凉感聚乙烯长丝的性能研究

谢 婷 钱 娟 张佩华

东华大学 纺织学院(中国)

凉感纤维具有较高的导热系数，能够快速将人体皮肤的热量扩散到环境中，给人以冰凉舒适的触感，在夏季纺织品中广泛应用。目前市场上的凉感纤维主要为凉感聚酯纤维和凉感锦纶纤维，一般通过在纺丝过程中添加凉感矿物质因子如云母、贝壳粉等高导热系数的矿物质颗粒实现凉感功能。凉感颗粒的添加会对纤维的力学性能以及织造性能产生影响，其添加量有限，因而接触凉感效应也受到一定限制。凉感聚乙烯长丝因具有较高的结晶度和轴向取向度，利于热量沿纤维轴向快速传递[1]，属于本征型导热纤维。相较于普通纺织材料，其具有更高的红外透过率，使得人体能够通过凉感聚乙烯织物更快地向周围环境传递热量[2-3]。凉感聚乙烯长丝已在夏季床垫、窗帘、凉席等家纺领域应用，但目前对于凉感聚乙烯长丝的性能研究及其在服用领域的产品开发较少。

本文测试了凉感聚乙烯长丝的表观形态、拉伸性能、摩擦性能、吸湿性能，以及加捻长丝的润湿性，并和普通聚酯长丝、凉感聚酯长丝进行对比分析。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

线密度分别为8.33 tex/24 f(75 D/24 f)和11.1 tex/48 f(100 D/48 f)的两种凉感聚乙烯全拉伸丝，来源于凯泰特种纤维科技有限公司。线密度均为8.33 tex/24 f(75 D/24 f)的普通聚酯和凉感聚酯拉伸变形丝，由泉州海天材料科技股份有限公司提供，其中凉感涤纶长丝添加了5%质量分数的云母母粒。

试验中的加捻凉感聚乙烯长丝均采用东华大学研制的DHU-N01型捻线试样机，分别对两种线密度长丝进行100 捻/m，150 捻/m，200 捻/m的加捻，制备成共6种不同的加捻长丝试样。

1.2 试验方法

1.2.1 表观形貌

采用TM3000型台式扫描电子显微镜(SEM)对凉感聚乙烯长丝和凉感涤纶长丝纵向表面进行观测。

1.2.2 摩擦性能

随机选取4种长丝试样中的单纤维，采用XCF-1A型纤维摩擦系数测试仪进行测试，根据单纤线密度，张力夹负荷为100×10-3cN，摩擦辊转速为30 r/min，测试指标为静摩擦系数和动摩擦系数。

1.2.3 拉伸性能

参照GB-T 14344—2008《化学纤维 长丝拉伸性能试验方法》标准，采用YG061—1500型电子单纱强力仪，测试长丝的断裂强力和断裂伸长率。

1.2.4 吸湿性能

参照GB/T 9995—1997《纺织材料 含水和回潮 烘箱干燥法》标准，采用Y802N型八篮恒温烘箱测试。将凉感聚乙烯长丝、普通涤纶长丝和凉感聚乙烯长丝进行预调湿并测试烘前质量，由于凉感聚乙烯长丝不耐高温，烘燥温度设置为75 ℃，烘燥时间为2 h，测试长丝烘燥后的质量，回潮率R按公式(1)计算：

(1)

式中：R——试样回潮率，%；

m0——试样烘前质量，g；

m1——试样烘后质量，g。

1.2.5 润湿性能

运用气泡捕捉测试法，将长丝制成45 mm×6 mm排列均匀紧密的平整试样层，粘在玻璃片中间，测试面朝上，采用OCA15EC型接触角测量仪进行测试，测试指标为接触角。

参考FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》标准，取30 mm长度的长丝试样，其中一端用夹子固定在毛细效应试验装置上，垂直悬挂，下端装上质量为3 g的张力夹使试样保持垂直浸入液体中，分别读取1、5、10、20和30 min时标尺上的数值，记录为试样不同时间的芯吸高度。

2 试验结果与分析

2.1 表观形貌

图1是凉感聚乙烯长丝和凉感聚酯长丝的SEM图。可看出，凉感聚乙烯长丝相较于凉感聚酯长丝更顺直，凉感聚酯长丝纵向转曲更多，其丝束更蓬松。凉感聚乙烯长丝的纵向表面布满沟槽和裂纹，利于水分传导，表面较粗糙；而凉感聚酯长丝纵向表面较光滑，可见凉感母粒。

图1 凉感聚乙烯和凉感聚酯长丝的纵向形态SEM图

2.2 摩擦性能

4种纤维的静、动摩擦系数的测试结果如表1所示。

表1 纤维摩擦系数

由表1可以看出，纤维线密度相同的情况下，凉感聚乙烯纤维的静、动摩擦因数均小于普通聚酯纤维和凉感聚酯纤维，这是由于凉感聚乙烯纤维比纵向转曲的涤纶纤维更加顺直。两种线密度的凉感聚乙烯纤维的动、静摩擦系数差异较小，而凉感聚酯纤维的动、静摩擦系数均明显大于普通聚酯纤维，说明凉感母粒的添加增加了其与摩擦辊之间的作用力，对纤维的摩擦性能产生了影响。

