超雙疏高強防護手套的研究與開發

方園 明晶晶 毛慧敏 黃浚峰

摘?要：針對高強防護手套編織工藝難度大、紗紗易產生芯紗裸露、影響織物強力和耐磨等問題，對高強防護手套的原料選擇、包覆、編織和涂覆工藝進行了系統研究。分析包覆紗的受力分析及牽伸比、超喂、張力控制對包覆紗成紗質量的影響，研究了手套編織的關鍵工藝技術以及生態環保的超涂覆工藝技術。通過對包覆工藝參數的優化，采用手指部位的加固編織技術，以及對編織成形的手套進行雙疏整理，賦予了高強防護手套良好地耐磨、防切割、超雙疏性能，較好地解決了雙疏高強防護手套生產工藝難題，對于企業的新產品開發及實際生產具有一定的指導作用與參考價值。

關鍵詞：防護手套;高強纖維;加固編織;雙疏整理

中圖分類號：TS189

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）02-0030-06

Abstract：It is difficult to weave high-strength protective gloves. The yarn is easy to produce core-spun yarn， thus influencing fabric strength and wear-resisting. In order to solve the above problems， the paper systematically studied the raw material selection， cladding， knitting and coating technology of high-strength protective gloves， analyzed the stress of wrap yarns， and the effects of drawing ratio， overfeeding and tension control on yarn quality. Besides， the key technology of glove weaving and the eco-friendly super-coating technology were investigated. By optimizing parameters of coating technology， reinforcing weaving technology for the finger parts and conducting bi-repellent finishing of the gloves， the high-strength protective gloves had good wear-resisting， anti-cutting and bi-repellent performance. This technology solves the difficult problem of the production process of bi-repellent high-strength protective gloves， and has certain guiding function and reference value for new product development and practical production.

Key words：protective gloves; high-strength fiber; reinforced weaving; bi-repellent finishing

近年來，隨著社會發展和紡織技術的不斷進步，人們在重視生產安全的同時，對防護紡織品的關注也越來越高。手套作為人體受傷率最高的手部的防護產品，很早就得到了應用。但由于普通帆布手套和棉手套強度低、耐磨性差，手套的功能性比較單一，無法滿足人們在生產過程中對安全的需求，應用受到很大的局限性。隨著現代紡織技術的發展，大量高強高模高性能纖維的出現，人們開始關注采用高性能纖維來研發高強防護手套[1]。高性能纖維抗彎剛度大，手套成形編織比較困難[2-3]。為了改善高強防護手套的服用性能，須采用多種纖維進行編織，使防護手套能滿足高強、耐磨、耐拉伸等要求。本文擬通過對高強防護手套的包覆、編織和涂覆工藝的深入分析，研究超雙疏高強防護手套的制備方法，以解決超雙疏高強防護手套生產工藝難題。

1?原料選擇和包覆工藝

1.1?纖維原料的選擇

碳纖維、芳綸及超高分子量聚乙烯纖維等纖維是近年來快速發展起來的高性能纖維，具有高強、高模、抗沖擊、耐腐蝕等優良性能[4]。由表1可知，與芳綸1414和碳纖維相比超高分子量聚乙烯纖維具有密度小、強度高和模量高的優勢，價格大大低于芳綸1414和碳纖維，是作為高強防護手套用紗較為理想的選擇。但超高分子量聚乙烯纖維的耐磨性和彈性較差，如果采用純超高分子量聚乙烯纖維為單一原料編織成手套，由于缺乏彈性故存在無法穿戴的問題，且使用過程中會因外力作用而不斷變形、磨損，大大降低了其使用壽命。因此，應用高耐磨性的錦綸和高彈性的氨綸絲，通過包覆工藝形成線性結構緊密的彈性包覆紗，可以彌補超高分子量聚乙烯?纖維性能的不足，從而使防護手套具有高強、耐磨、耐拉伸等優越性能。

1.2?包覆工藝

1.2.1?包覆工藝過程

為了賦予防護手套優良的高強、耐磨、耐拉伸性能，選用高分子聚乙烯纖維為外包材料，包覆氨綸、錦綸絲，使高強復合彈性包覆紗形成多纖維緊密型均勻分布的線性結構。彈性包覆紗工藝流程如圖1所示。

高強彈性包覆紗的芯紗為氨綸絲，內外層分別包覆錦綸絲和高強聚乙烯絲，包覆工藝流程如圖2所示[6]。氨綸芯紗自傳送輥上引出，在一定的牽伸張力作用下，由輸送羅拉經錠子中心喂入包覆區域。在一次包覆區中，紗線筒管高度回轉將錦綸紗線包覆在氨綸絲線上，完成首次包覆;在二次包覆過程中，高強聚乙烯絲以相同的方式反向在錦綸紗線上進行二次包覆，實現緊密型均勻分布的線性結構彈性紗線的包覆。

