1、第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20211100306混纺比对生物基锦纶 56 短纤/棉混纺纱力学性能的影响吴佳庆1,王怡婷2,何欣欣3,郭亚飞4,郝新敏4,王 迎1,宫玉梅1(1.大连工业大学 纺织与材料工程学院,辽宁 大连 116034;2.国家先进功能纤维创新中心,江苏 苏州 215228;3.优纤科技(丹东)有限公司,辽宁 丹东 118303;4.军事科学院 系统工程研究院,北京 100082)摘 要 针对新型生物基锦纶 56
2、的基础纺纱数据不足问题,制备了锦纶 56 短纤纯纺纱、纯棉纱及多种混纺比的锦纶 56 短纤/棉混纺纱,并分别测试了纤维、纯纺纱和混纺纱的拉伸力学性能,通过建立纤维模型和纯纺纱强度模型对混纺纱强度进行预测。结果表明:纯纺纱预测曲线上混纺纱最小强度点及整体趋势与试纺数据拟合度较好,通过纯纺纱模型可预测锦纶 56 短纤/棉混纺纱强度。以纤维模型为基础,利用纱线中纤维强度利用率对纤维模型进行修正,修正的纤维模型与纯纺纱模型预测结果相近,可省去纯纺纱试纺流程,快速完成混纺纱强度预测。关键词 生物基锦纶 56;锦纶/棉混纺纱;混纺纱强度预测模型;最小断裂强度点;纤维强度利用率中图分类号:TS 104.1
3、文献标志码:A 收稿日期:2021-11-01 修回日期:2022-12-20基金项目:辽宁省重大科技专项项目(2019JH1/10100010);国家自然科学基金项目(U1808211)第一作者:吴佳庆(1994),男,硕士生。主要研究方向为生物基锦纶纤维的开发与应用。通信作者:王迎(1976),女,教授,博士。主要研究方向为纺纱技术。E-mail:。混纺纱是利用 2 种或 2 种以上不同组分纤维制成的纱线,可以综合利用各组分纤维性能优势,满足不同的纺织品应用需求1。各组成纤维的含量(混纺比)是影响混纺纱的力学性能和发挥纱线功能属性的关键因素,因此在设计混纺纱时确定合适的混纺比具有重要意义2
4、-3。通过理论模型对纱线强力和混纺比之间的关系进行预测能够加快生产工艺的设计3。有学者通过数学模型对混纺纱的成纱性能进行预测并对纤维种类及混纺比的选配提供合理选择依据4-6。由于短纤纱中纤维间的相互滑动、纤维倾斜等原因,纤维与纱线强力差异较大,所以在生产中一般通过混纺纱中纤维对应的纯纺纱性能来预测混纺纱性能,很少采用纤维的力学性能预测混纺纱的力学性能7。生物基锦纶 56(PA56)是一种新型生物基纤维 8-9,基础纺纱数据不足。为准确预测 PA56 短纤/棉混纺纱的力学性能,本文设计纺制多种含棉量的 PA56 短纤/棉混纺纱,建立纤维和纯纺纱 2 种力学模型分别预测混纺纱力学性能,并由混纺纱的
5、断裂强度随含棉量变化规律发现纤维模型、纯纺纱模型的优缺点,若能通过纤维的性能预测混纺纱的力学性能,则可减少纱线试纺成本,缩短投产时间,减少确定混纺纱合适混纺比的研发投入,以期为锦纶 56 短纤/棉混纺纱生产提供参考。1 实验原料及纱线试纺 生物基锦纶 56 短纤:1.86 dtex 38 mm,优纤科技(丹东)有限公司。棉纤维:新疆长绒棉,纤维长度为35 mm,马克隆值为3.1,线密度为 1.21 dtex,市售。采用散纤维混合方式(称量,人工铺层混合)将PA56 短纤、棉 2 种组分按混纺比称量并混合。采用DSCa-01 型数字式小样梳棉机、DSDr-01 型数字式小样并条机、DSR0-01
6、 型数字式小样粗纱机、DSSp-01 型数字式小样细纱试验机(天津市嘉诚机电设备有限公司)制成混纺纱。PA56 短纤/棉混纺纱制备流程如图 1 所示。根据前人的研究成果10对 PA56短纤维进行静电处理。图 1 PA56 短纤/棉混纺纱制备流程Fig.1 Preparation process of PA56 staple fiber/cotton blended yarn参照 GB/T 39162013纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定,采用 YG(B)026 纺织学报第 44 卷型电子织物强力机(温州方圆仪器有限公司)测试纱线的拉伸断裂性能。参照 GB/T 14337200
