低旦數氨綸空氣包覆紗的結構與性能研究

曹膨莉，邱海斌，黃莉茜，3，包翔飛，杜文祺，湯靜麗

(1.東華大學紡織學院，上海 201620；2.浙江鑫海紡織有限公司，浙江金華 321104；3.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

氨綸空氣包覆紗是一種具有良好彈性及蓬松性的復合彈力紗，通常由一定牽伸倍數的氨綸長絲和無捻復絲在改造后的絡筒機或空氣包覆絲機上通過高壓氣流噴射作用使長絲相互糾纏交絡而成[1]。 與氨綸包芯紗等其它類型的氨綸彈力絲相比，氨綸空氣包覆紗具有獨特的周期性網絡交纏結構、更高的伸長性和彈性，可賦予織物良好的服用性能和彈性特征。 此外，空氣包覆加工速度高、生產效率高、成本低，尤其在生產較細的紗線時加工優勢明顯。

輕薄舒適一直是服裝穿著追求的目標，也是服用紡織品一個重要發展方向，開發輕薄彈力織物和低旦數氨綸彈力紗符合以上目標和發展趨勢，具有良好的應用前景。 目前常規的氨綸彈力紗通常采用40 D 及以上氨綸絲作為芯絲，對40 D 以下的低旦數氨綸空氣包覆紗及其結構、性能研究很少。 基于以上現狀，本文選擇10 D、20 D、35 D 三種低旦數氨綸長絲和滌綸POY 為原料制備氨綸空氣包覆紗，并對其結構、性能特點進行深入探析，為今后此類紗線的開發和應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 氨綸空氣包覆紗的制備

選用10 D、20 D、35 D 三種氨綸絲和75D/36F滌綸POY 絲作為原料在YJ800DHE 型高速氨綸空氣包覆絲機上制備了3 種氨綸空氣包覆紗，具體紗線規格和主要工藝參數見表1。

表1 氨綸空氣包覆紗試樣規格和主要加工參數

1.2 纖維及紗線性能測試

1.2.1 氨綸絲性能測試

(1)拉伸性能

根據標準FZ/T 50006－2013?氨綸絲拉伸性能試驗方法?中所述方法，對氨綸絲的斷裂強力、斷裂伸長率進行測試。 設置上下夾之間隔距為50 mm，拉伸速度為500 mm/min，每個試樣測試10次取平均值。

(2)彈性回復率

根據標準FZ/T 50007－2012?氨綸絲彈性試驗方法?分別對氨綸絲拉伸至300%的一次拉伸循環和五次拉伸循環回復率進行測試。 設置上下夾頭隔距為50 mm，拉伸速度為500 mm/min，測試10次取平均值。

(3)熱收縮率測試

依據國標GB/T 6505－2017 ?化學長絲長絲熱收縮率試驗方法(處理后)?，選擇單根法進行熱收縮性能的測試，選取氨綸絲測試長度為50 cm，100℃熱水中處理30 min，每個試樣測試10 次，取平均值。

1.2.2 氨綸空氣包覆紗結構、性能測試與表征

(1)紗線形貌觀察和蓬松性表征

采用數碼相機對氨綸空氣包覆紗形貌進行拍照觀察，并運用ImageJ 對圖像進行數據化處理。

(2)紗線網絡度與網絡牢度

參考文獻[2]中記錄的測試方法，對氨綸包覆紗的網絡度和網絡牢度進行測試。 網絡度采取的是重錘法，具體的操作過程是在鉛直方向給定預加張力的包覆紗，在松弛狀態目測其能滿足網絡牢度要求的網絡節個數，其中，預加張力為0.02 cN/dtex，測試10 次，取平均值。

網絡牢度是指網絡節在一定張力下的損失特性[3]。 測試方法是在輕張力(0.2 cN/dtex)下，測試一米長的包覆紗內的網絡節數N1，然后在包覆紗上加重張力(2 cN/dtex)，一分鐘后改輕張力，并測試此時的網絡節數N2，網絡牢度＝N2/N1。 測試10次，取平均值。

(3)紗線拉伸性能

參照標準FZ/T 12040－2020?滌綸(錦綸)長絲/氨綸包覆紗?測試包覆紗斷裂強度、斷裂伸長率指標[4]，紗線預加張力為0.2 cN/dtex，夾距間隔距為250 mm，拉伸速度為250 mm/min，每種試樣測試10 次，取平均值。

(4)紗線拉伸彈性

根據參考文獻[5]中的方法，選擇定負荷拉伸，以每種包覆紗平均斷裂強力的50%作為負載載荷，在0.002 cN/dtex 預加張力作用下取初始紗線長度l0為100 mm，對紗線在拉伸機上進行拉伸，當載荷增加到包覆紗平均斷裂強力的50%保持， 60 s 后記錄紗長l1，然后卸去載荷，停置120 s 后記錄紗長l2。 每種試樣測試10 次，根據下式分別計算紗線的彈性伸長率(ε)和彈性回復率(R)，取平均值。