通過對紗線不同組分的強力對比，發現包覆紗的斷裂強力與純高強聚乙烯斷裂強力比較接近，但是包覆紗斷裂伸長更大。氨綸絲賦予包覆紗一定的彈性，使包覆紗延伸性更好，斷裂伸長更大。包覆紗拉伸性能并非各組分性能的簡單疊加，包覆紗成紗性能與空心錠子回轉角速度、包覆絲牽伸速度和氨綸絲喂入牽伸比關系密切。

1.2.2?包覆紗受力分析及其對包覆性能的影響

包覆紗線受力如圖3（a）所示，圖3（b）表示二次包覆時外層高強聚乙烯絲和內層紗的受力狀況。

圖3（a）表示內層包覆紗在芯紗喂入張力T、內層包覆紗Tq1和向上牽伸力Tj13個力作用下保持平衡，圖3（b）表示二次包覆紗在來自內層包覆紗的張力Tj1、外層包覆紗張力Tq2和向上牽伸力Tj2的共同作用下保持平衡。在此力學模型下，一次包覆點處受力平衡方程為：

可通過氣圈張力分析來求解Tq1。ds為在紗線氣圈自由段弧線上的任一微元，則微元質量為m2ds，氣圈張力分析如圖4所示。

式中：ω1為錠速，r/s，m2為錦綸絲線密度，D;rm為弧線上距錠子回轉中心最大半徑，cm，R為退繞點處距錠子回轉中心半徑，cm。

微元ds兩端受力分別為Ts和Ts+ds，同時受到垂直于z軸的離心力mdsrω2。二次包覆過程受力分析同初次包覆，在包覆點處也會產生張力波動，此波動可用ΔTq2表示。外層紗線角速度ω2=133π/s，外包覆絲線密度m3=100D，帶入公式可計算Tj2：

包覆張力Tq1和Tq2的變化影響著Tj1、Tj2的變化。ΔTq越小，包覆紗成紗結構就越趨于穩定;ΔTq越大，則張力的波動對成紗的影響就越明顯[9]。通過對工藝的研究，對包覆紗性能影響較為顯著的因素有：包覆機錠子回轉速度、紗線的牽伸速度和氨綸絲喂紗的牽伸比。

對比不同組分的紗線強力，包覆紗斷裂強力與純高強聚乙烯強力比較接近，但是其斷裂伸長更大，包覆后拉伸性能并非各組分性能的簡單疊加，成紗性能與錠子回轉角速度、包覆絲牽伸速度和氨綸絲喂入牽伸比關系密切[5]。錠子的回轉速度、包覆紗捻度和包覆張力的大小都對包覆紗性能有較大的影響，且張力波動不僅會使氨綸芯絲牽伸張力變化，還會導致包覆紗捻度發生變化。氨綸絲喂入量的變化對保持紗線包覆結構穩定、包覆絲良好回彈性和包覆度的均勻性影響較大，為保證具有較好的紗線回彈性，一般氨綸絲的牽伸比可設定在200%左右。

在采用44.4 dtex氨綸絲/77.7 dtex×2錦綸絲/111.1 dtex高強聚乙烯進行包覆時，可設定氨綸牽伸比1∶2、初次包覆錠速90 r/s，包覆張力5 N，二次包覆錠速65 r/s，包覆張力30 cN，包覆紗筒管卷取速度20 m/min，包覆紗的紗線結構均勻，紗線性能優良，能滿足高強手套的服用要求[7]，包覆紗的紗線結構如圖5所示。

2?高強防護手套的編織

高強防護手套是采用高強彈性包覆紗編織而成。由于高強纖維的包覆紗抗彎剛度大，鉤編性差、成圈編織較為困難，特別是在薄型高強防護手套編織過程中更為明顯。因此，必須對手套編織的給紗張力、喂紗角、彎紗深度、成形方式、牽拉張力等關鍵工藝參數進行深入的研究。

手套是在電腦手套機成圈機構上進行編織。手套機上有前后兩個針床，在兩個針床的針槽中有高低針踵的挺針片，用來配合舌針編織手套手指、手掌及手套的羅口部分。成圈機構中配置有舌針、沉降片、三角、導紗嘴等成圈機件，舌針在三角的作用下進行上下成圈編織，并在挺針片和沉降片的配合下，實現手套織物的選針成形編織。舌針與輔助成圈機件（挺針片、沉降片）的配置如圖6所示，分別為1×1、2×1兩種配置形式。

