彈力包芯紗產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展

繆璐璐 孟小奕 虞美雅 沈國(guó)建 鄒專(zhuān)勇

（1.紹興文理學(xué)院，浙江紹興，312000；2.浙江天圣化纖有限公司，浙江紹興，312030）

隨著人們生活水平和生活質(zhì)量的提高，彈性好且耐久性好的紡織品備受人們的青睞。彈性纖維種類(lèi)很多，總體可分為聚氨酯纖維（如氨綸）、聚醚酯彈性纖維（如PET/PEO）、聚酯類(lèi)彈性纖維（如PBT、PTT、PET/PTT 雙組分復(fù)合卷曲纖維）、聚烯烴彈性纖維（如陶氏XLA 纖維）和硬彈性纖維（如硬彈性PP 和聚偏氟乙烯纖維）等［1］。但彈性纖維存在易老化、手感差等缺陷，往往需要包覆使用，以包芯紗的方式用于織物中［2］。彈力包芯紗是以彈性長(zhǎng)絲為芯紗，短纖維連續(xù)包纏伸長(zhǎng)狀態(tài)下的彈力長(zhǎng)絲而形成的彈力紗線。這種紗線紡紗工藝可靠，成紗性能好，不僅具備彈性纖維的彈性，且相較于包覆紗線而言拉伸時(shí)較少存在露芯現(xiàn)象，被廣泛應(yīng)用于彈性服用紡織品的開(kāi)發(fā)。然而彈力包芯紗的結(jié)構(gòu)特征是影響彈力包芯紗性能的重要因素，基于纖維原料通過(guò)對(duì)彈力包芯紗的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)功能紡織品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

1 彈力包芯紗加工與開(kāi)發(fā)進(jìn)展

1.1 單芯彈力包芯紗

單芯彈力包芯紗是由單根彈性長(zhǎng)絲和短纖維組成的芯鞘結(jié)構(gòu)紗線，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種成分間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，即芯絲提供彈性，外包纖維提供強(qiáng)力和表觀特性。彈力包芯紗的結(jié)構(gòu)性能受各式紡紗設(shè)備的影響存在差異。目前生產(chǎn)彈力包芯紗的設(shè)備大多由環(huán)錠細(xì)紗機(jī)改裝而成。在環(huán)錠紡實(shí)際生產(chǎn)中，由于鉗口須條的變動(dòng)性、多單元生產(chǎn)的特點(diǎn)很難統(tǒng)一控制，且加捻必然存在纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移，無(wú)法將芯絲穩(wěn)定于截面中心位置，從而易出現(xiàn)露芯和包覆不均的問(wèn)題；而噴氣渦流紡的芯絲穩(wěn)定處于渦流的中心，纖維束在旋轉(zhuǎn)氣流的影響下層層包繞芯絲，因此紗線各組分之間具有優(yōu)異的抱合力且包覆均勻，可形成真正意義上的包芯紗。通過(guò)對(duì)比紗線結(jié)構(gòu)性能發(fā)現(xiàn)，噴氣渦流紡紡出的包芯紗較為理想［3］。

單芯彈力包芯紗滿(mǎn)足人們對(duì)彈性紗線的基本要求，但仍存在不可忽視的缺陷，如紡織加工對(duì)紗線彈性伸長(zhǎng)率有較大的損耗，成品的彈性受限；織物在長(zhǎng)期使用中保持原彈性性狀的能力不理想甚至出現(xiàn)失彈等現(xiàn)象，彈性回復(fù)性能下降影響穿著舒適性和美觀性。

1.2 雙芯彈力包芯紗

雙芯彈力包芯紗以?xún)筛L(zhǎng)絲為芯紗，外包短纖維［4］。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于雙芯結(jié)構(gòu)將兩根長(zhǎng)絲優(yōu)勢(shì)性能合并或增強(qiáng)，改善單組分芯紗的缺陷，進(jìn)一步發(fā)揮了復(fù)合優(yōu)勢(shì)，賦予紡織品獨(dú)特的風(fēng)格特征和功能特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)兩種芯材的選擇做了不少?lài)L試，目前已成功開(kāi)發(fā)多種不同纖維原料組合的雙芯彈力包芯紗。以下列3 類(lèi)為主。

