竹炭腈綸纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)及性能研究

馬 婷， 馮愛芬， 張永久

（河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院， 河北 石家莊050018）

腈綸自20 世紀(jì)50 年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來, 得到了長足的發(fā)展, 早已成為服用合成纖維中不可或缺的一份子[1]。 在我國腈綸市場上， 存在著常規(guī)品種已飽和, 而復(fù)合、 超細(xì)旦、 異形、抗菌等差別化和功能化品種卻需大量進(jìn)口的現(xiàn)狀[2]。 為此， 需要開發(fā)功能性腈綸纖維， 以適應(yīng)市場需求。 竹炭纖維的問世， 滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的對功能性紡織品的需求， 受到紡織行業(yè)的廣泛關(guān)注。 采用竹炭纖維制成的織物具有超強(qiáng)的吸附、 除臭、 吸濕排汗、 蓄熱保暖、 抑菌防霉和良好的遠(yuǎn)紅外與負(fù)離子發(fā)射、 抗紫外線等功能, 是高檔內(nèi)衣、 運(yùn)動休閑裝及外套的良好面料[3]。 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維是吉林化纖集團(tuán)開發(fā)的新型功能性纖維， 具有優(yōu)良的保暖性、 透氣性、 舒適性， 適合做保暖內(nèi)衣、 毛衫褲、 棉服的保暖絮填料， 還可用于襪子、 圍巾、手套、 毛毯， 床上用品[4]。 竹炭腈綸纖維是一種新型纖維， 目前就其性能研究還處于初始階段。 而纖維的性能對紡織和染整加工都有著重要影響， 因此為了了解竹炭腈綸纖維的性能，就蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的性能進(jìn)行了研究。通過對其與普通腈綸纖維的對比試驗(yàn)， 分析研究竹炭腈綸纖維的性能特點(diǎn)， 為其紡織和染整生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1. 1 實(shí)驗(yàn)材料

1. 67 dtex 棉型蓄熱散熱竹炭腈綸纖維和1. 67 dtex 有光棉型普通腈綸纖維 （吉林化纖有限公司）。

1. 2 測試儀器和方法

1. 2. 1 纖維燃燒性能測試

參照紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ／T 01057. 2 - 2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法》 第2 部分： 燃燒法。用鑷子夾取一小束 (約重50 ～100 mg) 纖維，仔細(xì)觀察纖維在接近酒精燈火焰、 在火焰中、離開火焰時(shí)的燃燒狀態(tài)、 燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣味和燃燒后殘?jiān)卣鞯取?/p>

1. 2. 2 纖維的微觀形態(tài)

采用日本Hitachi S450 型掃描電鏡對兩種腈綸纖維進(jìn)行縱向形態(tài)和橫截面的觀察。 在測試電壓15 kV， 放大倍數(shù)為1 500 倍， 分辨率為1. 0 nm 的掃描電子顯微鏡下進(jìn)行檢測觀察。

1. 2. 3 纖維力學(xué)性能測試

纖維在紡織加工和使用中都會受到各種外力作用 （如拉伸、 彎曲、 扭轉(zhuǎn)、 壓縮、 摩擦等）而產(chǎn)生變形， 甚至遭到破壞， 纖維承受各種外力作用所呈現(xiàn)的特性稱為力學(xué)性能[5-6]。 試驗(yàn)測試的纖維力學(xué)性能包括纖維斷裂強(qiáng)力和纖維摩擦性能。 試樣在溫度20 ℃， 相對濕度41%條件下平衡24 h 后進(jìn)行測試。

（1） 纖維強(qiáng)力

采用的儀器為YG004N 型電子單纖維強(qiáng)力儀(南通三思)。 在拉伸速度100 mm／min， 試樣長度15 mm 的條件下， 對所選的兩種腈綸纖維的斷裂強(qiáng)力進(jìn)行測試。 每種纖維測試次數(shù)為20次， 取平均值。

