UHMWPE復合紗的紡制及性能測試

張潔　劉新金

摘要：UHMWPE纖維具有較高的比強度和比模量，但纖維吸濕性差。文章以黏膠短纖維為外包纖維，UHMWPE短纖紗（14.75tex）及長絲（16.67tex）為芯絲分別紡制34tex包芯紗。以黏膠短纖維為中間纖維，UHMWPE短纖紗（14.75tex）及長絲（16.67tex）為包纏纖維分別紡制34tex賽絡菲爾紗。通過改變UHMWPE短纖紗或長絲與須條的間距優化賽絡菲爾紗的性能，并對成紗性能進行測試和對比分析。結果表明：相同線密度紗線，以UHMWPE長絲為芯絲或包纏纖維所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗除斷裂伸長率外，在強度、條干及毛羽方面均優于以UHMWPE短纖紗為芯絲或包纏纖維所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗。在紡制賽絡菲爾紗時，UHMWPE短纖紗與須條的間距以8mm為較優，UHMWPE長絲與須條的間距以6mm為較優。

關鍵詞：超高分子量聚乙烯復合紗;包芯紗;賽絡菲爾紗;紗線強度;紗線條干

中圖分類號：TS104.2

文獻標志碼：A

文章編號：10017003（2021）04002405

Abstract：UHMWPEfiberhashighspecificstrengthandspecificmodulus，butpoormoistureabsorption.Inthepaper，withviscosestaplefiberastheouterfiber，andUHMWPEstaplefiberyarn（14.75tex）andfilament（16.67tex）asthecoreyarn，34texcore-spunyarnwasspun.Withviscosestaplefiberastheintermediatefiber，andUHMWPEstaplefiberyarn（14.75tex）andfilament（16.67tex）aswrappingfiber，34texSirofilyarnwasspun.TheperformanceofSirofilyarnwasoptimizedbychangingthespacingbetweentheUHMWPEstaplefiberyarnorfilamentandthefiberstrand.Theresultsshowedthatforyarnswiththesamelineardensity，exceptforelongationatbreak，core-spunyarnsandSirofilyarnswithUHMWPEfilamentasthecoreyarnorwrappingfiberwerebetterthancore-spunyarnsandSirofilyarnswithUHMWPEstaplefiberyarnasthecoreyarnorwrappingfiberinstrength，evennessandhairiness.WhenSirofilyarnsarespun，thespacingbetweentheUHMWPEstaplefiberyarnandfiberstrandispreferably8mm，andthespacingbetweentheUHMWPEfilamentandfiberstrandispreferably6mm.

Keywords：UHMWPEcompositeyarn;core-spunyarn;Sirofilyarn;yarnstrength;yarnevenness

作者簡介：張潔（1997），女，碩士研究生，研究方向為新型紡紗技術。通信作者：劉新金，副教授，liuxinjin2006@163.com。

超高分子量聚乙烯（ultrahighmolecularweightpolyethylene，UHMWPE）作為目前世界上最輕的高性能纖維，具有較高的比強度和比模量，合適的斷裂伸長率，較高的結晶度，耐紫外、耐化學腐蝕，比能量吸收高等良好的綜合性能，因此被廣泛應用于航空航天、防彈抗沖擊等領域[1-2]。但UHMWPE纖維吸濕性差，纖維表面光滑，在生產加工中容易產生靜電，且產品舒適性能較差。針對這一問題，可以通過改變紗線的結構來進行優化。目前在市場上，UHMWPE纖維產品主要以長絲為主[3-4]，短纖紗有少量應用，且短纖紗在樹脂復合時體現出較好的樹脂浸潤性。而包芯紗及賽絡菲爾紗因其包纏結構上的不同，其紗線的性能特點也有所差異，在功能性紗線的開發中有廣泛的應用。本文以UHMWPE纖維為基礎，開發具有高強性能、且可有效改善織物服用性能的復合紗。黏膠纖維因其原料是天然纖維素，吸濕性較好，因此可將黏膠纖維作為輔助原料與UHMWPE纖維共同紡制包芯紗及賽絡菲爾紗，充分發揮兩種纖維的特長并彌補各自的不足。用戶可根據產品最終用途的不同，合理選擇紗線結構。

