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第二节
非弹性纤维材料

尽管压力纺织品中弹性材料的比例远高于普通面料织物中的弹性材料比例,但弹性材料仍不是压力纺织品的最主要组成成分。压力纺织品的主要组成成分是非弹性纤维材料,包括棉、锦纶、涤纶、丙纶、腈纶等。非弹性材料的作用是赋予压力纺织品服用性以及调节弹性材料的单一性能。非弹性纤维材料通常包缠在弹性纤维外层,两者形成弹性复合纱。本节则主要介绍相关非弹性材料的结构、性能以及加工工艺。

一、棉纤维

(一)结构

棉纤维是棉属植物种子表面生成的绒毛,属于种子纤维,它是胚珠表皮细胞经伸长加厚而成的。一根棉纤维就是一个植物单细胞。它的生长特点是先伸长,然后加厚细胞壁,整个棉纤维的形成过程可分为三个时期:伸长期-加厚期-转曲期。

棉纤维的主要组成物质是纤维素(图4-9),占94%左右。纤维素分子式为(C 6 H 10 O 5 n 。除纤维素外,棉纤维还有很多伴生物(表4-5):①蜡质和脂肪:在棉纤维的表面,能保护棉纤维不易受潮并增加纤维光泽,含量适当时能在纺纱过程中起润滑作用,但它妨碍棉纤维及其制品的着色能力。用乙醚、酒精和碱溶液可以把它溶解除去。②果胶:果胶物质会妨碍棉纤维的毛细管作用,除去果胶可提高棉纤维的吸湿性。③含氮物质:主要是蛋白质和其他含氮的化合物,含量随着棉纤维成熟度的提高而降低,用水加热或用碱液蒸煮即可除去。④糖类物质:指多缩戊糖,一般含量较少。含糖较多的棉纤维在纺纱过程中容易引起绕罗拉、绕皮辊、绕皮圈等现象,影响纺纱工艺及产品质量。⑤灰分:是铁、钙、镁、钠、钾等金属元素氧化物的总称。棉纤维成熟度愈高,灰分含量愈低。

图4-9 纤维素的分子式

表4-5 棉纤维成分

成熟正常的棉纤维,截面是不规则的腰圆形,有中腔(图4-10A)。过成熟的棉纤维,截面呈圆形,中腔很小。棉纤维的截面由外至内主要由初生层、次生层和中腔三个部分组成。初生层是棉纤维在伸长期形成的初生细胞壁,成分是极少的蜡质、果胶和少量纤维素。纤维素在初生层中呈螺旋形网络状结构。次生层成分几乎都是纤维素。由于每日温差的原因,纤维素逐日淀积一层而形成一圈圈的日轮,同时使次生层加厚。但这种淀积并不均匀,纤维素以束状小纤维的形态与纤维轴呈螺旋形(螺旋角为25°~30°)排列,并沿纤维长度方向有转向,使棉纤维生成天然转曲。天然转曲(图4-10B)有利于纤维间的抱合,从而使纺纱工艺过程正常进行和成纱质量的提高。次生层的发育加厚情况取决于棉纤维的生长条件、成熟情况,它决定了棉纤维的主要物理性质。中腔是棉纤维生长停止后遗留下来的内部空隙。同一品种的棉纤维,外周长大致相等,中腔大小取决于次生层薄厚。中腔内的少数原生质和细胞核残余会影响棉纤维颜色。

(二)分类

按棉花的品种可分为:①亚洲棉和非洲棉,均为粗绒棉,长15~24mm,细2.5~4.0dtex,目前已很少作为纺纱用纤维;②陆地棉,又称细绒棉,长23~33mm,细1.5~2.2dtex,是世界上的主要栽培品种;③海岛棉,又称长绒棉,长30~60mm,细1.2~1.4dtex,用于生产高档织物或特种工业用纱,为世界次要栽培品种。

图4-10 棉纤维的横截面(A)与纵向转曲(B)

按棉花的初加工方式(棉纤维与棉籽的脱离过程)可分为:①皮辊棉:由皮辊式轧棉机加工的皮棉。呈片状,有较多的杂质和短绒,纤维长度整齐性较差,但纤维长度损伤小,疵点少;②锯齿棉:用锯齿式轧棉机加工的皮棉。呈松散状,杂质和短绒量少,长度整齐度较高,但纤维长度损伤大,疵点多。

