玻璃纤维膨体花式纱的性能研究

刘元军，赵晓明，李卫斌，拓 晓，Anja Huber

(1.天津工业大学 纺织学部，天津 300387; 2.下莱茵应用科学大学 纺织与服装技术学院， 德国 门兴格拉德巴赫 47805)

研究与技术

玻璃纤维膨体花式纱的性能研究

刘元军1，赵晓明1，李卫斌1，拓 晓1，Anja Huber2

(1.天津工业大学 纺织学部，天津 300387; 2.下莱茵应用科学大学 纺织与服装技术学院， 德国 门兴格拉德巴赫 47805)

为了改善玻璃纤维膨体纱的织造性能，将玻璃纤维膨体纱加工成玻璃纤维膨体花式纱。以断裂强力、断裂伸长率和条干均匀率为评价指标，优化出最佳的玻璃纤维膨体花式纱制备工艺。然后，研究了玻璃纤维膨体花式纱的形态结构、导热系数及热防护性能。结果表明：速比为1.0，捻度为80捻/m时，玻璃纤维膨体花式纱的性能最佳；膨体花式纱具备良好的蓬松性及热防护性能，其导热系数为0.1 W/(m·K)，是一种性能良好的保温材料。

玻璃纤维；花式纱；性能；热防护

玻璃纤维是现代无机非金属材料中具有独特功能的材料，其来源丰富，价格便宜，具有强度高、耐高温、耐腐蚀等一系列优异性能，使其在热防护领域发挥不可比拟的作用，同时还可以作为复合材料的增强体[1-8]。玻璃纤维膨体纱属于空气变形纱的一种，是把待加工的一股或几股连续纤维纱线以一定的超喂量送入特殊的变形喷嘴中，并连续向喷嘴通入高压气流，使之吹入纱线内部，把纤维彼此引开，进而在气流的紊流状态下使开启的单丝互相缠绕，纤维在无张力状态下射出喷嘴的瞬间，由于速度的急剧变化，使得超喂部分形成无规则的毛圈、结节而形成变形纱。由于玻璃纤维膨体纱自身较为蓬松，给织造过程带来极大不便，膨体纱穿综较为困难，且与钢筘的磨损较为严重，为了改善玻璃纤维膨体纱的织造性能，将玻璃纤维膨体纱加工成玻璃纤维膨体花式纱[9-11]。本文以断裂强力、断裂伸长率和条干均匀率为评价指标，优选最佳的玻璃纤维膨体花式纱制备工艺，并研究玻璃纤维膨体花式纱的形态结构、固定树脂能力、导热系数及热防护性能。

1 试 验

1.1 材 料

两种规格的玻璃纤维无捻粗纱(400、1 250 tex，淄博思创玻璃纤维有限公司)，苯甲基硅树脂(含固量50 %，上海市树脂厂)。

1.2 仪 器

PC-PH-Ⅱ型玻璃纤维专用膨体纱机(杭州萧山天成机械有限公司)，HN32-04型花式捻线机(北京卓川电子科技有限公司)，DWL5016型半自动织样机(天津市隆达机电科技发展有限公司)，YG136型条干均匀度仪(陕西长岭纺织机电科技有限公司)，YG004E型电子单纤维强力仪(天祥纺仪器有限公司)，TPP701D型热防护性能仪(美国精密制造公司)，TPS2500S型热常数分析仪(Hot Disk仪器公司)等。

1.3 玻璃纤维膨体纱的制备

利用课题组拥有自主专利的连续功能纤维束气流分散法，制备玻璃纤维膨体纱[12]。该方法生产出来的膨体纱蓬松性和单丝分离状态良好，同时避免了化学方法处理纤维造成的表面损伤。膨化过程如图1所示。

图1 纱线膨化过程示意Fig.1 Process schematic diagram of yarn bulking

纺纱工艺及参数：在开动设备前，首先选择合适的喷嘴，然后将玻璃纤维粗纱退绕下一段长度，手动将纱线依次经过梳型张力器、送纱罗拉、膨化器密封气室、输出罗拉、张力自停装置、卷取辊，其绕纱路径如图2所示。纱线在送纱罗拉和输出罗拉上缠绕两圈，防止纱线打滑，罗拉空转，造成纱线堆积。连接气体过滤排放装置，以免排出的气流中带有纤维，污染工作环境并对人体造成损伤。关闭膨化器密封气室，防止气流喷出造成伤害。准备工作完成后，开启膨体纱机，通过调节空气压力和机速来控制成纱的质量。根据文献[10-11]选择空气压力大小为0.7 MPa，机速为105 m/min，此时生产出来的玻璃纤维膨体纱强力和性能最好。

