竹炭腈綸纖維的形態結構及性能研究

馬 婷， 馮愛芬， 張永久

（河北科技大學紡織服裝學院， 河北 石家莊050018）

腈綸自20 世紀50 年代實現工業化生產以來, 得到了長足的發展, 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， 存在著常規品種已飽和, 而復合、 超細旦、 異形、抗菌等差別化和功能化品種卻需大量進口的現狀[2]。 為此， 需要開發功能性腈綸纖維， 以適應市場需求。 竹炭纖維的問世， 滿足了人們日益增長的對功能性紡織品的需求， 受到紡織行業的廣泛關注。 采用竹炭纖維制成的織物具有超強的吸附、 除臭、 吸濕排汗、 蓄熱保暖、 抑菌防霉和良好的遠紅外與負離子發射、 抗紫外線等功能, 是高檔內衣、 運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開發的新型功能性纖維， 具有優良的保暖性、 透氣性、 舒適性， 適合做保暖內衣、 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行了研究。通過對其與普通腈綸纖維的對比試驗， 分析研究竹炭腈綸纖維的性能特點， 為其紡織和染整生產加工提供理論依據。

1 實驗材料與方法

1. 1 實驗材料

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

參照紡織行業標準FZ／T 01057. 2 - 2007《紡織纖維鑒別試驗方法》 第2 部分： 燃燒法。用鑷子夾取一小束 (約重50 ～100 mg) 纖維，仔細觀察纖維在接近酒精燈火焰、 在火焰中、離開火焰時的燃燒狀態、 燃燒時產生的氣味和燃燒后殘渣特征等。

1. 2. 2 纖維的微觀形態

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

1. 2. 3 纖維力學性能測試

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、 壓縮、 摩擦等）而產生變形， 甚至遭到破壞， 纖維承受各種外力作用所呈現的特性稱為力學性能[5-6]。 試驗測試的纖維力學性能包括纖維斷裂強力和纖維摩擦性能。 試樣在溫度20 ℃， 相對濕度41%條件下平衡24 h 后進行測試。

（1） 纖維強力

采用的儀器為YG004N 型電子單纖維強力儀(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力進行測試。 每種纖維測試次數為20次， 取平均值。

（2） 纖維摩擦性能

試驗采用的試驗儀器為Y151 型纖維摩擦系數測定儀。 采用絞盤法測量[7]。 本試驗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。 摩擦輥轉速為30 r／min，線速度75 cm／min， 預加張力設為0. 098 cN，每根掛絲重復測定操作2 ～ 3 次， 每個輥軸要測6 根絲， 選同一種類的5 個輥軸供測定30 個數值， 分別記錄之， 并求出扭力天平讀數的平均值， 并根據公式算出摩擦系數。

1. 2. 4 纖維吸濕性能測試

參照標準GB6503 - 2008 化學纖維回潮率試驗方法。 本試驗采用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行測試。 每種纖維在室內溫度為20 ℃， 相對濕度41% 條件下， 平衡24 h后進行箱外冷稱重10 g， 烘箱內試樣暴露處的溫度為(110 ± 2) ℃， 烘躁時間為2 h。

2 實驗結果與分析

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

實驗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構分布， 截面為不規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，提高成紗強力。 由于竹炭腈綸纖維表面和內部的多孔結構， 成紗后紗線及其制成的織物， 產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、 內衣、 運動衣、 休閑服等， 竹炭腈綸纖維的微孔可快速吸收皮膚散發的濕氣和汗液， 并向周圍空氣快速擴散， 從而保持皮膚干爽， 使穿著者持續保持干爽舒適的狀態。 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

圖2 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維縱面形態

圖3 有光普通棉型腈綸纖維橫截面形態

圖4 有光普通棉型腈綸纖維縱面形態

2. 3 纖維力學性能

2. 3. 1 纖維強力

纖維強力實驗結果如表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， 造成纖維內部微觀結構發生改變， 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格。 纖維的摩擦還會導致纖維的磨損和變形， 產生質量轉移、 生熱和靜電現象[8-9]。

實驗結果如表3 所示。

表3 纖維摩擦系數

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， 其系數略小， 纖維的動、 靜摩擦系數相差不大。 這是因為普通有光腈綸纖維截面呈圓形， 表面比較平整， 使纖維相對滑動時接觸面積不大， 摩擦系數略高。 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， 從而其摩擦系數得以減小。

兩種腈綸纖維的靜摩擦系數均大于動摩擦系數。 纖維的手感與動、 靜摩擦系數的大小和兩者的差值有關。 靜摩擦系數大， 且與動摩擦系數差值也大的纖維， 其手感硬而且發澀。 反之， 靜摩擦系數小， 且與動摩擦系數差值也小的纖維， 其手感柔軟。 由實驗結果可知， 竹炭腈綸纖維相對于普通腈綸纖維來說手感較柔軟。

纖維的摩擦系數不僅影響纖維的手感， 而且影響紡紗工藝和成紗質量。 纖維間摩擦系數大， 特別是靜摩擦系數大， 纖維間抱合力大, 有助于加工過程中纖維的聚集， 防止纖維擴散， 提高成卷、 成網時半制品的成形質量， 增加成紗強力[10]。 從表3 可以看出， 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的靜摩擦系數大于其相應的動摩擦系數， 這有利于纖維成卷、 加壓、 防黏等。 纖維與纖維棍的摩擦系數介于纖維與金屬棍和纖維與橡膠輥之間。 纖維與機件間摩擦系數大， 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， 因纖維轉移困難會形成纏繞性反復打擊， 從而導致纖維損傷加劇， 造成紗線和機件的磨損。 因此， 為了保證紡紗的順利進行， 應采取適當的措施降低纖維與機件之間的摩擦系數。

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。

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%。 因為竹炭腈綸纖維表面和內部有很多微孔， 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， 減少靜電的產生， 而且可以提高穿著舒適性， 適合于制作工作裝、 運動服裝、 內衣等服裝。

3 結論

(1) 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維表面和內部分散著大小不均勻的微孔， 其微孔結構可增加纖維間的抱合力， 提高成紗質量、 織物的透濕透氣性、 蓬松度、 覆蓋性和保暖性。 據此特點， 用竹炭腈綸纖維開發運動服、 工作服等制品能快速吸水與擴散， 舒適性大幅度提高。

(2) 蓄熱散熱竹炭腈綸纖維的斷裂強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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[4] 吉林化纖: 力推萊麻及蓄熱兩大新型纖維. 中國棉紡織信息網http:／ ／www.tteb.com:2012-8-24 .

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