7、8化学纤维短纤维 拉伸性能试验方法,采用 LLY-06E型纤维强力仪(苏州电子仪器有限公司)测试纤维的拉伸断裂性能。纤维样品和纱线样品需在标准恒温恒湿实验室(温度为(202),相对湿度为(652)%)中调湿 24 h,随后对各项性能指标进行测试。2 结果与讨论2.1 基于纯纺纱强度的混纺纱强度预测模型 本文实验制备了线密度为 32 tex 的 PA56 短纤、棉纯纺纱线,依次根据各组分纯纺纱的力学性能预测混纺纱的力学性能(简称模型 1)。PA56 短纤、棉纯纺纱纱线力学性能测试结果如表 1 所示。其拉伸断裂曲线如图 2 所示。表 1 PA56 短纤及棉纯纺纱力学性能Tab.1 Mechanic
8、al properties of PA56 and cotton pure yarn样品断裂强力/cN断裂强度/(cNtex-1)断裂伸长/mm断裂伸长率/%棉纱353.2811.0417.336.9PA56 短纤纱475.5214.8672.2528.9图 2 PA56 短纤及棉纯纺纱拉伸断裂曲线Fig.2 Tensile fracture curves of PA56 staple fiber and cotton pure yarns由 PA56 短纤、棉纯纺纱拉伸断裂曲线可看出,PA56 短纤的断裂伸长远大于棉纤维,因此在采用棉纤维与 PA56 短纤制备混纺纱时,混纺纱在拉伸过程中 2
9、 种纤维断裂和伸长都表现出显著的不同时性。为方便计算和研究,与前人进行同样的假设:2 种纤维充分混合且均匀分布在混纺纱中;拉伸纱线时,纱中的纤维不发生相对滑移;纤维断裂后不再对纱线强力和伸长继续影响11。棉纱线断裂强度为 FC,cN/tex;断裂伸长为 LC,mm;混纺纱中棉纤维含量为 a,%;PA56 纱线断裂强度为 FP,cN/tex;断裂伸长为 LP,mm;混纺纱中 PA56 短纤含量为 b,%,其中 a+b=1;混纺纱的混纺比用 a/b 表示。当拉伸 PA56 短纤/棉双组分混纺纱时,起初是双组分共同承担外力,之后随着混纺纱受到的拉力不断增加,混纺纱中断裂伸长率较小的棉纤维首先被拉断,
10、此时的混纺纱断裂强度 F1为F1=aFC+bFP=a(FC-FP)+FP(1)式中:FP为拉伸曲线上 PA56 纯纺纱拉伸到 LC时对混纺纱所贡献的断裂强度,cN/tex。随后继续拉伸,棉纱完全断裂,PA56 纱承受混纺纱的所有负荷,此时最大的断裂强度 F2为F2=bFP(2)由此可看出,F1、F2随着 PA56 短纤/棉混纺纱中各纤维含量 a、b 的变化而变化。PA56 短纤/棉混纺纱的断裂强度 F 为F=maxF1,F2(3)图 3 示出用纯纺纱强度预测混纺纱强度模型曲线(模型 1)。可看出,ACB 为 PA56 短纤/棉混纺纱随含棉量变化的理论强度曲线。C 点为 PA56 短纤/棉混纺纱
11、的强度最小时含棉量点。最小断裂强度时混纺纱中含棉量为 aC,此时,F1=F2则aFC+bFP=bFP(4)aC=FP-FPFC+FP-FP 100%(5)图 3 基于纯纺纱强度的混纺纱强度预测模型曲线Fig.3 Model curve of blended yarn strength prediction based on pure yarn 结合表 1、图 2 中实验数据和式(5)得到 PA56短纤/棉混纺纱断裂强度与含棉量的理论关系,如图 3 折线 ACB 所示。F1和 F2 2 直线交点即为混纺纱的凹点,混纺纱最小断裂强度点 C,其对应的含棉量 aC值计算结果如下:aC=14.86-2.
