嚴(yán)濤海

(1. 閩江學(xué)院 a.福建省新型功能性紡織纖維及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.服裝與藝術(shù)工程學(xué)院，福建 福州 350121；2. 福建省運(yùn)動(dòng)鞋面料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建華峰新材料有限公司)，福建 莆田 351164)

依據(jù)現(xiàn)有的紡織加工技術(shù)，加工纖維或紗線細(xì)度的極限為微米級(jí)[1]。靜電紡絲技術(shù)是制備納米纖維最有可能產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)之一，而納米級(jí)纖維的斷裂強(qiáng)力及耐磨性能相對(duì)較差，無(wú)法使用傳統(tǒng)紡織設(shè)備進(jìn)行加工[2]。定向排列的納米纖維束及其加捻后的紗線，可以拓寬納米級(jí)纖維在紡織服裝、微電子器件和復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。為了解決納米纖維使用傳統(tǒng)紡織技術(shù)進(jìn)行加工的問(wèn)題，有學(xué)者[4]將納米纖維制備成紗線，也有學(xué)者[5]將納米纖維包覆在傳統(tǒng)紗線上。筆者認(rèn)為，在上述基礎(chǔ)上可做進(jìn)一步加工，即在傳統(tǒng)紗線外包覆的納米纖維之外再包纏(包覆)傳統(tǒng)的紗線，以解決納米纖維耐磨性差的問(wèn)題。這種方法可以使納米纖維具有可織性，結(jié)合常規(guī)紗線和納米紗線結(jié)構(gòu)及功能性優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)生產(chǎn)高附加值的功能性紡織品。這種復(fù)合紗線可以應(yīng)用在特殊功能的面料領(lǐng)域，比如抗紫外線、香味整理、儲(chǔ)能調(diào)溫和防蚊蟲等功能性領(lǐng)域。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合紗線含有納米纖維，具有納米纖維的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)等性質(zhì)，可以制備傳感器織物、高吸附性織物，以及一些具有特殊的聲、光、電磁、熱力學(xué)性質(zhì)的織物。

包纏技術(shù)是一個(gè)相對(duì)比較傳統(tǒng)的加工花式紗線的工藝，現(xiàn)在也經(jīng)常用來(lái)解決芯紗強(qiáng)力不足或耐磨性差的問(wèn)題，以使紗線更適合于傳統(tǒng)織造的加工，還有部分研究人員使用包纏技術(shù)改善復(fù)合材料的增強(qiáng)相和基體的浸潤(rùn)性能。Baghaei等[6]將聚乳酸纖維包纏在漢麻紗線上，這種包纏紗模壓成型后的拉伸、彎曲和耐沖擊性能都提高了2～3倍。部分學(xué)者[7-9]將包纏紗用于改善低彎曲模量玻璃纖維和碳纖維的可編織性能，也可應(yīng)用于復(fù)合材料的成型技術(shù)。鐘智麗等[10-11]使用丙綸長(zhǎng)絲包纏玄武巖長(zhǎng)絲和芳綸，芯紗的耐磨性、力學(xué)性能和外觀均有較好的提升，改善了芯紗的可織性。敖利民等[12]利用加捻與空心錠子包纏兩種成紗方法，不僅提高紗線力學(xué)性能，還改善了紗線條干和捻度的均勻性。本文自制靜電紡絲納米纖維成紗裝置，并使用該裝置制備了靜電紡絲納米纖維包覆結(jié)構(gòu)紗，在納米纖維包覆結(jié)構(gòu)紗線外再包纏一層長(zhǎng)絲，解決納米纖維強(qiáng)力和耐磨性較差的問(wèn)題，以便用于傳統(tǒng)織造(針織、機(jī)織)加工。

1 材料及方法

1.1 主要材料及設(shè)備

聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)，太倉(cāng)凱爾達(dá)塑膠原料有限公司，分析純，相對(duì)分子質(zhì)量為15萬(wàn)；N,N- 二甲基甲酰胺(DMF)，廣東金華大化學(xué)試劑有限公司，分析純；83.3 dtex/36 F無(wú)捻滌綸復(fù)絲，福建錦江科技有限公司；高壓直流電源，東文高壓電源(天津)有限公司；LSP-10-18型微量注射泵保，定蘭格有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 自制靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置

靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置如圖1所示。由注射泵將紡絲液經(jīng)由輸液管輸送到單針頭，聚合物在高壓電場(chǎng)的作用下形成納米纖維，在接地圓盤和接地圓環(huán)之間形成取向納米纖維，芯紗退繞后依次經(jīng)過(guò)圓盤中心和圓環(huán)中心，金屬圓盤的旋轉(zhuǎn)將取向納米纖維加捻包覆在芯紗上形成納米纖維包覆結(jié)構(gòu)紗線，包覆紗線經(jīng)卷繞裝置卷繞成形。芯紗和包覆紗都是83.3 dtex/36 F無(wú)捻滌綸復(fù)絲。

1.2.3 靜電紡絲及納米纖維包覆紗

添加PAN粉末到DMF溶劑中，恒溫40 ℃攪拌12 h,制備PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的靜電紡絲溶液。按照?qǐng)D1布置靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置。具體參數(shù)如下：接收金屬圓盤的半徑為10 cm，厚度為1 mm，材質(zhì)為不銹鋼，中間開孔，孔直徑為1.0 cm；針管尖端所在平面與圓盤中心的距離為9 cm，針管內(nèi)徑為1.0 mm，外徑為1.4 mm，針管長(zhǎng)為13 mm；針管與圓盤夾角為45 °；圓環(huán)與圓盤中心在一條直線上，兩者之間距離為5 cm，圓環(huán)材質(zhì)為不銹鋼，外環(huán)半徑為0.5 cm，內(nèi)環(huán)半徑為0.3 cm，厚度為2 mm；電壓為18 kV，流量泵流速為0.6 mL/h，圓盤轉(zhuǎn)速為80 r/min。環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度為65%。靜電紡納米纖維包覆結(jié)構(gòu)紗線的形成是因?yàn)閳A盤和圓環(huán)之間形成了大量的取向納米纖維，隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)取向納米纖維以一定的角度將取向納米纖維包覆在芯紗上。采用圓環(huán)和帶孔圓盤可以將加捻形成的紗線從圓環(huán)中心拉出，從而形成連續(xù)紗線。

1.2.4 自制空心錠包纏紗裝置小樣機(jī)

空心錠包纏紗小樣機(jī)要求體積小、操作簡(jiǎn)單并能配合靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置，其有3個(gè)基本系統(tǒng)：芯紗退繞系統(tǒng)、空心錠包纏系統(tǒng)和卷繞系統(tǒng)?？招腻V包纏紗小樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。芯紗退繞系統(tǒng)：因卷繞系統(tǒng)對(duì)紗線產(chǎn)生牽引力，芯紗從紗筒上被動(dòng)退繞下來(lái)?？招腻V包纏系統(tǒng)：卷繞著長(zhǎng)絲(紗線)的包線管固定在轉(zhuǎn)動(dòng)的空心錠子上，當(dāng)空心錠子沿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)包線管轉(zhuǎn)動(dòng)，包線管上的紗線隨空心錠子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)包纏在芯紗上。卷繞系統(tǒng)：利用摩擦傳動(dòng)進(jìn)行卷繞，包纏紗因槽筒的導(dǎo)紗和花式紗筒的轉(zhuǎn)動(dòng)而卷裝成形。

