防紫外线吸湿速干功能性纱线的开发

文 | 孔 聪 李 洋 张书峰 钟 军 陈启升

随着人们生活水平的提高和对紫外线危害意识的提升，防紫外线纺织品越来越多地出现在人们的视野中。太阳光照射到纺织品上，部分被反射回去，部分被纺织品吸收，其余的则透过纺织品照射到皮肤上，这部分光是伤害人类的罪魁祸首。因此，防紫外线纺织品的作用就是减少透过纺织品照射到人体皮肤上的紫外线量，其生产原理是采用紫外线屏蔽剂对纤维、纱线或织物进行处理，从而达到吸收或反射紫外线的目的。紫外线屏蔽剂分为有机类和无机类两种，有机类紫外线屏蔽剂主要有苯酮类和苯并三唑类等芳香族有机化合物，主要吸收紫外线，并能进行能量转换，以热能或其他无害低能辐射将能量释放或消耗，因此又称为紫外线吸收剂；无机类紫外线屏蔽剂主要有二氧化钛（TiO）、氧化锌和陶土等折射率很高的无机物，作用机理主要是反射和散射紫外线，又称为紫外线反射剂。

目前，防紫外线纺织品具体生产方法有采用防紫外线功能纤维、紫外线吸收剂整理、防紫外线涂层整理等。其中，采用紫外线吸收剂整理的纺织品耐光性差、耐洗涤牢度差、穿着舒适性差；采用防紫外线涂层整理的纺织品具有洗涤、弯曲及摩擦牢度差，纺织品手感硬，透气性差，穿着闷热的缺点。相比之下，通过紫外线屏蔽剂对纤维进行改性生产的防紫外线纤维，制成的纺织品耐洗耐烫、穿着舒适性好，具有明显的优势。

文章采用防紫外功能性纤维与天丝莱赛尔纤维按照特定比例进行混纺，解决改性纤维纺纱过程的技术难题，开发兼具防紫外线和吸湿速干功能的纱线，实现纺织品的多功能化。

1 纤维性能

1.1 防紫外线功能纤维的选择及性能

作为纺织面料的原材料，防紫外线功能纤维除具有良好的紫外线屏蔽功能外，还必须与普通纺织品一样耐洗耐烫、安全性好、对皮肤无伤害、穿着舒适、加工方便、具有持久性的特点。在现有的紫外线屏蔽剂中，纳米TiO具有较高的化学稳定性、热稳定性和非迁移性，且无味、无毒、无刺激性，食用安全，尤其是其吸收紫外线能力强，对UVA区和UVB区紫外线均有屏蔽作用，可见光透过率大。采用纳米TiO改性防紫外线纤维制成的纺织品不仅具有反射紫外线的作用，而且还具有选择吸收性，可将紫外线能量转换为热能或其他无害低能形式予以释放或消耗，因此具有防暑、隔热、触感凉爽的性能。同时，TiO作为聚酯类化纤的重要助剂之一，对纤维的色泽、性能等影响较低，用途广泛。文章选用的防紫外线功能纤维是将纳米级TiO粉体与聚酯熔体进行共混纺丝，使其均匀分散在聚酯纤维内部而制成（图 1），其主要性能如表 1 所示。

图1 纳米TiO2改性防紫外线聚酯纤维

表1 纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维的物理性能

规格 断裂强度/（cN·dtex–1）断裂伸长率/%比电阻/（Ω·cm–1） TiO2含量/%1.33 dtex×38 mm6.0220.60.39×1082.5

1.2 天丝TM莱赛尔纤维

天丝莱赛尔纤维是以从桉树中提取的100%天然木浆为原料制成的一种再生纤维素纤维，纤维形态如图 2 所示。因其原料来源于可再生的木材，生产过程无毒、无污染，使用后可降解，是环保的绿色纤维。该纤维除具有普通粘胶优良的吸湿性、柔滑飘逸性、舒适性等优点外，还克服了普通粘胶纤维强力低（尤其是湿强低）的缺点，具有较高的干、湿强力，堪比涤纶。纤维的圆形截面和平滑的纵向外观使织物具有丝绸般的光泽，优良的手感和悬垂性。纤维物理性能如表 2 所示。