手套成形編織工藝過程為：小拇指→無名指→中指→食指→小掌→大指→大掌→編織羅口，如圖7所示。

手套編織先從小拇指開始進行起針的編織，再按照順序完成無名指、中指和食指的編織，然后開始編織小掌，小掌為四指對下手掌，寬度與四指相同。小掌編織完成后，再進行拇指及其指叉的編織，然后編織大掌，大掌為五指對下手掌，寬度與五指相同。最后編織羅口和熱熔線部分。

小拇指起針時，機頭從左向右運動，前后針床的8枚織針在起頭三角和后起針三角的作用下，完成第一列羅紋的編織后，退出工作[8]。無名指、中指和食指的編織與小拇指的編織方法基本相同。編織指叉時，前后兩個手指指間重復使用幾枚針，產生線圈的交迭以加固指間連接部分。手掌編織時，要把之前四個手指編織結束后的多余紗線編入在內，手掌的編織方法也與指筒相似，最后編織手套的羅口部分。

根據高強手套的編織特點與要求，必須對成圈機件結構作必要的技術改進，并采用手指部位的加固編織技術，以滿足高強手套的編織要求。加固編織工藝技術特點：

a）在指間交織處編織時，后一指與前一指采用多針輪流編織，指間交叉處線圈進行交迭編織，杜絕手套指襠處出現漏針現象;

b）通過調節線圈密度，密度稍緊使得編織時改善線圈強力;

c）小拇指最后線圈的第3和第5針編織集圈，在4指手掌最后線圈的第3、第5和第7針編織集圈，使橫條紗線縮短;

d）采用特殊添紗襯緯裝置，滿足特殊部位紗線的喂入。

為了實現各指叉部交迭編織，增設了一個線圈握持桿，利用線圈握持桿將編織好的指套線圈靠近將要編織指套近處2針壓住，每次移動線圈握持桿的位置，依次編織四指及手掌部，使各指叉部部分線圈形成交迭編織[12]，如圖8所示。

3?超雙疏涂料制備與涂覆

3.1?涂層漿液的制備技術

手套完成編織后，需在手套表面進行涂層處理，不僅可以提高手套的使用性能，還可以拓展防護手套的應用領域。超雙疏手套涂料的制備與涂覆過程如下所述。

材料：熱塑性水性聚氨酯樹脂（分析純，巴斯夫聚氨酯特種產品有限公司（中國））;二甲基乙酰胺（常州德化化工有限公司，工業級）;滲透劑JFC，氨基硅油（Ecocare Dc949）（DowCorning公司）;氟硅偶聯劑（南京坤成化工有限公司，工業級）;聚丁二烯樹脂（上海森迪化工有限公司，分析純）;消泡劑（濟南翔邦化工有限公司，工業級）;丁二醇（上海順雅化工進出口有限公司，分析純）。

超雙疏高分子涂層，可實現良好的抗油抗水性能，在防護手套上涂覆超雙疏高分子漿液，增加了防護手套的使用范圍和使用壽命[10]。為滿足國內外無毒或低毒的標準，采用一種綠色環保的溶劑—二甲基乙酰胺（Methamphetamine）來替代傳統的有毒DMF溶劑，其分子式為CH3CON（CH3）2。

在手套涂層的制備過程中，為了達到超疏油性能，首先要對PU涂料進行部分氟化，具體操作步驟如下：

a）一定量的末端羥基化氟烷（F—OH，CF3—（CF2）6—OH）溶于DMAC中（5%W/V）中，攪拌30 min;

b）將上述溶液一點一點的加入到PU樹脂中，讓醇化氟烷與PU中酯類鍵反應;

c）把一定量的的擴鏈劑丁二醇溶于DMAC中（7%W/V）并加入上述反應體系，升溫到70～80 ℃，攪拌反應1 h;

d）將上述反應的氟化PU分別進行純凈水、乙醇清洗，最后得到氟化PU。

超雙疏涂層的制備工藝為：在常壓條件下將質量數25%的聚氨酯和5%的聚丁二烯樹脂來增強手套的彈性，加入含有質量分數為55%的二甲基乙酰胺（DMAC）溶劑的膠槽中，溶液均勻后，加入質量分數為2%CF消泡劑和2%滲透劑，最后加入質量分數為6%的氟硅偶聯劑以及5%的聚丁二烯樹脂。

此外，為了使涂層實現良好的抗油抗水性能，除在PU涂層中添加一定量氟化PU外，還要使涂覆材料的表面呈現一定三維結構或類荷葉表面的微凸起構型[11]。為構建微凸結構，可采用常壓等離子體流化床設備和六甲基二硅氧烷單體（HMDSO）實現了對納米碳酸鈣粉體的改性，在涂層內添加了含量約2%的改性超疏水納米碳酸鈣粉體。水滴在改性后碳酸鈣表面的接觸角大于150°，實現超疏水特性，疏水效果非常明顯。