(5)紗線熱收縮率

與氨綸熱收縮性測試一致，同樣選擇單根法進行測試，選取包覆紗測試長度為50 cm，每個試樣測試10 次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 氨綸纖維性能測試結果與分析

從表2 測試結果來看，與其它纖維相比，氨綸絲呈現出明顯的低強高伸特性，氨綸大分子由軟鏈段與硬鏈段交替構成[6]，在外力作用下軟鏈段蜷曲構象會伸直拉長，而硬鏈段相互之間形成的氫鍵或結晶狀態起到“締結點”的作用，使氨綸具有高延伸性和高彈性。 其中10 D 氨綸絲的斷裂強度、300%伸長時的力值、斷裂伸長率和彈性回復率均明顯小于20 D 和35 D 氨綸絲，因此10 D 氨綸絲包覆紗加工中要特別注意加工張力、氨綸絲牽伸倍數等加工參數的控制，否則氨綸絲容易發生斷絲、毛絲等問題。 20 D 氨綸絲的斷裂伸長率和彈性回復率與35 D 氨綸絲基本接近；20 D 氨綸絲的斷裂強度大于35 D 氨綸絲，但其絕對斷裂強力以及300%伸長時的力值小于35 D 氨綸絲，因此在20 D氨綸絲包覆紗加工中，應適當控制減小其加工張力。 另外從表2 中的熱收縮數據可以看出，氨綸絲的沸水收縮率隨著細度的增加呈現明顯的下降趨勢，這可能與氨綸纖維制備過程中，較細的氨綸絲在紡絲過程中受到的牽伸作用大，纖維參與拉伸內應力較大有關。 因此在后續加工過程中，應更關注熱濕加工對細旦氨綸絲包覆紗及其織物結構和尺寸穩定性的影響。

表2 氨綸纖維性能測試結果

2.2 氨綸包覆紗結構、性能測試結果與分析

圖1、圖2 和表3 分別為三種包覆紗的形貌照片和各項指標測試結果。

圖1 氨綸空氣包覆紗自然松弛狀態下的外觀形貌

圖2 包覆紗在不同狀態下的外觀形貌

表3 氨綸空氣包覆紗各項指標測試結果

(1)紗線形貌結構

從圖1 可以看出，氨綸空氣包覆紗在松弛狀態下，具有明顯的周期性粗細節結構和良好的蓬松外觀。 滌綸長絲束在噴嘴氣流作用下發生單絲分離角落運動，形成結構緊密的網絡節部分并完成對氨綸絲的包覆；而網絡節之間的紗段，因為氨綸絲的彈性回縮，未發生交絡纏結的滌綸絲彎曲卷縮而形成蓬松的粗節部分，從而形成了氨綸包覆紗特殊的外觀結構。 進一步對比可以看出，因為氨綸芯絲細度不同，三種氨綸包覆紗在外觀上表現出一定的差異:1＃、2＃包覆紗在松弛狀態下，其粗節部分更蓬松，這一方面使紗線具有更好的蓬松性，另一方面也增加了外包絲對氨綸芯絲的表觀覆蓋效果；當氨綸細度為35 D 時，其3＃包覆紗粗細節分布不如1＃、2＃包覆紗明顯和有規律，網絡節之間紗段蓬松性較低，這是因為3＃包覆紗中氨綸絲較粗，導致噴嘴內長絲的交絡運動受到影響，包覆紗的粗細節結構和蓬松性也因此發生變化；另外對于3＃包覆紗還觀察到紗線中出現一種類似小辮子紗的扭結圈弧結構，這可能與該包覆紗加工時氨綸絲的牽伸倍數較高、紗線內的殘余應力較大有關，導致3＃包覆紗結構穩定性下降、氨綸絲更容易裸露在外。

從圖2 中可以看到，隨著紗線拉伸張力增加，包覆紗粗節變小，當拉伸張力達到0.2 cN/dtex 時，包覆紗被拉伸到伸直狀態，此時粗節中原先松弛彎曲的外包長絲大部分被拉直覆蓋在氨綸芯絲上，少量未伸直的長絲在紗線表面形成小圈弧或小突起，使包覆紗具備類似短纖紗的毛羽和條干不勻特征。經過熱濕處理后的包覆紗，氨綸與外包絲均有不同程度的收縮，紗線結構變得更緊密均勻、粗細節周期結構更加清晰與規律，可見適當的熱濕處理有利于提高氨綸包覆紗的結構均勻性。