图2 天丝TM莱赛尔纤维结构形态

表2 天丝莱赛尔纤维的物理性能

纤维类型 规格 断裂强度/（cN·dtex–1） 断裂伸长率/%天丝TM莱赛尔（A100） 1.0 dtex×38 mm5.0313.48

2 纺纱方案

2.1 混纺比的确定

文章开发兼具防紫外线和吸湿速干功能的纱线，其中防紫外线功能通过采用纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维实现，纤维含量越高，则紫外线屏蔽效果越好。但由于聚酯纤维吸湿性差，过高的聚酯含量会影响纱线的吸湿性能，无法达到吸湿速干的效果。

目前，吸湿速干功能性纺织品的开发方法主要有 4 种：一是通过纤维的化学改性改善其吸湿性；二是通过纤维截面的异形化使之借助毛细管效应而改善吸湿和导湿性能；三是通过纱线或织物组织结构设计实现吸湿排汗功能；四是采用适当的吸湿排汗后整理来实现。此外，美国Optimer公司开发的Dri-release吸湿速干纱线将疏水性纤维（85% ～ 90%）与亲水性纤维（10% ～ 15%）按照一定比例混纺，亲水性纤维具有较好的吸湿性能，其吸附的水分扩散到疏水性纤维间隙中，实现吸湿速干的效果，该纱线结构如图 3 所示。

图3 Dri-release吸湿速干纱线的结构

因此，以Dri-release纱线为参考，针对纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维/天丝莱赛尔纤维混纺比例，选取95/5、85/15、75/25、65/35共 4 个方案，对比测试成纱制成面料的功能性，结果如表 3 所示。

表3 不同混纺方案对产品功能性的影响

混纺比UPF值 吸湿性 速干性95/550＋ 不符合 符合85/1550＋ 符合 符合75/2540＋ 符合 不符合65/3540符合 不符合

由表 3 可以看出，当混纺比为85/15时，产品可同时获得防紫外线性能和吸湿速干性能。考虑到后道面料加工过程中还会加入氨纶等弹性纤维，兼顾防紫外线与吸湿速干功能，将混纺方案确定为纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维/天丝莱赛尔纤维（80/20），成纱线密度为14.8 tex；并选用1.0 dtex的细旦天丝莱赛尔纤维，增加纱线中纤维根数，有利于增加纱线孔隙数量，提高导湿效果。

2.2 工艺路线及设备流程

混纺纱线的混合方式有散纤维混合与条混两种。其中，散纤维混合可以实现不同纤维的细致混合，布面效果细腻均匀，但无法兼顾两种纤维的加工要求；条混可以兼顾不同纤维的加工要求，但混合效果较差；当面料单染时，布面风格较为粗犷，且在混并之前，两种材料往往要增加一道预并条来保证条子的均匀程度，加工流程长、成本高。综合两种混合方式的特点，采用预混合＋清花混合的方式，并通过 3 道并条进行补充混合，通过清花流程的优化兼顾两种纤维的加工要求。具体工艺流程如下：

FA002圆盘抓棉机→FA022－6多仓混棉机→立式打包机→FA002圆盘抓棉机→FA022－6多仓混棉机→FA046A振动棉箱给棉机→FA141A单打手成卷机→FA201B梳棉机→JWF1310并条机（两道）→RSBD22C并条机→FA497粗纱机→JWF1510赛络紧密纺细纱机→Savio Polar L自动络筒机。

