高紧度形状记忆纤维/棉机织物的记忆性能

全琼瑛，胡金莲，吕 晶

(1.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 312000;2.香港理工大学，香港 999077)

智能化纺织品在服饰、工业、军事、医疗等领域具有很大的发展潜力［1］，而能感受外界刺激并进行响应的智能化纤维是其关键所在。香港理工大学形状记忆研究中心研发的形状记忆聚氨酯纤维(SMF)具有良好的形状记忆功能［2］;此外动态力学分析显示其应力与应变曲线介于氨纶与美国陶氏公司研发的新型弹性纤维XLA之间，呈中等弹性。由SMF织制的织物具备起拱回复、折痕保持、褶皱回复以及较好的合体性［3］。

形状记忆聚氨酯的形成主要是通过控制聚合物硬段的含量和软段的分子质量来实现［4］。在分子设计时引入交联剂和封端剂，可得到适度交联的已封端的形状记忆聚氨酯，通过湿法纺丝制备出SMF［5］，其除了具备普通纤维的物理力学性能外，还可通过感应外界温度，在变形态和原始形状之间作自由转换，从而表现出典型的智能纤维特征。

形状记忆机织物的记忆性能与织物组织、紧度有着密切的关系。研究表明：平纹组织织物的形状记忆性能为最优，其他各种组织(包括斜纹、缎纹和4枚破斜纹等)织物相互之间则无明显差异;随着织物紧度的增大，其形状记忆性能呈较明显的下降趋势［6］。

高紧度织物一般指的是总紧度超过90%的织物。考虑到织物组织的因素，采用机织物紧度系数β对机织物整体紧度进行更为客观的表征，以β≥1作为织物达到高紧度的标准［7］。随着纺织品设计开发日益高档化，采用高紧度设计手法是机织物设计开发的一个重要趋向。为研发满足使用要求的高紧度形状记忆织物，有必要对高紧度状态下此类织物的记忆性能进行研究，本文重点探讨SMF的分布和含量对织物记忆性能的影响。

SMF目前大多作为包芯纱(或包缠纱线)中的芯纱应用于机织物，其形变固定和形状回复特性使得整根纱线具有相应的形状记忆性能。织物在进行单向拉伸的过程中，经、纬向具有交互作用［8］，即外力对织物一向的拉伸将牵拉另一向的纱线，使得织物另一向的相关性能发生某种变化。此外由于经纬纱之间存在摩擦力，尤其在织物紧度较高时，其拉伸变形回复能力将出现异于常规的一些变化。本文设计织制15块SMF在织物中呈不同分布状态及不同含量的高紧度形状记忆纤维/棉机织物，同时设计制作1块相同规格的纯棉机织物作为参照样，进行形状记忆性能的测试和比较分析。

1 试验部分

1.1 材料与设备

本文采用7.8 tex SMF与精梳棉粗纱进行包芯纱纺制，得到总线密度为28 tex的形状记忆纤维/棉包芯纱，用以织制试样。

设备及测试仪：经改进的A512型短纤包芯机、GA391型单纱浆纱机、GA193型单纱整经机、SGA598型全自动剑杆织样机、Rapid IR-6305小样染色机、R-3小样定型机，Instron5566万能材料试验机。

1.2 试样制备及测试

1.2.1 包芯纱制备

纱线纺制的技术关键为牵伸倍数的选择，以有效控制因纤维冷拉伸引起的变形，经试验确定牵伸比为1.1倍。此外为增加纤维之间的抱合力，并获得良好的包覆性以避免染色后“露芯”病疵的发生要适当提高包芯纱捻系数［9］，在本文中设计成高于相同规格常规纱线20%左右，即确定捻度为70捻/10cm。包芯纱制备工艺如下：

1.2.2 试样织物规格

本文共设计织制16种织物，采用A和B 2种纱线按经纬向不同排列进行织制，其中：纱线A为28 tex形状记忆纤维/棉包芯纱;纱线 B为28 tex棉纱。

由此得到分布不同的形状记忆纤维织物，见表1。织物的其他规格参数相同，经密为440根/10cm，纬密为295根/10cm(坯布260)，组织为2上2下加强斜纹。织物经向紧度为86.15%，纬向紧度为57.76%，总紧度达94.15%，织物紧度系数β=1.11，属高紧度织物范畴。

表1 试样中形状记忆纤维分布Tab.1 Distribution of shape memory fiber in samples

1.2.3 织物生产工艺

织物的生产工艺为：

1.3 形状记忆性能测试

1.3.1 形状记忆性能表征

用于描述含SMF织物形状记忆性能的参数为形变固定率和形状回复率［10］。将形状记忆织物在一定温度下实施形变εm，其将发生部分回缩，没有回缩的形变为固定形变εf。将织物加热至形变回复温度以上，织物有回复至原始尺寸的倾向，最终残留形变为 εr，称 εf- εr为恢复形变。