超雙疏涂層的制備機理是：在蒸發初期，改性納米碳酸鈣和氟化聚氨酯的含量開始增加，體系中的改性納米碳酸鈣首先沉淀自聚成海綿狀結構;隨著DMAC的蒸發，氟化的聚氨酯開始沉積到改性納米碳酸鈣微小凸起表面及其海綿狀結構的空隙里;最后由于改性納米碳酸鈣表面積的增大而氟化的聚氨酯大面積覆蓋在改性納米碳酸鈣上。氟化聚氨酯薄層的內部張力隨著溶劑的蒸發而增大，當其增加到一定值時，氟化聚氨酯薄層將斷裂成碎片，而這種碎片將會在改性納米碳酸鈣上形成納米級結構，與此同時，氟化聚氨酯也會發生自相分離。

經過上述步驟的處理，可以制得一種生態環保超雙疏手套涂料，所制備的手套涂層不但具有抗油抗水的超雙疏特性，同時又具有綠色環保的性能，符合超雙疏手套浸膠生產的環保要求。經實驗研究表明，該手套涂層涂覆效果良好，并可解決傳統DMF溶劑處理方法所帶來的低毒性問題。

3.2?手套涂覆工藝

高強防護手套成品的涂覆工藝過程是將編織完成的手套芯對號套入手摸，手模運送帶把手套芯運送漿液槽位置，漿液槽自動上升到某一高度手套浸入漿液中，暫停一段時間后漿液槽下降，浸膠的手模運送到下一工位進入凝固工序，浸膠的手模表面凝固后進入烘箱烘干，最后經過冷卻后降到常溫，手模返回到起始位置由人工取下，完成手套的涂覆。

4?結?論

a）研究分析了包覆機錠子回轉速度、氨綸絲喂紗牽伸比、紗線的牽伸速度和紗線張力對紗線包覆性能的影響，通過對包覆工藝參數的優化，使復合彈性包覆紗形成多纖維均勻分布的緊密型線性結構，提高了包覆紗的性能。

b）對高強手套的編織工藝進行了深入研究，采用手指加固編織工藝方法以及成圈機件的設計優化，較好地解決了高強防護手套指尖防漏針和指間加固編織的工藝難題。

c）研究了手套涂覆工藝超雙疏涂覆液的制備方法，經超雙疏涂層處理后，手套涂層涂覆效果優良?？椢锘某p疏涂層具有良好的疏液性，對水和油的靜態接觸角（CA）均大于150°，符合超雙疏防護手套的使用要求。

參考文獻：

[1] NGUYEN C T，DOLEZ P I， VU-KHANH T，et al. Effect of protective glove use conditions on their resistance to needle puncture[J].Plastics，Rubber and Composites，2013，42（5）：187-193.

[2] 秦志剛.經編針織物增強復合材料結構與性能研究[D].上海：東華大學，2011.

[3] 李艷艷，孫曉璐，鐘文鑫，等.碳纖維三維成形針織物的可編織性研究[J].針織工業，2015（9）：8-11.

[4] 孔令美，鄭威，齊燕燕，等.3種高性能纖維材料的研究進展[J].合成纖維，2013，42（5）：27-31.

[5] 張玉清，田琳，韓劍.桑蠶絲彈力包覆絲成紗性能與紡制工藝關系試驗[J].紡織標準與質量，2008（4）：16-20.

[6] 謝偉偉.基于臺達機電技術的電子成型氨綸包覆絲機[J].伺服控制，2010（1）：52-54，21.

[7] 董戈，王鳳榮，劉勤.滌棉包覆紗的外觀和性能研究[J].紡織科技進展，2011（6）：18-20.

[8] 王輝，方園，唐艷，等.基于ANSYS/LS-DYNA電腦手套機成圈機件的動力學分析[J].紡織機械，2011（3）：48-52.

[9] 于偉東.紡織物理[M].上海：東華大學出版社，2009：281-290.

[10] LIU K， TIAN Y， JIANG L. Bio-inspired superoleophobic and smart materials： design， fabrication， and application[J]. Progress in Materials Science， 2013，58（4）：503-564.

[11] 林宣益.仿生學在建筑涂料中的應用：荷葉效應乳膠漆[J].上海涂料，2005（Z1）：7-8，5.

[12] 潘優華，方園，王輝.電腦手套機三角走針軌跡及工藝點設計[J].浙江理工大學報，2008，25（1）：34-37.