滌綸/碳纖維混織的PVA 上漿方法設計＊

韓一戈，于曉慶，游彥凱

（內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010080）

碳纖維是一種新興的特種纖維材料，它的特殊在于其碳含量達90%以上，是碳形成的石墨晶片按照纖維軸向堆砌而成。更高強度的碳纖維還需要經過石墨碳化處理形成的石墨微晶而堆砌。形容碳纖維為內剛外柔，可以看出碳纖維所擁有的特性，不僅僅是碳的剛性及硬度，其性質柔軟可以看出其具備一定的可紡性，是特殊的新一代的特殊材料，其應用方向也更為廣泛。碳纖維還具有很多優良性質，例如：優良的比熱容與導電性，導電性要優于一般非金屬但卻弱于金屬，受熱膨脹的變化很小，并擁有著各向異性的特點。在輻射方面甚至可以屏蔽電磁信號，但卻可以通過X 射線。而且其質量輕、強度高，同體積的鋁比同體積碳纖維的質量還要重，其強度超過了鋼鐵，這就表明其在紡織行業有著很大的應用前景。碳纖維擁有了可紡性，其他優點在紡織行業也大為關鍵，由于它是由碳形成的按照纖維軸向堆砌而成，所以其具有非常好的耐高溫性與耐疲勞性。而由于它的軸向堆砌，所以它的軸向強度與模量都相當高。在紗線、織物織造或生產應用過程中會產生斷頭，而在其表面涂覆漿料則能減少斷頭的發生。

碳纖維作為在各行各業受到研究關注的特種纖維，依靠其優良的性能發揮了出色作用，例如軸向強度與高模量可作為各種安全服飾或防護具使用。耐高溫、耐疲勞的性能在高強度的工作環境下，可以作為工裝服飾或適應惡劣的工作環境。在綠色用料與環境保護的方向，相較于其他材料來說有著明顯優點，因為其主要成分的碳元素有回收利用的可能性，不用擔心其廢料會污染環境，從而達到綠色環保的優勢。但是碳纖維其單絲的厚度極小，高端碳纖維的厚度只有0.18 mm，使其并不能直接單絲或雙股紗進行紡紗，所以現在的碳纖維產品多以碳纖維束的形式出現，碳纖維束由多根碳纖維集合而成。即使形成碳纖維束，其可紡性也偏低，這是因為在制造過程中由于摩擦等因素的影響，會使單根碳纖維受到非軸向力而造成碳纖維單絲斷裂，在紡紗過程中單絲糾纏形成亂絲而難以繼續織造。但是上漿處理可以大大減少斷頭率，減少毛羽的產生。常用的上漿劑主要有淀粉類、聚乙烯醇類、丙烯酸類，這三種漿料在紡織上漿中占很大比例。淀粉類漿料雖然在環保與綠色方面優于PVA 漿料但是其黏度過高，在上漿過程中容易形成過厚的漿膜，導致色澤不勻，嚴重的使纖維變硬變脆，可紡性與柔軟性大大下降。而PVA漿料在上漿劑的選擇中有著很明顯的優點，它的水溶性與滲透性非常好，可以對漿料的濃度進行多梯度的搭配，有著對纖維更佳的包覆黏附性和容易形成漿膜的優點，漿膜的強度、耐磨性都有著更好的表現。對于其他的情況甚至可以和其他漿料相互作用使PVA 作為輔助劑來進行上漿，這是由于碳纖維對其他品種的漿料有著很好的兼容性。所以本文探討了用PVA 作為上漿劑使用涂層法來改善碳纖維的混織性能。

1 碳纖維的改性方法

目前碳纖維的表面改性方法眾多但是主要的幾種有：涂層法、等離子法、氧化處理、接枝處理法。涂層法是用在表面通過不同的的涂層方法處理，如沉積、聚合物涂層、涂覆。通過這些方法在碳纖維表面引入復合物，在表面涂上一層涂層修復表面的缺陷，改善材料的表層性能，還可能在一定程度上提高碳纖維的力學方向的各方面性能。沉積法將表面積高的、體積比高的聚合物在低溫等的條件下使其包覆在碳纖維表面，沉積法改性后性能優越。方華嬋等人利用沉積法將碳化硅納米纖維包覆在碳纖維表面[1]。聚合物涂層法利用聚合物的黏著性并使用熱噴涂、復合涂層的方法來均勻地涂覆在碳纖維表面，形成非常致密的涂層來起到改性的作用。涂覆法主要構成有電化學涂覆法作為現在的主流，大體原理為將漿料與碳纖維表面通上電極，并通過電化學反應采用類似金屬鍍層的辦法將漿料不斷進行循環涂覆到碳纖維表面并形成涂層。

