形狀記憶包芯紗的制備及其記憶性能研究

金關秀 胡金蓮 呂 晶

（1.浙江工業職業技術學院，浙江紹興，312000；2.香港城市大學，中國香港；3.香港理工大學，中國香港）

隨著社會經濟的發展，消費者對服飾功能性、舒適性的要求越來越高，擁有可設計的形狀固形與回復性能的形狀記憶紡織品越來越受關注［1?2］。形狀記憶聚氨酯（以下簡稱Pus）系熱敏形狀記憶材料，其特性在于常溫下可以形成穩定的臨時形狀，而在受到熱刺激時可回復至原來的形狀［3］。原因在于形狀記憶聚氨酯高分子微相結構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］。通過濕法紡絲可制備出形狀記憶聚氨酯纖維（以下簡稱SMF）［5］。

SMF 目前主要以制成包芯紗的方式應用于各類紡織品，含SMF 織物具備起拱回復、折痕保持以及對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，而且與包芯紗的制備技術條件有著密切的關系，由于包芯紗的捻系數對紗線及其所制成織物的性能和風格具有直接的影響，且SMF 對張力極其敏感，因此本研究就SMF 預牽伸倍數和紗線捻系數對棉SMF 包芯紗形狀記憶性能的影響進行探討。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

原料：SMF（4.4 tex/24 F，聚醚型，成形溫度180 ℃，形變回復溫度65 ℃，斷裂強度1.1 cN/dtex，斷裂伸長率130%，形變固定率95%，形狀回復率97%，彈性回復率11%）；純棉粗紗條（精梳棉纖維，定量4.6 g/10 m，捻系數80）。試樣設備為加裝了包芯紗紡紗裝置的FA502 型細紗機，試驗中分別設定不同的SMF預牽伸倍數和紗線捻系數制備JC 14.6 tex（44 dtex SMF）紗。SMF 對張力很敏感，在包芯紗加工過程中應盡可能降低冷拉伸的程度，否則會導致SMF 形狀記憶性能過早發生效應，從而擴大包芯紗沿長度方向片段之間的應力差異，影響后道工序的加工以及所制成織物的平整度等，因此預牽伸倍數不宜設定過高。包芯紗的形狀記憶性能是由芯絲SMF 提供的，強力和耐磨性則由包覆在外面的棉纖維承擔，而SMF 芯絲的存在使得外包棉纖維的抱合力減弱，導致包芯紗的強力和耐磨性降低，由此應適當增大捻系數以增強纖維之間的抱合力，本試驗將包芯紗的捻系數設計成高于相同規格紗線10%～20%。其他設備工藝條件：羅拉隔距19 mm×33 mm；后區牽伸1.25 倍；鉗口隔距3 mm，前羅拉速度168 r/min。

1.2 形狀記憶性能測試與表征

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

本研究采用熱循環拉伸法在Instron5566 型試驗機上進行包芯紗形變固定率和形狀回復率的測試，過程按照加熱?變形?固形?回復的程序進行。將紗線加溫至高于SMF 的形變回復溫度的70 ℃時拉伸15%（記為總形變T）并維持，將其冷卻至21 ℃，釋負，紗線將產生部分回縮，未回縮的部分稱為固定形變F。將紗線再次加熱到70 ℃，紗線將逐漸回復到原來形狀，試驗機自動記錄已恢復的形變R。以上測試循環重復3 次。按照公式（1）、（2）分別計算形變固定率Rf（表征紗線固定形變的能力）和形狀回復率Rr（表征紗線經變形后恢復其原有形狀的能力）的數值［8］，計算5 個試樣測試結果的平均值，作為最終試驗結果。

