竹炭腈纶纤维的形态结构及性能研究

马 婷， 冯爱芬， 张永久

（河北科技大学纺织服装学院， 河北 石家庄050018）

腈纶自20 世纪50 年代实现工业化生产以来, 得到了长足的发展, 早已成为服用合成纤维中不可或缺的一份子[1]。 在我国腈纶市场上， 存在着常规品种已饱和, 而复合、 超细旦、 异形、抗菌等差别化和功能化品种却需大量进口的现状[2]。 为此， 需要开发功能性腈纶纤维， 以适应市场需求。 竹炭纤维的问世， 满足了人们日益增长的对功能性纺织品的需求， 受到纺织行业的广泛关注。 采用竹炭纤维制成的织物具有超强的吸附、 除臭、 吸湿排汗、 蓄热保暖、 抑菌防霉和良好的远红外与负离子发射、 抗紫外线等功能, 是高档内衣、 运动休闲装及外套的良好面料[3]。 蓄热散热竹炭腈纶纤维是吉林化纤集团开发的新型功能性纤维， 具有优良的保暖性、 透气性、 舒适性， 适合做保暖内衣、 毛衫裤、 棉服的保暖絮填料， 还可用于袜子、 围巾、手套、 毛毯， 床上用品[4]。 竹炭腈纶纤维是一种新型纤维， 目前就其性能研究还处于初始阶段。 而纤维的性能对纺织和染整加工都有着重要影响， 因此为了了解竹炭腈纶纤维的性能，就蓄热散热竹炭腈纶纤维的性能进行了研究。通过对其与普通腈纶纤维的对比试验， 分析研究竹炭腈纶纤维的性能特点， 为其纺织和染整生产加工提供理论依据。

1 实验材料与方法

1. 1 实验材料

1. 67 dtex 棉型蓄热散热竹炭腈纶纤维和1. 67 dtex 有光棉型普通腈纶纤维 （吉林化纤有限公司）。

1. 2 测试仪器和方法

1. 2. 1 纤维燃烧性能测试

参照纺织行业标准FZ／T 01057. 2 - 2007《纺织纤维鉴别试验方法》 第2 部分： 燃烧法。用镊子夹取一小束 (约重50 ～100 mg) 纤维，仔细观察纤维在接近酒精灯火焰、 在火焰中、离开火焰时的燃烧状态、 燃烧时产生的气味和燃烧后残渣特征等。

1. 2. 2 纤维的微观形态

采用日本Hitachi S450 型扫描电镜对两种腈纶纤维进行纵向形态和横截面的观察。 在测试电压15 kV， 放大倍数为1 500 倍， 分辨率为1. 0 nm 的扫描电子显微镜下进行检测观察。

1. 2. 3 纤维力学性能测试

纤维在纺织加工和使用中都会受到各种外力作用 （如拉伸、 弯曲、 扭转、 压缩、 摩擦等）而产生变形， 甚至遭到破坏， 纤维承受各种外力作用所呈现的特性称为力学性能[5-6]。 试验测试的纤维力学性能包括纤维断裂强力和纤维摩擦性能。 试样在温度20 ℃， 相对湿度41%条件下平衡24 h 后进行测试。

（1） 纤维强力

采用的仪器为YG004N 型电子单纤维强力仪(南通三思)。 在拉伸速度100 mm／min， 试样长度15 mm 的条件下， 对所选的两种腈纶纤维的断裂强力进行测试。 每种纤维测试次数为20次， 取平均值。

（2） 纤维摩擦性能

试验采用的试验仪器为Y151 型纤维摩擦系数测定仪。 采用绞盘法测量[7]。 本试验分别测试两种腈纶纤维与金属棍、 纤维与纤维棍、 纤维与橡胶辊的摩擦系数。 摩擦辊转速为30 r／min，线速度75 cm／min， 预加张力设为0. 098 cN，每根挂丝重复测定操作2 ～ 3 次， 每个辊轴要测6 根丝， 选同一种类的5 个辊轴供测定30 个数值， 分别记录之， 并求出扭力天平读数的平均值， 并根据公式算出摩擦系数。

