超雙疏高強(qiáng)防護(hù)手套的研究與開發(fā)

方園 明晶晶 毛慧敏 黃浚峰

摘?要：針對(duì)高強(qiáng)防護(hù)手套編織工藝難度大、紗紗易產(chǎn)生芯紗裸露、影響織物強(qiáng)力和耐磨等問題，對(duì)高強(qiáng)防護(hù)手套的原料選擇、包覆、編織和涂覆工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究。分析包覆紗的受力分析及牽伸比、超喂、張力控制對(duì)包覆紗成紗質(zhì)量的影響，研究了手套編織的關(guān)鍵工藝技術(shù)以及生態(tài)環(huán)保的超涂覆工藝技術(shù)。通過對(duì)包覆工藝參數(shù)的優(yōu)化，采用手指部位的加固編織技術(shù)，以及對(duì)編織成形的手套進(jìn)行雙疏整理，賦予了高強(qiáng)防護(hù)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(qiáng)防護(hù)手套生產(chǎn)工藝難題，對(duì)于企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)及實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用與參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：防護(hù)手套;高強(qiáng)纖維;加固編織;雙疏整理

中圖分類號(hào)：TS189

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(huì)發(fā)展和紡織技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?cè)谥匾暽a(chǎn)安全的同時(shí)，對(duì)防護(hù)紡織品的關(guān)注也越來越高。手套作為人體受傷率最高的手部的防護(hù)產(chǎn)品，很早就得到了應(yīng)用。但由于普通帆布手套和棉手套強(qiáng)度低、耐磨性差，手套的功能性比較單一，無法滿足人們?cè)谏a(chǎn)過程中對(duì)安全的需求，應(yīng)用受到很大的局限性。隨著現(xiàn)代紡織技術(shù)的發(fā)展，大量高強(qiáng)高模高性能纖維的出現(xiàn)，人們開始關(guān)注采用高性能纖維來研發(fā)高強(qiáng)防護(hù)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(qiáng)防護(hù)手套的服用性能，須采用多種纖維進(jìn)行編織，使防護(hù)手套能滿足高強(qiáng)、耐磨、耐拉伸等要求。本文擬通過對(duì)高強(qiáng)防護(hù)手套的包覆、編織和涂覆工藝的深入分析，研究超雙疏高強(qiáng)防護(hù)手套的制備方法，以解決超雙疏高強(qiáng)防護(hù)手套生產(chǎn)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(fā)展起來的高性能纖維，具有高強(qiáng)、高模、抗沖擊、耐腐蝕等優(yōu)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(qiáng)度高和模量高的優(yōu)勢(shì)，價(jià)格大大低于芳綸1414和碳纖維，是作為高強(qiáng)防護(hù)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(huì)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(yīng)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(jié)構(gòu)緊密的彈性包覆紗，可以彌補(bǔ)超高分子量聚乙烯?纖維性能的不足，從而使防護(hù)手套具有高強(qiáng)、耐磨、耐拉伸等優(yōu)越性能。

1.2?包覆工藝

1.2.1?包覆工藝過程

為了賦予防護(hù)手套優(yōu)良的高強(qiáng)、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(qiáng)復(fù)合彈性包覆紗形成多纖維緊密型均勻分布的線性結(jié)構(gòu)。彈性包覆紗工藝流程如圖1所示。

高強(qiáng)彈性包覆紗的芯紗為氨綸絲，內(nèi)外層分別包覆錦綸絲和高強(qiáng)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(jīng)錠子中心喂入包覆區(qū)域。在一次包覆區(qū)中，紗線筒管高度回轉(zhuǎn)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(qiáng)聚乙烯絲以相同的方式反向在錦綸紗線上進(jìn)行二次包覆，實(shí)現(xiàn)緊密型均勻分布的線性結(jié)構(gòu)彈性紗線的包覆。

通過對(duì)紗線不同組分的強(qiáng)力對(duì)比，發(fā)現(xiàn)包覆紗的斷裂強(qiáng)力與純高強(qiáng)聚乙烯斷裂強(qiáng)力比較接近，但是包覆紗斷裂伸長(zhǎng)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(zhǎng)更大。包覆紗拉伸性能并非各組分性能的簡(jiǎn)單疊加，包覆紗成紗性能與空心錠子回轉(zhuǎn)角速度、包覆絲牽伸速度和氨綸絲喂入牽伸比關(guān)系密切。