2.3 拉伸性能

4种长丝试样的拉伸力学性能如表2所示。

表2 长丝的拉伸性能

从表2可以看出，凉感聚乙烯长丝的断裂强度小于聚酯长丝，断裂伸长率远大于聚酯长丝且远大于100%，说明凉感聚乙烯长丝断裂强度较低，伸长率大。其中11.1 tex/48 f凉感聚乙烯长丝断裂强度大于8.33 tex/24 f凉感聚乙烯长丝，这是因为前者总线密度大，且单纤数量多，纤维的比表面积大，使得纤维间的摩擦抱合力更大，因此能够承受更大的轴向拉力。凉感聚酯长丝的断裂强力和断裂强度小于普通聚酯长丝，断裂伸长率大于普通聚酯长丝，说明凉感母粒的添加对聚酯长丝的拉伸力学性能产生了一定影响。

2.4 吸湿性能

4种长丝的回潮率测试结果如表3所示。

表3 长丝回潮率

聚乙烯的基本结构是聚乙烯分子，聚酯的基本组成为聚对苯二甲酸乙二醇酯，除了端醇羟基外无其他极性基团，两者均缺乏亲水性基团，吸湿性较差，因此回潮率均较低。在75 ℃烘燥条件下，两种细度的凉感聚乙烯长丝回潮率未显示出差异，均高于普通聚酯长丝，低于凉感聚酯长丝，这与玉石母粒的水合作用[5]有关。

2.5 加捻对吸湿性能的影响

长丝的吸湿性可通过接触角和芯吸高度来综合评判，亲水性是产生芯吸效应的必要条件，可以通过测量长丝的接触角进行评判。图2是经过加捻的凉感聚乙烯长丝的接触角随捻度变化的曲线图。

图2 凉感聚乙烯长丝接触角随捻度变化曲线图

由图2可知，凉感聚乙烯长丝经100 捻/m，150 捻/m，200 捻/m捻度加捻后，接触角先减小后增大，其中150捻/m的加捻长丝接触角最小。结合纤维集合体的接触角θ计算公式[4]进行分析：

cosθ=fAcosθA-fB

(2)

式中：θ——纤维集合体的接触角，(°)；

fA——纤维的面积分数；

θA——纤维的接触角，(°)；

fB——孔隙的面积分数。

可看出当0°<θ<90°，fA和θA相同的情况下，适当增加长丝捻度可降低孔隙率，从而提高润湿性，当捻度过大时会造成毛细管过小或堵塞的情况，此时fA减小，cosθ减小，接触角增大。11.1 tex/48 f凉感聚乙烯长丝比8.33 tex/24 f规格长丝的接触角小，分析原因是由于11.1 tex/48 f长丝的单纤数量多，沟槽和裂纹更多，粗糙度较大，因此长丝的比表面积较大，接触角小。

图3a)为不同捻度的8.33 tex/24 f凉感聚乙烯加捻长丝芯吸高度随时间的变化曲线，图3b)为不同捻度的11.1 tex/48 f凉感聚乙烯加捻长丝芯吸高度随时间的变化曲线。

图3 加捻凉感聚乙烯长丝芯吸高度-捻度曲线图

由图3可看出，凉感聚乙烯长丝的芯吸高度随着捻度的增加，先上升后下降，150 捻/m的加捻长丝芯吸高度最大。这是由于长丝经加捻后，内部的毛细管有效直径减小，毛细管压力增大，芯吸高度上升。随着捻度的继续增加，毛细管直径进一步减小，捻幅增加使水分上升相同高度所需经过的毛细管路径相应增加，长丝内部的单纤内外转移加剧，长丝内部水分传输通道的不连续性增加，造成芯吸高度下降。11.1 tex/48f加捻长丝芯吸高度低于对应捻度的8.33 tex/24f长丝，这是因为长丝中毛细管虽然数量更多，但是长丝中的单纤排列更加复杂，使得毛细管不连续性增加，造成芯吸高度下降。

3 结论

通过测试对比分析凉感聚乙烯长丝和普通聚酯长丝、凉感聚酯长丝的力学性能得出，凉感聚乙烯长丝的拉伸断裂强度最低，断裂伸长率最大，单纤维摩擦系数最小；凉感聚酯长丝相较于普通聚酯长丝，拉伸断裂强度较低，断裂伸长率较大，摩擦系数较大，凉感云母母粒的添加对其综合性能产生了一定的影响。

通过测试对比分析凉感聚乙烯长丝和普通聚酯长丝、凉感聚酯长丝的吸湿性能得出，凉感聚酯长丝的吸湿性最佳，凉感聚乙烯长丝次之，普通聚酯长丝最差。通过加捻可增强凉感聚乙烯长丝的吸湿性，长丝的接触角和芯吸高度随着捻度的增加先上升后下降，可适当控制长丝的捻度使其具有最佳的吸湿性。