聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的拉伸性能探討

李 杜 陳清清 張玲麗 曹海建 黃曉梅

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司，江蘇南通，226499）

熱塑性樹脂基復合材料在制備過程中由于熱塑性樹脂黏度較大，不利于增強纖維的分布和樹脂的浸漬，為了改善這一缺點，通過預浸漬法以及后浸漬法來改善［1?3］。例如，采用混紡紗浸漬法，屬于預浸漬法的一種，可以改善熱塑性樹脂基復合材料的浸漬問題。其基本原理是采用樹脂基體纖維與增強體纖維混紡成紗，這種形式既能夠較為準確地控制樹脂含量，又極大減小了浸漬中樹脂流動的距離，克服熱塑性樹脂浸漬難的問題［4?6］。包覆紗與其他混紡紗線相比，因其芯紗保持無捻狀態(tài)，能夠充分利用芯紗的力學性能，同時，能夠使樹脂基體纖維與增強體纖維均勻分布，在加工以及后續(xù)的過程中樹脂基體纖維可保護增強體纖維免受機件的磨損，避免增強體纖維的強力下降等問題，且包覆紗的力學性能與復合材料的力學性能密切相關［7］。

目前，國內(nèi)外研究學者對于空心錠包覆紗的制備工藝以及包覆紗的力學性能進行了很多研究。敖利民等［8?9］、王輝等［10］利用空心錠包覆紡紗技術進行包覆紗制備，并對其進行拉伸測試，發(fā)現(xiàn)包覆紗形式能夠改善紗線條干，但紗線斷裂強度會降低，并且斷裂強度隨捻度增加而減小；黃浚峰等［11］利用空心錠紡紗技術制備氨綸包覆紗，并對其力學性能分析發(fā)現(xiàn)：線密度以及捻度的增加都會使包覆紗的斷裂強力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而芯紗牽伸倍數(shù)的增大則會使紗線的斷裂強力增加。嚴濤海等［12］制備丙綸/亞麻包覆紗紡織預制件以及復合材料，發(fā)現(xiàn)中空錠捻度和空心錠轉(zhuǎn)速是影響復合材料樹脂含量以及拉伸性能的重要因素。

本試驗制備了聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗，重點研究了捻度、導紗鉤與空心錠距離（以下簡稱導紗距離）對聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗拉伸斷裂強力的影響規(guī)律。

1 試驗部分

1.1 原料

芳綸1414：線密度444.4 dtex，斷裂強力85.9 N，斷裂伸長率5.7%，由煙臺泰和新材料股份有限公司提供，作為增強體纖維。

聚酰胺纖維：線密度155.6 dtex，斷裂強力5.7 N，斷裂伸長率41.2%，由江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司提供，作為樹脂基體纖維。

1.2 設備與儀器

HKV 141D型包覆絲機，浙江精功科技股份有限公司；Instron 5969H型萬能材料試驗機，美國Instron公司。

1.3 聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的制備

本試驗采用雙包方式。這種方式既能夠避免單包形式易產(chǎn)生紗線內(nèi)部結(jié)構(gòu)力矩不均勻?qū)е碌膰乐赝四憩F(xiàn)象以及露芯嚴重的問題，同時也能夠充分利用芳綸1414的力學性能，增加聚酰胺纖維的包覆度。

聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的制備工藝如下。芳綸1414從紗筒上退繞，穿過彈簧張力器，進行牽伸，再從下方經(jīng)過下層空心錠子的中心管；聚酰胺纖維隨著鋁管高速旋轉(zhuǎn)，在鋁管表面形成外包紗，并與芳綸1414在導紗鉤處進行加捻、包覆，完成第1次包覆。將第1次的包覆紗送入上層空心錠子的中心管，聚酰胺纖維隨著鋁管高速旋轉(zhuǎn)，在鋁管表面形成外包紗，并與第1次的包覆紗在導紗鉤處進行加捻、包覆，完成第2次包覆。第2次的包覆紗經(jīng)導紗桿、卷繞輥以及壓紗輥后，在橫動導紗桿的橫動引導下，逐步卷繞到紗筒表面，即可制得包覆紗。

