壓燙工藝對SMF/棉機織物的折痕保持性能研究

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(1.浙江工業職業技術學院鑒湖分院，浙江紹興　312000；2.浙江省現代紡織工業研究院，浙江紹興　312081；3.香港理工大學紡織及服裝學系，中國香港　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、機械、光、磁或電等)時改變形狀的能力[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，即美學功能。作為一種造型藝術，服飾美總是以一定的幾何形狀來表現的[5-6]。如用于正式場合穿著的西褲，為體現出挺括的質感而對褲線(褲腿前片正中從上到下熨成的褶子)的要求非常高[7]，然而用常規面料裁制成的西褲，經過洗滌后其褲線保持性差，一般須重新熨燙，不但費時費力，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品，因此研究SMF/棉機織物折痕的保持性對提升服飾的美觀度和服用性能具有現實意義。事實上含SMF的織物可以根據需要進行壓燙成型整理，包括折皺壓燙成型或平整壓燙成型，可達到永久保型效果[8]。本文對SMF/棉機織物進行壓燙成型整理，探討壓燙工藝對折痕保持性能的影響。

1　機理分析

作為溫敏形狀記憶材料，形狀記憶聚氨酯(PUs)的記憶性能與兩個關鍵溫度密切相關，即形狀恢復溫度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(外界作用溫度須高于TS)，將外界賦予的初始形狀記憶下來，但纖維仍可發生形變并在較低的溫度下將此形變加以固定(二次成型)。當將上述已形變纖維的溫度升高至超過TR時，材料能恢復至一次成型時的形狀。但如果在作用溫度高于TS的條件下，對其施加外力使其發生形變，則材料的初始形狀就發生了變化。如果此后作用于材料的溫度不超過TS，其初始形狀就不會再改變，這就是形狀記憶織物能夠永久保持折痕的機理。

2　試驗方法

2.1　材料與設備

SMF/棉機織物：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的設計較相同規格純棉紗偏高15%左右，即捻度為74捻/10 cm，經測試包芯紗斷裂強力為12.8 cN/tex；斷裂強力變異系數為7.5%，能夠滿足織染工序生產的要求。

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

設備：Wascator FOM71 CLS洗衣機(瑞典Electrolux公司),Y743N翻滾式烘干機(溫州際高檢測儀器有限公司),YP-R180-1600型滾筒熱壓機(有利機械工業(無錫)有限公司),YG026PC型電子織物強力測試儀(寧波紡織儀器廠),Instron5566萬能材料試驗機(美國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。然而在較高溫度區間對材料進行處理時，應注意控制處理的時間，否則有可能對聚氨酯材料造成損傷。實際操作中應通過相關實驗來確定最終的處理工藝方案。

本研究的壓燙定型實驗是在YP-R180-1600型滾筒熱壓機上進行的，實驗中通過改變溫度和時間這2個參數，共制備25個試樣，實驗方案如表1所示。

表1　試樣制備實驗方案

2.3　性能測試

2.3.1折痕保持性能

按照ISO 7769—2009《紡織品 經清洗后織物褶裥外觀評價試驗方法》進行測定。這一方法可用于評價經反復家庭洗滌后，織物折痕的保持性能。圖2為該方法的評價示意圖，將水洗烘干后織物的折痕保持狀態與標準樣品折痕對比，即可評價出織物折痕的耐水洗性和形狀記憶特征。標準樣品折痕分5個等級，將最接近試樣外觀的標準樣照的級數作為評價結果，如試樣折痕外觀介于整數標準樣照之間，則確定為中間級(半級)。

2.3.2形變固定率和形狀回復率

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

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

(1)

形狀回復率是描述織物在經歷一系列的熱機械變形后恢復其原來形狀的能力的指標，計算如式(2)[9]。

(2)

圖2　折痕保持性評價示意

在Instron5566試驗機上采用熱循環拉伸法對織物進行形變固定率和形狀回復率的測試，具體步驟如下：將試樣緊固在夾持器內，預加張力為0.1 N，升溫至70 ℃，開啟拉伸，使試樣伸長15%，然后將其冷卻至室溫(21 ℃)，夾頭回復至起始位置，得到拉伸-回復曲線和數據。重復上述測試循環3次。根據式(1)和式(2)分別計算形變固定率和形狀回復率，每個試樣測試5次，求取平均值。

