形狀記憶包芯紗的制備及其記憶性能研究

金關(guān)秀 胡金蓮 呂 晶

（1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興，312000；2.香港城市大學(xué)，中國香港；3.香港理工大學(xué)，中國香港）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)服飾功能性、舒適性的要求越來越高，擁有可設(shè)計(jì)的形狀固形與回復(fù)性能的形狀記憶紡織品越來越受關(guān)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(wěn)定的臨時(shí)形狀，而在受到熱刺激時(shí)可回復(fù)至原來的形狀［3］。原因在于形狀記憶聚氨酯高分子微相結(jié)構(gòu)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(huán)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(yīng)用于各類紡織品，含SMF 織物具備起拱回復(fù)、折痕保持以及對(duì)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(guān)，而且與包芯紗的制備技術(shù)條件有著密切的關(guān)系，由于包芯紗的捻系數(shù)對(duì)紗線及其所制成織物的性能和風(fēng)格具有直接的影響，且SMF 對(duì)張力極其敏感，因此本研究就SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)和紗線捻系數(shù)對(duì)棉SMF 包芯紗形狀記憶性能的影響進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)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(fù)溫度65 ℃，斷裂強(qiáng)度1.1 cN/dtex，斷裂伸長率130%，形變固定率95%，形狀回復(fù)率97%，彈性回復(fù)率11%）；純棉粗紗條（精梳棉纖維，定量4.6 g/10 m，捻系數(shù)80）。試樣設(shè)備為加裝了包芯紗紡紗裝置的FA502 型細(xì)紗機(jī)，試驗(yàn)中分別設(shè)定不同的SMF預(yù)牽伸倍數(shù)和紗線捻系數(shù)制備JC 14.6 tex（44 dtex SMF）紗。SMF 對(duì)張力很敏感，在包芯紗加工過程中應(yīng)盡可能降低冷拉伸的程度，否則會(huì)導(dǎo)致SMF 形狀記憶性能過早發(fā)生效應(yīng)，從而擴(kuò)大包芯紗沿長度方向片段之間的應(yīng)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(yù)牽伸倍數(shù)不宜設(shè)定過高。包芯紗的形狀記憶性能是由芯絲SMF 提供的，強(qiáng)力和耐磨性則由包覆在外面的棉纖維承擔(dān)，而SMF 芯絲的存在使得外包棉纖維的抱合力減弱，導(dǎo)致包芯紗的強(qiáng)力和耐磨性降低，由此應(yīng)適當(dāng)增大捻系數(shù)以增強(qiáng)纖維之間的抱合力，本試驗(yàn)將包芯紗的捻系數(shù)設(shè)計(jì)成高于相同規(guī)格紗線10%～20%。其他設(shè)備工藝條件：羅拉隔距19 mm×33 mm；后區(qū)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(shù)主要有形變固定率、形狀回復(fù)率和起拱回復(fù)性。其中起拱回復(fù)性僅能用于片狀材料（如織物）的形狀記憶性能評(píng)價(jià)；形變固定率和形狀回復(fù)率這兩個(gè)指標(biāo)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(gè)指標(biāo)的數(shù)值越大，材料的形狀記憶性能就越好［8］。由于所研究對(duì)象為紗線（線狀材料），故采用形變固定率和形狀回復(fù)率對(duì)棉SMF 包芯紗的記憶性能進(jìn)行表征。

本研究采用熱循環(huán)拉伸法在Instron5566 型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行包芯紗形變固定率和形狀回復(fù)率的測試，過程按照加熱?變形?固形?回復(fù)的程序進(jìn)行。將紗線加溫至高于SMF 的形變回復(fù)溫度的70 ℃時(shí)拉伸15%（記為總形變T）并維持，將其冷卻至21 ℃，釋負(fù)，紗線將產(chǎn)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(fù)到原來形狀，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄已恢復(fù)的形變R。以上測試循環(huán)重復(fù)3 次。按照公式（1）、（2）分別計(jì)算形變固定率Rf（表征紗線固定形變的能力）和形狀回復(fù)率Rr（表征紗線經(jīng)變形后恢復(fù)其原有形狀的能力）的數(shù)值［8］，計(jì)算5 個(gè)試樣測試結(jié)果的平均值，作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)對(duì)包芯紗記憶性能的影響