本文以黏膠短纖維為外包纖維、UHMWPE短纖紗（14.75tex）及長絲（16.67tex）為芯絲分別紡制34tex包芯紗，以黏膠短纖維為中間纖維、UHMWPE短纖紗（14.75tex）及長絲（16.67tex）為包纏纖維分別紡制34tex賽絡菲爾紗，通過改變UHMWPE短纖紗或長絲與須條的間距優化賽絡菲爾紗的性能，并對成紗性能進行測試和對比分析。

1 紡紗原理

本文通過在QFA1528型細紗機（無錫第七紡織機械有限公司）上加裝長絲喂入裝置來實現包芯紗和賽絡菲爾紗的紡制，紡紗原理如圖1所示。

包芯紗是由兩種或兩種以上的纖維組合而成的具有芯鞘結構的一種新型紗線[5]。將UHMWPE短纖紗及長絲分別作為芯絲，經張力盤及導絲輪后與經過牽伸后的黏膠須條匯合后加捻成紗[6]，其加捻三角區如圖2（a）所示。

賽絡菲爾紡是將賽絡紡中的其中一根粗紗換成長絲所紡而成的紗線[7]。將UHMWPE短纖紗及長絲分別作為包纏纖維，經張力盤及導絲輪后與經過牽伸后的黏膠須條保持一定距離加捻成紗[8]，紗線結構類似股線，其加捻三角區如圖2（b）所示。

2 包芯紗和賽絡菲爾紗的紡制

2.1 試驗材料

UHMWPE短纖紗規格為14.75tex（江蘇儀征金鷹紡織有限公司），UHMWPE長絲規格為16.67tex（東莞市索維特特殊線帶有限公司），黏膠纖維粗紗定量為5.4g/10m（南通雙弘紡織有限公司）。

2.2 包芯紗和賽絡菲爾紗紡紗工藝

在QFA1528型細紗機上進行紡紗試驗，紡紗工藝參數如表1所示。

在紡制賽絡菲爾紗時，間距的大小是影響成紗性能的重要因素，由于細紗機前膠輥寬度為25mm，因此選擇UHMWPE短纖紗或長絲與須條的間距為2、4、6、8mm（以下簡稱間距）進行紡紗優化。

3 紗線性能測試結果與分析

3.1 強伸性能測試分析

使用XL-2紗線強伸度儀（上海新纖儀器有限公司）測試紗線的強伸性能，夾持距離500mm，拉伸速度500mm/min。試驗環境溫度22℃，試驗環境濕度68%，每種紗線測試10次后取平均值。以UHMWPE短纖紗與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗強伸性能測試結果如表2所示，以UHMWPE長絲與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗強伸性能測試結果如表3所示。

由表2、表3可以看出，相同原料所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗，賽絡菲爾紗的斷裂強度均高于包芯紗，而斷裂伸長率均低于包芯紗。分析認為：由于賽絡菲爾紗的紡紗工藝不同于包芯紗，在賽絡菲爾紗的紡紗過程中，須條先經過弱捻，再經過強捻，須條和短纖紗或長絲之間的摩擦力、抱合力更大，而包芯紗只有成紗的那一瞬間受到加捻，所以相同線密度的賽絡菲爾紗的斷裂強度高于包芯紗。包芯紗由于其紡紗工藝的不同，其外包纖維在加工過程中圍繞著短纖紗或長絲旋轉，因此在同一長度的紗條上外包纖維的伸長度大于芯絲，因而相同線密度包芯紗的斷裂伸長率高于包纏結構的賽絡菲爾紗。

以UHMWPE短纖紗為芯絲紡制的包芯紗斷裂強度低于以UHMWPE長絲為芯絲紡制的包芯紗，而斷裂伸長率則相反。同樣以UHMWPE短纖紗或長絲為包纏纖維所紡的賽絡菲爾紗也是如此。分析認為：所用的UHMWPE短纖紗其斷裂強度低于UHMWPE長絲，而斷裂伸長率高于UHMWPE長絲。

