棉/芳纶包芯纱面料开发及性能

罗璟娴,尉 霞,2,*,赵雅婷

(1.西安工程大学纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048;2.西安工程大学功能性纺织材料及制品教育部重点实验室,陕西 西安 710048)

阳光中的紫外线照射在织物上,一部分从纱线间和纤维间的缝隙流出,另一部分的照射或被纤维吸收或被纤维反射。若紫外线长期照射,会使织物褪色,还会使部分纤维变黄变脆,从而导致强力下降,影响纺织品的使用寿命,因此纺织品的抗紫外线性能逐渐被重视[1-2]。

间位芳纶是一种耐高温、阻燃性好的高性能、高模量化纤,但紫外线照射会导致间位芳纶分子链上酰胺基团中C—N 键发生氧化而断链,进而导致间位芳纶的力学性能下降,最终造成产品变脆、龟裂和发黄,使用寿命缩短[3-7]。用抗紫外线整理剂生产成本高、对工艺要求高且存在毒性和刺激性,采用绿色天然环保的方式提高织物抗紫外线性能逐渐受到关注[8]。

天然染料茜草所含的茜根素和羟基茜素等是蒽醌类化合物,天然产物中大多数的蒽醌类化合物都含有羟基和酮基。茜草分子中有2个酮基C=O能吸收波长小于400 nm的紫外线,用这种天然染料染色可以吸收紫外线从而达到提高织物抗紫外线性能的目的[9]。

从纺纱工艺和染色工艺2方面出发,开发棉/芳纶包芯纱面料。首先在芳纶单纱外包一层棉纤维,阻断紫外线直接照射,从而起到保护芳纶的作用;再对织物用茜草进行染色,通过染料吸收紫外线提高织物的抗紫外线能力,棉作为外包纤维同时也解决了芳纶难以染色的问题。此外,由于棉纤维具有良好的亲水性和柔软度,棉纤维的加入可以从透湿导湿等方面提高织物的舒适性[10-11]。

1 试验部分

1.1 原材料

38 mm 芳纶短纤维;14.8 tex芳纶单纱;茜草;Fe-SO4,分析纯。

1.2 包芯纱纺制

包芯纱纺纱工艺:开松→梳理(DHU A201型梳棉机)→并条(AS271型并条试验机)→粗纱(FA498型粗纱机)→包芯纱(Merlin细纱机)→定捻(YG(B)742D型汽蒸收缩测定仪)。

1.3 织造部分

以14.8 tex芳纶双股线为经纱,38 tex棉/芳纶包芯纱、38 tex芳纶/芳纶包芯纱为纬纱分别织造织物。织物上机参数见表1。

表1 织物上机参数

1.4 染色部分

采用水提法制备茜草染液。采用预媒法,选择硫酸亚铁(FeSO4)作为媒染剂,将芳纶织物放入4%(o.m.f)的媒染剂水溶液中,浴比1∶50,在75 ℃下进行40 min,再将芳纶织物取出后水洗。将芳纶织物放入制成的茜草染液中,浴比1∶50,温度80 ℃下染色80 min,反应结束后将芳纶织物取出,水洗洗去表面少量杂质和染液浮液,放入烘箱烘20 min。

1.5 性能测试

1.5.1 抗紫外老化性

(1)紫外光稳定性

将织物置于PT-2030A 耐黄变试验箱中测试织物的抗老化性能。紫外光线强度为300 W,样品与紫外灯的距离为15 cm。一般认为70℃的材料在此箱内试验3 h相当于在自然环境中2个月紫外老化结果。按照GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》测试织物老化前后的力学性能。

(2)K/S值

将试样折叠一次,在不同位置测试3次K/S值,取平均值。

(3)色牢度

根据GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》,用褪色灰色样卡评价染色芳纶织物经紫外线照射后的色牢度。

1.5.2 舒适性能

(1)透气性

根据GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》测试织物透气性,保证试样无破损或受潮。

(2)透湿性

根据GB/T 12704.1—2009《纺织品织物透湿性试验方法第一部分:吸湿法》测试透湿性,试样直径7.50 cm,试样面积28.3 cm2,温度23 ℃,相对湿度50%。

(3)导湿性

根据FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》测试织物导湿性,根据毛细效应芯吸原理,试样大小250 mm×3 mm,温度27℃,时间20 min,测量芯吸高度。

(4)刚柔性

根据GB/T 18318.1—2009《纺织品弯曲性能的测定第一部分:斜面法》测试织物刚柔性,试样大小200 mm×25 mm。织物的刚柔性由试样的抗弯刚度表征。

(5)保暖性

根据GB/T 11048—2008《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测量》测量织物保暖性,试样大小300 mm×300 mm,设置温度37 ℃。

(6)抗静电性

根据GB/T 12703.5—2010《纺织品静电性能的评定第5部分:摩擦带电电压》进行测定。试样大小80 mm×80 mm,摩擦计时60 s。

2 结果与讨论

2.1 抗紫外老化性

(1)紫外光稳定性

由于试样的经纱相同,都为双股芳纶,而纬纱不同,因此只对试样的纬向拉伸断裂强度进行讨论。织物拉伸断裂强力测试结果见表2。

表2 织物拉伸断裂强度测试结果

由表2中可以观察到,在不经过紫外线照射的情况下,棉/芳纶和染色棉/芳纶的断裂强力较芳纶/芳纶小,这是因为棉/芳纶包芯纱的强度比芳纶/芳纶包芯纱的强度要低,纱线原料中的棉作为天然纤维,它的强度本身不如芳纶纤维的强力大,所以造成织物的断裂强力没有纯芳纶织物的断裂强力大。棉/芳纶和染色棉/芳纶两者断裂伸长相似,说明染色对织物的断裂伸长率影响不大。

