阻燃纤维/棉混纺纱线的力学性能分析

张喜昌，张海霞

(河南工程学院 纺织工程学院，河南 郑州 450007)

随着纺织技术的快速发展，阻燃纺织品在很多领域都有非常广阔的应用[1]。阻燃纺织品不仅要有较好的阻燃特性，而且需要具有天然纤维的透湿透气性、吸湿性和柔软性等各种特征[2-3]。目前，阻燃纺织纤维主要有阻燃涤纶纤维、阻燃黏胶纤维、阻燃腈纶纤维、芳纶纤维、维纶纤维、丙纶纤维、芳砜纶纤维和PBI纤维等[4]。在纺织企业使用的阻燃纤维中，阻燃腈纶有良好的阻燃性能，但其织物的舒适性较差；阻燃黏胶纤维的舒适性较好，但其极限氧指数较低。因此，在实际生产中，应根据产品的性能要求和用途，采用适当混纺比的阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维和棉纤维多组分混纺，这样既能充分发挥混纺纤维的自身特点与性能优势，又能提高阻燃织物的舒适性，可达到扩大阻燃纺织品应用领域的目的[5]。本研究主要对线密度均为18.45 tex的不同混纺比阻燃腈纶(A)/阻燃黏胶(R)/棉(C)混纺纱线及纯阻燃黏胶纱线和纯阻燃腈纶纱线的力学性能进行测试分析，以期为阻燃纺织品的开发和利用提供参考。

1 实验

1.1 试样

试样为阻燃腈纶/阻燃黏胶/棉混纺纱线(RA70/C30)、阻燃腈纶/阻燃黏胶/棉混纺纱线(RA50/C50)、阻燃腈纶/阻燃黏胶/棉混纺纱线(RA30/C70)、纯阻燃黏胶纱线和纯阻燃腈纶纱线共5种，线密度均为18.45 tex，RA70 、RA50 、RA30分别表示阻燃黏胶纤维和阻燃腈纶纤维各占35%、25%、15%。

1.2 测试仪器与方法

纱线的一次拉伸断裂性能使用HD021NS型电子单纱强力仪测试，拉伸速度设置为500 mm/min，夹持长度设置为500 mm，试样的预加张力设置为0.5 cN/tex，每种纱线的实验次数为50。

纱线的拉伸弹性和疲劳性能使用YG061F/PC型电子单纱强力仪测试，拉伸速度选择50 mm/min，夹持长度设置为500 mm，预加张力为0.5 cN/tex，定伸长为15 mm，拉伸停置时间为30 s，回复停置时间为30 s，每种试样测试2次。拉伸弹性实验反复循环1次，疲劳性能测试反复循环5次。

纱线的蠕变性能使用电子万能材料试验机测试，隔距设置为500 mm，预加张力为0.5 cN/tex，时间为500 s，载荷为100 cN，拉伸速度为50 mm/s。

纱线的耐磨性能使用LFY-109B型电脑纱线耐磨仪测试，张力重锤质量为5 g，砂纸型号为No.400，磨辊的往复速度设计为60次/min，每种纱线的实验次数为30。

纱线的弯曲性能使用HD021NS型电子单纱强力仪测试，拉伸速度设置为500 mm/min，夹持纱线长度为500 mm，试样的预加张力按0.5 cN/tex计算，每种纱线的实验次数为50。

纱线的扭转性能使用Y331N型纱线捻度仪测试，试样长度为10 mm，速度为1 000 r/min，试样捻向为Z捻，试样预加张力按0.5 cN/tex计算，每种纱线的实验次数为30，测得捻断次数。捻断次数是指单位长度的纱线同向加捻到断裂时的回转次数。

纱线的压缩性能使用YG141D型数字式织物厚度仪和Y381型黑板机测试，黑板厚度为2.00 mm，砝码取1 000 cN。将缠好纱线的黑板放在YG141D型数字式织物厚度仪上测试试样厚度，加压30 s后再一次测试试样厚度，取下载荷休息10 min后第三次测试试样厚度，纱线直径为试样厚度减去黑板厚度的二分之一。纱线的压缩主要表现为径向受压，纱线在受压方向被压扁、在受力垂直方向变宽。纱线的压缩性能指标包括以下两个：

(1)加压直径变化率

(1)

式中：d0为纱线的原始直径，mm；d为纱线压缩后的直径，mm。

(2)卸压后直径剩余变化率

(2)

式中：d0为纱线的原始直径，mm；dn为纱线回复后的直径，mm。

2 结果与分析

2.1 纱线的拉伸性能

2.1.1纱线的一次拉伸断裂性能

纱线的一次拉伸断裂性能测试结果如图1所示。

图1 纱线的一次拉伸断裂性能结果Fig.1 Test results of yarn tensile breakage property

由图1可知，5种纱线中纯阻燃腈纶纱线的断裂强度和断裂伸长率最大，说明其拉伸断裂性能最好，纯阻燃黏胶纱线的断裂强度和断裂伸长率最小。3种混纺纱线中，RA50/C50的断裂强度和断裂伸长率最大，拉伸断裂性能较好，RA70/C30和RA30/C70的断裂强度和断裂伸长率较小且比较接近。因此，从纱线的一次拉伸断裂性能角度考虑，在混纺时建议选择RA50/C50的混纺比。

