PAN基功能性纳米纤维复合纱线的试纺与性能分析

张喜昌,张海霞

(河南工程学院 纺织工程学院,河南 郑州 450007)

随着科学技术的进步和人们生活水平的提高,功能性纳米纺织品越来越受到大家的青睐[1]。静电纺丝是目前应用最广泛,可以直接且连续制备纳米纤维的技术。利用物理或化学改性的方法可以使纳米纤维实现功能化[2]。汪林飞等[3]向纺丝液中加入纳米银或硝酸银进行静电纺丝,制备的纳米纤维材料具有抗菌性。佟玉凤[4]利用水热合成法制备了以聚丙烯腈(PAN)纳米纤维为载体、表面包覆二氧化钛(TiO2)的复合材料,从而能够充分发挥TiO2的光催化作用。孙复钱等[5]以钛酸丁酯为前驱体制备了TiO2纳米纤维。贾琳等[6]在PAN溶液中加入紫外线屏蔽剂TiO2,有效提高了PAN/TiO2混合纳米纤维的防紫外线功能。金属银具有良好的韧性和延展性,也是一种抑菌材料。纳米银颗粒(AgNPs)不仅具有纳米材料的大比表面积和小尺寸效应,还具有优异的抗菌性能和防辐射性能,常被添加到化学纤维中制备功能性纤维,或用于织物的后整理。制备AgNPs的方法有很多,主要可分为物理法、化学法和生物法[7]。银自身具有催化性能,AgNPs沉积在纤维表面,所以纳米银纤维比普通镀银纤维具有更好的性能[8]。目前对功能性纤维制造的研究较多,但对其纱线和织物性能的研究较少,故本研究在纺制PAN基防紫外线纳米纤维复合纱线、PAN基防辐射纳米纤维复合纱线、PAN基纳米纤维复合纱线和纯棉纱线的基础上,测试分析了复合纱线的回潮率、线密度、捻度和拉伸性能。同时,为便于分析比较纱线的防紫外线和防辐射性能,利用电脑横机将PAN基防紫外线纳米纤维复合纱线、PAN基防辐射纳米纤维复合纱线、PAN基纳米纤维复合纱线和纯棉纱线分别织造得到4种规格相同的针织物,并对其防紫外线和防辐射性能进行了对比分析,以期为PAN基纳米功能纺织品的开发提供参考。

1 试验

1.1 原料

聚丙烯腈(相对分子质量为85 000,上海金山石化有限公司),P25纳米级二氧化钛(北京上伟科林科贸有限责任公司),纳米银颗粒(宇航金属材料有限公司),N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(天津市科密欧化学试剂有限公司),棉纤维(自备)。

1.2 纱线试纺

先用棉纺试验机制备棉网,之后利用静电纺丝机将纯PAN溶液、二氧化钛PAN溶液和纳米银PAN溶液分别喷射到棉网表面,经过并条、粗纱、细纱等工序,纺制出防紫外线PAN基纳米纤维复合纱线、防辐射PAN基纳米纤维复合纱线、PAN基纳米纤维复合纱线和纯棉纱线。

纯棉纱线经DHUA202型清梳试验机、DHUA301型并条试验机、DHUC01型粗纱试验机、DHUX01型细纱试验机纺制得到。

复合纱线经DHUA202型清梳试验机、DHUHX800型静电纺丝机、DHUA301型并条试验机、DHUC01型粗纱试验机、DHUX01型细纱试验机纺制得到。

复合纱线试纺的主要技术参数和措施如下:配制3种纺丝液,第1种是纯PAN溶液,称取一定质量的PAN粉末放入溶液配制瓶中,加入一定质量的DMF溶剂,配制质量分数为12%的纯PAN溶液;第2种是PAN/TiO2混合溶液,在PAN溶液中加入一定质量的TiO2,制备TiO2质量分数为2%的PAN/TiO2混合溶液;第3种是PAN/AgNPs混合溶液,在PAN溶液中加入一定质量的AgNPs,制备AgNPs质量分数为2%的PAN/AgNPs混合溶液。利用静电纺丝机将纯PAN溶液和PAN/TiO2混合溶液、PAN/AgNPs混合溶液分别喷射到棉网表面,喷头横向移动速度为1 500 mm/min,滚筒主轴转速为20 r/min、供液流量为30 mL/h、温度为20 ℃,在其他条件一定时,通过控制喷丝时间可以调整喷射到棉网表面的纳米纤维量,喷丝时间过长则纳米纤维量大且成膜状,后续纺纱时纳米纤维膜易分离脱落或纠缠成团不易分散均匀,所以纺丝过程中应根据实际情况控制喷丝时间。并条工序采用两道并条,头道并条采用1并5倍牵伸,末道并条采用8并4倍牵伸。粗纱工序中,锭翼转速为350 r/min,粗纱捻度为4.5捻/10 cm,粗纱定量为5.0 g/10 m。细纱工序中,纺纱线密度为32.8 tex,纱线捻度为1 200捻/m,后区牵伸倍数为1.25,锭子转速为6 000 r/min。