3 生产要点及技术措施

3.1 纤维性能对成纱质量的影响

该改性防紫外线聚酯纤维由于添加了纳米TiO，纤维的物理机械性能与常规聚酯纤维不同，对纤维可纺性与成纱质量影响较大，两者的物理指标比较如表 4 所示。

通过对比发现，纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维的断裂强度和断裂伸长率均低于常规聚酯纤维，纤维摩擦系数大于常规聚酯纤维。较大的摩擦系数有助于提高纤维在纺纱过程中的抱合力，但也会增加纤维的梳理负担，影响分梳效果。此外，防紫外线聚酯纤维的卷曲数和卷曲率与常规聚酯纤维差别较大，也影响纤维的可纺性与成纱质量。上述纤维的物理性能中，纤维断裂强度、断裂伸长率、摩擦系数与添加TiO颗粒有关，无法随工艺调整。而卷曲数与卷曲率可通过丝束张力、卷曲温度与卷曲压力等进行调整。采用卷曲特性不同的防紫外线聚酯纤维进行纺纱试验，试验结果对比如表 5 所示。

从表 5 可以看出，当卷曲数与卷曲率较低时，纺纱过程出现棉卷粘层、梳棉落网的现象，且条干不匀率、棉结较高，成纱强力较差。这是由于纤维卷曲少，抱合力差；且在牵伸过程中易出现意外伸长，造成条干较差。当卷曲数与卷曲率较大时，成纱条干、棉结较差，成纱强力明显降低。这是由于卷曲数过多，纤维之间抱合力大，棉卷中纤维的开松度下降，棉块、棉束较多，梳棉棉网分梳度差，纤维伸直度差，使成纱各项性能恶化。当纤维卷曲数为10.4个/25 mm，卷曲率为10.6%时，纺纱较为顺利且成纱质量较好。

3.2 各工序生产要点及技术措施

3.2.1 开清

两种纤维均为等长化纤，疵点少、不含杂，且纤维均较蓬松，不需要过分开松，因此开清工序以均匀混合为重点，以减少纤维损伤为原则。

在流程设计上，采用预混打包→开清的工艺流程，第一次抓取的纤维经多仓混棉机混合后打包，翻转90°后重新排盘，再次经过抓棉和多仓混合，通过两次加工实现细致混合；跳过开清流程中的开松机械，依靠抓棉机的抓棉打手和成卷机的综合打手实现纤维开松，最大限度地减少纤维损伤。

在工艺设计上，将FA002圆盘抓棉机打手刀片伸出肋条的距离调整为－3 mm，小车下降动程调整为 2 mm/次，小车回转速度为 2 r/min，以保证抓棉机运转效率在90%以上，有利于均匀抓取较小的棉块；经过两次抓取后，纤维已具备较好的开松度。将FA141单打手成卷机的天平罗拉与综合打手的隔距调整为11 mm，并拆除综合打手前端的刀片，以减轻对纤维的打击；综合打手转速为740 r/min，风机转速为1 200 r/min，棉卷定量为380 g/m，棉卷长度为36 m。

表4 纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维与常规聚酯纤维的物理性能比较

疵点含量/（mg·（100 g）–1）防紫外线聚酯纤维6.0220.60.900.4713.611.50.39×1085.21.6常规聚酯纤维6.1424.10.320.2411.113.10.48×1085.00.4纤维种类 断裂强度/（cN·dtex–1） 断裂伸长率/% 静摩擦系数 动摩擦系数 卷曲数/（个·（25 mm）－1） 卷曲率/%比电阻/（Ω·cm–1）180 ℃干热收缩率/%

表5 不同卷曲特性对可纺性及成纱质量的影响

方案 卷曲数/（个·（25 mm）－1） 卷曲率/% 条干CV值/%－50%细节/（个·km－1）＋50%粗节/（个·km－1）＋200%棉结/（个·km－1）断裂强度/（cN·dtex－1） 断裂伸长率/%纺纱情况10.29.411.621.011.723.328.210.9棉卷粘层，梳棉落网2 10.410.611.420.59.014.830.411.6正常3 11.812.911.531.112.828.529.211.4棉网清晰度稍差4 13.111.712.141.916.037.526.610.3棉网清晰度差，棉结多1