形变固定率

形状回复率

Rf数值越大，表明织物固定瞬时形变的能力越强。Rr数值越大，表明织物在经历一系列的热机械变形后回复其原来形状的能力越强。

1.3.2 测试方法

采用Instron万能材料试验机，按热循环拉伸方法进行试验。设定隔距为50 mm，终点位置为7.5 mm，即拉伸为15%(εm);夹持试样，将温度设定至70℃，然后在室温(21℃)下开启试验仪;当试样达到设计伸长εm时，卸去负荷，测量εf数值;待试样被加热至70℃得到回复后测量εr数值。然后将其冷却至室温，开始下个循环，每个试样重复3次并求取相应参数的平均值，所有试样均按经、纬2个方向进行测试。

2 结果与分析

2.1 测试结果

表2 示出试样记忆性能测试结果。

2.2 结果分析

2.2.1 SMF含量与记忆性能的关系

1)SMF含量与织物形变固定率的关系。从试验结果可知，15种高紧度含SMF织物的经向和纬向形变固定率指标值一致性程度较高，无明显的依形状记忆纤维含量不同而发生变化的规律，且与不含SMF的对照样16#织物的形变固定率无显著差异。分析认为，由于织物紧度高，经纬纱之间的摩擦力阻止了拉伸后织物的回缩;此外，由于经向紧度高于纬向，使得纬向的回缩更为困难，从而纬向的形变固定率总体高于经向。

由于试样织物形变固定率指标值一致性程度较高，故本文仅就形状回复率的变化规律展开分析。

表2 试样记忆性能测试结果Tab.2 Results of samples for shape memeory properties%

2)SMF含量与形状回复率的关系。形状回复率指标值与SMF含量的关系总体呈现出2个特征：一是经向Rr整体高于纬向，这是因为织物纬向紧度要比经向低得多，从而织物经向形状回复时所受到的阻力比纬向要小得多;二是总体上随着SMF含量增加，Rr值有增大趋势，这个规律在经向较为明显，在纬向则并不十分显著，且在SMF含量较高的区域出现反常现象。如纬向SMF含量为27.9%的1#、2#、3#、4#和5#织物的纬向形状回复率均低于纬向SMF含量20.9%的6#织物(纬向形状回复率达67.3%)。分析认为织物在高紧度状态下，经纬纱线之间的摩擦力阻碍SMF发挥形状回复作用。由于试样织物的经向紧度大大高于纬向，从而造成纬向Rr并不严格遵循随含量的增加而提高的规律。

3)从测试结果可知，织物纬向形状回复率整体指标值已低于70%。表明织物某一向的紧度存在1个极限值，当超过这个数值时，织物另一向的形状回复性能可能会失去实际使用价值。

2.2.2 织物单向含SMF时的记忆性能

1)单向含SMF织物在另一向也具备一定的形状记忆性能。5#、13#、14#和 15#织物经向均不含SMF，但它们的经向形状回复率指标值分别为64.0%、55.5%、51.6%和 48.7%，均高于对照样16#织物的 45.3%;9#、10#、11#和 12#织物纬向均不含SMF，但它们的纬向形状回复率指标值分别为43.1%、44.8%、42.3%和 44.0%，均高于对照样16#织物的41.1%。织物力学研究表明，织物中纤维的交叉点一旦在一向受到拉伸，则另一向会产生与桁架结构中铰接点类似的转动［11］，产生收缩和剪切变形。正是由于这种作用机制，织物含有SMF的一向所拥有的形状记忆性能将“传递”至另一向。由于试样织物经向紧度大大高于纬向，就纤维交叉点而言经向紧而密、纬向松而疏，因此纬向拉伸载荷对经向的收缩和剪切效果更加明显，这一点从上述试验数据中可以得到印证。

2)单向含SMF织物记忆性能与SMF含量的关系。选取 5#、13#、14#、15#织物和对照样 16#织物对织物经向不含SMF时其纬向SMF含量与形状回复率的关系进行分析。首先，纬向Rr指标值在SMF含量为20%以下时无显著变化，当SMF含量超过20%以后呈明显增大之势，分析认为在经向紧度很高的状态下，由于经纬纱相互之间摩擦力的阻碍，只有当纬向SMF含量达到某个较高水平时，其纬向的形状回复率才能得到显著提高;其次，经向Rr指标值随着纬向SMF含量的增加呈稳步增长之态，印证了织物含有SMF的一向所拥有的形状记忆性能将传递至另一向这一机制;此外，不含SMF的经向形状回复率指标值总体上高于含有SMF的纬向，看似反常，但分析认为造成这种现象的原因仍然系织物经纬向紧度存在较大差异所致。

