咖啡碳纖維和紗線的性能研究

劉 蕊，孟家光，張琳玫，董旭鳳

（西安工程大學 紡織與材料學院，陜西 西安710048）

0 引 言

隨著咖啡碳纖維的面世，人們對其研究越來越多.江蘇大生有限公司推出了咖啡碳纖維混紡紗線，采用咖啡碳纖維與蘭精粘膠等纖維混紡，生產出具有抑菌除臭、發散負離子、抗紫外線特性的新型功能性紗線［1］；田小迪等為了提高織物的功能性，對負離子紗線和咖啡碳紗線交織物的功能性進行測試，結果得出當負離子紗線與咖啡碳紗線的緯線排列比為1∶2時，織物的蓄熱保暖和釋放負離子的綜合性能較好［2］；吳鮮鮮對咖啡紗多功能紡織品進行研究與開發，設計出具有多功能效果及良好服用性能的床上用品及五大系列織物，并對其服用性能進行測試分析［3］.前者多是研究咖啡碳纖維與其他纖維的混紡，生產出具有某種特殊功能的新型紗線，或是提高紡織品的功能性，這些研究都是要建立在對咖啡碳功能性纖維基本性能的認識與研究的基礎上，因此需要對咖啡碳纖維的基本性能進行研究.文中參考其他功能性纖維的性能測試方法［4－5］，對咖啡碳纖維及咖啡碳纖維長絲紗的基本性能進行測試與分析.

1 實 驗

1.1 材料

華楙生化科技股份有公司生產的規格為75D/72F，細度為8.3tex的咖啡碳纖維長絲紗.

1.2 儀器

KYKY－2800B型臺式掃描電鏡，傅立葉紅外光譜儀（美國Nicolet 5700型），YG020A型電子單紗強力儀，條干均勻度測試儀（YG131型），DHG－9075A型電熱恒溫鼓風干燥箱，JA3003N型電子天平，水浴鍋，JA3003N型電子天平.

1.3 測試方法

1.3.1 截面形態 采用KYKY－2800B型臺式掃描電鏡，觀察分析咖啡碳纖維橫截面和縱向形態結構.

1.3.2 紅外光譜 采用傅立葉紅外光譜儀（美國Nicolet 5700型）對咖啡碳纖維進行紅外光譜測試.

1.3.3 紗線強度 采用YG020A型電子單紗強力儀對咖啡碳纖維長絲紗的強度進行測試.

1.3.4 條干均勻度 采用條干均勻度測試儀（YG131型）測試咖啡碳纖維長絲紗的條干均勻度，測試指標為CV值、細節、粗節和棉結.

1.3.5 含濕量 采用DHG－9075A型電熱恒溫鼓風干燥箱和JA3003N型電子天平，設定烘箱溫度為105±3℃.首先用天平稱取5g的咖啡碳纖維紗線，然后放入溫度為105±3℃的干燥箱內，烘1h后，取出紗線，迅速稱取紗線的干重，然后再次將紗線放入烘箱，繼續烘10min，取出紗線，第二次迅速稱取紗線的干重，如此反復烘干反復稱重，直至兩次重量的差與后一次重量的比小于0.05%時，停止烘干，記最后一次所測得的紗線重量為紗線的干重.每次稱重都應在二級標準大氣條件下進行，即大氣壓力為1個標準大氣壓，溫度為20℃±2℃，相對濕度為65%±3%.含水率和回潮率計算如式（1），（2）.

1.3.6 耐熱性 采用DHG－9075A型電熱恒溫鼓風干燥箱、水浴鍋和JA3003N型電子天平測試咖啡碳長絲紗的耐干熱和耐濕熱性能.以處理后紗線斷裂強力的變化和紗線的收縮程度作為評定其耐熱性的指標.耐濕熱性測試采用水浴鍋法，測試時間為30min；耐干熱性測試采烘箱烘燥紗線，烘燥時間為30s.

1.3.7 耐酸堿性 采用數字式p H計（p HS－3C型）和水浴鍋，以酸堿處理后紗線斷裂強力的變化情況為測試指標.用鹽酸分別配制出p H值為1，2，3，4的溶液，用碳酸鈉分別配制出p H值為9，10的溶液，再用氫氧化鈉分別配制出p H值為11，12的溶液，將水浴鍋分別加熱到25℃和100℃，然后將紗線依次放入所配溶液中，分別在水浴鍋中處理30min后，取出紗線，讓紗線自然晾干，然后測量經過酸堿處理后紗線的斷裂強力.