在紫外照射箱中模拟3、6、12个月的紫外线照射,加速老化后,对3种试样经过不同时长紫外线照射的拉伸断裂强度对比分析,测试结果如图1所示。

图1 试样经紫外线照射后断裂强力变化

由图1可知,3种试样的断裂强力变化曲线随着紫外线照射时间的增长都呈下降趋势。芳纶织物经紫外线照射后,表面的大分子链发生断裂,结构遭到破坏,因此强度下降。随着紫外线照射时间的增加,芳纶纤维分子链断裂的数量增多,强度下降的趋势也越明显。其中,纯芳纶织物没有经过处理,紫外线照射时间越长,强力下降越明显。经过4.5、9.0、18.0 h紫外线照射后,强力分别降低2.0%、5.4%、11.7%。棉/芳纶包芯纱面料随紫外线照射时长增加也持续降低,虽然棉在芳纶外层起到初步的隔绝作用,但由于棉对紫外线的吸收能力低,因而抗紫外线性能提升并不明显。染色织物由于茜草染料能够吸收紫外线,并且媒染剂中的Fe2+本身对紫外线也有一定的吸收作用,使得染色后的棉/芳纶包芯纱织物的抗紫外线性能最好,经过4.5、9.0、18.0 h 紫外照射后,强力分别降低1.9%、4.3%、8.3%。

(2)色牢度

染色棉/芳纶包芯纱织物K/S值测试结果见表3。

表3 染色织物K/S 值测试结果

由表3可知,染色后织物的K/S值较小,说明织物染得的颜色较浅;L值较大,表明染色后织物的明度较高;a值说明了染色后织物带有红光;b值说明了染色后织物带有黄光。

染色后的棉/芳纶包芯纱织物经过不同时长紫外线照射后的色牢度测试结果见表4。

表4 色牢度测试结果

染色后的棉/芳纶包芯纱织物经过不同时长紫外线照射后,织物颜色有所变化。织物在紫外线照射4.5 h和9.0 h 后的颜色基本保持不变,在紫外线照射18.0 h 之后,织物颜色稍有变化,织物褪色且色泽变暗,色牢度达到3～4级。总体来看,染色棉/芳纶包芯纱织物经短时间紫外线照射的色牢度好,经长时间照射后色牢度等级下降,主要是因为在紫外线的作用下,染料中的化学键发生改变或断裂,使得染料发色体的结构遭到破坏,表现出色变。

2.2 舒适性

2种包芯纱织物的舒适性能测试结果见表5。

表5 织物舒适性

由表5可知:

(1)棉/芳纶包芯纱织物的透气性更好,透气率增加7.6%。说明在同种织物组织的情况下,棉/芳纶织物能够使更多的空气穿过空隙。

(2)透湿性是水以蒸汽的形式透过面料的性能,及面料对气态水的通透能力。织物透湿性与纤维自身吸湿性能有关。由于棉的存在使棉/芳纶包芯纱面料的透湿性更优。棉/芳纶的透湿量大,较芳纶/芳纶提高了6.3%。

(3)棉/芳纶的纬向芯吸高度比芳纶/芳纶增加了16.9%,说明纬纱为棉/芳纶包芯纱的织物的导湿能力比纯芳纶织物的导湿能力要好,水分更容易扩散。这是由于包芯纱中外包部分的棉比芳纶具有良好的吸湿性,而芳纶纤维结构中含有芳香环,亲水性官能团少,相比棉纤维吸湿性较差。所以在人体出汗的情况下,棉/芳纶包芯纱织物的导湿性更好,能够使汗液及时导出织物外,在导湿排汗方面更具优势。

(4)与纯芳纶织物相比,棉/芳纶包芯纱面料织物的抗弯刚度下降24.7%,说明纯芳纶织物的硬挺度更大,而棉/芳纶包芯纱面料织物更具柔软性,手感更好,穿着舒适性更高。

(5)棉/芳纶比芳纶/芳纶保温率下降36.9%,纯芳纶织物的保温率更高。由于芳纶是一种具有良好保暖性的纤维,纯芳纶织物中的芳纶含量更高,因此纯芳纶织物比棉/芳纶包芯纱面料的保暖性要好。

(6)2种织物的摩擦带电电压值差别不大。棉是天然纤维,纤维上含有较多亲水性基团,而纤维越吸水,其抗静电性越好。芳纶属于化纤,是高分子聚合物,易产生静电现象,所以棉的抗静电能力比芳纶优秀。由于在纺纱前已对作为外包部分的芳纶短纤维用抗静电剂处理过,增强了芳纶纤维的抗静电性能,进而提高了纯芳纶织物的抗静电性。

3 结 论

(1)棉/芳纶包芯纱织物的透气性、透湿性、导湿性、柔软性等较纯芳纶织物更优,整体提高了织物的舒适性。

(2)经天然染料茜草染色后的棉/芳纶包芯纱织物在紫外线照射后拉伸断裂强度下降率最低,与纯芳纶织物相比大大提高了织物抗紫外老化性能。