（2） 纖維摩擦性能

試驗(yàn)采用的試驗(yàn)儀器為Y151 型纖維摩擦系數(shù)測定儀。 采用絞盤法測量[7]。 本試驗(yàn)分別測試兩種腈綸纖維與金屬棍、 纖維與纖維棍、 纖維與橡膠輥的摩擦系數(shù)。 摩擦輥轉(zhuǎn)速為30 r／min，線速度75 cm／min， 預(yù)加張力設(shè)為0. 098 cN，每根掛絲重復(fù)測定操作2 ～ 3 次， 每個(gè)輥軸要測6 根絲， 選同一種類的5 個(gè)輥軸供測定30 個(gè)數(shù)值， 分別記錄之， 并求出扭力天平讀數(shù)的平均值， 并根據(jù)公式算出摩擦系數(shù)。

1. 2. 4 纖維吸濕性能測試

參照標(biāo)準(zhǔn)GB6503 - 2008 化學(xué)纖維回潮率試驗(yàn)方法。 本試驗(yàn)采用Y802A 型八籃恒溫烘箱，在工作電壓220 V， 加熱功率2. 75 kW 下對兩種腈綸纖維的回潮率進(jìn)行測試。 每種纖維在室內(nèi)溫度為20 ℃， 相對濕度41% 條件下， 平衡24 h后進(jìn)行箱外冷稱重10 g， 烘箱內(nèi)試樣暴露處的溫度為(110 ± 2) ℃， 烘躁時(shí)間為2 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維的燃燒性能

兩種纖維的燃燒特征記錄結(jié)果如表1 所示。

表1 纖維燃燒性能

從表1 可以看出， 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的燃燒性能與普通有光腈綸相似， 兩種腈綸在燃燒性能上差別不大。 竹炭腈綸遇火焰收縮，離開火焰繼續(xù)燃燒， 燃燒速度大于普通腈綸，在燃燒過程中伴有大量黑煙， 并且有輕微的燒紙味。 這是由于竹炭腈綸里面添加了竹炭微粉的緣故。 兩種腈綸纖維的燃燒殘留物都為松脆的黑色硬塊， 用手指碾挫易碎。

2. 2 纖維的微觀形態(tài)

實(shí)驗(yàn)所選用的兩種腈綸纖維在電子顯微鏡下橫截面和縱向形態(tài)的SEM 圖片， 如圖1 ～圖4所示。

從圖1 ～圖4 可以看出， 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的截面有豐富的蜂窩狀微孔結(jié)構(gòu)分布， 截面為不規(guī)則類似于圓形或橢圓形。 縱向表面有很多溝槽， 略微粗糙。 因此， 在紡紗過程中，會增大纖維間的抱合力， 使纖維間不易滑脫，提高成紗強(qiáng)力。 由于竹炭腈綸纖維表面和內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)， 成紗后紗線及其制成的織物， 產(chǎn)品不僅具有良好的吸濕放濕性能、 保暖性能和透氣性能， 而且還具有一定的吸附性能。 穿著輕薄的竹炭腈綸纖維織物制成的各類貼身服裝，如T 恤衫、 內(nèi)衣、 運(yùn)動衣、 休閑服等， 竹炭腈綸纖維的微孔可快速吸收皮膚散發(fā)的濕氣和汗液， 并向周圍空氣快速擴(kuò)散， 從而保持皮膚干爽， 使穿著者持續(xù)保持干爽舒適的狀態(tài)。 而冬季使用竹炭腈綸纖維制作的棉被、 棉服、 襪子、手套， 或者穿著由厚實(shí)的竹炭腈綸纖維織物制成的服裝， 纖維微孔中儲存的大量熱能和所含有的靜止空氣， 可以防止冷空氣入侵,既保暖又輕便。

圖1 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維橫截面形態(tài)

圖2 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維縱面形態(tài)

圖3 有光普通棉型腈綸纖維橫截面形態(tài)

圖4 有光普通棉型腈綸纖維縱面形態(tài)

2. 3 纖維力學(xué)性能

2. 3. 1 纖維強(qiáng)力

纖維強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 纖維拉伸性能

從表2 可以看出， 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率都比普通有光腈綸纖維的大。 這可能是由于竹炭腈綸纖維維中加入了納米級竹炭微粉， 造成纖維內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變， 從而影響了纖維的拉伸性能。 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維相對普通有光腈綸纖維而言耐用性會更好。

2. 3. 2 纖維摩擦性能

纖維的摩擦性能不僅影響紡、 織加工性能，而且影響成品的手感風(fēng)格。 纖維的摩擦還會導(dǎo)致纖維的磨損和變形， 產(chǎn)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移、 生熱和靜電現(xiàn)象[8-9]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 纖維摩擦系數(shù)