（1）雙彈性芯絲彈力包芯紗。雙芯均為彈性長(zhǎng)絲時(shí)，芯絲共同受力改善傳統(tǒng)單芯彈力包芯紗的彈性伸長(zhǎng)和彈性回復(fù)性能［5］。常見(jiàn)的雙彈性芯絲大多選擇氨綸與PET/PTT 雙組分復(fù)合長(zhǎng)絲組合［6］，有效發(fā)揮氨綸長(zhǎng)絲的優(yōu)越彈性與PET/PTT 雙組分復(fù)合長(zhǎng)絲的優(yōu)異彈性回復(fù)性和穩(wěn)定性，可生產(chǎn)具有高彈和高回彈性能的彈力包芯紗。雙彈性芯絲彈力包芯紗的應(yīng)用使織物的彈性穩(wěn)定性大大增加，舒適性和保形性的提升迎合了消費(fèi)者需求。

（2）剛性紗/彈性紗雙芯彈力包芯紗。雙芯分別為剛性長(zhǎng)絲和彈性長(zhǎng)絲，可實(shí)現(xiàn)剛性材料與彈性材料的復(fù)合，有效解決剛性材料服用性差等問(wèn)題，為柔性紡織品的功能開(kāi)發(fā)提供條件。如不銹鋼長(zhǎng)絲作為一種優(yōu)良電磁屏蔽材料，單獨(dú)使用時(shí)存在舒適性差、延展性低等問(wèn)題，若將其與氨綸長(zhǎng)絲共作芯絲并外包短纖使用時(shí)，氨綸長(zhǎng)絲優(yōu)異的彈性性能恰好能彌補(bǔ)不銹鋼長(zhǎng)絲的上述缺陷，為柔性防輻射服的制備提供可能［7］。

（3）可溶性紗/彈性紗雙芯彈力包芯紗。在包芯紗的雙芯結(jié)構(gòu)中采用可溶性紗，溶去可溶芯紗后可在包覆纖維中形成孔隙，主彈力芯紗與外覆層之間處于松弛的接觸狀態(tài)，使主彈力芯紗有更大的回縮空間。由于回彈阻力減少，回彈的效果得以改善，因此用空心彈力紗所制成的織物或服裝可實(shí)現(xiàn)快速回縮，解決穿衣時(shí)的變形問(wèn)題。

雙芯彈力包芯紗生產(chǎn)宜采用賽絡(luò)紡工藝，因賽絡(luò)紡紡紗過(guò)程中單紗須條的纖維轉(zhuǎn)移較傳統(tǒng)環(huán)錠紡少，纖維呈順直緊密的排列，使紗體表面光滑，成紗條干及強(qiáng)力都有所提高。同時(shí)賽絡(luò)紡采用雙根粗紗喂入，須條寬度相對(duì)變寬，有利于提高短纖對(duì)雙芯長(zhǎng)絲的包覆效果。生產(chǎn)雙芯彈力包芯紗時(shí)，尤其兩根芯絲存在彈性性能差異的情況下，需要單獨(dú)控制雙芯長(zhǎng)絲的張力，否則在成紗過(guò)程中紗線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定易出現(xiàn)斷頭、包覆不良、露芯以及橡皮紗現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)雙芯長(zhǎng)絲的良好喂入，主要從長(zhǎng)絲退繞張力和預(yù)牽伸張力兩方面進(jìn)行控制。侯小偉等［8］通過(guò)4 組方案比較得出紡制滌綸與氨綸長(zhǎng)絲為芯絲時(shí)的最佳退繞方式，即兩根長(zhǎng)絲采用單獨(dú)的送紗機(jī)構(gòu)控制，在導(dǎo)絲輪匯合后喂入前羅拉鉗口，有效避免了缺絲和芯絲張力波動(dòng)大的缺陷。孫延榮等［9］在探究雙彈性芯絲的喂入方式上，比較兩根彈性長(zhǎng)絲分別采用獨(dú)立導(dǎo)絲輪喂入、并絲后經(jīng)同一導(dǎo)絲輪喂入、通過(guò)包覆絲機(jī)包覆包后經(jīng)同一導(dǎo)絲輪喂入3 組方案，得出兩根彈性長(zhǎng)絲經(jīng)包覆工藝更利于成紗質(zhì)量控制，并以此法成功紡制了雙芯彈力包芯紗。徐照芳［10］為保證雙芯長(zhǎng)絲在喂入和運(yùn)行時(shí)張力適中穩(wěn)定，在確立適宜牽伸倍數(shù)后進(jìn)行了張力分配試驗(yàn)，并提出加裝吊環(huán)張力器、大導(dǎo)輪和張力膠輥可有效改善雙芯彈力包芯紗的包覆效果。曲華洋等［11］通過(guò)在紡紗設(shè)備上配置雙芯數(shù)控裝置，進(jìn)一步優(yōu)化不同質(zhì)芯絲的成紗質(zhì)量，紡出雙芯絲的紗體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