1.3 试验仪器与方法

纱线微观形态采用SIGMA500型场发射扫描电子显微镜测试,工作距离为8.7 mm,电压为15 kV,放大倍数为300;纱线回潮率和线密度采用YG086C型缕纱测长器和YG747型通风式快速八篮恒温烘箱测试;纱线捻度采用Y331N型纱线捻度仪测试;纱线拉伸性能采用HD021NS型电子单纱强力仪测试。

为比较纱线的防紫外线和防辐射性能,利用GE2-52C型电脑横机将PAN基防紫外线纳米纤维复合纱线、PAN基防辐射纳米纤维复合纱线、PAN基纳米纤维复合纱线和纯棉纱线分别织造成厚度、面质量和线圈密度等规格基本相同的双罗纹针织物。防紫外线性能采用UV2000F型紫外线透反射分析仪测试,将织物样品裁剪成边长10 cm的正方形,每个样品在不同位置测试5次,求得紫外线防护系数(UPF)及UVA(紫外线波长315～400 nm)和UVB(紫外线波长280～315 nm)透过率的平均值。防辐射性能主要测试织物对手机辐射的防护性能,选用一部手机,使之在试验中始终处于亮屏状态,把织物裁剪成能够完全覆盖手机屏幕的长方形,调整LZT-1150型电磁辐射测试仪与手机之间的距离为15 cm,并使接收信号恰好位于手机屏幕的中心,每个样品测试5次,求取平均值。

2 结果与分析

2.1 纱线的微观形态

PAN基防紫外线纳米纤维复合纱线、PAN基防辐射纳米纤维复合纱线、PAN基纳米纤维复合纱线和纯棉纱线的微观形态如图1所示。

图1 4种纱线的扫描电镜图Fig.1 Scanning electron microscopy of four yarns

由图1可以看出,PAN基功能性纳米纤维复合纱线和PAN基纳米纤维复合纱线中均含有纳米纤维,并都已充分、均匀混合在纯棉纱线中,因此采用该方法纺制纳米纤维复合纱线是可行的。

2.2 纱线的基本性能

分别测试PAN基防紫外线纳米纤维复合纱线、PAN基防辐射纳米纤维复合纱线、PAN基纳米纤维复合纱线和纯棉纱线的回潮率、线密度、捻度和拉伸性能,结果如表1所示。

表1 4种纱线基本性能测试结果Tab.1 Test result of basic properties of four yarns

由表1可知,PAN基防紫外线纳米纤维复合纱线、PAN基防辐射纳米纤维复合纱线和PAN基纳米纤维复合纱线的回潮率与线密度均小于纯棉纱线,说明纳米纤维复合纱线比纯棉纱线细,吸湿性比纯棉纱线差。3种PAN基纳米纤维复合纱线的捻度比较接近,均大于纯棉纱线。除了PAN基防紫外线纳米纤维纱线的断裂强度低于纯棉纱线,其他2种纳米纤维复合纱线的断裂强度都高于纯棉纱线,而且3种纳米纤维复合纱线的断裂伸长率都比纯棉纱线高,说明纳米纤维复合纱线的拉伸性能比纯棉纱线好。

2.3 织物的防紫外线性能

PAN基防紫外线纳米纤维复合纱线织物、PAN基纳米纤维复合纱线织物和纯棉织物的防紫外线性能测试结果如表2所示。

由表2可知,PAN基纳米纤维复合纱线织物和纯棉织物的防紫外线性能相差不大,而PAN基防紫外线纳米纤维复合纱线织物的防紫外线性能却改善了很多。根据GB/T 18830—2009《纺织品 防紫外线性能的评定》[9],只有当样品的UPF值大于40且UVA透过率小于5%时,才能称为防紫外线产品,因此含TiO2的PAN基纳米纤维复合纱线织物可称为防紫外线产品。生产中可以根据实际需求,向纤维中添加抗紫外线纳米纤维的粒子制得具有所需性能的纱线,从而织造出相应织物。

2.4 织物的防辐射性能

辐射照度即受照面单位面积上的辐射通量,辐射照度越小,织物的防辐射性能越好。PAN基防辐射纳米纤维复合纱线织物、PAN基纳米纤维复合纱线织物和纯棉织物的防辐射性能测试结果如表3所示。

表3 织物防辐射性能测试结果Tab.3 Test results of fabrics radiation protection

由表3可知,PAN基纳米纤维复合纱线织物和纯棉织物的辐射照度较为接近,纯棉织物的辐射照度略大于PAN基纳米纤维复合纱线织物,而PAN基防辐射纳米纤维复合纱线织物的辐射照度最小,这说明PAN基防辐射纳米纤维复合纱线织物的防辐射性能最好。因此,含AgNPs的PAN基防辐射纳米纤维可以较好地提升织物的防辐射性能。

3 结论

1)3种PAN基纳米纤维在复合纱线中分布均匀,纳米纤维复合纱线的纺制方法可行。

2)3种PAN基纳米纤维复合纱线比纯棉纱线细,吸湿性比纯棉纱线差,拉伸性能比纯棉纱线好,捻度相近,均大于纯棉纱线。

3)PAN基功能性纳米纤维织物的防紫外线性能和防辐射性能良好,可用于开发防紫外线和防辐射功能性纺织品。