幾種改性滌綸扭轉性能分析

孔繁榮 康志陽 陳莉娜

(河南工程學院，河南鄭州,450007)

咖啡炭改性纖維是把廢棄的咖啡殘渣經過1 000 ℃以上的高溫煅燒，形成納米級顆粒加入到紡絲液體中生產出來的，具有除臭環保、負離子發散、防紫外線等特性，尤其重要的是可以有效利用咖啡廢棄物。相關研究主要集中在相關纖維和紗線的結構及常規物理性能方面[1-3]，以及織物的開發和性能方面[4-7]。纖維的性能對其加工和制品的影響較大，其中扭轉疲勞在自捻紗加工中會影響紗線的捻回[8]，還對織物的起毛起球有著重要的作用[9]。滌綸短纖維制品在使用中容易產生毛球，而目前纖維的扭轉疲勞研究多集中在羊毛和高性能纖維上[10-12]，因此本文選擇了幾種改性滌綸進行纖維扭轉疲勞的測試研究。

1 利用紗線捻度儀進行扭轉極限測試

1.1 試驗材料

試驗材料共有5種，分別是咖啡炭改性滌綸(以下簡稱咖啡炭滌綸)、椰炭改性滌綸(以下簡稱椰炭滌綸)、竹炭改性滌綸(以下簡稱竹炭滌綸)、親水改性滌綸(以下簡稱親水滌綸)和普通滌綸，纖維名義細度和長度分別為1.65 dtex和38 mm。實測到的各材料基本規格和強伸性能見表1。

表1 纖維的基本規格

1.2 試驗設計

關于纖維的扭轉疲勞性能測試，并沒有統一的方法和儀器，本文先借助紗線捻度儀進行纖維的扭轉極限測試，再進行扭轉疲勞性能測試。纖維的扭轉極限測試，共分為兩個試驗，一個是單向扭轉極限測試，另一個是重復扭轉極限測試。采用Y331N+型紗線捻度儀進行測試。

制作試驗試樣：使用的纖維試樣直徑比較細，所以在夾持試樣前，先用透明膠帶將纖維兩端黏貼一下，方便把試樣夾持在捻度儀的夾頭上，處理后的試樣有效長度為30 mm。

設置試驗轉速：纖維與紗線比起來細度要小得多，所以試驗時轉速不宜設置太大，設置為800 r/min時，數據離散程度過大，設置為200 r/min則試驗時間太長，綜合考慮后，設置轉速為400 r/min；纖維預加張力為0.15 cN/dtex，測試次數50次。

單向扭轉極限測試：將處理后的試樣夾持在捻度儀上。設置捻向為Z捻或S捻，啟動捻度儀，纖維轉動至纖維斷裂，停止機器，記錄下斷裂時轉動的圈數。

重復扭轉極限測試：將試樣夾持在紗線捻度儀上；先設置捻度儀的捻向為Z捻，讓纖維轉動170 r，然后設置捻度儀為S捻，讓纖維轉動170 r，此為一個周期。為了保證纖維在進行試驗時正反方向均勻扭轉，在進行第一個周期時，轉動只進行半數，即在Z捻方向纖維轉動85 r，然后在S捻方向纖維轉動85 r，而后才按照170 r轉動。關于轉動圈數的選擇，是在進行完單向扭轉極限測試后，分別取極限值最小纖維的1/4、1/3、1/2后分析，當取值太小時，試驗時間過長，參考相關文獻后取170 r時最佳，這樣的取值不至于試驗時間過長，又能在一定程度上保證試驗的順利進行。

1.3 結果與分析

5種纖維的單向扭轉極限試驗結果見表2，重復扭轉極限試驗結果見表3。

表2 單向扭轉極限結果

表3 重復扭轉極限結果

從表1中可以看出，5種纖維中，普通滌綸的拉伸性能比較好，親水滌綸次之，咖啡炭滌綸、椰炭滌綸和竹炭滌綸的拉伸性能沒有太大差異。從表2可以看出，普通滌綸在單向扭轉極限測試中，扭轉至斷裂所需轉動的平均圈數最大，3種含碳類滌綸相差不大，親水滌綸介于兩者之間。咖啡炭滌綸、椰炭滌綸、竹炭滌綸在生產工藝上有類似性，都是將高溫處理得到的碳顆粒加入滌綸紡絲液中紡制而得，在加入這些顆粒時，可能會影響纖維中大分子之間的結合，從而影響纖維的力學性質；親水滌綸中親水性基團的加入在提高纖維吸濕的同時也降低了纖維的力學性質，因此可以認為4種改性滌綸的拉伸性能和單向扭轉試驗結果呈正相關性。

從表2中可以看出，碳顆粒摻雜滌綸的扭轉極限比普通滌綸弱。在設置為Z捻情況下得到的扭轉極限都略大于S捻，說明本測試條件下旋轉方向不同對測試結果具有影響，究竟是纖維結構還是儀器狀態原因暫不做測試分析。