1.3 納米結(jié)構(gòu)彈力包芯紗

納米纖維具有高的比表面積，是構(gòu)建多功能性紡織品的理想載體，但因納米纖維直接紡成的紗線強(qiáng)度不夠，限制了納米纖維在紡織領(lǐng)域的產(chǎn)品形式與應(yīng)用。而包芯紗結(jié)構(gòu)具備復(fù)合優(yōu)勢(shì)，將靜電紡納米纖維加捻包覆在常規(guī)紗線的表面形成納米包芯紗，可實(shí)現(xiàn)納米纖維與傳統(tǒng)紗線的有機(jī)結(jié)合，賦予一維納米結(jié)構(gòu)材料一定的力學(xué)性能和彈性性能，同時(shí)解決紗線二次加工的難題。

納米結(jié)構(gòu)彈力包芯紗的構(gòu)建主要有3 種形式。一是以普通長(zhǎng)絲為芯紗，外包彈性納米纖維制備納米纖維包芯紗［12］；二是以彈性長(zhǎng)絲為芯紗，外包納米纖維制備納米纖維包芯紗；三是以彈力包芯紗為柔性支架，納米纖維僅作為包覆部分。將靜電紡絲法制備的納米纖維通過(guò)旋轉(zhuǎn)氣流、圓盤(pán)［13］或喇叭漏斗［14］的旋轉(zhuǎn)作用卷繞到芯層表面從而形成包芯結(jié)構(gòu)納米紗線。然而現(xiàn)有的制備技術(shù)或比較復(fù)雜，或沒(méi)有考慮包芯紗上納米纖維的排列等問(wèn)題，且不同的工藝設(shè)置也會(huì)引起納米纖維包芯紗的形貌和各種力學(xué)性能的變化［15］。因此，通過(guò)制備工藝的優(yōu)化以構(gòu)建高產(chǎn)量、高定向、高取向的納米纖維包覆層，仍需進(jìn)一步地探索研究。未來(lái)如能克服納米一維材料生產(chǎn)產(chǎn)量上的局限，納米結(jié)構(gòu)彈力包芯紗在紡織品領(lǐng)域?qū)?huì)大有作為。