圖1 為SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響。各包芯紗捻系數(shù)均為420。

圖1 SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響

由圖1 可見，隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，包芯紗的形變固定率呈單調(diào)下降趨勢，SMF 預(yù)牽伸從1.0 倍增大至1.5 倍時(shí)，包芯紗形變固定率由92.7%下降至85.5%。分析認(rèn)為，在微觀相結(jié)構(gòu)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(yuǎn)低于普通聚氨酯，但仍具有一定的彈性回復(fù)率（11%），隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增大，SMF 芯絲彈性回復(fù)長度的絕對(duì)值隨之增大，使得其形變固定部分的量值減小，由此導(dǎo)致包芯紗的形變固定率下降。

由圖1 還可見，隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，包芯紗的形狀回復(fù)率呈單調(diào)上升趨勢，SMF預(yù)牽伸從1.0 倍增大至1.5 倍時(shí)，包芯紗形狀回復(fù)率由86.6%上升至93.1%。分析認(rèn)為，SMF的形狀回復(fù)的量值實(shí)質(zhì)上是釋負(fù)后記憶回復(fù)量和彈性回復(fù)量這兩者的疊加。隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增大，SMF 芯絲彈性回復(fù)長度的絕對(duì)值隨之增大，使得其形狀回復(fù)的總量值也增大，從而導(dǎo)致包芯紗的形狀回復(fù)率上升。

2.2 捻系數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響

圖2 為紗線捻系數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響。各包芯紗SMF 預(yù)牽伸均為1.2 倍。

圖2 捻系數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響

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

由圖2 還可見，隨著紗線捻系數(shù)的增加，其形狀回復(fù)率呈先升后降的態(tài)勢，其峰值出現(xiàn)在捻系數(shù)為420 時(shí)。一方面，隨著捻系數(shù)的增大，SMF所受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力也隨之增大，當(dāng)SMF 被加熱至高于其形變回復(fù)溫度時(shí)，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在纖維軸向的分力會(huì)增強(qiáng)SMF 的形狀回復(fù)效應(yīng)，由此包芯紗的形狀回復(fù)率數(shù)值將增大；另一方面，隨著紗線捻系數(shù)的增大，外包棉纖維對(duì)SMF 芯絲的包纏緊度隨之提高，不利于SMF 芯絲的形狀回復(fù)，由此包芯紗的形狀回復(fù)率將減小。分析認(rèn)為，捻系數(shù)增大對(duì)SMF 芯絲形狀回復(fù)的積極作用在捻系數(shù)較低（420 左右）時(shí)占主導(dǎo)地位；在捻系數(shù)超過420 左右時(shí)，因外包棉纖維對(duì)SMF 芯絲的包纏緊度增大而減弱包芯紗形狀回復(fù)效應(yīng)的因素占主導(dǎo)地位。

3 結(jié)論

SMF 牽伸倍數(shù)和紗線捻系數(shù)與紗線的形狀記憶性能之間具有密切的內(nèi)在聯(lián)系，在包芯紗的成紗過程中，SMF 的變形是拉伸變形與扭轉(zhuǎn)變形的疊加，而SMF 的形狀回復(fù)量值實(shí)質(zhì)上是釋負(fù)后記憶回復(fù)量和彈性回復(fù)量這兩者的疊加。隨著SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，包芯紗的形變固定率呈下降趨勢，但形狀回復(fù)率呈上升趨勢；隨著紗線捻系數(shù)的增加，其形變固定率呈先降后升的態(tài)勢，而形狀回復(fù)率呈先升后降的態(tài)勢。探明SMF 預(yù)牽伸倍數(shù)和紗線捻系數(shù)對(duì)包芯紗形狀記憶性能的影響規(guī)律，對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)含SMF 紡織品具有參考價(jià)值。