空心錠包纏紗小樣機(jī)的動(dòng)力由電機(jī)一和電機(jī)二通過(guò)傳送帶傳導(dǎo)提供。小樣機(jī)系統(tǒng)工作原理概述如下：由電機(jī)二(12)傳動(dòng)的卷繞系統(tǒng)引起的牽伸作用將芯紗(2)從芯紗筒子(1)上緩慢退繞出來(lái)，因張力器(3)和導(dǎo)紗器(4)配合電機(jī)二(12)勻速牽伸，芯紗(2)受恒定張力而被動(dòng)退繞。當(dāng)芯紗(2)進(jìn)入空心錠子(5)時(shí)，由電機(jī)一(11)帶動(dòng)的空心錠子(5)沿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，空心錠子(5)帶動(dòng)固定在其上的包線管(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，而包線管(7)的轉(zhuǎn)動(dòng)使包線管上的外包紗(8)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并卷繞包纏在芯紗上，空心錠子(5)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈使外包紗(8)在芯紗上包纏一個(gè)捻回，外包紗(8)在包纏的同時(shí)還隨包纏紗(17)的卷繞而發(fā)生被動(dòng)退繞，因?yàn)槟Σ翉埩ρa(bǔ)償器(6)的作用給外包紗(8)均勻的張力，使其能夠均勻退繞并順利包纏芯紗。經(jīng)過(guò)空心錠子后的包纏工藝形成包纏紗(17)，由導(dǎo)紗器(18)和張力器(19)的配合進(jìn)入卷繞系統(tǒng)，電機(jī)二(12)帶動(dòng)槽筒(13)，槽筒(13)上溝槽的導(dǎo)紗作用使包纏紗(17)有規(guī)律地卷繞在花式紗管(14)上形成良好卷裝。其中花式紗管(14)固定在紗筒架(15)上，紗筒架(15)上的大張力彈簧(16)提供的拉力使花式紗管(14)能緊貼在槽筒(13)上，因槽筒(13)與花式紗管(14)之間的摩擦傳動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，還能保證包纏紗(17)有良好的卷裝。

為了將空心錠包纏紗小樣機(jī)和靜電紡絲納米纖維包覆紗成紗裝置進(jìn)行配合，以形成連續(xù)制備的效果，需要將芯紗(2)在導(dǎo)紗器(4)和空心錠子(5)之間穿過(guò)金屬圓盤和圓環(huán)中間，即金屬圓盤、圓環(huán)和空心錠子中心在一條水平線上，經(jīng)過(guò)靜電紡絲工藝在金屬圓盤和圓環(huán)之間形成取向納米纖維，而金屬圓盤的選擇可以實(shí)現(xiàn)取向納米纖維在加捻后包覆在芯紗上，同時(shí)能保證包覆在芯紗表面的納米纖維沒(méi)有經(jīng)過(guò)其他部件的摩擦而順利進(jìn)入空心錠子進(jìn)行包纏工藝加工 。

電機(jī)一參數(shù)：15 W、220 V、0.12 A、1.5 μF、50 Hz，配合15 W調(diào)速器使用；電機(jī)二參數(shù)：6 W、220 V、0.13 A、0.8 μF、50/60 Hz，配合6 W調(diào)速器使用。電機(jī)一的轉(zhuǎn)速需配合電機(jī)二的轉(zhuǎn)速才能實(shí)現(xiàn)良好的包覆。電機(jī)一若轉(zhuǎn)速過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致包纏加捻過(guò)低而出現(xiàn)漏芯現(xiàn)象；電機(jī)一若轉(zhuǎn)速過(guò)快，會(huì)使外包紗的包覆過(guò)于緊密和疊紗，即包纏加捻過(guò)度導(dǎo)致出現(xiàn)外包紗重疊的現(xiàn)象。

1.2.5 分析測(cè)試方法

利用JSM-6390型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)靜電紡絲納米纖維包覆紗及其包纏紗的表面形貌進(jìn)行研究，電壓為15 kV，倍率為200、300及5 000倍。使用Adobe Acrobat 9 Pro軟件對(duì)SEM圖進(jìn)行分析，計(jì)算紗線和纖維平均直徑。根據(jù)GB/T 3916—2013，利用Instron 3365型電子強(qiáng)力儀對(duì)制備的紗線進(jìn)行拉伸測(cè)試，每個(gè)樣本重復(fù)測(cè)試10次后取平均值。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 包纏紗表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)電機(jī)一和電機(jī)二轉(zhuǎn)速分別為360和6 r/min，以及紡絲時(shí)間為4 min時(shí)，靜電紡絲其他參數(shù)設(shè)置見(jiàn)1.2.3節(jié)，靜電紡絲納米纖維包覆紗外包包纏紗的表面及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的SEM圖如圖3所示。由圖3(a)可以看出，外包紗為無(wú)捻滌綸復(fù)絲，包纏后的紗線結(jié)構(gòu)相對(duì)比較緊密，但是從無(wú)捻滌綸復(fù)絲之間的孔隙中可以看到納米纖維包覆紗。為了觀測(cè)包纏紗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，解開外包紗以及包覆的納米纖維，如圖3(b)所示，可以看到納米纖維包覆在無(wú)捻滌綸復(fù)絲的芯紗表面。由此證實(shí)靜電紡絲納米纖維包覆芯紗及納米纖維包覆紗外再包纏紗線(長(zhǎng)絲)的可行性。納米纖維和外包覆復(fù)絲之間存在一定的黏附，在解包覆過(guò)程中復(fù)絲容易拉扯黏附在一起的納米纖維或是使其磨擦移位，導(dǎo)致部分處于中間包覆層的納米纖維顯得雜亂無(wú)章，但是依然能夠看到部分帶有捻向的取向納米纖維。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，因?yàn)殪o電紡絲的納米纖維在實(shí)際加捻過(guò)程中有較多不確定因素，部分納米纖維確實(shí)存在無(wú)序沉積在芯紗表面的現(xiàn)象。