2.1.2纱线的拉伸弹性和疲劳性能

纱线的拉伸弹性和疲劳性能测试结果分别见表1和表2。

表1 纱线的拉伸弹性测试结果Tab.1 Test results of yarn tensile elasticity property

表2 纱线的疲劳性能测试结果Tab.2 Test results of yarn fatigue property

由表1可知，纯阻燃腈纶纱线和纯阻燃黏胶纱线的塑性变形均大于3种混纺纱线，弹性回复率均小于3种混纺纱线，RA50/C50混纺纱线的塑性变形最小，弹性回复率最大，说明其拉伸弹性最好。

反复循环5次后的纱线疲劳性能测试结果见表2。由表2可知，5种纱线中RA30/C70混纺纱线的塑性变形最大，与纯阻燃腈纶纱线和纯阻燃黏胶纱线的塑性变形比较接近， RA50/C50混纺纱线的塑性变形最小，弹性回复率最大，说明其疲劳性能最好。另外，5种纱线的塑性变形较一次拉伸时普遍偏大，而弹性回复率普遍偏小。

2.1.3纱线的蠕变性能

纱线的蠕变曲线如图2所示。

图2 纱线的蠕变曲线Fig.2 Yarn creep curve

由图2可知，5种纱线的位移随着时间变化逐渐变大，然后趋于稳定。在500 s时，纯阻燃腈纶纱线的位移为57.61 mm，明显高于其他纱线，说明纯阻燃腈纶纱线更容易发生蠕变，其次是纯阻燃黏胶纱线，位移为18.3 mm。3种混纺纱线中，RA70/C30的位移为13.17 mm， RA30/C70的位移为12.02 mm，RA50/C50的位移为11.19 mm。RA50/C50的位移最小，说明其蠕变性能最好，不容易发生蠕变，有利于保持织物尺寸的稳定性。

2.2 纱线的耐磨性能

测试得到RA70/C30、RA50/C50和RA30/C70混纺纱线的磨断次数分别为60、41和36，纯阻燃黏胶纱线和纯腈纶纱线的磨断次数分别为29和88。由此可见，5种纱线中纯阻燃腈纶纱线的耐磨性能最好，这是因为阻燃腈纶纤维的断裂强度较高、摩擦系数较小。纯阻燃黏胶纱线的磨断次数在5种纱线中最小，耐磨性能最差。3种混纺纱线中，RA70/C30的磨断次数最大，RA30/C70的磨断次数最小。因此，阻燃黏胶和其他纤维混纺可以提高纱线的耐磨性能。

2.3 纱线的弯曲性能

纱线的勾接强度和打结强度测试结果分别见表3和表4。

由表3和表4可以看出：纯阻燃腈纶纱线和纯阻燃黏胶纱线的勾接强度、打结强度和断裂伸长率高于3种混纺纱线，说明这两种纱线的弯曲性能较好；3种混纺纱线中RA70/C30的勾接强度、打结强度和断裂伸长率较大，RA30/C70的最小。

表3 纱线的勾接强度测试结果Tab.3 Test results of yarn hook joint strength

表4 纱线的打结强度测试结果Tab.4 Test results of yarn knot strength

2.4 纱线的扭转性能

测试得到RA70/C30、 RA50/C50和RA30/C70混纺纱线的捻断次数分别为132.2、130.6和144.8，纯阻燃黏胶纱线和纯腈纶纱线的捻断次数分别为116.5和180.0。由此可见，5种纱线中纯阻燃腈纶纱线的捻断次数最大，说明其扭转性能最强，纱线不容易扭转断裂，纯阻燃黏胶纱线的捻断次数最小，扭转性能最差；3种混纺纱线的捻断次数比较接近，RA30/70的捻断次数略大，RA50/C50的捻断次数略小。

2.5 纱线的压缩性能

纱线的加压直径变化率和卸压后直径剩余变化率见表5。

表5 纱线的直径变化率测试结果Tab.5 Test results of yarn diameter change rate

由表5可以看出，5种纱线中RA30/C70混纺纱线的加压直径变化率最大，高于纯阻燃黏胶纱线和纯阻燃腈纶纱线，卸压后直径剩余变化率最小，说明其压缩性能在5种纱线中最好，其次是纯阻燃黏胶纱线。

3 结论

纱线的拉伸实验表明，纯阻燃腈纶纱线的拉伸断裂性能在5种纱线中最好，但其拉伸弹性较差，容易发生蠕变，RA50/C50混纺纱线的拉伸弹性最好，疲劳性能好，且不容易发生蠕变，3种混纺纱线中RA50/C50的拉伸断裂性能较好。纱线的耐磨实验表明，5种纱线中纯阻燃腈纶纱线的耐磨性能最好，纯阻燃黏胶纱线的耐磨性能最差，3种混纺纱线中RA70/C30的磨断次数最大，RA30/C70的磨断次数最小。纱线的弯曲实验表明，纯阻燃腈纶纱线和纯阻燃黏胶纱线的弯曲性能优于3种混纺纱线，3种混纺纱线中RA70/C30的勾接强度、打结强度和断裂伸长率较大，弯曲性能较好。纱线的扭转实验表明，纯阻燃腈纶纱线捻断次数最大，扭转性能较强，3种混纺纱线捻断次数比较接近，但均优于纯阻燃黏胶纱线。5种纱线中RA30/C70混纺纱线的压缩性能最好。