(三)性能

棉纤维通常为白色、乳白色或淡黄色。光泽较差,但可通过漂白或荧光增白处理,丝光和轧光等后整理有助于提高光泽度。染色性良好。棉制服装吸湿、透气,无闷热感和静电现象。棉纤维在水中浸润后,能吸收接近其本身重量1/4的水分,导致横截面变粗,长度变短,因此棉织物在裁剪前应预缩,以避免制成服装后尺寸变小。棉纤维吸湿后强力增加,因此棉织物耐水洗。在一定的温、湿度条件下,棉纤维易受真菌等微生物的侵害,纤维表面会产生黑斑。纤维内腔充满了静止的空气,因此棉纤维是一种保暖性较好的材料。棉纤维耐热性较好,优于羊毛、蚕丝,接近于黏胶纤维。棉纤维耐光性一般,与日光长时间接触后,纤维强力会降低,并发硬、变脆。棉纤维耐酸性较差,耐碱性较好。

二、锦纶

(一)结构

锦纶(尼龙)是聚酰胺纤维的统称,基本组成物质是大分子链节以酰胺键(—CONH—)相连的线型结构高聚物。杜邦公司于1935年首次合成尼龙66。锦纶可分为两大类,一类是通过由ω-氨基酸缩聚或由己内酰胺开环聚合制得的线性高分子缩聚物,再经过熔融纺丝及后加工而制得的纤维,如锦纶6;另一类是由饱和的二元酸与二元胺通过缩聚反应制得的线性高分子缩聚物,再经过熔融纺丝及后加工而制得的纤维,如锦纶66。锦纶6与锦纶66的结构如图4-11所示,可见两者的化学结构不同,故在很多性能上存在差异。

图4-11 锦纶66和锦纶6的链节结构

(二)纺丝工艺

1.锦纶6

干燥切片经熔融纺丝、牵伸、卷绕便可制得锦纶6纤维。主要工艺参数如下:切片含水率<0.08%,熔体不允许有>6μm的杂质;纺丝温度在265~270℃;因聚酰胺分子间结合力大,易结晶,吸水性强,故需采用高速纺丝速度(4 200~4 500m/min),以保证预取向丝的高取向度和高结晶度,从而减少因吸湿带来的各向异性膨胀问题。

2.锦纶66

目前,在国内锦纶生产中,主要以锦纶6为主,锦纶66弹力丝的生产比较少。以下为其主要生产工艺:切片干燥温度<110℃,含水率小于0.1%;纺丝温度严格控制在290℃±10℃;纺丝速度2 000~2 500m/min。

(三)性能

1.热学性能

由表4-6可知,锦纶66熔点比锦纶6高40℃,原因是锦纶6大分子的重复单元里有偶数个碳原子,当大分子链反向平行时,所有的酰胺基均能形成氢键,当大分子链顺向平行时,只有一半酰胺基能形成氢键,因而熔点低,熔解热也小。锦纶66晶体中酰胺基不受顺向或反向平行的影响,都能形成氢键,因而熔点较高,熔解热也较大。

表4-6 锦纶6与锦纶66的热学性能比较

两者耐热性均较差,锦纶66的安全使用温度为130℃;锦纶6的安全使用温度为93℃。高温发生各种氧化和裂解反应,—C—N—断裂,形成双键和氰基。

2.物理机械性能

两种锦纶初始模量均小(其中锦纶66>锦纶6),且都低于涤纶,伸展性大,故手感柔软,易变形;回弹性最好,伸长3%时,锦纶6的回弹率100%,伸长10%时,锦纶6、涤纶和黏胶长丝的回弹率分别为90%、67%和32%;断裂强度高,耐疲劳性好,耐磨性最好,居合成纤维之首,因此锦纶耐穿耐用。缺点是易起毛起球,易变形、保型性差,不适合单独做外衣。

3.化学性能

酰胺键易发生水解反应,100℃以上显著。因酸可催化酰胺键水解,故锦纶对酸不稳定,尤其不耐浓强无机酸。在浓的强酸中,锦纶可溶解,强度迅速下降。对碱稳定性好。强氧化剂如过氧化氢、次氯酸钠、高锰酸钾等,会对亚甲基产生氧化作用,故锦纶对氧化剂稳定性差,但可用氧化性小的亚氯酸钠、过醋酸等进行漂白。回潮率约4%,吸湿性较好,在合成纤维中仅次于维纶,染色性较好。耐光性差,长时间光照会使大分子链断裂,强度下降、纤维泛黄。