2 結果與分析

2.1 咖啡碳纖維性能

2.1.1 截面形態 咖啡碳纖維的截面形態如圖1所示.從圖1（a）可以看出，咖啡碳纖維的橫截面呈不規則的橢圓形，且截面存在微小顆粒，具有明顯的中腔結構，還存在一定的空隙；從圖1（b）可以看出，縱向呈圓柱體，表面也有許多微小顆粒.這些結構有利于提高咖啡碳纖維的吸附效果.纖維縱橫截面存在微小顆粒是加入了咖啡碳粉體的緣故.

圖1 咖啡碳纖維的截面形態Fig.1 The cross－section of coffee carbon fiber

2.1.2 紅外光譜 咖啡碳纖維和滌綸纖維的紅外光譜圖分別如圖2～3所示.不同類型的有機化合物含有不同的官能團，而不同的官能團具有自身所獨有的紅外吸收峰，即特征吸收峰［6］.由圖2，3可以看出，咖啡碳纖維和滌綸纖維的紅外光譜圖比較匹配，其主要吸收峰峰位基本相同，但是吸收峰峰強略有差別，是咖啡碳纖維中加入了咖啡碳粉體的原因.兩個光譜圖都在1 720cm－1左右有明顯的吸收峰，1 720cm－1左右的吸收峰為C O特征峰，表明咖啡碳纖維的主要成分是滌綸［7－8］.

圖2 咖啡碳纖維的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrogram of coffee carbon fiber

圖3滌綸纖維的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrogram of polyester fiber

2.2 咖啡碳纖維長絲紗性能

2.2.1 紗線強度 實驗測得，咖啡碳纖維長絲紗的斷裂強力為284.56N，斷裂強度為34.28c N·tex－1，斷裂伸長為97.20mm，斷裂伸長率為19.44%，結果表明咖啡碳纖維長絲紗的斷裂強力和斷裂伸長均較好.紗線強度越大，用其所編織織物的強度就越大，編織過程中紗線會受到張力和摩擦作用，因此針織用紗需要有一定的強度，其大小直接影響織物的耐用性能.此外，在編織成圈時，紗線還會受到扭轉變形和彎曲，為了確保其在編織過程中順利彎紗成圈，降低紗線的斷頭率，針織用紗還應該具有一定的延伸性.

2.2.2 條干均勻度 咖啡碳纖維長絲紗條干均勻度的測試結果如表1所示.紗線沿長度方向上橫截面的粗細均勻程度稱為紗線的條干均勻度［9－10］，條干均勻度因纖維原料性質差異而有所不同.由表1數據可得出，咖啡碳纖維長絲紗的條干均勻度較高，符合針織用紗的要求.針織用紗對條干均勻度的要求比機織用紗高，這是因為與機織物組織相比，針織物組織相對比較疏松，紗與紗之間的空隙相對較多，原紗的外觀品質會在織物表面充分呈現，紗線的條干不勻會在織物表面顯著表現出來［11］.

表1 咖啡碳纖維長絲紗的條干均勻度測試結果Table 1 The evenness of coffee carbon fiber filament yarn

2.2.3 含濕量 實驗測得，咖啡碳纖維長絲紗的含水率為1.32%；回潮率為1.30%，比滌綸的回潮率高3倍多，這是由于咖啡碳纖維長絲紗中納米級的咖啡渣顆粒具有許多微小孔洞，這對咖啡碳纖維紗線進行編織以及針織物在編織過程中的良好成型有著重要的意義.紗線的吸濕性較好時，在編織和穿著過程中不容易產生靜電，而且用其編織的織物吸濕性也好，穿著舒適.

2.2.4 耐熱性 表2為咖啡碳纖維長絲紗的耐濕熱和耐干熱性測試結果.表2數據顯示，咖啡碳纖維長絲紗在熱水中煮30min后，紗線強度下降很小，且紗線收縮也不明顯.說明咖啡碳纖維紗線的耐濕熱性較好.紗線在不同溫度下烘干30s后，在210℃～250℃時強度開始下降，紗線開始收縮，在280℃時紗線有燒焦的味道，這表明紗線的耐干熱性較好.

表2 咖啡碳纖維長絲紗的耐熱性測試結果Table 2 The heat resistance testing of coffee carbon fiber filament yarn

2.2.5 耐酸堿性 表3為經酸堿處理后咖啡碳纖維長絲紗的斷裂強力.由表3可知，咖啡碳纖維長絲紗在堿性條件下強力損失相對較大，說明咖啡碳纖維耐酸不耐堿，這與滌綸耐酸性較強、耐堿性較弱的性質一致.

