碳纤维涤棉交织抗静电面料的服用性能研究

祝学薇,葛敬玮,王 祎,阴建华,祖倚丹

(1.河北科技大学 纺织服装学院,河北 石家庄 050018; 2.天津工业大学 纺织科学与工程学院,天津 300387)

碳纤维具有良好的导电性、安全性、舒适性和较好的制备性能[1,2],PAN基碳纤维应用广泛[3],可用于制作抗静电服装面料,常见的加油站抗静电工作服面料就是将PAN基碳纤维织入到普通涤棉交织或纯棉面料中[4]。作为劳保服装,抗静电工作服应该不仅能保障工作安全,还应穿着舒适和结实耐用,从而提高工作人员的工作效率,目前关于这类抗静电工作服的研究基本都是围绕其静电性能展开,缺少对其力学、热湿舒适性等服用性能方面的系统研究。

碳纤维的力学性能与涤纶和棉纤维相差较大[5],因此碳纤维的织入可能会对涤棉交织织物的服用性能产生影响,为给碳纤维抗静电面料的设计开发提供理论依据,现对加油站常用的7种碳纤维涤棉交织抗静电面料进行力学性能和热湿舒适性研究。

1 实验部分

1.1 试样规格及表面形态

由于涤纶或棉纤维的单一成分综合性能通常不如涤棉交织的好[6],因此实验选择的样品均为涤棉交织面料,将7种抗静电面料进行编号,分别为1#～7#。7种面料均为斜纹组织,纤维成分比不同,未进行漂染等加工,其中面料1#、4#、6#的碳纤维从经纬两个方向织入,形成网格状,其余面料为条格状,7种面料的抗静电性能都满足标准,其基本规格参数见表1。

表1 碳纤维涤棉交织抗静电面料规格参数

对7种面料的表面形态进行观察,发现其表面纹路均匀,且组织不是很紧密。其中面料7#表面最平整,面料1#、3#和4#表面纱线屈曲较大。面料2#和6#表面纱线之间的孔隙较大,1#、4#和5#表面孔隙较小。抗静电面料在150倍放大镜下的表面形态见图1。

图1 碳纤维涤棉交织抗静电面料表面形态

1.2 仪器

YG(B)026P-250织物断裂强力机;YG(B)031PC弹子顶破强力机(温州大荣纺织仪器有限公司);XQ-1型纤维强伸度仪;YG522型圆盘式织物平磨仪;Y(B)802G八篮恒温烘箱(温州大荣纺织仪器有限公司);YG(B)461G型织物透气性能测定仪;YG(B)216T织物透湿量仪(温州大荣纺织仪器有限公司)。

1.3 测试方法

面料强伸性能测试:GB/T3923.1—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)》;面料顶破性能测试:GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》;面料撕裂性能测试:GB/T 3917.2—2009《纺织品织物撕破性能 第2部分:裤形试样(单缝)》;面料耐磨性能测试:GB/T 4802.1—2008《纺织品 织物起毛起球性能的测定》,织物质量损失率计算公式:质量损失率=[(G0-G1)/G0]×100%,式中G0为织物磨损前质量,G1为织物磨损后质量,单位均为g;面料吸湿性测试:GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率实验方法 烘箱法》,织物回潮率=(G-G0)/G0×100%,式中G为试样在标准大气条件下的烘前质量,称为湿重,G0为试样的烘干质量,称为干重,单位均为g;面料透气性测试:GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》;面料透湿性测试:GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分:蒸发法》,透湿率U=G/At,式中U单位为mg/(cm2·h),G为容器减少的质量,单位mg,A为透湿面积,单位cm2,t为测试时间,单位h。

2 结果分析

2.1 力学性能测试结果与分析

影响织物耐磨性的因素有很多,如纤维类型、纱线种类和细度、织物组织、织物密度和厚度等[7]。织物表面纱线屈曲波高大与磨具接触面积小,质量磨损率小,经纬纱越粗、表面越接近零结构相的等支持面平布与磨具接触面积大,质量磨损率越大[8]。面料7#表面最平整,在实验中纱线与磨具接触面积大,质量磨损率最大,耐磨性最差;面料3#表面纱线屈曲波高大且纱线较细,实验中与磨具接触面积小,质量磨损率最小,耐磨性最好。

由表2可知,7种碳纤维抗静电面料的经向断裂强力明显大于纬向断裂强力,这主要是由于其经纱密度均大于纬纱密度。强伸性能好的面料,其顶破性能和撕裂性能也较好,如面料7#、5#,面料的强伸性和顶破性能、撕裂性能变化趋于一致。从图1看出7种涤棉交织抗静电面料都为织造均匀的面料,因此可以推断7种面料的经纬密度、纱线粗细以及碳纤维间距都对面料的拉伸性能产生了影响。其中面料1#和面料4#的经纬纱细度相同,碳纤维间隔相近,但是经纬纱密度相差较大,最终断裂强力和断裂伸长率表现为相似,说明抗静电面料的强伸性能主要受经纬纱细度和碳纤维密度的影响,且碳纤维密度越大,面料的强力减小。由以上分析可知,碳纤维抗静电面料的经纬纱密度应当适中,纱线适当加粗,有利于提高面料的力学性能。