2 功能性彈力包芯紗產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用進(jìn)展

2.1 形狀記憶功能包芯紗產(chǎn)品

形狀記憶材料具有受特定的外界條件激發(fā)下產(chǎn)生預(yù)變形，而再次刺激后又能回復(fù)其預(yù)先設(shè)置形狀的特性［16］。紡織品用形狀記憶材料可分為形狀記憶合金（SMA）和形狀記憶聚合物（SMP）兩大類(lèi)，均可滿(mǎn)足紡織品對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的需求，在制備智能紡織品方面極具發(fā)展前景。以形狀記憶纖維（SMF）為芯紗紡制包芯紗，受環(huán)境變化觸發(fā)形狀記憶活動(dòng)，可用于花式紗線的研發(fā)生產(chǎn)［17］。如將形狀記憶包芯紗加熱至預(yù)設(shè)形變回復(fù)溫度以上，即伴隨芯紗發(fā)生形態(tài)回復(fù)的包覆纖維也產(chǎn)生了相應(yīng)的遷移，降溫后該形變?nèi)阅芾^續(xù)保持。目前該方法已成功紡出了圈圈線、粗松螺旋線、雪尼爾線等形狀記憶花式紗線。形狀記憶包芯紗織造成的織物［18］具備良好的折痕保持性能［19］、抗皺防縮性、起拱回復(fù)性［20］，且仍保留外包纖維親膚舒適等優(yōu)點(diǎn)，非常適合高品質(zhì)服裝與醫(yī)療衛(wèi)生用紡織品的生產(chǎn)，并且隨著智能紡織品研發(fā)的推進(jìn)，形狀記憶包芯紗應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 防護(hù)功能包芯紗

防護(hù)服是一類(lèi)能夠保護(hù)人體免受惡劣環(huán)境的影響，在某些可能存在危及生命或?qū)θ梭w造成相當(dāng)大損害的情況下，起積極防護(hù)作用的特殊服裝。防護(hù)服的種類(lèi)龐雜，在軍工、航天航空、消防、醫(yī)療、電力等部門(mén)均具有廣泛的應(yīng)用，且隨著人們防護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，防護(hù)服在民用防護(hù)領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，如防輻射服在孕婦服裝上的應(yīng)用。根據(jù)防護(hù)對(duì)象，防護(hù)服又可分為阻燃服、防電磁輻射服、防彈服、抗菌服等。作為直接防護(hù)裝備，在防護(hù)服的設(shè)計(jì)中舒適性與防護(hù)性同等重要［21］，防護(hù)產(chǎn)品越舒適越容易被使用者接受。采用彈力包芯紗可獲得防護(hù)能力好且舒適效果佳的防護(hù)服，同時(shí)雙芯彈力包芯紗較單芯在彈性和防護(hù)性上均占優(yōu)勢(shì)。曲華洋等［22］通過(guò)對(duì)不銹鋼/氨綸雙芯彈力包芯紗織物進(jìn)行產(chǎn)品性能試驗(yàn)，得出雙芯紗不僅符合電磁屏蔽防護(hù)產(chǎn)品的一般要求，且大大提升了織物彈性回復(fù)性能。