2 碳纖維上漿

2.1 漿料的分類

大體上漿料分為黏著劑與助劑。黏著劑一般做為主漿料，因為要能黏著在紗線或織物上，所以一般具有很高黏著力的材料才可以作為黏著劑。而黏著劑因為使用用途與自身優缺點不同所以可以分為以下三類。

首先是淀粉類，它包括各種淀粉漿料，如玉米淀粉、小麥淀粉等。李偉等人以淀粉漿料為基礎，并使用亞甲基丁二酸（MSA）作為交聯劑采用半干法制備不同交聯度的改性淀粉，并測試其在各種不同纖維上的黏著度的改變[2]。淀粉漿料在親水纖維上的表現優良，但是缺點也十分明顯，黏度過高導致對紗線或纖維的滲透不良，容易形成硬脆的漿膜導致可紡性反而下降，繼續紡紗可能造成染色不勻，色澤欠佳。

第二類為PVA 漿料，即聚乙烯醇，根據其主鏈為碳鏈結構，碳鏈連著小的羥基，因為羥基的存在所以會生成大量氫鍵。有氫鍵和羥基的存在就會極易溶于水中，滲透紗線的能力會大大提升，所以PVA 會有著較好的黏著性，漿液成膜也十分容易，且漿膜的強度也會很高，耐磨性也隨之提升，與其他種類的漿料相容性也較好，一直以來，PVA 漿料因其優良的上漿性能被廣泛應用在織物經紗上漿。缺點是PVA不易被降解，染整退漿處理后廢液對環境造成污染，達不到環保要求。石煜等人發現含有部分PVA 配方的漿料相較于純淀粉配方的漿料對純棉粗紗具有更好的上漿性能，可改善紗線性能，進而提高織造效率[3]。

第三類為丙烯類粘合劑及其他化學成分粘合劑，丙烯類漿料準確來說是它的單體是以聚合物的形式存在的共聚物漿料。可以根據不同需求選擇不同單體的丙烯類漿料，主要有丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯等。相比于PVA 漿料，丙烯類對環境造成的污染最小，而隨著發展現在的丙烯類漿料可以滿足大多數纖維上漿。

對于三種漿料的優缺點選用不同的上漿劑，對于淀粉纖維，其優點在于原料獲取較為方便，對于環保來說，淀粉漿料是一種純天然無公害的綠色漿料，因為它本身是玉米淀粉或者小麥淀粉、馬鈴薯淀粉等加工而成，屬于可降解生物材料。但是由于其黏度過高，會導致在上漿過程中的滲透率降低從而導致上漿率的不勻，在后期染的整過程中會導致色斑。如果濃度過高，更會導致漿紗變硬變脆，使可紡性和柔軟性降低。而碳纖維對于漿料的要求在于碳纖維能保持柔軟性還有不錯的強度，淀粉漿料會導致纖維外面容易產生硬脆的漿膜，會讓碳纖維喪失它的柔軟性。

如今的變性淀粉在上漿方面也很受歡迎，變性淀粉主要由以下幾種化學變性化學試劑，經過一定的化學反應得到產品，例如酸解、氧化、醚化、交聯、陽離子等方法。物理變性則有糊化、電子輻射、熱解等手段。生物變性常見為酶轉化法[4]。淀粉對水性好的天然纖維有較好的黏附性，但對合成纖維的黏附性較差；植物中淀粉的含量及品質，不僅受植物種、品種特性的影響，而且還隨生長環境、氣候、種植及收割時間等條件的變化而異。上漿性能不盡如人意，但在合成材料迅速發展的今天，仍無法被完全替代。PVA 漿料的優點在于它對于各種纖維的黏附性都比較好，而且它所形成漿膜有著強度高、彈性好、耐磨韌性好等優點，這些都是淀粉類漿料所無法比擬的，但是PVA 的缺點就是不易被生物降解[5]。丙烯酸類漿料其上漿性能相當優越，而且其能在碳纖維表面形成聚合物沉淀而相當好地包覆于碳纖維上，在當下也是熱門的漿料選擇。但是由于其技術不夠成熟，使其造價相當高昂，且技術難點復雜在普通實驗室難以操作[6]。