3.2.2 梳理

纤维经过开清工序的两次加工，已具备较好的开松效果，应进一步减轻梳理工序的刺辊等部位的不必要打击，减少纤维损伤。选取锡林速度、锡林盖板隔距、刺辊与预分梳板隔距 3 项工艺参数为变化因素，以对针织布面质量影响较大的＋200%成纱千米棉结为主要评价指标，采用L（3）正交表安排试验，进行了工艺优化。各因素水平的选取方案、各项指标的数据结果、＋200%棉结试验值的极差分析如表 6 — 表 8 所示。

表6 正交试验的各因素水平设计方案

试验 锡林转速A/（r·min－1）刺辊 — 预分梳板隔距C/（×1‰英寸）1 2508/7/7/7/8进口28，出口26 2 30010/9/9/9/10进口32，出口30 3 35012/11/11/11/12进口36，出口34锡林 — 盖板隔距B/（×1‰英寸）

表7 正交试验得出各项指标的数据结果

方案 条干CV值/%断裂伸长率/%111.820.816.035.329.011.4 211.710.614.425.329.511.5 311.550.37.324.529.111.3 411.952.916.127.928.611.3 511.1006.213.730.111.0 611.320.89.024.330.111.7 712.042.015.032.528.611.4 811.420.57.319.329.411.2 911.610.57.023.329.810.9－50%细节/（个·km–1）＋50%粗节/（个·km–1）＋200%棉结/（个·km–1）断裂强度/（cN·dtex–1）

对比试验结果的极差可以看出：各因素对＋200%成纱千米棉结的影响主次顺序为：B＞A＞C，最优水平组合为A2B2C3。优化后梳理工序主要工艺参数如表 9 所示。

3.2.3 并粗工序

并条工序除伸直纤维外，通过条子的合理搭配进一步实现补充混合。因此采用 3 道并条，以利于两种纤维的充分混合。由于纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维的表面摩擦系数较大，须条中纤维的抱合力大，并粗工序的牵伸工艺设置以“大隔距、大后区牵伸”为原则，防止“出硬头”，主要工艺参数如表10、表11所示。

表8 ＋200%棉结试验值的极差分析

方案 锡林转速A/（r·min－1） 空白D ＋200%棉结/（个·km－1）1111135.3 2122225.3 3133324.5 4212327.9 5223113.7 6231224.3 7313232.5 8321319.3 9332123.3 k128.3731.9026.3024.10 k221.9719.4325.5027.37 k325.0324.0323.5723.90 R6.4012.472.733.47锡林 — 盖板隔距B/（×1‰英寸）刺辊 — 预分梳板隔距C/（×1‰英寸）

表9 梳理工序主要工艺参数

生条定量/（g·（5 m）–1）刺辊 — 预分梳板隔距/（×1‰英寸）18603005809010/9/9/9/10进口36，出口34出条速度/（m·min–1）锡林转速/（r·min–1）刺辊转速/（r·min–1）盖板速度/（mm·min–1）锡林 — 盖板隔距/（×1‰英寸）

表10 并条工序的主要工艺参数

并合根数头道213006.851.7550×558二道213006.001.5050×556末道213506.001.3045×516道数 定量/（g·（5 m）－1）出条速度/（m·min－1）总牵伸倍数/倍后区牵伸倍数/倍罗拉握持距（前×后）/mm

表11 粗纱工序的主要工艺参数

定量/（g·（10 m）－1）隔距块/mm 4.59009.491.1976 11×31×407.0锭速/（r·min–1）总牵伸倍数/倍后区牵伸倍数/倍捻系数罗拉隔距（前×中×后）/mm

由于试验使用的防紫外线聚酯纤维中加入了TiO纳米颗粒进行改性，裸露在纤维表面的颗粒在生产中存在脱落现象，脱落物聚集在胶辊表面，影响胶辊表面状态，如图 4 所示。为改善上述现象，延长胶辊使用时间，试验采用不同比例的A、B双组分涂料对胶辊进行涂覆，以改善胶辊表面的光洁度。试验发现，当涂料配比在A∶B为 1∶2 时，胶辊表面形成一层光洁的覆盖层，可减少胶辊对纤维脱落物的粘带，且对成纱质量无显著影响。