12、5111.04+14.86-2.51 100%=52.8%2.2 基于纤维强度的混纺纱强度预测模型 为减少确定混纺比的时间和研发投入,摸索采用纤维力学性能模型预测纱线力学性能(简称模型 2)。05第 3 期吴佳庆 等:混纺比对生物基锦纶 56 短纤/棉混纺纱力学性能的影响 纤维力学性能如表2 所示。PA56 短纤、棉纤维的拉伸断裂曲线如图4 所示。棉纤维断裂强度为 fC,cN/dtex;断裂伸长为 lC,mm;PA56 短纤断裂强度为 fP,cN/dtex;断裂伸长为 lP,mm。fP为拉伸曲线上 PA56 短纤拉伸到 lC时对混纺纱所贡献的断裂强度,cN/dtex。表 2 PA56 短纤及棉
13、纤维力学性能Tab.2 Mechanical properties of PA56 staple fiber and cotton fibers样品断裂强力/cN断裂强度/(cNdtex-1)断裂伸长/mm断裂伸长率/%棉纤维3.743.091.1511.5PA56 短纤6.603.578.1481.4图 4 纤维拉伸断裂曲线Fig.4 Tensile fracture curve of fibers根据表 2、图 4 中数据和式(1)、(2)得到用纤维强度预测混纺纱断裂强度与含棉量的理论关系,如图 5 折线 OPQ 所示。由图所示基于纤维强度预测混纺纱强度模型曲线(模型 2)可看出,f1和
14、f2 2 条直线交点即为混纺纱的凹点,即混纺纱最小断裂强度点P,其对应的含棉量 aP值计算如下:aP=3.57-0.733.09+3.57-0.73 100%=47.9%图 5 基于纤维强度的混纺纱强度预测模型曲线Fig.5 Model curve of blended yarn strength prediction based on fiber strength2.3 混纺纱断裂强度预测 本文实验制备了多种含棉量、线密度为 32 tex的 PA56 短纤/棉混纺纱线,纱线力学性能测试结果如表 3 所示。为验证预测曲线与实测曲线之间的吻合情况,结合模型 1 分别选取与实测值对应含棉量的预测断
15、裂强度。表 3 PA56 短纤/棉混纺纱实测和预测断裂强度Tab.3 Measured and predicted breaking strength of PA56 staple fiber/cotton blended yarn含棉量/%断裂强度/(cNtex-1)实测值模型 1 预测值1015.8013.372014.5011.893010.5010.40408.608.92508.807.43607.347.638010.819.33909.9910.19根据表 3 数据分别做出实测纱线断裂强度和预测纱线断裂强度与含棉量关系的散点图,并通过拟合曲线趋势对预测模型准确性进行比对验证(见图
16、 6)。实测拟合曲线表达式为 y1=19.833 47-0.393 18x+0.003 27x2(R2=0.85),预测拟合曲线表 达 式 为 y2=16.444 25-0.292 38x+0.002 49x2(R2=0.95)。由图 6 可看出,与实际拟合值相比,预测拟合值偏小,而在断裂强度的变化趋势上几乎一致,随着棉含量的增加,混纺纱的断裂强度先降低后增加,曲线都存在凹点,即 PA56 短纤/棉混纺纱存在最小断裂强度时含棉量点。分别对表达式 y1、y2求取一阶导并分析可得混纺纱实测最小强度时含棉量的拟合值为 60.12%,纯纺纱模型预测拟合值为 58.71%,说明基于纯纺纱的预测模型对混纺纱最小断裂强度的含棉量的预测几乎是准确的,并且凹点附近的预测拟合曲线与实测拟合曲线几乎重合,说明基于纯纺纱断裂强度的预测模型具有可靠性。如图 3(模型 1)和图 5(模型 2)所示预测混纺纱断裂强度,模型 2 直线 f1-f2的曲线凹点含棉量为 47.9%,模型 1 直线 F1-F2曲线凹点含棉量为 52.8%,纤维模型预测结果凹点向左偏移(棉含量减小方向)。这 2 条模型折线的变化趋势与实测拟合