另外，從表3 可知，隨著氨綸芯絲細度的增加，包覆紗的網絡度增加、而網絡牢度減小。 網絡度的結果與氨綸芯絲的牽伸倍數有關，牽伸倍數越大，低張力下紗線彈性回縮越明顯，表現為網絡節間隔更加緊密，在相同長度下測得的網絡度更大。 網絡牢度越大表明當氨綸絲細度越小時，外包紗對于芯絲的包纏包覆作用越強，在經過重負荷的作用下，網絡節對于芯絲的包覆程度高不易松散，有利于氨綸包覆紗保持穩定的紗線結構。

(2)紗線拉伸性能分析

由表3 可知，隨著氨綸芯絲細度減小，包覆紗的斷裂強度提高、斷裂伸長率下降。 本文包覆紗制備中采用的滌綸長絲規格一樣，因此當氨綸芯絲細度減小，包覆紗中滌綸纖維的比例增加，而滌綸纖維的強度大于氨綸絲，因此紗線的斷裂強度隨氨綸絲細度減小(即滌綸纖維比例增加)而提高。 而包覆紗斷裂伸長率隨氨綸絲細度下降而下降，其原因可能與較細氨綸絲的斷裂伸長率較小有關(見表2)。 另外，需要指出的是，由于拉伸性能是在對包覆紗施加較大預加張力，即紗線蓬松段處于伸直狀態下開始測試的，因此測得的拉伸斷裂伸長率遠小于氨綸的斷裂伸長率。

進一步分析包覆紗的拉伸曲線(見圖3)發現，在拉伸過程中，拉伸曲線會出現力值突然下降的現象。 我們分析認為，這是由于拉伸過程中隨著外力增大，交纏不夠緊密的網絡結構受到破壞，原本與氨綸一起承受外力的部分滌綸纖維發生滑移、松弛，承擔外力的纖維數量減少，導致紗線力值下降，但是隨著下夾頭繼續拉伸，松弛的纖維被拉直繼續承擔外力，拉伸曲線繼續上升，直至斷裂，該現象在3＃拉伸曲線中尤為明顯，這與前面測得的3＃包覆紗網絡度較低的結果一致。

圖3 氨綸空氣包覆紗拉伸曲線

(3)紗線拉伸彈性性能分析

圖4為三種紗線的定負荷拉伸回復曲線。

圖4 氨綸空氣包覆紗的定負荷拉伸回復曲線

從圖4 可以看出，包覆紗有兩個明顯不同的拉伸變形階段，在A－B 階段，紗線受到拉伸作用后迅速伸長，此時蓬松部分的外包覆絲為屈曲松弛狀態，僅有氨綸絲受力，隨著氨綸絲伸長，外包覆絲由屈曲開始伸直，該階段紗線拉伸特性主要體現氨綸絲的拉伸變形特點，因此需要克服的力很小，拉伸曲線基本與橫軸重合，強力幾乎為0；B－C 段曲線為為第二階段，主要是在外包覆絲伸直之后，外包覆絲與氨綸芯絲共同承受拉伸作用開始伸長[7]，直至拉伸至設定的負荷值，此階段紗線拉伸特性主要取決于外包絲拉伸性能。

根據表3 數據可知，三種包覆紗在50%斷裂負荷作用下均表現出優異的彈性伸長特性和良好的彈性回復性。 其中3＃紗線的彈性回復率較低，其原因是3＃紗線在50%斷裂負荷作用下的彈性伸長率最大(331.6%)，導致其總變形中的塑性變形比例較高。

(4)熱收縮率測試

由表3 可以看出，包覆紗的熱收縮率隨著氨綸絲細度的增加而減小，這與單獨進行氨綸絲熱收縮性實驗的結果一致，即氨綸包覆紗的熱收縮程度主要與芯絲的熱收縮性能有關。

3 結論

本文選用10 D、20 D、35 D 氨綸單絲與滌綸POY 進行空氣氨綸包覆紗的生產，在測試氨綸絲性能的基礎上，具體分析了氨綸芯絲細度對氨綸空氣包覆紗結構與性能的影響，結論如下:

(1)10 D 氨綸絲的斷裂強度、斷裂伸長率、彈性回復率小于20 D 和35 D 氨綸絲，而熱收縮率則大于20 D 和35 D 氨綸絲，因此在后續加工過程中，應更關注熱濕加工對細旦氨綸絲包覆紗及其織物結構和尺寸穩定性的影響。

(2)隨著氨綸芯絲細度減小，紡制的空氣氨綸包覆紗具有更規律的粗細節紗線結構、對氨綸絲更好的包覆效果和更高的網絡節牢度。 同時，經過熱濕處理后的三種包覆紗收縮，外觀結構均變得更加緊密均勻。

(3)隨著氨綸芯絲細度減小，包覆紗的斷裂強度提高、斷裂伸長率下降；三種紗線在50%斷裂負荷作用下均表現出優異的彈性伸長特性和良好的彈性回復性。