制備聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的捻度選擇（200/160）捻/m（前者為第1次包覆捻度，后者為第2次包覆捻度，下同）、（300/240）捻/m、（400/320）捻/m、（500/400）捻/m、（600/480）捻/m共5種，導紗距離選擇7.5 cm、10.5 cm、13.5 cm、15.5 cm共4種。卷繞速度18 m/min，卷繞率1.4，空心錠速度按捻度=空心錠速度（r/min）/牽伸速度（m/min）計算。

1.4 拉伸斷裂強力測試

利用Instron 5969H型萬能材料試驗機，夾具間距200 mm，加載速度100 mm/min，每組樣品測試10次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 導紗距離對包覆紗拉伸斷裂強力的影響

導紗距離對聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗拉伸斷裂強力的影響如圖1所示。

圖1 導紗距離對包覆紗拉伸斷裂強力的影響

由圖1可知，導紗距離在7.5 cm～15.5 cm范圍內(nèi)，包覆紗的拉伸斷裂強力呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。導紗距離為10.5 cm時，包覆紗拉伸斷裂強力最大。這是因為，導紗距離增加，外包紗形成的氣圈變大，氣圈形態(tài)較穩(wěn)定，氣圈張力也變大，外包紗較緊地包纏在芯紗表面，使包覆紗的斷裂強力增大；但是，隨著導紗距離的進一步增大，外包紗形成氣圈進一步增大，使氣圈的形態(tài)不穩(wěn)定，氣圈張力也不穩(wěn)定，外包紗不能較為緊密地包纏在芯紗表面，使包覆紗斷裂強力降低［13］。在包覆過程中，隨著導紗距離的升高，芯紗芳綸1414、外包紗聚酰胺纖維與導絲鉤產(chǎn)生摩擦力增加，也會導致紗線本身的力學性能受到損失。

2.2 捻度對包覆紗拉伸斷裂強力的影響

捻度對聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗拉伸斷裂強力的影響如圖2所示。

圖2 捻度對包覆紗拉伸斷裂強力的影響

由圖2可知，包覆紗的拉伸斷裂強力隨著包覆紗捻度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。捻度為（400/320）捻/m時，包覆紗拉伸斷裂強力最大。這是因為，捻度較小時，復合紗的緊密效應以及并和效應對包覆紗斷裂強力的提高起到協(xié)同作用［14?16］。聚酰胺纖維施加于芳綸1414上的徑向向心壓力，會提高纖維間抱合力，使芯紗結(jié)構(gòu)更緊密，不易發(fā)生斷裂；聚酰胺纖維卷繞在芳綸1414芯紗上，可提供給包覆紗軸向分力，使包覆紗的斷裂強力有所提高。捻度較大時，復合紗的緊密效應不再起主導作用；相反捻度達到某一數(shù)值后，加捻作用主要表現(xiàn)為增加包覆紗中纖維的預應力，減小包覆紗強度的軸向分力，從而包覆紗的拉伸斷裂強力隨著捻度的增加開始下降［17?19］。

2.3 包覆紗拉伸破壞形貌分析

導紗距離10.5 cm時，不同捻度聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的拉伸特性曲線及破壞形貌如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可知，捻度較小［（200/160）捻/m］以及捻度較大［（600/480）捻/m］時，包覆紗的拉伸特性曲線均呈現(xiàn)兩段式，其中ABC曲線是芯紗承載為主，CDE曲線是外包紗承載為主，包覆紗的斷裂呈現(xiàn)不同時性。捻度為（400/320）捻/m時，包覆紗的拉伸性能最好，且包覆紗的斷裂方式呈現(xiàn)同時性，原因分析與2.2類似。

圖3 （200/160）捻/m包覆紗的拉伸特性曲線及破壞形貌

圖4 （400/320）捻/m包覆紗的拉伸特性曲線及破壞形貌

圖5 （600/480）捻/m包覆紗的拉伸特性曲線及破壞形貌

3 結(jié)論

（1）導紗距離在7.5 cm～15.5 cm范圍內(nèi)，聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的拉伸斷裂強力呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；且導紗距離為10.5 cm時，包覆紗拉伸斷裂強力最大。

（2）隨著捻度的增加，聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗的拉伸斷裂強力呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；且捻度為（400/320）捻/m時，包覆紗拉伸斷裂強力最大。

（3）隨著捻度的不同，聚酰胺纖維芳綸1414包覆紗呈現(xiàn)出同時斷裂或不同時斷裂兩種方式。