超高相對分子質量聚乙烯/氨綸包覆紗制備工藝研究

陳 超 邵光偉,b 張 鑫 潘俊杰 趙 方 邵慧奇 蔣金華,b 陳南梁,b

東華大學 a.紡織學院,b.產業用紡織品教育部工程研究中心,c.紡織科技創新中心,上海 201620

超高相對分子質量聚乙烯(UHMWPE)纖維作為三大高性能纖維之一,具有高強、高模、耐磨、抗紫外等一系列優良特性,在防割、防彈、體育器械及繩纜等方面有廣泛的應用[1-2]。但UHMWPE織物也因纖維彈性差、模量高等特性而硬挺無彈性,這影響了其在部分領域的使用[3-8]。

包覆紗是一種復合紗線,其使用長絲或短纖紗作為芯紗,再通過螺旋加捻的方式將外包紗纏繞、包覆于芯紗外表面[9-13]。獨特的制備工藝使得包覆紗擁有兩種纖維的特性。芯紗和外包紗通過優勢互補,彌補了單一紗線的某些不足,提高了紗線/織物的性能[14-19]。

本文將使用包覆紗工藝,通過將UHMWPE長絲紗與單根氨綸(PU)長絲相結合,制備UHMWPE/PU包覆紗。利用外包的UHMWPE長絲紗為包覆紗提供良好的力學性能,利用芯紗單根PU長絲賦予包覆紗優異的彈性[20-24]。探究UHMWPE/PU包覆紗的制備工藝,以包覆紗的斷裂強力、斷裂伸長率及彈性回復率作為評價指標,研究包覆捻度(即單位長度內UHMWPE長絲紗纏繞PU長絲的圈數)、PU伸長倍數及卷繞率(即包覆紗機上卷紗筒轉速與成紗輸出速率之比)對UHMWPE/PU包覆紗性能的影響;探究UHMWPE/PU包覆紗的可編織性,并與UHMWPE緯平針織物做對比,研究包覆紗的制備工藝參數對UHMWPE/PU緯平針織物性能的影響。

1 試驗

1.1 原料與設備

原料:UHMWPE長絲紗,2.22 tex/9 f(20 den/9 f),購于長青藤高性能纖維材料有限公司;單根PU長絲,1.67 tex(15 den),購于曉星氨綸有限公司。

設備:SAPO型體視顯微鏡;HKV101C型絡筒機;HKV141A(Ⅱ)型包覆機;MTS E42.503型電子萬能試驗機;18針電腦橫機;HD026 N-300型多功能織物強力機。

1.2 包覆紗的制備工藝

采用單層包覆工藝,原理如圖1所示。紗錠高速旋轉,UHMWPE長絲紗從紗錠上退繞下來并以螺旋的方式纏繞、包覆于被牽拉伸長的PU長絲外表面,形成UHMWPE/PU包覆紗。其中,紗錠轉速為8 000 r/min。

圖1 包覆紗制備原理示意Fig.1 Schematic diagram of principle of covered yarns

1.3 包覆紗工藝參數

纖維的性能與包覆紗的結構共同決定了包覆紗的性能,故合理的紗線設計可以充分發揮纖維的優勢。為探究UHMWPE/PU包覆紗的制備工藝,選擇包覆捻度(A)、PU伸長倍數(B)及卷繞率(C)作為三因素,設計三因素三水平正交試驗,并將包覆紗斷裂強力、斷裂伸長率及彈性回復率作為評價指標,借助Design Expert 軟件,使用響應面法進行分析。試驗點分布如圖2所示,部分試驗取點重復。

1.4 斷裂強力及斷裂伸長率測試

使用MTS E42.503型電子萬能試驗機,參照FZ/T 50006—2013《氨綸絲拉伸性能試驗方法》及GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》進行包覆紗斷裂強力和斷裂伸長率的測試。設置夾具間隔為100 mm,預加張力為1 cN。每筒紗測10次,結果取平均值。

1.5 彈性回復率測試

使用MTS E42.503型電子萬能試驗機,參照FZ/T 50007—2012《氨綸絲彈性試驗方法》進行包覆紗彈性回復率測試。

1.6 緯平針織物的制備及性能測試

在機號為18的電腦橫機上,分別使用UHMWPE長絲與UHMWPE/PU包覆紗織造緯平針織物。設置織造度目為190,速度為10 m/min。

對制備的緯平針織物的厚度、面密度、橫縱向密度、拉伸性能及頂破性能等進行測試。其中,拉伸性能測試參考GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,頂破性能測試參考GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》。

2 測試結果與分析

根據正交試驗設計制備的17種包覆紗的斷裂強力、斷裂伸長率及彈性回復率測試結果如表1所示。下文將采用響應面分析法分析包覆捻度、PU伸長倍數及卷繞率對包覆紗的斷裂強力、斷裂伸長率及彈性回復率的影響。

