回復(fù)長(zhǎng)度的絕對(duì)值隨之增大，使得其形狀回復(fù)的總量值也增大，從而導(dǎo)致包芯紗的形狀回復(fù)率上升。

2.2 捻系數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響

圖2 為紗線捻系數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響。各包芯紗SMF 預(yù)牽伸均為1.2 倍。

圖2 捻系數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響

由圖2 可見(jiàn)，隨著紗線捻系數(shù)的增加，其形變固定率呈先降后升的態(tài)勢(shì)，其谷值出現(xiàn)在捻系數(shù)為400 時(shí)。在包芯紗成紗過(guò)程中，SMF 芯絲在被牽伸的同時(shí)，也被加上與外包棉纖維聚集體相同數(shù)值的捻度。換言之，SMF 的變形是拉伸變形與扭轉(zhuǎn)變形的疊加。一方面，隨著捻系數(shù)的增大，SMF 所受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力也隨之增大，當(dāng)SMF 受到冷拉伸而伸長(zhǎng)時(shí)，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在纖維軸向的分力會(huì)減弱SMF 的形變固定效應(yīng)，由此包芯紗的形變固定率數(shù)值將下降；另一方面，隨著紗線捻系數(shù)的增大，外包棉纖維對(duì)SMF 芯絲的包纏緊度隨之提高，有助于SMF 芯絲的形變固定，由此包芯紗的形變固定率將增大。分析認(rèn)為，捻系數(shù)增大對(duì)SMF 芯絲形變固定的消極作用在捻系數(shù)較低（400 左右）時(shí)占主導(dǎo)地位；在捻系數(shù)超過(guò)400 左右時(shí)，因外包棉纖維對(duì)SMF 芯絲的包纏緊度增大，提升包芯紗形變固定率的因素則占主導(dǎo)地位。

由圖2 還可見(jiàn)，隨著紗線捻系數(shù)的增加，其形狀回復(fù)率呈先升后降的態(tài)勢(shì)，其峰值出現(xiàn)在捻系數(shù)為420 時(shí)。一方面，隨著捻系數(shù)的增大，SMF所受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力也隨之增大，當(dāng)SMF 被加熱至高于其形變回復(fù)溫度時(shí)，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在纖維軸向的分力會(huì)增強(qiáng)SMF 的形狀回復(fù)效應(yīng)，由此包芯紗的形狀回復(fù)率數(shù)值將增大；另一方面，隨著紗線捻系數(shù)的增大，外包棉纖維對(duì)SMF 芯絲的包纏緊度隨之提高，不利于SMF 芯絲的形狀回復(fù)，由此包芯紗的形狀回復(fù)率將減小。分析認(rèn)為，捻系數(shù)增大對(duì)SMF 芯絲形狀回復(fù)的積極作用在捻系數(shù)較低（420 左右）時(shí)占主導(dǎo)地位；在捻系數(shù)超過(guò)420 左右時(shí)，因外包棉纖維對(duì)SMF 芯絲的包纏緊度增大而減弱包芯紗形狀回復(fù)效應(yīng)的因素占主導(dǎo)地位。

3 結(jié)論

SMF 牽伸倍數(shù)和紗線捻系數(shù)與紗線的形狀記憶性能之間具有密切的內(nèi)在聯(lián)系，在包芯紗的成紗過(guò)程中，SMF 的變形是拉伸變形與扭轉(zhuǎn)變形的疊加，而SMF 的形狀回復(fù)量值實(shí)質(zhì)上是釋負(fù)后記憶回復(fù)量和彈性回復(fù)量這兩者的疊加。隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，包芯紗的形變固定率呈下降趨勢(shì)，但形狀回復(fù)率呈上升趨勢(shì)；隨著紗線捻系數(shù)的增加，其形變固定率呈先降后升的態(tài)勢(shì)，而形狀回復(fù)率呈先升后降的態(tài)勢(shì)。探明SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)和紗線捻系數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響規(guī)律，對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)含SMF 紡織品具有參考價(jià)值。