选取 9#、10#、11#、12#织物和对照样 16#织物对织物纬向不含SMF时其经向SMF含量与经向形状回复率的关系进行分析。首先，纬向不含SMF时经向形状回复率总体随着经向SMF含量的增加而呈上升之势，而11#织物(经向SMF含量为13.9%)的经向Rr指标值稍现异常。分析认为由于织物经纬纱相互之间摩擦力的阻碍，织物某一向的Rr值只有在该向SMF含量达到一定水平(从本文试验的结果分析应为15%左右)时，才会遵循随含量的增加而提高的规律。其次，纬向形状回复率指标值在经向SMF含量逐步增加的情况下没有发生明显变化，且与对照样16#织物的指标值相比提高幅度很小。分析认为由于织物经向紧度很高，导致经纱所含有的SMF的形状回复功能传递给纬向的作用变得非常弱。此外，经向形状回复率指标值整体上高出纬向较多，这一方面是因为试样系经向单向含SMF织物，另一方面还是由于织物经向紧度远高于纬向。

2.2.3 织物双向含SMF时的记忆性能

1)纬向SMF含量固定时经向SMF含量与形状回复率的关系。选取 1#、2#、3#、4#和 5#织物对织物纬向SMF含量为27.9%时其经向SMF含量与形状回复率的关系进行分析。首先从总体来说经向形状回复率随着经向SMF含量的增加而呈提高态势;3#织物经向Rr指标值相对偏低而稍显异常。分析认为与2.2.2中2)的情况类似，由于织物经纬纱相互之间摩擦力的阻碍，织物某一向的Rr值只有在该向SMF含量达到一定水平(15%左右)时，才会遵循随含量的增加而增大的规律。其次，纬向Rr指标值随经向SMF含量的增加呈类似S形的走势，其波动范围不大。分析认为由于织物经向紧度高，且纬向本身SMF含量已相当高(均为27.9%)，使得经纱所含有的SMF的形状回复功能传递给纬向的作用极弱;此外，形状回复率指标值总体上亦为经向高于纬向，其原因仍然是织物经纬向紧度存在较大的差异。

2)经向SMF含量固定时纬向SMF含量与形状回复率的关系。选取 1#、6#、7#、8#和 9#织物对织物经向SMF含量为27.9%时其纬向SMF含量与形状回复率的关系进行分析。首先总体来说经向形状回复率随着纬向SMF含量的增加而呈提高态势，分析认为由于织物纬向紧度相对较低，造成纬纱所含有的SMF的形状回复功能可以传递给经向，但纬向SMF含量为0的9#织物经向Rr指标值相对较高、稍显异常。这一现象可以解释为织物某一向所含有的SMF之形状回复功能传递给SMF含量较高的另一向(本例为27.9%)时，只有在SMF含量达到一定水平(从本文试验的结果分析应为20%左右)时，传递效应才会显现，使被传递向的Rr指标值遵循随含量的增加而提高的规律。其次，纬向Rr指标值随纬向SMF含量的增加整体上呈上升走势，但波动很大，且纬向SMF含量最高的1#织物的指标值反而较低，分析认为由于织物经向的紧度高，削弱了纬向所含SMF的形状回复功能，使得纬向Rr并不严格遵循随SMF含量的增加而提高的规律;此外，由于织物经向紧度大于纬向，形状回复率指标值总体上仍然是经向高于纬向。

3 结论

1)遵循含SMF高紧度机织物记忆性能变化的规律，对织物参数和形状记忆纤维分布进行合理的设计，可使高紧度机织物具有较好的形状记忆性能，其中形变固定率接近80%，形状回复率也可达到75%左右，仍具有较好的实用价值。

2)织物某一向的紧度存在1个极限值，当超过这个数值时，织物经纬纱之间的摩擦力将阻碍SMF发挥作用，使得织物另一向的形状回复性能可能会失去实际使用价值。

3)单向含SMF织物因拉伸载荷对另一向的收缩和剪切效应，使得在另一向也具有一定的记忆性能。

4)在高紧度状态下，由于经纬纱相互之间摩擦力的阻碍，只有在SMF含量达到一定水平时，织物的形状记忆性能才能得到显著的提高。

5)虽然高紧度机织物记忆性能与SMF总含量的相关度不很明显，但在某一向SMF含量固定(或不含SMF)时，织物另一向的记忆性能仍随SMF含量增加而提高。

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