1. 2. 4 纤维吸湿性能测试

参照标准GB6503 - 2008 化学纤维回潮率试验方法。 本试验采用Y802A 型八篮恒温烘箱，在工作电压220 V， 加热功率2. 75 kW 下对两种腈纶纤维的回潮率进行测试。 每种纤维在室内温度为20 ℃， 相对湿度41% 条件下， 平衡24 h后进行箱外冷称重10 g， 烘箱内试样暴露处的温度为(110 ± 2) ℃， 烘躁时间为2 h。

2 实验结果与分析

2.1 纤维的燃烧性能

两种纤维的燃烧特征记录结果如表1 所示。

表1 纤维燃烧性能

从表1 可以看出， 蓄热散热竹炭腈纶纤维的燃烧性能与普通有光腈纶相似， 两种腈纶在燃烧性能上差别不大。 竹炭腈纶遇火焰收缩，离开火焰继续燃烧， 燃烧速度大于普通腈纶，在燃烧过程中伴有大量黑烟， 并且有轻微的烧纸味。 这是由于竹炭腈纶里面添加了竹炭微粉的缘故。 两种腈纶纤维的燃烧残留物都为松脆的黑色硬块， 用手指碾挫易碎。

2. 2 纤维的微观形态

实验所选用的两种腈纶纤维在电子显微镜下横截面和纵向形态的SEM 图片， 如图1 ～图4所示。

从图1 ～图4 可以看出， 蓄热散热竹炭腈纶纤维的截面有丰富的蜂窝状微孔结构分布， 截面为不规则类似于圆形或椭圆形。 纵向表面有很多沟槽， 略微粗糙。 因此， 在纺纱过程中，会增大纤维间的抱合力， 使纤维间不易滑脱，提高成纱强力。 由于竹炭腈纶纤维表面和内部的多孔结构， 成纱后纱线及其制成的织物， 产品不仅具有良好的吸湿放湿性能、 保暖性能和透气性能， 而且还具有一定的吸附性能。 穿着轻薄的竹炭腈纶纤维织物制成的各类贴身服装，如T 恤衫、 内衣、 运动衣、 休闲服等， 竹炭腈纶纤维的微孔可快速吸收皮肤散发的湿气和汗液， 并向周围空气快速扩散， 从而保持皮肤干爽， 使穿着者持续保持干爽舒适的状态。 而冬季使用竹炭腈纶纤维制作的棉被、 棉服、 袜子、手套， 或者穿着由厚实的竹炭腈纶纤维织物制成的服装， 纤维微孔中储存的大量热能和所含有的静止空气， 可以防止冷空气入侵,既保暖又轻便。

图1 蓄热散热竹炭腈纶纤维横截面形态

图2 蓄热散热竹炭腈纶纤维纵面形态

图3 有光普通棉型腈纶纤维横截面形态

图4 有光普通棉型腈纶纤维纵面形态

2. 3 纤维力学性能

2. 3. 1 纤维强力

纤维强力实验结果如表2 所示。

表2 纤维拉伸性能

从表2 可以看出， 蓄热散热竹炭腈纶纤维的断裂强力和断裂伸长率都比普通有光腈纶纤维的大。 这可能是由于竹炭腈纶纤维维中加入了纳米级竹炭微粉， 造成纤维内部微观结构发生改变， 从而影响了纤维的拉伸性能。 蓄热散热竹炭腈纶纤维相对普通有光腈纶纤维而言耐用性会更好。