图4 防紫外线聚酯纤维脱落物聚集在胶辊表面

3.2.4 细纱

赛络紧密纺细纱工序采用双粗纱喂入，且纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维表面摩擦系数大，须条间牵伸力大，易出现牵伸不开的现象，采用大隔距、大钳口，并通过使用前区压力棒增加牵伸区内浮游纤维的控制，细纱工序主要工艺参数如表12所示。

表12 细纱工序主要工艺参数

总牵伸倍数/倍钢丝圈型号65.31.136－2 500 33014 5003.0＋压后区牵伸倍数/倍集聚负压/Pa捻系数锭速/（r·min－1）钳口隔距块/mm罗拉隔距（前×后）/mm力棒20×40 EL1 HD TW 4/0

3.2.5 络筒

络筒工序根据针织用纱的质量要求，合理设置电子清纱器的切疵门限，同时为提高纱线在后道加工的润滑性，选择滴熔点较低的蜡块对纱线进行上蜡处理，上蜡量控制在1.5‰ ～ 2‰左右，锭速为1 200 m/min。

4 成纱及面料功能性指标测试

采用优化后的工艺进行纱线生产，测试成纱各项指标数据如表13所示。

采用上述纱线开发出的单面弹力纬平针织面料，经通标标准技术服务（上海）有限公司检测，符合GB/T 21655.1 — 2008《纺织品 吸湿速干性的评定 第 1 部分：单项组合试验法》、FZ/T 01071 — 2008《纺织品 毛细效应试验方法》、GB/T 12704.1 — 2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第 1 部分：吸湿法》和GB/T 18830 — 2009《纺织品 防紫外线性能的评定》的技术要求，具有吸湿速干性和防紫外线性能。测试结果如表14、表15所示。

5 总结

文章选用纳米TiO改性防紫外线聚酯纤维与细旦天丝莱赛尔（A100）纤维进行混纺，采用微混法搭配两种纤维的混合比例，开发出了兼具防紫外线与吸湿速干功能的纱线。通过合理设计生产流程，保证了两种纤维的均匀混合，减少了纤维损伤；通过试验确定了该品种的最佳生产工艺。与采用后整理法及涂层法生产的防紫外线纺织品相比，该产品制成的防紫外线面料功能持久、洗涤牢度好，且穿着舒适性好，兼具吸湿速干的功能。该产品主要应用于夏季服装，特别是高档T恤、运动服等，可延缓因紫外线照射而引起的纺织品老化，降低其褪色程度，同时更减轻了紫外线辐射对人体的伤害。随着人们对紫外线防护意识的增强，防紫外线纺织品必将得到更为广泛的应用。

表13 成纱各项指标数据

线密度偏差率/%3 mm毛羽数/（根·（10 cm）－1）0.40.930.47.2330.385.82.30.55.415.12.610.9线密度变异系数/%单纱断裂强度/（cN·dtex－1）单纱断裂强力变异系数/%断裂伸长率/%捻度/（捻·（10 cm）－1）捻度不匀率/%－50%千米细节/（个·km－1）＋50%千米粗节/（个·km－1）＋200%千米棉结/（个·km－1）毛羽指数H

表14 面料的防紫外线性能测试

UPF值T（UVA）/%T（UVB）/%标准要求 ＞40＜5—检测结果 ＞501.130.8单项评判 符合

表15 面料的吸湿速干性能测试

织物透湿性能/（g·m–2·d–1）标准要求 ≤3≥0.18≥100≥200≥10 000原样检测结滴水扩散时间/s蒸发速率/（g·h–1） 芯吸高度/mm吸水率/%果1.50.28151.3（直向）145.7（横向） 23610 115洗涤 5 次后检测结果1.20.29157（直向）152.7（横向） 24710 197单项评判 符合