表3 酸堿處理后咖啡碳纖維長絲紗的斷裂強力Table 3 Yarn breaking strength after acid and alkali treatment

3 結束語

通過對咖啡碳纖維和咖啡碳纖維長絲紗的各項基本性能進行測試與分析，可知咖啡碳纖維的橫截面呈不規則的橢圓形，且截面存在微小顆粒，具有明顯的中腔結構，還存在一定的空隙；縱向呈圓柱體，表面也有許多微小顆粒.這些結構有利于咖啡碳纖維的吸附效果，體現出咖啡碳纖維針織物的透氣性、透濕性、吸水性和抑菌除臭等優良性能.此外，咖啡碳纖維長絲的紗線強力較好，斷裂伸長率也較高，耐酸不耐堿，耐濕熱性和耐干熱性均較好，條干均勻度好，符合針織用紗的要求.

［1］ 周云.江蘇大生推出咖啡碳纖維混紡紗線［J］.紡織服裝周刊，2011（6）：33.ZHOU Yun.Jiangsu Dasheng launched coffee carbon fiber blended yarn［J］.Textile and Apparel Weekly，2011（6）：33.

［2］ 田小迪，何俊，姚佳.負離子紗線和咖啡碳紗線交織物的功能性研究［J］.現代紡織技術，2013：23－25.TIAN Xiaodi，HE Jun，YAO Jia.Anion yarn and carbon coffee yarn interwoven fabric functional studies［J］.Modern Textile Technology，2013：23－25.

［3］ 吳鮮鮮.咖啡紗多功能紡織品的研究與開發［D］.杭州：浙江理工大學，2013：47－59.WU Xianxian.Research and development of coffee yarn multifunctional textile［D］.Hangzhou：Zhejiang Sci－tech University，2013：47－59.

［4］ 孟金鳳，孟家光，張琳玫等.柔絲纖維混紡紗及其針織物的性能測試［J］.西安工程大學學報，2014，28（6）：663－667.MENG Jinfeng，MENG Jiaguang，ZHANG Linmei，et al.The property test of blended rose yarn and its knitted fabric［J］.Journal of Xi′an Polytechnic University，2014，28（6）：663－667.

［5］ 董旭鳳，孟家光，楊銀瑩.珍珠纖維針織面料的服用性能測試與綜合評價［J］.西安工程大學學報，2013，27（1）：33－36.DONG Xufeng，MENG Jiaguang，YANG Yinying.Pearl fiber knitted fabrics taking performance testing and comprehensive evaluation［J］.Journal of Xi′an Polytechnic University，2013，27（1）：33－36.

［6］ 胡燕琴，陳玉靜，李慧華，等.反常吸收與高質量的遠紅外光譜［J］.光譜學與光譜分析，2012，32（2）：339－342.HU Yanqin，CHEN Yujing，LI Huihua，et al.Anomalous absorption and high quality far infrared spectrum［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2012，32（2）：339－342.

［7］ 陸永良，沈維，劉艷.紅外光譜差減技術在紡織品定性分析中的應用［J］.上海紡織科技，2010（7）：1－4.LU Yongliang，SHEN Wei，LIU Yan.IR subtractive technology applied in the textile qualitative analysis［J］.Shanghai Textile Science and Technology，2010（7）：1－4.

［8］ 楊堯棟，宋廣禮.針織物組織與產品設計［M］.北京：中國紡織出版社，2004：20－50.YANG Yaodong，SONG Guangli.Knit goods stitch and product design［M］.Beijing：China Textile Press，2004：20－50.

［9］ 陳玉國，王杏.基于形態學和PDE的紗線條干均勻度檢測方法［J］.遼寧師范大學學報，2008，31（4）：404－406.CHEN Yuguo，WANG Xing.Yarn evenness detection method based on morphology and PDE［J］.Journal of Liaoning Normal University，2008，31（4）：404－406.

［10］ 陶家杰，張一心.紗線條干均勻度測試的發展現狀［J］.紡織科技進展，2010（5）：52－54.TAO Jiajie，ZHANG Yixin.The development status of yarn evenness test［J］.Progress of Textile Science and Technology，2010（5）：52－54.

［11］ 顧維鈾.針織用紗與針織產品開發［J］.現代紡織技術，2010（3）：13.GU Weiyou.Development of knitting yarn and knitting product［J］.Modern Textile Technology，2010（3）：13.