图2 绕纱路径Fig.2 Winding path

纺膨体纱注意事项：1)对于不同粗细的纱线，选择合适的喷嘴，以保证纱线的蓬松效果；2)玻璃纤维无捻粗纱退绕过程中，将纱管与喂入罗拉置于同一平面内，保证粗纱在退绕过程中不会产生捻度变化；3)由于玻璃纤维表面较为光滑，纱线在经过喂入罗拉和输出罗拉时，应在喂入罗拉和输出罗拉上缠绕两圈，以防止发生纱线打滑，影响设备正常工作；4)设备工作时，确保膨化器气室关毕，排风管道和气体过滤装置正常工作，无玻璃纤维排放到工作环境中。

1.4 玻璃纤维膨体花式纱的制备

玻璃纤维膨体花式纱由芯纱、饰纱和固结纱组成，主要通过调节捻度和速比来控制成纱质量。膨体花式纱的结构如图3所示，玻璃纤维膨体花式纱的实物如图4所示。

图3 膨体花式纱结构示意Fig.3 Structure schematic diagram of fancy bulk yarn

图4 玻璃纤维膨体花式纱实物Fig.4 Real photo of fancy bulk yarn of glass fiber

纺膨体花式纱注意事项：1)在花式纱线机上，固结纱的喂入端尽量靠近芯纱和饰纱喂入罗拉，以保证较好的固结效果；2)膨体纱作为饰纱在进入喂入罗拉前需经过导纱钩，为防止膨体纱与导纱钩发生缠绕，应及时进行疏导，以免影响设备正常运行；3)纱线从输出罗拉出来后，应经过张力调节装置，以保证正常卷绕。

1.5 测试指标和方法

1.5.1 形态结构测试

参照JB/T 6842—1993《扫描电子显微镜实验方法》，采用Quamta200型环境扫描电子显微镜测试。

1.5.2 条干均匀度测试

参照GB/T 3292.1—2008《纺织品 纱线条干不匀试验方法》，采用YG136型条干均匀度仪对玻璃纤维膨体花式纱进行条干均匀度测试。

1.5.3 拉伸性能测试

采用YG004E型电子单纤维强力仪，参照GB/T 7690.3—2013《玻璃纤维断裂强力和断裂伸长的测定》进行测试。

1.5.4 热常数测试

采用德国产热常数分析仪对织物进行导热系数测试。每种织物测试5个试样，最后取平均值。

1.5.5 热防护性能测试

采用热防护性能仪对织物进行隔热性能测试，通过测试获得织物传感响应曲线与二度烧伤曲线交叉时间，从而判断织物的隔热性能优劣。测试方法参照ISO 17492—2003《隔热和防火服曝露于火和辐射热时防护服的热传递的测定》。

2 结果与讨论

2.1 玻璃纤维膨体花式纱制备工艺

2.1.1 捻度对玻璃纤维膨体花式纱断裂强力的影响

当饰纱与芯纱喂入速比为1.0，400 tex玻璃纤维膨体花式纱断裂强力随捻度变化如图5所示。

图5 捻度对400 tex玻璃纤维膨体花式纱断裂强力的影响Fig.5 Effect of twist degree on breaking strength of 400 tex fancy bulk yarn of glass fiber

由图5可以看出，在一定范围内玻璃纤维膨体花式纱断裂强力随着捻度的增加而增加。当捻度为80 捻/m时，玻璃纤维膨体花式纱的断裂强力最大。当捻度超过80 捻/m时，随着捻度增加断裂强力逐渐减小。

当饰纱与芯纱喂入速比为1.0，1 250 tex玻璃纤维膨体花式纱断裂强力随捻度变化如图6所示。

图6 捻度对1 250 tex玻璃纤维膨体花式纱断裂强力的影响Fig.6 Effect of twist degree on breaking strength of 1 250 tex fancy bulk yarn of glass fiber

由图6可以看出，在一定范围内玻璃纤维膨体花式纱断裂强力随着捻度的增加而增加。当捻度为70 捻/m时，玻璃纤维膨体花式纱的断裂强力最大。当捻度超过70 捻/m时，随着捻度增加断裂强力逐渐减小。

2.1.2 全因子试验

制备玻璃纤维膨体花式纱过程中，影响成纱质量的因素主要是捻度和速比，为此本课题设计了2因素(以速比A和捻度B为因素)3水平全因子试验，如表1、表2所示。参考单因子试验结果，捻度范围选择在60～100 捻/m。

表1 (芯纱64 tex+固结纱32 tex+膨体纱400 tex)全因子试验Tab.1 Full-factor experiments of (core yarn 64 tex+binder yarn 32 tex+bulk yarn 400 tex) yarn