在間距為2、4、6、8mm紡制賽絡菲爾紗時，隨著短纖紗與須條間距的增大，紗線的斷裂強度逐漸增大。隨著長絲與須條間距的增大，紗線的斷裂強度呈先增大后減小趨勢，

UHMWPE短纖紗與須條的間距在8mm，UHMWPE長絲與須條的間距在6mm時紗線的強伸性能較優。分析認為：間距增大時，其預加捻程度增加，纖維間抱合緊密，不易滑移，紗線強力利用系數較高，因此斷裂強度較高;但是隨著間距的進一步增大，預加捻部分的長度可能超過了短纖維的長度，纖維受力產生滑移，不利于成紗，因此紗線的斷裂強度有所下降。

3.2 條干測試分析

使用UT5全自動紗線檢測儀（烏斯特技術有限公司）檢測紗線的條干，測試速度200m/min，試驗環境溫度22℃，試驗環境濕度68%。以UHMWPE短纖紗與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗條干測試結果如表4所示，以UHMWPE長絲與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗條干測試結果如表5所示。

紗線不勻率采用變異系數CVm表示，值越低均勻度越好。由表4、表5可以看出，相同原料所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗比較，賽絡菲爾紗的條干均好于包芯紗。分析認為：在賽絡菲爾紡紗時，須條在加捻三角區獲得弱捻，根據捻度分布規律，較細處獲得較多的捻回，較粗處獲得較少的捻回[9]，從而改善了條干。

以UHMWPE短纖紗為芯絲紡制的包芯紗條干比以UHMWPE長絲為芯絲紡制的包芯紗差，同樣以UHMWPE短纖紗或長絲為包纏纖維所紡的賽絡菲爾紗也是如此。分析認為：所用的UHMWPE短纖紗其條干比UHMWPE長絲差。

在間距為2、4、6、8mm紡制賽絡菲爾紗時，隨著短纖紗與須條間距的增大，紗線的條干不勻率逐漸減小。隨著長絲與須條間距的增大，紗線的條干不勻率會逐漸減小到一定程度后增大。UHMWPE短纖紗與須條的間距在8mm，UHMWPE長絲與須條的間距在6mm時紗線的條干較好。分析認為：間距的增大，使得加捻三角區增大，其預加捻程度及纖維的內外轉移程度較好，成紗結構較好，有利于成紗條干的提高;但當間距增加到一定程度后，再繼續增加時，加捻三角區的長度過長，使得須條被過分拉伸，纖維控制能力不足，條干因此有惡化趨勢。

3.3 毛羽測試分析

使用YG173A型紗線毛羽測試儀（蘇州長風紡織機電科技有限公司）檢測紗線的毛羽，測試片段長度30m，走紗速度60m/min。試驗環境溫度22℃，試驗環境濕度68%。以UHMWPE短纖紗與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗毛羽測試結果如表6所示，以UHMWPE長絲與黏膠纖維紡制的34tex包芯紗和賽絡菲爾紗毛羽測試結果如表7所示。

毛羽值H對應的是1cm長測量區域內伸出紗體之外的纖維的總長，值越低，毛羽數越少。由表6、表7可以看出，相同原料所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗，賽絡菲爾紗各個長度段的毛羽數均低于包芯紗。分析認為：在賽絡菲爾紡紗過程中，須條先經過弱捻再加強捻，使得原來處于須條表面的纖維端頭經再次加捻后一部分卷進紗線內部，從而有效地減少了毛羽，且成紗結構較為緊密，受紡紗張力及鋼絲圈摩擦力的影響較小，因此賽絡菲爾紗的毛羽相對較少[10]。而包芯紗沒有預加捻過程，且紗線結構較為松散，容易受到紡紗張力及鋼絲圈摩擦力的影響，因此包芯紗的毛羽數量高于賽絡菲爾紗。

以UHMWPE短纖紗為芯絲紡制的包芯紗毛羽數高于以UHMWPE長絲為芯絲紡制的包芯紗，同樣以UHMWPE短纖紗或長絲為包纏纖維所紡的賽絡菲爾紗也是如此。分析認為：所用的UHMWPE短纖紗其毛羽比UHMWPE長絲多。

在間距為2、4、6、8mm紡制賽絡菲爾紗時，隨著間距的增大，紗線的毛羽會得到一定程度的改善。UHMWPE短纖紗與須條的間距在8mm，UHMWPE長絲與須條的間距在8mm時紗線的毛羽較少。分析認為：間距較小時，匯聚點以上的須條長度較短，在成紗加捻過程中，對纖維的控制較差，因此毛羽較多。隨著間距的增大，匯聚點以上的須條長度增大，加捻三角區對纖維的控制較強，在加強捻的過程中更容易捕捉到毛羽，從而降低了毛羽的數量。