2. 3. 2 纤维摩擦性能

纤维的摩擦性能不仅影响纺、 织加工性能，而且影响成品的手感风格。 纤维的摩擦还会导致纤维的磨损和变形， 产生质量转移、 生热和静电现象[8-9]。

实验结果如表3 所示。

表3 纤维摩擦系数

由表3 可以看出蓄热散热竹炭腈纶纤维与普通有光腈纶纤维相比， 其系数略小， 纤维的动、 静摩擦系数相差不大。 这是因为普通有光腈纶纤维截面呈圆形， 表面比较平整， 使纤维相对滑动时接触面积不大， 摩擦系数略高。 竹炭腈纶纤维因其表面有竹炭微粉， 使得其表面有一定的粗糙， 表面积相对有所增大， 从而其摩擦系数得以减小。

两种腈纶纤维的静摩擦系数均大于动摩擦系数。 纤维的手感与动、 静摩擦系数的大小和两者的差值有关。 静摩擦系数大， 且与动摩擦系数差值也大的纤维， 其手感硬而且发涩。 反之， 静摩擦系数小， 且与动摩擦系数差值也小的纤维， 其手感柔软。 由实验结果可知， 竹炭腈纶纤维相对于普通腈纶纤维来说手感较柔软。

纤维的摩擦系数不仅影响纤维的手感， 而且影响纺纱工艺和成纱质量。 纤维间摩擦系数大， 特别是静摩擦系数大， 纤维间抱合力大, 有助于加工过程中纤维的聚集， 防止纤维扩散， 提高成卷、 成网时半制品的成形质量， 增加成纱强力[10]。 从表3 可以看出， 蓄热散热竹炭腈纶纤维的静摩擦系数大于其相应的动摩擦系数， 这有利于纤维成卷、 加压、 防黏等。 纤维与纤维棍的摩擦系数介于纤维与金属棍和纤维与橡胶辊之间。 纤维与机件间摩擦系数大， 有利于牵伸过程中钳口对须条的握持， 但在开松和梳理过程中， 因纤维转移困难会形成缠绕性反复打击， 从而导致纤维损伤加剧， 造成纱线和机件的磨损。 因此， 为了保证纺纱的顺利进行， 应采取适当的措施降低纤维与机件之间的摩擦系数。

2. 4 纤维吸湿性能

通常， 把纤维材料从大气中吸收水分或向大气放出水分的能力称为吸湿性[5]。 纺织材料吸湿性高低通常用回潮率表示， 纺织材料的回潮率大， 表示吸湿性强。

通过测试， 蓄热散热竹炭腈纶纤维的回潮率高于普通有光腈纶纤维的回潮率， 其回潮率分别为1. 71%和1. 52%。 因为竹炭腈纶纤维表面和内部有很多微孔， 而微孔的存在使得纤维有良好的吸湿放湿性能、 保暖性能和透气性能。另外， 竹炭腈纶纤维中的竹炭颗粒具有吸附的功能， 使得竹炭腈纶纤维比一般的腈纶纤维吸湿性能更好， 提高了纤维的回潮率。 竹炭腈纶纤维回潮率的提高， 不仅有利于纺织加工， 减少静电的产生， 而且可以提高穿着舒适性， 适合于制作工作装、 运动服装、 内衣等服装。

3 结论

(1) 蓄热散热竹炭腈纶纤维表面和内部分散着大小不均匀的微孔， 其微孔结构可增加纤维间的抱合力， 提高成纱质量、 织物的透湿透气性、 蓬松度、 覆盖性和保暖性。 据此特点， 用竹炭腈纶纤维开发运动服、 工作服等制品能快速吸水与扩散， 舒适性大幅度提高。

(2) 蓄热散热竹炭腈纶纤维的断裂强度和断裂伸长率均大于普通有光腈纶纤维， 耐用性比普通腈纶纤维要好。

(3) 蓄热散热竹炭腈纶纤维的摩擦系数比普通有光腈纶纤维的略小， 手感较柔软。

(4) 蓄热散热竹炭腈纶纤维的回潮率比普通有光腈纶纤维的大， 有利于纺织加工， 提高穿着舒适性。

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