2 結果與討論

2.1 SMF 預牽伸倍數對包芯紗記憶性能的影響

圖1 為SMF 預牽伸倍數對包芯紗形狀記憶性能的影響。各包芯紗捻系數均為420。

圖1 SMF 預牽伸倍數對包芯紗形狀記憶性能的影響

由圖1 可見，隨著SMF 預牽伸倍數的增加，包芯紗的形變固定率呈單調下降趨勢，SMF 預牽伸從1.0 倍增大至1.5 倍時，包芯紗形變固定率由92.7%下降至85.5%。分析認為，在微觀相結構方面形狀記憶聚氨酯與普通聚氨酯不同的是，前者是通過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，其彈性遠低于普通聚氨酯，但仍具有一定的彈性回復率（11%），隨著SMF 預牽伸倍數的增大，SMF 芯絲彈性回復長度的絕對值隨之增大，使得其形變固定部分的量值減小，由此導致包芯紗的形變固定率下降。

由圖1 還可見，隨著SMF 預牽伸倍數的增加，包芯紗的形狀回復率呈單調上升趨勢，SMF預牽伸從1.0 倍增大至1.5 倍時，包芯紗形狀回復率由86.6%上升至93.1%。分析認為，SMF的形狀回復的量值實質上是釋負后記憶回復量和彈性回復量這兩者的疊加。隨著SMF 預牽伸倍數的增大，SMF 芯絲彈性回復長度的絕對值隨之增大，使得其形狀回復的總量值也增大，從而導致包芯紗的形狀回復率上升。

2.2 捻系數對包芯紗形狀記憶性能的影響

圖2 為紗線捻系數對包芯紗形狀記憶性能的影響。各包芯紗SMF 預牽伸均為1.2 倍。

圖2 捻系數對包芯紗形狀記憶性能的影響

由圖2 可見，隨著紗線捻系數的增加，其形變固定率呈先降后升的態勢，其谷值出現在捻系數為400 時。在包芯紗成紗過程中，SMF 芯絲在被牽伸的同時，也被加上與外包棉纖維聚集體相同數值的捻度。換言之，SMF 的變形是拉伸變形與扭轉變形的疊加。一方面，隨著捻系數的增大，SMF 所受的扭轉應力也隨之增大，當SMF 受到冷拉伸而伸長時，扭轉應力在纖維軸向的分力會減弱SMF 的形變固定效應，由此包芯紗的形變固定率數值將下降；另一方面，隨著紗線捻系數的增大，外包棉纖維對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。分析認為，捻系數增大對SMF 芯絲形變固定的消極作用在捻系數較低（400 左右）時占主導地位；在捻系數超過400 左右時，因外包棉纖維對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地位。

由圖2 還可見，隨著紗線捻系數的增加，其形狀回復率呈先升后降的態勢，其峰值出現在捻系數為420 時。一方面，隨著捻系數的增大，SMF所受的扭轉應力也隨之增大，當SMF 被加熱至高于其形變回復溫度時，扭轉應力在纖維軸向的分力會增強SMF 的形狀回復效應，由此包芯紗的形狀回復率數值將增大；另一方面，隨著紗線捻系數的增大，外包棉纖維對SMF 芯絲的包纏緊度隨之提高，不利于SMF 芯絲的形狀回復，由此包芯紗的形狀回復率將減小。分析認為，捻系數增大對SMF 芯絲形狀回復的積極作用在捻系數較低（420 左右）時占主導地位；在捻系數超過420 左右時，因外包棉纖維對SMF 芯絲的包纏緊度增大而減弱包芯紗形狀回復效應的因素占主導地位。

3 結論

SMF 牽伸倍數和紗線捻系數與紗線的形狀記憶性能之間具有密切的內在聯系，在包芯紗的成紗過程中，SMF 的變形是拉伸變形與扭轉變形的疊加，而SMF 的形狀回復量值實質上是釋負后記憶回復量和彈性回復量這兩者的疊加。隨著SMF 預牽伸倍數的增加，包芯紗的形變固定率呈下降趨勢，但形狀回復率呈上升趨勢；隨著紗線捻系數的增加，其形變固定率呈先降后升的態勢，而形狀回復率呈先升后降的態勢。探明SMF 預牽伸倍數和紗線捻系數對包芯紗形狀記憶性能的影響規律，對設計開發含SMF 紡織品具有參考價值。