1.2.2?包覆紗受力分析及其對(duì)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(shí)外層高強(qiáng)聚乙烯絲和內(nèi)層紗的受力狀況。

圖3（a）表示內(nèi)層包覆紗在芯紗喂入張力T、內(nèi)層包覆紗Tq1和向上牽伸力Tj13個(gè)力作用下保持平衡，圖3（b）表示二次包覆紗在來自內(nèi)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(xué)模型下，一次包覆點(diǎn)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(zhì)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(zhuǎn)中心最大半徑，cm，R為退繞點(diǎn)處距錠子回轉(zhuǎn)中心半徑，cm。

微元ds兩端受力分別為Ts和Ts+ds，同時(shí)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(diǎn)處也會(huì)產(chǎn)生張力波動(dòng)，此波動(dòng)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(jì)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(jié)構(gòu)就越趨于穩(wěn)定;ΔTq越大，則張力的波動(dòng)對(duì)成紗的影響就越明顯[9]。通過對(duì)工藝的研究，對(duì)包覆紗性能影響較為顯著的因素有：包覆機(jī)錠子回轉(zhuǎn)速度、紗線的牽伸速度和氨綸絲喂紗的牽伸比。

對(duì)比不同組分的紗線強(qiáng)力，包覆紗斷裂強(qiáng)力與純高強(qiáng)聚乙烯強(qiáng)力比較接近，但是其斷裂伸長(zhǎng)更大，包覆后拉伸性能并非各組分性能的簡(jiǎn)單疊加，成紗性能與錠子回轉(zhuǎn)角速度、包覆絲牽伸速度和氨綸絲喂入牽伸比關(guān)系密切[5]。錠子的回轉(zhuǎn)速度、包覆紗捻度和包覆張力的大小都對(duì)包覆紗性能有較大的影響，且張力波動(dòng)不僅會(huì)使氨綸芯絲牽伸張力變化，還會(huì)導(dǎo)致包覆紗捻度發(fā)生變化。氨綸絲喂入量的變化對(duì)保持紗線包覆結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shè)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(qiáng)聚乙烯進(jìn)行包覆時(shí)，可設(shè)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(jié)構(gòu)均勻，紗線性能優(yōu)良，能滿足高強(qiáng)手套的服用要求[7]，包覆紗的紗線結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2?高強(qiáng)防護(hù)手套的編織

高強(qiáng)防護(hù)手套是采用高強(qiáng)彈性包覆紗編織而成。由于高強(qiáng)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(qiáng)防護(hù)手套編織過程中更為明顯。因此，必須對(duì)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(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行深入的研究。

手套是在電腦手套機(jī)成圈機(jī)構(gòu)上進(jìn)行編織。手套機(jī)上有前后兩個(gè)針床，在兩個(gè)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(jī)構(gòu)中配置有舌針、沉降片、三角、導(dǎo)紗嘴等成圈機(jī)件，舌針在三角的作用下進(jìn)行上下成圈編織，并在挺針片和沉降片的配合下，實(shí)現(xiàn)手套織物的選針成形編織。舌針與輔助成圈機(jī)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(jìn)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(duì)下手掌，寬度與四指相同。小掌編織完成后，再進(jìn)行拇指及其指叉的編織，然后編織大掌，大掌為五指對(duì)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(shí)，機(jī)頭從左向右運(yùn)動(dòng)，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(shí)，前后兩個(gè)手指指間重復(fù)使用幾枚針，產(chǎn)生線圈的交迭以加固指間連接部分。手掌編織時(shí)，要把之前四個(gè)手指編織結(jié)束后的多余紗線編入在內(nèi)，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(jù)高強(qiáng)手套的編織特點(diǎn)與要求，必須對(duì)成圈機(jī)件結(jié)構(gòu)作必要的技術(shù)改進(jìn)，并采用手指部位的加固編織技術(shù)，以滿足高強(qiáng)手套的編織要求。加固編織工藝技術(shù)特點(diǎn)：

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

b）通過調(diào)節(jié)線圈密度，密度稍緊使得編織時(shí)改善線圈強(qiáng)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(shí)現(xiàn)各指叉部交迭編織，增設(shè)了一個(gè)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(dòng)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(shù)