表2 面料力学性能测试结果

2.2 热湿舒适性测试结果与分析

由表3可知,7种碳纤维涤棉交织抗静电面料的回潮率都相对较小,其中4#的回潮率最大,3#的回潮率最小。4#面料吸湿性最好,含棉量最高,其次是面料1#,该面料的吸湿性主要取决于纤维的吸湿性。从表3可知,7种碳纤维抗静电面料的透湿性相近。面料透湿一部分是通过织物孔隙传递,另一部分主要取决于纤维的吸湿性,纤维吸湿性越好,通常面料透湿性越好[8]。面料3#的孔隙明显大于5#,而5#的回潮率大于3#,两者最终的透湿率相等。由于碳纤维织入含量较少,面料的回潮率和透湿率与碳纤维织入方式和密度无明显关系。

表3 面料热湿舒适性测试结果

影响织物透气性的主要因素是孔隙率,织物紧度越小,孔隙越大,透气性越好,除此之外,织物透气性还受到纤维种类、组织结构和环境的影响[9,10]。7种碳纤维抗静电面料的纤维成分、组织结构相似且测试环境相同,因此这三个因素可以忽略。面料2#、6#表面孔隙较大,透气率排名靠前。碳纤维密度大的面料在7种面料的透气率排序中并无明显规律,说明碳纤维织入密度对面料的透气性没有明显影响,比如面料7#的碳纤维密度比6#的碳纤维密度明显小,但是二者透气率相差无几。

2.3 面料服用性能综合评价

为选出综合服用性能优良的碳纤维涤棉交织抗静电面料,使用灰色关联度分析法对7种面料的11个评价指标进行综合评价。

利用灰色关联度分析法[11]建立织物多指标性能参数的关联度,将碳纤维涤棉交织抗静电面料的各项服用性能当作一个灰色系统,选取测试结果中的经纬断裂强力、经纬断裂伸长率、顶破强力、经纬撕裂强力、回潮率、透气率、透湿率的最大值以及质量磨损率的最小值为参考数列,记为X0={x0(k), (k=1,2, …,11)},则X0={1929.367,995.700,28.330,15.102,1310.65,67.8,94.2,4.736,280.963,3.584,0.232},各项性能测试结果为比较数列,记为Xi={xi(k),(k=1,2,…,11;i=1,2,…,7)(k=1, 2, …, 11;i=1, 2, …, 7)}。xi(k)表示第i块织物试样的第k个测试指标的原始值用式(1)对11个测试指标进行无量纲化处理,结果见表4。

表4 面料无量纲数值

(1)

根据式(2)计算碳纤维涤棉交织抗静电面料各项性能测试数据的绝对值差值。

Δi(k)=∣x′0(k)-x′i(k)∣,
(k=1, 2,…, 11;i=1, 2,…, 7)

(2)

根据式(3)计算碳纤维涤棉交织抗静电面料各项服用性能测试数据的关联系数。

(3)

式中εi(k)为关联系数;Δ(min)为两级最小差;Δ(max)为两级最大差;ρ为分辨系数,ρ取0.5;Δi(k)为绝对差值。

根据公式(4)计算7种碳纤维涤棉交织抗静电面料各项服用性能测试数据的关联度,ri越大,表明式中两者相关性越好,面料综合性能越好[12]。计算结果见表5。

表5 面料性能的关联系数和关联度

(4)

式中ri是比较数列xi对参考数列x0的灰色关联。

由表5可知,7种碳纤维涤棉交织抗静电面料各项服用性能的关联度排序为:7#>5#>2#>1#>3#>6#>4#,范围在0.565～0.809,其中,面料7#的关联度最大,为0.809,因此面料7#的综合服用性能最好,其次为面料5#和2#,三者关联度均在0.7以上。

观察面料7#、5#、2#,纤维成分、经纬纱密度、经纬纱细度都不同,但是面料中嵌织的碳纤维间距都比较大,且都为条纹,可见碳纤维的织入对面料的服用性能产生了一定的负面影响。根据前面的分析可知,碳纤维的织入影响了面料的力学性能,从而导致综合服用性能受到影响,而对于热湿舒适性并无太大影响。面料1#、4#的关联度都较小,说明综合服用性能不好,而1#、4#的碳纤维织入密度较大,可以证明上述结论。碳纤维织入密度可以影响面料服用性能。因此在设计碳纤维涤棉交织抗静电面料的时候可以在保证抗静电性能满足标准的前提下,尽可能减少织入碳纤维的密度。

3 结语

对力学性能测试结果分析可知,碳纤维涤棉交织抗静电面料的断裂伸长能力都不理想,经向断裂伸长率整体大于纬向断裂伸长率。总体来看,面料5#(T/C 65/35)、7#(T/C 40/60)的力学性能最优,而碳纤维织入密度小,说明碳纤维在织入过程中使得面料受到拉伸和摩擦等力,从而对面料力学性能产生了负面影响。对热湿舒适性测试结果分析可知,碳纤维的织入对抗静电面料的热湿舒适性能无明显影响。通过灰色关联度分析法得出抗静电面料7#(T/C 40/60)的综合服用性能最好,其次为面料5#(T/C 65/35)和2#(T/C 65/35),三者碳纤维的织入密度都较小,说明碳纤维织入密度对面料服用性能有较明显影响。