當(dāng)電機(jī)二轉(zhuǎn)速為6 r/min和紡絲時(shí)間為4 min時(shí)，靜電紡絲其他參數(shù)設(shè)置見(jiàn)1.2.3節(jié)，在電機(jī)一不同轉(zhuǎn)速下制備的包纏紗表面SEM圖如圖4所示。由圖4可知，隨著電機(jī)一轉(zhuǎn)速的增大，包纏紗外包的無(wú)捻滌綸復(fù)絲的間隙逐漸變小。因此：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為240和300 r/min時(shí)，包纏紗有露芯現(xiàn)象；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為360 r/min時(shí)，包纏紗結(jié)構(gòu)相對(duì)比較緊密，包纏效果良好。

當(dāng)電機(jī)一和電機(jī)二轉(zhuǎn)速分別為360和6 r/min時(shí)，不同紡絲時(shí)間下制備的包纏紗經(jīng)解開外包滌綸復(fù)絲后的納米纖維包覆紗表面SEM圖如圖5所示。從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)包纏并解包纏后的納米纖維包覆結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有變化，透過(guò)納米纖維還可以看到無(wú)捻滌綸單絲構(gòu)成的芯紗。由此說(shuō)明，在對(duì)納米纖維包覆紗進(jìn)行包纏工藝加工時(shí)，對(duì)納米纖維基本沒(méi)有損傷，能最大限度保護(hù)納米纖維包覆結(jié)構(gòu)。

圖5 不同靜電紡絲時(shí)間下制得的包纏紗解開外包滌綸復(fù)絲后的納米纖維包覆紗表面SEM圖Fig.5 SEM images of the surface of nanofiber coated yarn after unwrapping the polyester multifilament from the wrapped yarn prepared at different electrospinning time

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

當(dāng)靜電紡絲時(shí)間為4 min，電機(jī)一和電機(jī)二轉(zhuǎn)速分別為360和6 r/min時(shí)，將靜電紡絲納米纖維包覆紗經(jīng)包纏工藝加工后制備的復(fù)合紗線，其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為48.87 MPa和43.17%，相比包纏前靜電紡絲納米纖維包覆紗斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率(33.56 MPa，42.52%)，前者的斷裂強(qiáng)度有所提高，而斷裂伸長(zhǎng)率變化不明顯。

3 空心錠包纏紗包纏機(jī)理

卷繞著長(zhǎng)絲(紗線)的包線管固定在空心錠子上，當(dāng)空心錠子沿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)包線管轉(zhuǎn)動(dòng)，包線管上的紗線隨空心錠子轉(zhuǎn)動(dòng)而包纏在芯紗上。空心錠包纏紗的包纏機(jī)理與納米纖維包覆機(jī)理不太一樣，前者在包纏時(shí)空心錠上的包線管可以連續(xù)不間斷地提供外包紗用于包纏芯紗，而后者的外包纖維是間歇式的，前一取向納米纖維包覆結(jié)束后，要等后一取向納米纖維形成之后才能開始新的包覆工作?？招腻V包纏紗包纏機(jī)理有類似于絡(luò)筒工藝中的圓柱形卷繞在某一紗層的過(guò)程。