從表3中可以看出，普通滌綸的重復扭轉極限性能是5種纖維中最好的，3種含碳類纖維相差不大，而親水滌綸介于兩者之間，這和單向進行扭轉時得到的結論一致。纖維在重復扭轉時，每一個周期都是正轉170 r，反轉170 r，這個數值超過了3種含碳類纖維單向扭轉極限的一半，是親水滌綸單向扭轉極限的一半，不足普通滌綸單向扭轉極限的一半，三者在每一個周期進行中，扭轉損傷不同，含碳類纖維損傷最大，普通滌綸最小，經過多個周期的積累，含碳類滌綸最易發生破壞。

把重復扭轉極限周期統一轉換成斷裂轉動圈數，轉動圈數=[170+(周期數-1)×340]。咖啡炭滌綸、椰炭滌綸、竹炭滌綸、親水滌綸、普通滌綸轉動圈數依次是6 970 r、7 004 r、7 106 r、8 024 r、12 138 r。把結果與單向扭轉極限結果對比時可以發現，抗破壞能力強弱具有相似性。

2 使用扭轉疲勞試驗儀進行試驗

根據文獻進行扭轉疲勞試驗儀的制作[13]，并采用其進行纖維扭轉疲勞試驗。

2.1 扭轉疲勞試驗方法

夾持長度如圖1所示。在纖維進行扭轉的過程中，螺旋角(捻角)θ會隨著纖維變形角度的增加而增大。

設纖維的直徑為d，則有：

(1)

式中：θ為捻角(°)；d為纖維直徑(μm)；φ為纖維截面的扭轉角(°)；L為夾持纖維的長度(mm)。

當夾持長度為L的纖維共扭轉n次時，可以得到：

(2)

電機轉動帶動纖維發生扭轉，纖維的扭轉次數可以由電機的轉動圈數獲得，當捻角θ及電機的轉動圈數一定時，測出每根纖維的直徑d，即可算出該根纖維的夾持長度L。

L=πdn×cotθ×10-3

(3)

咖啡炭滌綸、椰炭滌綸、竹炭滌綸、親水滌綸、普通滌綸在試驗時的夾持長度：捻角為10°時，依次為19.2 mm、18.8 mm、18.3 mm、18.3 mm、18.6 mm；捻角為20°時，依次為9.3 mm、9.1 mm、8.9 mm、8.9 mm、9.0 mm；捻角為30°時，依次為5.9 mm、5.8 mm、5.6 mm、5.6 mm、5.7 mm。

夾持纖維：將纖維夾持在扭轉疲勞試驗儀上，因為各纖維的強力比較好，先進行張力選擇試驗，發現張力過小時試驗時間太長，過大時纖維容易斷裂，所以預加張力選擇的是1.2 cN/dtex、1.6 cN/dtex、2.0 cN/dtex。

設置參數：因為驅動器的限制，只能進行計時，所以設置正轉時間為56.6 s，反轉時間為56.6 s，轉速為180 r/min，即儀器會正轉170 r，然后再反轉170 r，為保證扭轉均勻，第一次時正轉時間設置為28.3 s，反轉時間為28.3 s，即正轉85 r，反轉85 r。

試樣：啟動儀器，等到纖維斷裂，張力夾落下時，停止機器，記錄下轉動的周期。

2.2 結果及分析

扭轉疲勞試驗結果見表4。

從表4中可以看出，普通滌綸的扭轉疲勞性能是最好的，其次是親水滌綸，咖啡炭滌綸、椰炭滌綸、竹炭滌綸的扭轉疲勞性能并沒有多大差距，這一點與用紗線捻度儀做單向扭轉極限測試和重復扭轉極限測試所得結論相同。

隨著扭轉角度的增加，纖維斷裂時的重復周期數逐漸減少，這反映了纖維的扭轉疲勞性能隨著扭轉角的增加而逐漸變差，原因是隨著角度的增加，纖維扭轉更加劇烈，加劇了纖維的損傷，導致扭轉疲勞性能的下降。

隨著預加張力的增大，纖維斷裂時的重復周期數逐漸減少，說明纖維的扭轉疲勞性能變差，預加張力的增加，導致纖維在扭轉測試時，受到了更強力的作用，加劇了疲勞的積累，所以扭轉疲勞性能才會減弱。

表4 扭轉疲勞試驗結果

3 結論

通過對幾種改性滌綸扭轉疲勞性能的對比測試可以看出：抗扭破壞和扭轉疲勞性能的表現規律與普通滌綸規律一致，且均弱于普通滌綸。紗線捻度儀法和扭轉疲勞試驗儀法的對比表明,雖然各纖維在結構、條件方式上有所不同，但測試結果的規律表現具有一致性。對滌綸進行改性會降低纖維的力學性能，進而影響纖維的扭轉性能，因此在其生產及后續產品加工中，必須對此進行注意。