2.3 彈性導(dǎo)電功能包芯紗

利用包芯結(jié)構(gòu)可獲得兼?zhèn)淙嵝院蛯?dǎo)電性的紗線。按獲得途徑分兩類(lèi)：一是在可拉伸彈性材料上包覆導(dǎo)電纖維或涂覆導(dǎo)電層；二是采用雙芯彈力包芯紗，導(dǎo)電長(zhǎng)絲與彈性長(zhǎng)絲同為芯絲。這兩種方法制備的彈性導(dǎo)電體均具備優(yōu)良的導(dǎo)電特性，區(qū)別在于導(dǎo)電物質(zhì)所在的部位不同，即裸露的導(dǎo)電層和芯層導(dǎo)電，這可根據(jù)功能用途的需要進(jìn)行選擇。彈性導(dǎo)電體因?qū)щ娢镔|(zhì)的加入，改善了原本彈性紗線的防靜電功能，減少靜電放電和電磁干擾的危害［23］，可用于制造有屏蔽靜電感應(yīng)功能的導(dǎo)電服或用于容易產(chǎn)生靜電危險(xiǎn)環(huán)境的工作服。此外彈性導(dǎo)電紗線發(fā)揮導(dǎo)電和信號(hào)傳送器的作用，可成為智能紡織品和交互式紡織品的關(guān)鍵元件。如制備柔性傳感器用作監(jiān)測(cè)裝置在可穿戴健康監(jiān)測(cè)、人體活動(dòng)記錄等方面具有較好的發(fā)展?jié)摿?。為使傳感器獲得較高的靈敏度，多采用納米纖維材料制備。傳感器根據(jù)其傳感原理和材料結(jié)構(gòu)的不同，可感應(yīng)溫度、壓力、位移、電流等多種物理或者化學(xué)刺激。郭亞楠［24］以氨綸包芯紗線作為一個(gè)彈性支架，通過(guò)原位聚合在紗線上包覆納米聚苯胺作為導(dǎo)電組分，制備了可伸縮濕度傳感器。南楠［25］以滌綸長(zhǎng)絲作為芯紗，利用靜電紡絲技術(shù)獲得摻雜有碳納米管的聚氨酯納米纖維包芯紗，最后在紗線表面涂覆一層帶有導(dǎo)電銅絲的PDMS 凝膠膜，制得壓力傳感器。佑曉露［26］采用化學(xué)鍍鎳法制備了鍍鎳棉紗作為導(dǎo)電芯紗，通過(guò)共軛靜電紡絲技術(shù)，制備出基于PU 納米纖維包芯紗的電容式壓力傳感器。

2.4 柔性?xún)?chǔ)能功能包芯紗

基于紗線的柔性?xún)?chǔ)能器件與傳統(tǒng)紡織產(chǎn)品間具有良好的相容性，同時(shí)與非線性?xún)?chǔ)能設(shè)備相比具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和高效率等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)引起了業(yè)界的高度重視。目前儲(chǔ)能器件的研發(fā)主要為電能的存儲(chǔ)。包芯紗成為一種制備線性可拉伸超級(jí)電容的途徑，得益于包芯紗雙組分的特性，單紗上容易產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，且在一定應(yīng)力條件下紗線仍能保持電化學(xué)穩(wěn)定性。線性可拉伸超級(jí)電容滿(mǎn)足了人們對(duì)可穿戴電子裝置的制備需要［27］。為進(jìn)一步提高電極材料的電化學(xué)性能，采用增大電極活性材料的有效比表面積來(lái)容納更多參與反應(yīng)的遷移電荷。對(duì)此，學(xué)者們使用不同納米纖維材料制備的包芯紗做超級(jí)電容，如PAN 納米纖維包芯紗［28］，聚苯胺/不銹鋼長(zhǎng)絲包芯紗［29］、碳納米管/不銹鋼包芯紗［30］、MXene/碳納米纖維紗［31］等。其中只有少數(shù)文獻(xiàn)解決了柔性超級(jí)電容器可拉伸性的問(wèn)題。SUN J F 等［32］利用皮芯結(jié)構(gòu)在彈性纖維基體上依次包覆兩層由凝膠電解質(zhì)分隔的取向CNT 膜，制成了可拉伸線性超級(jí)電容器。其次紡織儲(chǔ)能器件還可實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)。相變材料在不同溫度下會(huì)發(fā)生相態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而吸收或釋放較大潛熱的材料。趙舟［33］將具有儲(chǔ)能作用的相變儲(chǔ)能熱紅外干擾長(zhǎng)絲做為芯絲，阻燃粘膠纖維為包覆部分制成了相變儲(chǔ)能紅外線干擾阻燃包芯紗。目前此類(lèi)儲(chǔ)能材料僅實(shí)現(xiàn)單芯包芯紗制備，還未能將彈性體融入其中，仍有很大的優(yōu)化空間。

3 彈力包芯紗的未來(lái)開(kāi)發(fā)趨勢(shì)

