碳纖維滌棉交織抗靜電面料的服用性能研究

祝學薇,葛敬瑋,王 祎,陰建華,祖倚丹

(1.河北科技大學 紡織服裝學院,河北 石家莊 050018; 2.天津工業大學 紡織科學與工程學院,天津 300387)

碳纖維具有良好的導電性、安全性、舒適性和較好的制備性能[1,2],PAN基碳纖維應用廣泛[3],可用于制作抗靜電服裝面料,常見的加油站抗靜電工作服面料就是將PAN基碳纖維織入到普通滌棉交織或純棉面料中[4]。作為勞保服裝,抗靜電工作服應該不僅能保障工作安全,還應穿著舒適和結實耐用,從而提高工作人員的工作效率,目前關于這類抗靜電工作服的研究基本都是圍繞其靜電性能展開,缺少對其力學、熱濕舒適性等服用性能方面的系統研究。

碳纖維的力學性能與滌綸和棉纖維相差較大[5],因此碳纖維的織入可能會對滌棉交織織物的服用性能產生影響,為給碳纖維抗靜電面料的設計開發提供理論依據,現對加油站常用的7種碳纖維滌棉交織抗靜電面料進行力學性能和熱濕舒適性研究。

1 實驗部分

1.1 試樣規格及表面形態

由于滌綸或棉纖維的單一成分綜合性能通常不如滌棉交織的好[6],因此實驗選擇的樣品均為滌棉交織面料,將7種抗靜電面料進行編號,分別為1#～7#。7種面料均為斜紋組織,纖維成分比不同,未進行漂染等加工,其中面料1#、4#、6#的碳纖維從經緯兩個方向織入,形成網格狀,其余面料為條格狀,7種面料的抗靜電性能都滿足標準,其基本規格參數見表1。

表1 碳纖維滌棉交織抗靜電面料規格參數

對7種面料的表面形態進行觀察,發現其表面紋路均勻,且組織不是很緊密。其中面料7#表面最平整,面料1#、3#和4#表面紗線屈曲較大。面料2#和6#表面紗線之間的孔隙較大,1#、4#和5#表面孔隙較小?？轨o電面料在150倍放大鏡下的表面形態見圖1。

圖1 碳纖維滌棉交織抗靜電面料表面形態

1.2 儀器

YG(B)026P-250織物斷裂強力機;YG(B)031PC彈子頂破強力機(溫州大榮紡織儀器有限公司);XQ-1型纖維強伸度儀;YG522型圓盤式織物平磨儀;Y(B)802G八籃恒溫烘箱(溫州大榮紡織儀器有限公司);YG(B)461G型織物透氣性能測定儀;YG(B)216T織物透濕量儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)。

1.3 測試方法

面料強伸性能測試:GB/T3923.1—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)》;面料頂破性能測試:GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》;面料撕裂性能測試:GB/T 3917.2—2009《紡織品織物撕破性能 第2部分:褲形試樣(單縫)》;面料耐磨性能測試:GB/T 4802.1—2008《紡織品 織物起毛起球性能的測定》,織物質量損失率計算公式:質量損失率=[(G0-G1)/G0]×100%,式中G0為織物磨損前質量,G1為織物磨損后質量,單位均為g;面料吸濕性測試:GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率實驗方法 烘箱法》,織物回潮率=(G-G0)/G0×100%,式中G為試樣在標準大氣條件下的烘前質量,稱為濕重,G0為試樣的烘干質量,稱為干重,單位均為g;面料透氣性測試:GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》;面料透濕性測試:GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分:蒸發法》,透濕率U=G/At,式中U單位為mg/(cm2·h),G為容器減少的質量,單位mg,A為透濕面積,單位cm2,t為測試時間,單位h。

2 結果分析

2.1 力學性能測試結果與分析

影響織物耐磨性的因素有很多,如纖維類型、紗線種類和細度、織物組織、織物密度和厚度等[7]?？椢锉砻婕喚€屈曲波高大與磨具接觸面積小,質量磨損率小,經緯紗越粗、表面越接近零結構相的等支持面平布與磨具接觸面積大,質量磨損率越大[8]。面料7#表面最平整,在實驗中紗線與磨具接觸面積大,質量磨損率最大,耐磨性最差;面料3#表面紗線屈曲波高大且紗線較細,實驗中與磨具接觸面積小,質量磨損率最小,耐磨性最好。

由表2可知,7種碳纖維抗靜電面料的經向斷裂強力明顯大于緯向斷裂強力,這主要是由于其經紗密度均大于緯紗密度。強伸性能好的面料,其頂破性能和撕裂性能也較好,如面料7#、5#,面料的強伸性和頂破性能、撕裂性能變化趨于一致。從圖1看出7種滌棉交織抗靜電面料都為織造均勻的面料,因此可以推斷7種面料的經緯密度、紗線粗細以及碳纖維間距都對面料的拉伸性能產生了影響。其中面料1#和面料4#的經緯紗細度相同,碳纖維間隔相近,但是經緯紗密度相差較大,最終斷裂強力和斷裂伸長率表現為相似,說明抗靜電面料的強伸性能主要受經緯紗細度和碳纖維密度的影響,且碳纖維密度越大,面料的強力減小。由以上分析可知,碳纖維抗靜電面料的經緯紗密度應當適中,紗線適當加粗,有利于提高面料的力學性能。