4 結 論

本文將UHMWPE短纖紗及長絲與黏膠短纖維運用到功能性紗線的開發中，并對所紡紗線進行性能上的測試和對比分析，可以得出以下結論。

1）以UHMWPE長絲為芯絲或包纏纖維所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗除斷裂伸長率外，在斷裂強度、條干及毛羽方面均

優于以UHMWPE短纖紗為芯絲或包纏纖維所紡的包芯紗和賽絡菲爾紗。因此，可根據產品的最終用途來選擇合適的紡紗原料及工藝。

2）在紡制賽絡菲爾紗時，UHMWPE短纖紗與須條的間距以8mm為較優，UHMWPE長絲與須條的間距以6mm為較優。但原料及所紡紗線線密度的改變都會使最優間距發生改變，因此，在實際生產過程中，可通過試驗進行間距的優選。

參考文獻：

[1]向鑫.超高分子量聚乙烯復合紗線的增韌及其織物防護性能研究[D].武漢：武漢紡織大學，2020.

XIANGXin.StudyonTougheningofUltraHighMolecularWeightPolyethyleneCompositeYarnandItsFabricProtectiveProperties[D].Wuhan：WuhanTextileUniversity，2020.

[2]鄒畫眉，劉新金，謝春萍，等.組織結構對UHMWPE短纖紗織物防刺性能的影響[J].絲綢，2020，57（5）：11-15.

ZOUHuamei，LIUXinjin，XIEChunping，etal.EffectofweavestructureonstabbingresistanceofUHMWPEstaplefiberyarnfabric[J].JournalofSilk，2020，57（5）：11-15.

[3]井連英.超高分子量聚乙烯短纖維及其紗線性能研究[J].紡織導報，2014（4）：52-54.

JINGLianying.StudyonperformanceofUHMWPEstaplefiberandyarn[J].ChinaTextileLeader，2014（4）：52-54.

[4]陳建軍，楊勇，阮洋.超高分子量聚乙烯紗線性能研究及應用[J].合成技術及應用，2014，29（3）：36-38.

CHENJianjun，YANGYong，RUANYang.StudyonperformanceandapplicationofUHMWPEyarns[J].SynthesisTechnologyApplication，2014，29（3）：36-38.

[5]邢京京.柔性防刺材料結構設計與性能研究[D].天津：天津工業大學，2017.

XINGJingjing.StructuralDesignandPerformanceStudyofFlexibleStabResistantMaterials[D].Tianjin：TiangongUniversity，2017.

[6]閻磊，宋如勤，郝愛萍.新型紡紗方法與環錠紡紗新技術[J].棉紡織技術，2014，42（1）：20-26.

YANLei，SONGRuqin，HAOAiping.Newspinningmethodandringspinningnewtechnology[J].CottonTextileTechnology，2014，42（1）：20-26.

[7]孟召強，馮建永.環錠紡包芯紗包覆程度的研究[J].現代絲綢科學與技術，2010，25（3）：10-11.

MENGZhaoqiang，FENGJianyong.Studyonthecoatingdegreeofringspuncorespunyarn[J].ModernSilkScienceTechnology，2010，25（3）：10-11.

[8]王燦燦.基于包芯復合紗線的產品開發及其性能研究[D].武漢：武漢紡織大學，2019.

WANGCancan.ProductDevelopmentandPropertyResearchofCore-SpunCompositeYarn[D].Wuhan：WuhanTextileUniversity，2019.

[9]曹夢龍，徐伯俊，陳偉偉，等.賽絡菲爾紡三色花式紗紡紗工藝優化[J].棉紡織技術，2017，45（1）：21-25.

CAOMenglong，XUBojun，CHENWeiwei，etal.Spinningtechnologyoptimizationofsirofilspinningthree-colourfancyyarn[J].CottonTextileTechnology，2017，45（1）：21-25.

[10]閆海江.包芯紗和賽絡菲爾紗性能對比分析[J].棉紡織技術，2014，42（5）：19-23.

YANHaijiang.Propertycontrastandanalysesofcore-spunyarnandsirofilyarn[J].CottonTextileTechnology，2014，42（5）：19-23.