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的提高，為應(yīng)對(duì)社會(huì)市場(chǎng)需求變化，我國(guó)紡織行業(yè)正加快調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，朝著提升產(chǎn)品品質(zhì)方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。彈性紗線向著易護(hù)理、保形性好、多功能方向發(fā)展，其生產(chǎn)開(kāi)發(fā)應(yīng)注重以下3 個(gè)方面：一是聚焦纖維材料從單一走向多元，新型彈性纖維的出現(xiàn)和應(yīng)用促使彈性包芯紗保形性、耐久性得到了提高，更多功能性差別化纖維的加入賦予包芯紗特殊的性能優(yōu)勢(shì)；二是紗線結(jié)構(gòu)不斷得到優(yōu)化，雙芯彈力包芯紗、空心彈力包芯紗等新結(jié)構(gòu)紗線的出現(xiàn)明顯改善了傳統(tǒng)彈性紗線性能，但未來(lái)需發(fā)展更多具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)性能的紗線；三是紡紗設(shè)備仍有改進(jìn)的空間，如何進(jìn)一步提高包覆纖維的包覆率以減少芯紗露白、提高適紡原料的多樣性等問(wèn)題，仍需學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同探索。

包芯紗優(yōu)勢(shì)得到普遍的認(rèn)同，但若要進(jìn)一步提高市場(chǎng)份額，須把握市場(chǎng)的流行趨勢(shì)，提高研究開(kāi)發(fā)水平，不斷拓展彈力包芯紗新的應(yīng)用領(lǐng)域。一方面未來(lái)的紡織品必然更注重多功能的集聚，因此智能可穿戴紡織品的發(fā)展態(tài)勢(shì)不可忽視。包芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在制備多功能、智能化紡織品上具有很大發(fā)展優(yōu)勢(shì)和潛力，可使產(chǎn)品兼具功能性與舒適性，解決一些產(chǎn)品服用性差的問(wèn)題。納米結(jié)構(gòu)彈力包芯紗作為一種新型結(jié)構(gòu)的紗線，提高了產(chǎn)品的附加值，可用于各類(lèi)傳感器、可穿戴電容等領(lǐng)域，具有很高的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)價(jià)值。另一方面，性?xún)r(jià)比仍是功能性產(chǎn)品成功走向市場(chǎng)的先決條件，新結(jié)構(gòu)彈力包芯紗開(kāi)發(fā)，無(wú)論是在紡紗設(shè)備的更新、原料投入成本、生產(chǎn)技術(shù)難度方面，都明顯高于傳統(tǒng)紗線開(kāi)發(fā)，這將導(dǎo)致其產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格較高。為保證將產(chǎn)品做精做優(yōu)的同時(shí)力求降低生產(chǎn)成本，目前紡紗企業(yè)正在通過(guò)兼并重組及技術(shù)改造向集約化、規(guī)?；a(chǎn)發(fā)展。此外成本的控制仍要回歸到紡紗設(shè)備的改進(jìn)和制備工藝的優(yōu)化上。

4 結(jié)語(yǔ)

日趨多樣化的包芯紗結(jié)構(gòu)，使彈性紗線的發(fā)展到達(dá)了一個(gè)新高度。包芯彈性體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且復(fù)合化生產(chǎn)充分利用原料的特性，兼具了各種材料的優(yōu)點(diǎn)。新結(jié)構(gòu)雙芯彈力包芯紗的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了原產(chǎn)品的性能，無(wú)論是對(duì)紗線彈性的改善，還是用于防護(hù)功能的紗線開(kāi)發(fā)，都具有積極作用。然而各種彈性纖維、長(zhǎng)絲的選擇與相互配合，以及成紗工藝參數(shù)配置、工藝調(diào)控變化等都會(huì)影響彈力包芯紗產(chǎn)品的最終性能，如何依據(jù)彈力包芯紗的應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)化紗線原料的組合，設(shè)計(jì)更加合理的紗線結(jié)構(gòu)，配置合適的成紗工藝是未來(lái)彈力包芯紗產(chǎn)品質(zhì)量提升的關(guān)鍵。在提高產(chǎn)品性能的同時(shí)，還應(yīng)考慮如何降低生產(chǎn)成本，才能占據(jù)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。