2.2 漿料配制

試劑：聚乙烯醇（醇解度為87.0～89.0 mol%，黏度為40.0～48.0 mPa·s，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），去離子水。

實驗步驟：選用三組不同濃度的PVA 漿料配成水溶液，進行對比實驗，探究濃度對于上漿效果的影響。取適量PVA放于托盤天平中測其質量，之后將其轉移至燒杯中，再用量筒取一定量的蒸餾水，將水倒入燒杯中并不斷攪拌直至水完全倒入，用玻璃棒繼續攪拌直至沒有結塊后再繼續攪拌10 min，將燒杯移至集熱式恒溫加熱攪拌器，放入磁力攪拌棒，由于使用的是常溫水溶型PVA 不需要加熱操作，將攪拌器慢慢調速至合適轉速，攪拌20～30 min，直至聚乙烯醇完全溶于水中，過濾后取濾液。按以上方法配制出四種不同的濃度的PVA 漿液，用于上漿工序。漿液濃度及PVA 用量如表1 所示。

表1 漿液濃度及PVA 用量

2.3 上漿設備

本次課題選用南通三思Y606S 漿紗機，如圖1 所示。工藝參數如表2 所示。

表2 漿紗機主要工藝參數

圖1 南通三思Y606S 漿紗機正面

2.4 上漿流程

將海綿清洗干凈放入槽內，在漿池中倒入已經配置好的PVA 漿液，將碳纖維從底部滑輪以及導紗勾處嵌入。經過漿池并將紗線放在海綿中間，起到將多余漿料刮凈并使漿液上漿均勻的作用，并將碳纖維紗線系于搖架接頭處，預設烘箱溫度為80 ℃。待烘箱溫度設置完成打開烘箱風機，啟動搖架，并調整車速，由于碳纖維纏繞緊密在繞紗過程中容易出現互相纏繞的現象發生，所以啟動搖架車速不宜太快。將速度控制在擋位1 左右，轉160 圈。搖架啟動時將工作室小窗關閉以達到邊上漿邊烘干的作用。待機器停車，利用艙內余溫將繞在搖架上的碳纖維烘干。10 min 后將綁在搖架上的上漿并烘干過的碳纖維解綁，同構導紗器與滑輪組將其系在上方紗輥上，再次開車將碳纖維纏繞在紗輥上，備用于下個階段的紡紗環節。

2.5 上漿后的碳纖維形態

經過PVA 上漿過后的碳纖維相較于未上漿的碳纖維光澤更加明亮，毛羽明顯減少，出現斷頭情況減少如圖2 所示。通過對比不同漿液濃度上漿后的碳纖維，發現當漿液濃度在7%時性能更為優越。當漿液濃度低于7%時毛羽或斷頭出現較多而且在漿液不勻處會出現斷裂，由于漿液濃度過低導致上漿過程中產生大量氣泡，氣泡的產生會使碳纖維的掛漿涂層較為困難，經過搖架時機器的拉扯處上漿不勻處產生單絲的斷裂，導致了斷頭與大量毛羽的產生；當漿液濃度高于7%時，缺點也隨之顯現，紗線上漿后紗線柔軟性下降，紗線變硬變脆，出現折痕，而這種現象隨著漿液濃度的升高會越明顯，紗線變硬變脆，紗線甚至產生落漿的情況。所以在后續織造過程需選取可紡性與斷頭率、毛羽率均偏小的紗線，故選取漿液濃度為7%的紗線進行織造。

圖2 上漿后的碳纖維外觀

2.6 影響上漿效果的因素

除了漿液的自身因素，其他因素也影響著漿液的上漿率。漿池內的壓漿滑輪的壓漿力，在漿液自身濃度與漿紗機的搖架車速固定時，壓漿力如果增大，使紗線在漿液中浸透過多，從而被覆率大大下降；漿紗速度也就是搖架轉速，轉速大小會影響紗線在漿液中壓漿時間的長短，如果速度過快壓漿時間大大減少，浸透率將也隨之減小，反之相反。而且在上漿過程中車速不可隨意變化，速度的變化會讓漿池內的壓漿輥給到紗線的壓漿力隨之變化，而壓漿力的不同就可以導致上漿的不勻。紗線的張力要基本保持，不可過分伸長或者收縮，必須保證紗線吸漿充分。但本實驗中碳纖維具有軸向強力伸長問題暫不需要考慮，但要保持碳纖維不能收縮。