表2 面料力學性能測試結果

2.2 熱濕舒適性測試結果與分析

由表3可知,7種碳纖維滌棉交織抗靜電面料的回潮率都相對較小,其中4#的回潮率最大,3#的回潮率最小。4#面料吸濕性最好,含棉量最高,其次是面料1#,該面料的吸濕性主要取決于纖維的吸濕性。從表3可知,7種碳纖維抗靜電面料的透濕性相近。面料透濕一部分是通過織物孔隙傳遞,另一部分主要取決于纖維的吸濕性,纖維吸濕性越好,通常面料透濕性越好[8]。面料3#的孔隙明顯大于5#,而5#的回潮率大于3#,兩者最終的透濕率相等。由于碳纖維織入含量較少,面料的回潮率和透濕率與碳纖維織入方式和密度無明顯關系。

表3 面料熱濕舒適性測試結果

影響織物透氣性的主要因素是孔隙率,織物緊度越小,孔隙越大,透氣性越好,除此之外,織物透氣性還受到纖維種類、組織結構和環境的影響[9,10]。7種碳纖維抗靜電面料的纖維成分、組織結構相似且測試環境相同,因此這三個因素可以忽略。面料2#、6#表面孔隙較大,透氣率排名靠前。碳纖維密度大的面料在7種面料的透氣率排序中并無明顯規律,說明碳纖維織入密度對面料的透氣性沒有明顯影響,比如面料7#的碳纖維密度比6#的碳纖維密度明顯小,但是二者透氣率相差無幾。

2.3 面料服用性能綜合評價

為選出綜合服用性能優良的碳纖維滌棉交織抗靜電面料,使用灰色關聯度分析法對7種面料的11個評價指標進行綜合評價。

利用灰色關聯度分析法[11]建立織物多指標性能參數的關聯度,將碳纖維滌棉交織抗靜電面料的各項服用性能當作一個灰色系統,選取測試結果中的經緯斷裂強力、經緯斷裂伸長率、頂破強力、經緯撕裂強力、回潮率、透氣率、透濕率的最大值以及質量磨損率的最小值為參考數列,記為X0={x0(k), (k=1,2, …,11)},則X0={1929.367,995.700,28.330,15.102,1310.65,67.8,94.2,4.736,280.963,3.584,0.232},各項性能測試結果為比較數列,記為Xi={xi(k),(k=1,2,…,11;i=1,2,…,7)(k=1, 2, …, 11;i=1, 2, …, 7)}。xi(k)表示第i塊織物試樣的第k個測試指標的原始值用式(1)對11個測試指標進行無量綱化處理,結果見表4。

表4 面料無量綱數值

(1)

根據式(2)計算碳纖維滌棉交織抗靜電面料各項性能測試數據的絕對值差值。

Δi(k)=∣x′0(k)-x′i(k)∣,
(k=1, 2,…, 11;i=1, 2,…, 7)

(2)

根據式(3)計算碳纖維滌棉交織抗靜電面料各項服用性能測試數據的關聯系數。

(3)

式中εi(k)為關聯系數;Δ(min)為兩級最小差;Δ(max)為兩級最大差;ρ為分辨系數,ρ取0.5;Δi(k)為絕對差值。

根據公式(4)計算7種碳纖維滌棉交織抗靜電面料各項服用性能測試數據的關聯度,ri越大,表明式中兩者相關性越好,面料綜合性能越好[12]。計算結果見表5。

表5 面料性能的關聯系數和關聯度

(4)

式中ri是比較數列xi對參考數列x0的灰色關聯。

由表5可知,7種碳纖維滌棉交織抗靜電面料各項服用性能的關聯度排序為:7#>5#>2#>1#>3#>6#>4#,范圍在0.565～0.809,其中,面料7#的關聯度最大,為0.809,因此面料7#的綜合服用性能最好,其次為面料5#和2#,三者關聯度均在0.7以上。

觀察面料7#、5#、2#,纖維成分、經緯紗密度、經緯紗細度都不同,但是面料中嵌織的碳纖維間距都比較大,且都為條紋,可見碳纖維的織入對面料的服用性能產生了一定的負面影響。根據前面的分析可知,碳纖維的織入影響了面料的力學性能,從而導致綜合服用性能受到影響,而對于熱濕舒適性并無太大影響。面料1#、4#的關聯度都較小,說明綜合服用性能不好,而1#、4#的碳纖維織入密度較大,可以證明上述結論。碳纖維織入密度可以影響面料服用性能。因此在設計碳纖維滌棉交織抗靜電面料的時候可以在保證抗靜電性能滿足標準的前提下,盡可能減少織入碳纖維的密度。

3 結語

對力學性能測試結果分析可知,碳纖維滌棉交織抗靜電面料的斷裂伸長能力都不理想,經向斷裂伸長率整體大于緯向斷裂伸長率?？傮w來看,面料5#(T/C 65/35)、7#(T/C 40/60)的力學性能最優,而碳纖維織入密度小,說明碳纖維在織入過程中使得面料受到拉伸和摩擦等力,從而對面料力學性能產生了負面影響。對熱濕舒適性測試結果分析可知,碳纖維的織入對抗靜電面料的熱濕舒適性能無明顯影響。通過灰色關聯度分析法得出抗靜電面料7#(T/C 40/60)的綜合服用性能最好,其次為面料5#(T/C 65/35)和2#(T/C 65/35),三者碳纖維的織入密度都較小,說明碳纖維織入密度對面料服用性能有較明顯影響。