表1 制備的包覆紗的斷裂強力、斷裂伸長率及彈性回復率Tab.1 The breaking strength, elongation at break and elastic recovery rate of prepared covered yarns

2.1 各因素對包覆紗斷裂強力的影響

包覆捻度、PU伸長倍數及卷繞率對UHMWPE/PU包覆紗斷裂強力的影響見圖3,可以看出:

圖3 各因素對包覆紗斷裂強力的影響Fig.3 The influence of various factors on breaking strength of covered yarns

(1)圖3a)中,UHMWPE/PU包覆紗斷裂強力隨包覆捻度的增大呈先增大再減小的趨勢。當包覆捻度為1 000 T/m時,UHMWPE/PU包覆紗斷裂強力達到峰值,這是因為包覆捻度的增加會使得UHMWPE長絲紗與PU長絲結合得更加緊密,且包覆過程中UHMWPE長絲紗自身也會產生一定的捻度,使UHMWPE長絲自身相互抱合在一起,這也在一定程度上增加了UHMWPE/PU包覆紗的斷裂強力。但當包覆捻度過大時,單位長度的UHMWPE/PU包覆紗中UHMWPE長絲過多,包覆紗捻回角過大,則拉伸時軸向分力減弱,且捻度較大時易產生扭結,導致外包紗不勻,UHMWPE/PU包覆紗斷裂強力下降。

(2)圖3b)中,UHMWPE/PU包覆紗斷裂強力隨PU伸長倍數的增大呈現先增大再減小的趨勢。其中,當PU伸長倍數為3.0時,UHMWPE/PU包覆紗的斷裂強力達到峰值。

(3)圖3c)中,UHMWPE/PU包覆紗的斷裂強力隨卷繞率的增大也呈現先增大再減小的趨勢。其中,當卷繞率為0.88時,UHMWPE/PU包覆紗的斷裂強力達到峰值。

圖4反映了兩兩因素交互作用對包覆紗斷裂強力的影響,可以看出:當包覆捻度為1 000 T/m、PU伸長倍數為3.0、卷繞率為0.88時,UHMWPE/PU包覆紗斷裂強力達到最大值。

圖4 兩兩因素交互作用對包覆紗斷裂強力的影響Fig.4 The effect of pairwise interaction on breaking strength of covered yarns

2.2 各因素對包覆紗斷裂伸長率的影響

圖5為各因素對包覆紗斷裂伸長率的影響,可以看出:

(1)圖5a)中,UHMWPE/PU包覆紗的斷裂伸長率隨包覆捻度的增大而減小。

(2)圖5b)中,UHMWPE/PU包覆紗的斷裂伸長率隨PU伸長倍數的增大呈現先增大后減小的趨勢。

(3)圖5c)中,UHMWPE/PU包覆紗的斷裂伸長率隨卷繞率的增大也呈現先增大后減小的趨勢。

2.3 各因素對包覆紗彈性回復率的影響

包覆紗彈性回復率與最終織物的彈性密切相關。包覆紗彈性回復率越大,則織物受到外界載荷產生形變后的回復能力越強。圖6為各因素對包覆紗彈性回復率的影響,可以看出:

(1)圖6a)中,UHMWPE/PU包覆紗彈性回復率隨包覆捻度的增大呈現先減小后增大的趨勢,整體影響較小。

(2)圖6b)中,UHMWPE/PU包覆紗彈性回復率隨PU伸長倍數的增大而增大,且變化十分顯著。這是因為,當PU伸長倍數增大時,作為芯紗的PU長絲將產生更大的形變量,使得最終成紗時PU長絲內部應力更大,UHMWPE/PU包覆紗的彈性回復率更大。

(3)圖6c)中,UHMWPE/PU包覆紗彈性回復率隨卷繞率的增大而增大。當卷繞率增大時,作為芯紗的PU長絲可以保持更大的形變量,實際伸長率增大,包覆紗的彈性回復率增大。

2.4 紗線形貌分析

將UHMWPE長絲紗與包覆捻度分別為500、1 000及1 500 T/m的UHMWPE/PU包覆紗(PU伸長倍數皆為3.0、卷繞率皆為0.88)置于SAPO型體視顯微鏡下,放大8倍,觀察紗線的形貌及紗線中纖維間的位置關系,結果見圖7。

圖7 UHMWPE長絲與不同包覆捻度的UHMWPE/PU包覆紗的形貌照片Fig.7 Surface morphology photographs of the UHMWPE filament yarn and UHMWPE/PU covered yarns with different covering twist