手套完成編織后，需在手套表面進(jìn)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(hù)手套的應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)品有限公司（中國(guó)））;二甲基乙酰胺（常州德化化工有限公司，工業(yè)級(jí)）;滲透劑JFC，氨基硅油（Ecocare Dc949）（DowCorning公司）;氟硅偶聯(lián)劑（南京坤成化工有限公司，工業(yè)級(jí)）;聚丁二烯樹脂（上海森迪化工有限公司，分析純）;消泡劑（濟(jì)南翔邦化工有限公司，工業(yè)級(jí)）;丁二醇（上海順雅化工進(jìn)出口有限公司，分析純）。

超雙疏高分子涂層，可實(shí)現(xiàn)良好的抗油抗水性能，在防護(hù)手套上涂覆超雙疏高分子漿液，增加了防護(hù)手套的使用范圍和使用壽命[10]。為滿足國(guó)內(nèi)外無毒或低毒的標(biāo)準(zhǔn)，采用一種綠色環(huán)保的溶劑—二甲基乙酰胺（Methamphetamine）來替代傳統(tǒng)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(dá)到超疏油性能，首先要對(duì)PU涂料進(jìn)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(diǎn)一點(diǎn)的加入到PU樹脂中，讓醇化氟烷與PU中酯類鍵反應(yīng);

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

d）將上述反應(yīng)的氟化PU分別進(jìn)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(zhì)量數(shù)25%的聚氨酯和5%的聚丁二烯樹脂來增強(qiáng)手套的彈性，加入含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的二甲基乙酰胺（DMAC）溶劑的膠槽中，溶液均勻后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%CF消泡劑和2%滲透劑，最后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的氟硅偶聯(lián)劑以及5%的聚丁二烯樹脂。

此外，為了使涂層實(shí)現(xiàn)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(xiàn)一定三維結(jié)構(gòu)或類荷葉表面的微凸起構(gòu)型[11]。為構(gòu)建微凸結(jié)構(gòu)，可采用常壓等離子體流化床設(shè)備和六甲基二硅氧烷單體（HMDSO）實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米碳酸鈣粉體的改性，在涂層內(nèi)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(shí)現(xiàn)超疏水特性，疏水效果非常明顯。

超雙疏涂層的制備機(jī)理是：在蒸發(fā)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(jié)構(gòu);隨著DMAC的蒸發(fā)，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(jié)構(gòu)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(nèi)部張力隨著溶劑的蒸發(fā)而增大，當(dāng)其增加到一定值時(shí)，氟化聚氨酯薄層將斷裂成碎片，而這種碎片將會(huì)在改性納米碳酸鈣上形成納米級(jí)結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)，氟化聚氨酯也會(huì)發(fā)生自相分離。

經(jīng)過上述步驟的處理，可以制得一種生態(tài)環(huán)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(shí)又具有綠色環(huán)保的性能，符合超雙疏手套浸膠生產(chǎn)的環(huán)保要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，該手套涂層涂覆效果良好，并可解決傳統(tǒng)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(qiáng)防護(hù)手套成品的涂覆工藝過程是將編織完成的手套芯對(duì)號(hào)套入手摸，手模運(yùn)送帶把手套芯運(yùn)送漿液槽位置，漿液槽自動(dòng)上升到某一高度手套浸入漿液中，暫停一段時(shí)間后漿液槽下降，浸膠的手模運(yùn)送到下一工位進(jìn)入凝固工序，浸膠的手模表面凝固后進(jìn)入烘箱烘干，最后經(jīng)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(jié)?論

a）研究分析了包覆機(jī)錠子回轉(zhuǎn)速度、氨綸絲喂紗牽伸比、紗線的牽伸速度和紗線張力對(duì)紗線包覆性能的影響，通過對(duì)包覆工藝參數(shù)的優(yōu)化，使復(fù)合彈性包覆紗形成多纖維均勻分布的緊密型線性結(jié)構(gòu)，提高了包覆紗的性能。

b）對(duì)高強(qiáng)手套的編織工藝進(jìn)行了深入研究，采用手指加固編織工藝方法以及成圈機(jī)件的設(shè)計(jì)優(yōu)化，較好地解決了高強(qiáng)防護(hù)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(jīng)超雙疏涂層處理后，手套涂層涂覆效果優(yōu)良?？椢锘某p疏涂層具有良好的疏液性，對(duì)水和油的靜態(tài)接觸角（CA）均大于150°，符合超雙疏防護(hù)手套的使用要求。

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