通常認為，織物的形變固定率和形狀回復率的數值均超過80%時具有優良的形狀記憶性能。

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定》進行測定。

2.3.4平整度

按照ISO 7768—2009《紡織品 評定織物經洗滌后外觀平整度的試驗方法》進行測定。

3　結果與討論

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

3.1　壓燙定型工藝對折痕保持性的影響

表2所示為經受壓燙定型整理的SMF/棉機織物經水洗、烘干后其折痕保持性測試結果。

由表1和表2可見，在壓燙時間不變的情況下，隨著壓燙溫度的提高，SMF/棉機織物的折痕保持性能(CR值)呈上升態勢。但無論對于哪一個壓燙時間，織物的CR值均未在壓燙溫度等于TS(185 ℃)時達到最高值(5級)，而是升至190 ℃才達到的；此外在壓燙溫度低于TS尚有一定幅度時(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間，壓燙時間越長，上升幅度就越大。分析認為聚氨酯形狀記憶材料的TS值實際上表現為一個溫度區間，在壓燙溫度低于名義TS尚有一定幅度時，織物的折痕保持性能就趨于上升，而只有當外界作用溫度高于其名義TS一定幅度時，織物的折痕保持性能才達到理想的水平。

表2　折痕保持性測試結果

由于實驗結果顯示只有當壓燙溫度≥190 ℃，且壓燙時間≥50 s時，織物的折痕保持性才能達到5級，因此對于SMF/棉機織物的壓燙定型來說，最佳工藝應設定為：壓燙溫度190 ℃，壓燙時間50 s。壓燙溫度低于190 ℃，或壓燙時間少于50 s，會使得織物的折痕保持性能達不到理想的水準；但壓燙溫度過高或壓燙時間過長時，一方面織物的力學性能會受影響，另一方面也會增加不必要的加工成本。

3.2　織物形變固定率與形狀回復率分析

對6個折痕保持性達到5級的織物試樣(14 、15 、19 、20 、24 、25 )以及對照樣壓燙定型前后的形變固定率和形狀回復率進行測試，表3所示為測試結果。

由表3可見，一方面在總共48個形變固定率和形狀回復率的指標值(不含對照樣的指標值)上，有45個數值(占總數93.75%)達到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，也具有較高的形變固定率和形狀回復率，相比較之下，對照樣(純棉織物)的指標值僅為39.4%～61.3%；另一方面實驗結果顯示壓燙定型前后形變固定率和形狀回復率的指標值未表現出明顯的下降趨勢，表明研究中所選擇的壓燙工藝沒有對聚氨酯材料造成損傷。

表3　織物形變固定率與形狀回復率測試結果

3.3　織物相關性能分析

同樣對6個折痕保持性達到5級的織物試樣(14 、15 、19 、20 、24 、25 )以及對照樣進行其它相關性能測試，包括縮水率和平整度，測試結果見表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僅為83%(其余為SMF)，從而因棉纖維溶脹引起紗線直徑增粗進而使得織物縮水率增大的程度較純棉織物要??；但另一方面包芯紗捻系數比純棉紗要高出15%，則因棉纖維溶脹而激發紗線退捻進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芯絲可產生“骨架效應”，能在一定程度上阻礙紗線沿長度方向的收縮(因織物中經緯紗交織原因，紗線不可能自由退捻而導致其長度縮短)。分析認為上述3種效應疊加的結果，使得SMF/棉機織物的縮水率小于純棉機織物。此外所有試樣的平整度均達到4級以上，在較大程度上優于普通純棉織物(表4顯示對照樣的平整度僅為2.5級)。分析認為其機理在于實驗中在對試樣折痕部位的SMF進行折皺壓燙定型的同時，也對試樣其余部位的SMF進行了平整壓燙定型，從而使得織物獲得了良好的平整性。上述結果表明通過壓燙定型整理后的SMF/棉機織物在具備優異的形狀記憶性能的同時，其尺寸穩定性和布面平整度均處于較好的水準。

表4　織物相關性能測試結果

4　結　論

a)通過實驗探索壓燙工藝對SMF/棉機織物折痕保持性能的影響規律，得出最佳壓燙定型工藝，即溫度190 ℃、時間50 s。此外實驗結果表明SMF的TS值實際上表現為一個溫度區間，在壓燙溫度低于TS尚有一定幅度時，織物的CR值已有不同程度的

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

b)由于SMF在包芯紗中充當芯絲，因此SMF/棉機織物在保留純棉織物固有的風格、性能的同時，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率)，此外經壓燙成型整理后的SMF/棉機織物具有優于純棉織物的布面平整度和尺寸穩定性。