(1)圖7a)為UHMWPE長絲紗的形貌照片,可以看出單根UHMWPE長絲平行排列,無彎曲、無扭轉,且表面均勻。

(2)圖7b)是PU伸長倍數為3.0、卷繞率為0.88、包覆捻度為500 T/m的UHMWPE/PU包覆紗的形貌照片,可以看出,使用該工藝參數制備的UHMWPE/PU包覆紗的包覆效果較差,芯紗與外包紗接觸不緊密,UHMWPE長絲紗還出現了扭結,包覆紗存在較為明顯的露芯現象。這與作為外包紗的UHMWPE長絲紗捻度較低,包覆程度較弱,加之UHMWPE長絲紗模量較高,不易彎曲有關。該包覆紗稍有回縮就會使得UHMWPE長絲凸起,造成包覆紗表面不勻。

(3)圖7c)是PU伸長倍數為3.0、卷繞率為0.88、包覆捻度為1 000 T/m的UHMWPE/PU包覆紗的形貌照片,可以看出,該工藝參數制備的包覆紗不存在明顯的扭結現象,UHMWPE長絲紗與PU長絲結合較緊密,僅存在輕微的露芯現象,UHMWPE長絲紗整體包覆效果優于圖7b)中的包覆效果。

(4)圖7d)是PU伸長倍數為3.0、卷繞率為0.88、包覆捻度為1 500 T/m的UHMWPE/PU包覆紗的形貌照片,可以看出,該工藝參數制備的包覆紗整體均勻,露芯現象極少,且UHMWPE長絲紗無扭結,整體包覆效果最好。

2.5 UHMWPE/PU包覆紗的可編織性及其織物性能

為探究UHMWPE/PU包覆紗的可編織性,使用本文制備的UHMWPE/PU包覆紗進行上機織制試驗,并對制備的緯平針織物性能進行測試,結果如表2所示。由表2可知,UHMWPE/PU緯平針織物的斷裂強力均高于UHMWPE長絲紗緯平針織物的斷裂強力,且UHMWPE/PU緯平針織物的擴張度平均值是UHMWPE長絲紗緯平針織物的2.6倍,斷裂伸長率平均值是UHMWPE長絲紗緯平針織物的4.4倍,表明UHMWPE/PU包覆紗不僅具有很好的可編織性,而且制備的緯平針織物延展性也十分良好,這為UHMWPE長絲紗應用于壓力繃帶、壓力襪、防勾絲襪、輕薄防割手套等產品奠定了基礎。

表2 UHMWPE長絲紗緯平針織物與UHMWPE/PU包覆紗緯平針織物基本參數與性能Tab.2 Basic parameters and properties of the UHMWPE filament weft planin-knitted fabric and UHMWPE/PU weft planin-knitted fabrics

對UHMWPE/PU包覆紗制備工藝、包覆紗性能及緯平針織物性能進行相關性分析,結果如圖8所示。從圖8可以看出:

(1)緯平針織物斷裂強力與包覆紗斷裂強力的相關系數為0.93,緯平針織物頂破強力與包覆紗斷裂強力的相關系數也為0.93,說明UHMWPE/PU緯平針織物的頂破強力、斷裂強力都與包覆紗的斷裂強力強相關,故可通過調整UHMWPE/PU包覆紗的制備工藝,優化包覆紗的斷裂強力,進一步提高UHMWPE/PU緯平針織物的頂破強力和斷裂強力。

(2)緯平針織物斷裂伸長率與包覆紗斷裂伸長率的相關系數為0.85,緯平針織物擴張度與包覆紗斷裂伸長率的相關系數為0.97,包覆紗斷裂伸長率與PU伸長倍數的相關系數為0.83,表明調整PU伸長倍數可以調節包覆紗的拉伸斷裂伸長率,進而優化緯平針織物的延展性。

3 結論

使用2.22 tex/9 f (20 den/9 f)的UHMWPE長絲紗與1.67 tex (15 den)的單根PU長絲制備UHMWPE/PU包覆紗,對其制備工藝進行研究,并利用UHMWPE/PU包覆紗制備緯平針織物,與UHMWPE長絲紗緯平針織物進行對比,得出以下結論:

(1)UHMWPE/PU包覆紗斷裂強力隨包覆捻度、PU伸長倍數及卷繞率的增加皆呈現先增大后減小的趨勢,其中,當包覆捻度為1 000 T/m、PU伸長倍數3.0及卷繞率為0.88時,所得UHMWPE/PU包覆紗的斷裂強力最高。

(2)UHMWPE/PU包覆紗斷裂伸長率隨包覆捻度的增大而減小,隨PU伸長倍數和卷繞率的增大先增大后減小。

(3)UHMWPE/PU包覆紗的彈性回復率隨包覆捻度的增大先減小后增大,隨PU伸長倍數和卷繞率的增大而增大。

(4)UHMWPE/PU包覆紗具有較好的可編織性,相較于純UHMWPE長絲紗緯平針織物,UHMWPE/PU緯平針織物具有極好的延展性。

(5)PU伸長倍數對UHMWPE/PU緯平針織物的延展性影響較大,可通過調節PU伸長倍數優化UHMWPE/PU緯平針織物的延展性。