根据表1和表2中极差计算结果可以看出，400 tex玻璃纤维膨体花式纱的断裂强力、断裂伸长、条干不匀受速比的影响大于捻度。当速比为1.1时，饰纱出现起圈现象，纱线的质量不稳定，并且不能正常卷绕。当速比为0.9时，饰纱呈现绷紧状态。试验数据表明方案5速比选择1.0，捻度为80 捻/m时，玻璃纤维膨体花式纱的断裂强力、断裂伸长和条干均匀性较好。

表2 对全因子试验的处理Tab.2 Treatment of full-factor experiments

2.2 玻璃纤维膨体花式纱结构性能

2.2.1 玻璃纤维膨体花式纱的形态结构

由图7(a)(b)可以看出，玻璃纤维横截面近似不规则圆形，表面带有一层浸润剂构成的薄膜，纤维表面光滑，纵向呈直线状态，因此玻璃纤维间抱合力小。由图7(c)(d)可以看出，玻璃纤维膨体纱虽然经过高速气流的吹喷，但是表面没有明显的损伤，其形态结构与玻璃纤维无捻粗纱相似。

图7 玻璃纤维无捻粗纱和膨体纱的形态结构Fig.7 Morphological structure of roving and bulk yarn of glass fiber

2.2.2 玻璃纤维膨体花式纱织物的导热系数

采用DWL5016型半自动织样机制备了2种不同规格的玻璃纤维织物，分别为玻璃纤维无捻粗纱织物(经纱：玻璃纤维无捻粗纱；纬纱：玻璃纤维无捻粗纱；平纹；平方米质量535 g/m2；厚度0.33 mm)，玻璃纤维膨体花式纱织物(经纱：玻璃纤维膨体花式纱；纬纱：玻璃纤维膨体花式纱；平纹；平方米质量515 g/m2；厚度0.98 mm)。测试其导热系数，结果如表3所示。

表3 织物导热系数值Tab.3 Coefficient of fabric thermal conductivity

导热系数反应材料传导热量的能力，导热系数越低，材料的保温性能越好，通常把导热系数低于0.12 W/(m·K)的材料称为保温材料。由表3可以看出，玻璃纤维膨体花式纱织物的导热系数小于0.12 W/(m·K)，其保温性明显优于玻璃纤维无捻粗纱织物。这是由于保温性能好的织物中空隙较多，其中所含静止空气多，空气的导热系数为0.023 W/(m·K)，小于玻璃纤维无捻粗纱导热系数，所以膨体纱织物的保温性能优于普通无捻粗纱织物。

2.2.3 玻璃纤维膨体花式纱织物的热防护性能

TPP值反应织物热防护性能用，相同测试条件下，织物传感响应曲线与二度烧伤曲线交叉的时间越长，TPP值越高，织物耐热性越好，热防护性能越好。织物的TPP值如表4所示，从表4可以看出，玻璃纤维膨体花式纱织物的热防护性能明显优于玻璃纤维无捻粗纱织物。玻璃纤维膨体花式纱织物的TPP值约是玻璃纤维无捻粗纱织物的2倍多。

表4 织物的TPP值Tab.4 TPP values of fabrics

3 结 论

1)速比为1.0，捻度为80 捻/m时，玻璃纤维膨体花式纱的断裂强力、断裂伸长率和条干均匀率最佳；

2)玻璃纤维膨体花式纱织物的导热系数小于0.12 W/(m·K)，其保温性明显优于玻璃纤维无捻粗纱织物。另外，膨体花式纱具备良好的蓬松性及热防护性能。

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A Study on the Performance of Fancy Bulk Yarn of Glass Fiber

LIU Yuanjun1, ZHAO Xiaoming1, LI Weibin1, TUO Xiao1, ANJA Huber2

(1.College of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. Faculty of Textile and Clothing Technology,Hochschule Niederrhein-University of Applied Sciences, Mönchengladbath 47805， Germany)

In order to improve the weaving performance of bulk yarn, the bulk yarn of glass fiber was processed into fancy bulk yarn of glass fiber. Breaking strength, elongation at break, and yarn evenness were used as the evaluation index to optimize the best preparation technology of fancy bulk yarn. Then, morphological structure, coefficient of thermal conductivity and thermal protection performance of the fancy bulk yarn of glass fiber were studied. The results show that when the speed ratio is 1.0 and twist is 80 T/m, fancy bulk yarn can reach the best properties. The fancy bulk yarn owns favorable fluffy property and thermal protection performance. Its coefficient of thermal conductivity is 0.1 W/(m·K), and it is a kind of thermal insulation material with good insulation performance.

glass fiber; fancy yarn; performance; thermal protection

2015-05-05;

2015-11-04

国家自然科学

基金项目(51206122)；天津应用基础与前沿技术研究计划项目(13JCQNJC03000);天津工业大学研究生科技创新活动计划资助项目(15101)

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.12.004

TQ171.77

A

1001-7003(2015)12-0016-05 引用页码: 121104