包纏加捻后，外包紗發(fā)生傾斜，加捻程度越大，外包紗傾斜就越大，將外包紗在芯紗線上的傾斜角稱為捻回角β，即外包紗與芯紗軸的夾角(如圖6所示)，可以據(jù)式(1)計(jì)算。

L0—一個(gè)捻回中外包紗長(zhǎng)度；hn—外包紗兩個(gè)捻回之間的法向螺距；d—包纏紗直徑；T—包纏紗黏度。圖6 外包紗包纏捻回角示意圖Fig.6 Schematic diagram of the wrapping angle of the wrapped yarn

(1)

一個(gè)捻回中的外包紗長(zhǎng)度L0可以由式(2)計(jì)算。

(2)

實(shí)際包纏加捻過(guò)程中，外包紗的直徑不可忽略,如圖7所示。因此，外包紗兩個(gè)捻回之間的法向螺距(hn)可以由(3)計(jì)算。

圖7 外包紗包纏示意圖Fig.7 Schematic diagram of the wrapped yarn

(3)

設(shè)外包紗直徑為dw，在不忽略外包紗直徑的情況下的捻回示意如圖8所示。根據(jù)包纏效果可以分為3種情況：hn>dw、hn

圖8 外包紗直徑不忽略的捻回示意圖Fig.8 Schematic diagram of twisting without ignoring the diameter of the outer yarn

(1)hn

(4)

此時(shí)，外包紗包纏系數(shù)η>1。

(2)hn=dw。在這種情況下，包纏效果最好，包纏紗外觀光滑，條干均勻。此時(shí)，外包紗包纏系數(shù)η=1。

(3)hn>dw。在這種情況下，外包紗沒(méi)有完全包纏覆蓋住芯紗，其外觀出現(xiàn)露芯現(xiàn)象。此時(shí)，外包紗包纏系數(shù)η<1。

如果外包紗為復(fù)絲時(shí)，其包纏效果會(huì)與紗線包纏有所區(qū)別。紗線可以近似于一個(gè)圓柱體，而復(fù)絲由多根單絲組合而成，設(shè)單絲直徑為df，單絲根數(shù)為s，復(fù)絲在包纏加捻時(shí)會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，設(shè)其擴(kuò)散系數(shù)為ρ，該系數(shù)的大小取決于復(fù)絲本身捻度及包纏工藝，則復(fù)絲外包紗直徑dw=s·df·(1+ρ)。

包纏紗捻度T可以由式(5)計(jì)算。

(5)

式中：nk為空心錠轉(zhuǎn)速，r/min；vj為包纏紗卷繞速度，m/min。

值得注意的是，筆者在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用模量比較大的麻紗包纏芯紗，其包纏效果很差，露芯現(xiàn)象嚴(yán)重，因此可以確定纖維模量對(duì)包覆效果有著決定性影響。經(jīng)多次試驗(yàn)后，選用模量相對(duì)低的無(wú)捻復(fù)絲作為外包纏紗才可解決露芯問(wèn)題。本試驗(yàn)中，選用的芯紗和外纏絲束都為無(wú)捻復(fù)絲，考慮到無(wú)捻復(fù)絲中的單絲在外包纏時(shí)會(huì)在一定的壓力下變扁而擴(kuò)散開來(lái)，會(huì)產(chǎn)生一定額外的包纏效果，因此由肉眼所見(jiàn)未曾發(fā)現(xiàn)露芯問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)自制靜電紡納米纖維包覆成紗裝置和空心錠包纏紗裝置，制備納米纖維包覆紗線外包包纏紗，用以解決靜電紡絲納米纖維用于傳統(tǒng)紡織方面的局限性。研究表明，當(dāng)帶動(dòng)空心錠的電機(jī)轉(zhuǎn)速為360 r/min時(shí)外包滌綸復(fù)絲的包纏結(jié)構(gòu)相對(duì)比較緊密，包纏效果良好，而轉(zhuǎn)速為240和300 r/min時(shí)外包滌綸復(fù)絲包纏下有露芯現(xiàn)象。根據(jù)紗線包纏效果可以分過(guò)包纏、包纏良好和露芯等3種現(xiàn)象。筆者下一步將研究外包纏紗模量對(duì)于包纏效果的影響，以進(jìn)一步充實(shí)包纏理論。