由表3 可以看出蓄熱散熱竹炭腈綸纖維與普通有光腈綸纖維相比， 其系數(shù)略小， 纖維的動、 靜摩擦系數(shù)相差不大。 這是因?yàn)槠胀ㄓ泄怆婢]纖維截面呈圓形， 表面比較平整， 使纖維相對滑動時(shí)接觸面積不大， 摩擦系數(shù)略高。 竹炭腈綸纖維因其表面有竹炭微粉， 使得其表面有一定的粗糙， 表面積相對有所增大， 從而其摩擦系數(shù)得以減小。

兩種腈綸纖維的靜摩擦系數(shù)均大于動摩擦系數(shù)。 纖維的手感與動、 靜摩擦系數(shù)的大小和兩者的差值有關(guān)。 靜摩擦系數(shù)大， 且與動摩擦系數(shù)差值也大的纖維， 其手感硬而且發(fā)澀。 反之， 靜摩擦系數(shù)小， 且與動摩擦系數(shù)差值也小的纖維， 其手感柔軟。 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知， 竹炭腈綸纖維相對于普通腈綸纖維來說手感較柔軟。

纖維的摩擦系數(shù)不僅影響纖維的手感， 而且影響紡紗工藝和成紗質(zhì)量。 纖維間摩擦系數(shù)大， 特別是靜摩擦系數(shù)大， 纖維間抱合力大, 有助于加工過程中纖維的聚集， 防止纖維擴(kuò)散， 提高成卷、 成網(wǎng)時(shí)半制品的成形質(zhì)量， 增加成紗強(qiáng)力[10]。 從表3 可以看出， 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的靜摩擦系數(shù)大于其相應(yīng)的動摩擦系數(shù)， 這有利于纖維成卷、 加壓、 防黏等。 纖維與纖維棍的摩擦系數(shù)介于纖維與金屬棍和纖維與橡膠輥之間。 纖維與機(jī)件間摩擦系數(shù)大， 有利于牽伸過程中鉗口對須條的握持， 但在開松和梳理過程中， 因纖維轉(zhuǎn)移困難會形成纏繞性反復(fù)打擊， 從而導(dǎo)致纖維損傷加劇， 造成紗線和機(jī)件的磨損。 因此， 為了保證紡紗的順利進(jìn)行， 應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档屠w維與機(jī)件之間的摩擦系數(shù)。

2. 4 纖維吸濕性能

通常， 把纖維材料從大氣中吸收水分或向大氣放出水分的能力稱為吸濕性[5]。 紡織材料吸濕性高低通常用回潮率表示， 紡織材料的回潮率大， 表示吸濕性強(qiáng)。

通過測試， 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的回潮率高于普通有光腈綸纖維的回潮率， 其回潮率分別為1. 71%和1. 52%。 因?yàn)橹裉侩婢]纖維表面和內(nèi)部有很多微孔， 而微孔的存在使得纖維有良好的吸濕放濕性能、 保暖性能和透氣性能。另外， 竹炭腈綸纖維中的竹炭顆粒具有吸附的功能， 使得竹炭腈綸纖維比一般的腈綸纖維吸濕性能更好， 提高了纖維的回潮率。 竹炭腈綸纖維回潮率的提高， 不僅有利于紡織加工， 減少靜電的產(chǎn)生， 而且可以提高穿著舒適性， 適合于制作工作裝、 運(yùn)動服裝、 內(nèi)衣等服裝。

3 結(jié)論

(1) 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維表面和內(nèi)部分散著大小不均勻的微孔， 其微孔結(jié)構(gòu)可增加纖維間的抱合力， 提高成紗質(zhì)量、 織物的透濕透氣性、 蓬松度、 覆蓋性和保暖性。 據(jù)此特點(diǎn)， 用竹炭腈綸纖維開發(fā)運(yùn)動服、 工作服等制品能快速吸水與擴(kuò)散， 舒適性大幅度提高。

(2) 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率均大于普通有光腈綸纖維， 耐用性比普通腈綸纖維要好。

(3) 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的摩擦系數(shù)比普通有光腈綸纖維的略小， 手感較柔軟。

(4) 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的回潮率比普通有光腈綸纖維的大， 有利于紡織加工， 提高穿著舒適性。

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