三、涤纶

涤纶又称达克纶,是合成纤维中的一个重要品种,是聚酯纤维的商品名称。其基本组成物质是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),分子式为[—OC—Ph—COOCH 2 CH 2 O—] n (Ph为苯基),相对分子量一般在18 000~25 000。经对苯二甲酸(PTA)或对苯二甲酸二甲酯(DMT)与乙二醇(EG)经酯化或酯交换和缩聚反应得到成纤高聚物,再经纺丝和后处理即制成纤维。

由涤纶分子链结构可知,大分子的重复单元—OC—Ph—COOCH 2 CH 2 O—含有柔性链段和刚性苯环,由于苯环转动能阻较大,所以涤纶大分子的刚性较大,化学规整性和几何规整性也比较高。

涤纶的大类品种有短纤维、拉伸丝、变形丝、装饰用长丝、工业用长丝以及各种差别化纤维。①长丝又分为单丝和复丝;②短纤维即在纺丝后加工中切断成各种长度规格的纤维;③变形丝是经过变形加工的化纤纱或化纤丝;④异形纤维为改变喷丝头形状而制得的不同截面或空心的纤维,这种纤维或改变纤维弹性、抱合性与覆盖能力,增加表面积,对光线的反射性增强;或因五叶形、三角形等特殊形状而具有特殊光泽;或因中空而质轻、保暖、吸湿性好;⑤复合纤维是将两种或两种以上的聚合体,以熔体或溶液的方式分别输入同一喷丝头,从同一纺丝孔中喷出而形成的纤维,又称为双组分或多组分纤维。复合纤维一般都具有三度空间的立体卷曲,体积高度蓬松,弹性好,抱合好,覆盖能力好。

涤纶具有强度高、弹性好、抗皱性强、尺寸稳定、耐磨性佳、化学性能稳定、易洗快干、耐热性和耐气候性优良等性能,是一种较理想的纺织材料。但也因内部分子排列紧密,分子间缺少亲水结构,回潮率很小,吸湿性能差,染色性差,抗静电性不好,易起球等缺点。但随着化学纤维技术的进步,用物理和化学改性等方法,涤纶的相关不足性能已得到一定改善。

四、其他纤维

(一)丙纶

丙纶是等规聚丙烯类纤维的中国商品名。丙纶的分子式为(C 3 H 6 n ,由丙烯单体通过配位聚合得到。丙纶纤维结晶度在65%~75%,截面呈圆形,纵向光滑无条纹。

丙纶最大的优点是质地轻,是常见化学纤维中密度最轻的品种,其密度在0.9~0.92g/cm 3 ,比涤纶轻30%,比锦纶轻20%;丙纶的强度高,伸长大,初始模量较高,弹性优良,所以丙纶耐磨性好。此外,丙纶的湿强基本等于干强,是制作渔网、缆绳的理想材料;耐化学腐蚀性较好;耐热性差,100℃以上开始收缩,在水洗、干洗时温度都不能过高,否则会引起收缩、变形,甚至熔融。熨烫温度为90~100℃,此外,耐光性较差,易老化,染色性较差。

(二)腈纶

腈纶是聚丙烯腈纤维的中国商品名,是由85%以上的丙烯腈和少量第二、第三单体共聚,通过湿法或干法纺丝而制得的合成纤维。第二单体为结构单体,加入量5%~10%,作用是减弱聚丙烯腈大分子间的作用力,使纤维手感柔软,弹性好,也有利于染料分子进入纤维内部。第三单体又称染色单体,加入量为0.5%~3%,赋予纤维可染色性能。由于腈纶的性质类似羊毛,所以又有“合成羊毛”的美誉。腈纶纤维截面随纺丝方法不同而异,干法纺丝的纤维截面呈哑铃形,湿法纺丝的则为圆形,纵面粗糙,有少量沟槽。

腈纶的断裂强度为17.6~30.8cN/dtex,比涤纶和锦纶都低,其断裂伸长率为25%~46%,与涤纶、锦纶相仿。腈纶蓬松、卷曲而柔软,弹性较好,但多次拉伸的剩余变形较大,因此腈纶针织的袖口、领口等易变形;腈纶结构紧密,吸湿性低,一般大气条件下回潮率为2%左右;染色性较好;耐光性和耐气候性特别优良,在常见纺织纤维中最好。此外,腈纶耐热性好,不发霉,不怕虫蛀;但腈纶化学稳定性较差,耐磨性差,尺寸稳定性差。 nm9XOgT9HH6jqEM/mRgujLv0HreBRYMHVwb38GMso2oCO9WBtcy80KlFoGRPl7Vj

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