3 碳纖維/滌綸混織布

本次課題所用的為Y208W 南通三思半自動小樣織布機，工藝參數如表3 所示。

表3 小樣織布機工藝參數

首先在CAD 軟件上設計平紋的組織圖、上機圖、穿綜圖。并將穿綜圖寫入小樣機電腦并設置織造參數，如表4 所示。

表4 平紋組織織造參數

表4（續）

3.1 混織方法

平紋是經紗與緯紗的相互重疊，并以1∶1 的方式進行交織，由于經紗與緯紗一上一下互相交織，導致交織點很多，所以平紋布具有非常好的硬挺性、耐磨性，織物堅牢度也很高。這就可以讓平紋布做很多其他布型的布邊來防止布的經緯紗分離形成疵點。在應用方面由于一上一下的交織平紋布的密度不可能太高，所以具有一定的透氣性，可以在透氣性的衣物上有所應用。如紗布、雪紡綢、塔夫綢等。本文選用平紋組織進行混編布的制作。

通過小樣織機進行混編布的織造，將繞好的滌綸系于后方張力器，再按照穿綜圖所示每根滌綸穿過特定綜絲，并每個筘齒穿入兩根滌綸，如此往復將每根滌綸依次穿入，待經紗完全穿入，并將張力調整勻整，將穿綜圖導入電腦中，打開氣閥，使綜框提起綜絲，達到織造效果，將緯紗棰在每一緯顯示的不同經紗線中穿梭并打緯穿入碳纖維，腳踩踏板進入下一緯，直至匹長達到40 cm。成品如圖3 所示。灰色為作為經紗的滌綸線，黑色為作為緯紗的上漿碳纖維。

圖3 碳纖維/滌綸混編布

3.2 問題和改善方向

織造出的碳纖維平紋布疵點較多，原因是雖然經過上漿處理，但是并不能完全解決亂絲問題，碳纖維單絲強力與彈力較高，在上漿后回彈性降低、硬度上升，導致碳纖維在綜絲的反復提拉過程中反復摩擦而導致單絲與單絲之間互相纏繞，經紗在提棕過程不能完全升起，而緯紗在此期間進行穿梭就會在錯誤的經紗間穿入而導致疵點的形成。并且布匹褶皺過多是因為在調勻張力過程反復拉扯經紗，碳纖維的回彈性較低而產生拉長等問題，在織造過后會出現褶皺。國內外對于碳纖維在織造過程中產生的損傷情況有很多研究，LEE 研究發現碳纖維的摩擦損傷主要發生在導紗桿、綜眼綜絲等易發生摩擦但卻無法避免的地方，并且導致碳纖維布在摩擦損傷過后的力學性能降低10%左右[7]。馬芹等人發現經紗所受的摩擦主要來源于開口過程中經紗與經紗之間的摩擦，而且主要是后部梭口的經紗間摩擦[8]。所以在實驗與文獻的佐證下發現碳纖維在織造過程中的摩擦損傷難以完全避免，進而導致碳纖維布匹的性能有所下降。

在漿料選用方面，淀粉漿料由于其黏性過高而導致上漿不勻產生過厚的漿膜，導致可紡性下降。而丙烯酸類聚合物性能優越，但是高難度的操作與儀器的缺乏，并不能在實驗室普及。本次實驗主要利用PVA 的鋪層上漿進行可紡性改善，得到了可用于與滌綸纖維混合編織的碳纖維。在調配漿料過程中由于PVA 不能完全化開而產生了氣泡，可以使用消泡劑進行消泡處理。上漿過程中搖架車速不宜太快，否則會使漿槽內的壓漿力減小，從而導致上漿不勻。可知在織造方面，如果不進行上漿處理，導致碳纖維在織造過程中產生亂絲現象而難以制造。織物結構選用平紋組織的情況下，上漿處理對于碳纖維來說可以起到單絲貼服、斷頭減少的作用，同時減少纖維間摩擦，并增大了坯布的強力。