楊竹麗，王府梅,b

(東華大學 a.紡織學院；b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海201620)

纖維階段測試評價PTT/PET織物彈性的可行性研究

楊竹麗a，王府梅a,b

(東華大學 a.紡織學院；b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海201620)

為探究纖維階段測試織物彈性的可行性，選用不同廠家生產(chǎn)的3種規(guī)格相近的PTT(聚對苯二甲酸丙二醇脂)/PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)自卷曲長絲，通過試制針織物和機織物證明3種長絲彈性存在明顯差異.采用正交實驗法設計了纖維的9種干熱處理條件，長絲經(jīng)干熱處理后測試其彈性.數(shù)據(jù)分析證明，在100 ℃干熱環(huán)境下施加0.02 cN/tex的預加張力處理8 min以后，所測試的長絲彈性伸長率與織物彈性伸長率的相關系數(shù)高達0.996，完全可以表示纖維對織物彈性伸長率的貢獻，該試樣預處理條件比其他3個相對有效的處理條件更容易控制，可用于該類長絲的彈性測試.分析了不同預處理條件對纖維彈性的影響，確定了能夠產(chǎn)生最大彈性的PTT/PET纖維熱處理條件：干熱處理溫度為100～120 ℃，預加張力為0.01 cN/tex，處理時間為5～8 min.

PTT/PET自卷曲長絲；彈性；干熱處理

PTT(聚對苯二甲酸丙二醇酯)/PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)自卷曲長絲是將PTT和PET兩種組分以熔融紡絲方法制成的并列復合絲[1].由于PTT和PET具有不同的熱收縮率、模量等力學性能，當纖維受熱時，兩種組分產(chǎn)生收縮差而形成偏離纖維軸向的卷曲[2-3]，宏觀上表現(xiàn)為類似彈簧的三維螺旋卷曲，因此，具有良好的卷曲彈性[4].

從紡絲生產(chǎn)線上下來的PTT/PET成品絲只有少而稀疏的卷曲，必須通過熱處理才能使卷曲充分顯現(xiàn)，獲得理想的彈性[5].因為纖維的熱處理操作很難，容易造成纖維間粘連，且與織物彈性對應的纖維熱處理條件也不明確，所以，纖維階段一直難以測試評價其彈性.纖維出廠或交易時從來不標注彈性，客戶都是通過將纖維織成織物并經(jīng)過后整理后測試其織物彈性.更加困擾紡織應用的問題是，不同廠家生產(chǎn)的相同或相近規(guī)格的PTT/PET自卷曲長絲的彈性可能存在大的差異，不能相互替代.

因此，有必要研究測試PTT/PET自卷曲纖維彈性的方法，進而制定該類纖維的產(chǎn)品標準，標明其重要的特性指標，減少客戶使用前的試制量和未知困惑.文獻[6-8]模擬織物的后整理工藝，通過熱水處理后測試該類長絲的彈性，但是，大量纖維試樣熱水處理時容易造成纖維間粘連，熱水處理方法不適用于生產(chǎn)實踐.為了能夠在纖維階段測試評價PTT/PET自卷曲長絲的彈性，本文嘗試對PTT/PET自卷曲長絲進行干熱處理后測試彈性，并分析其彈性與織物彈性的相關關系，探究對長絲進行干熱處理代替將長絲織成織物，測試織物彈性方法的可行性.

1　試驗部分

本文基本試驗思路：設計系列纖維干熱處理條件，測試不同熱處理條件下的纖維彈性；以常用紡織和后整理技術試制織物，測試織物彈性；分析織物彈性與不同熱條件處理后纖維彈性的關系，若能找到與織物彈性緊密相關的纖維彈性，其對應的纖維處理條件就是該類纖維彈性測試時可參考的預處理條件.

1.1試驗材料

選取3種不同廠家生產(chǎn)的PTT/PET自卷曲長絲(國內(nèi)外產(chǎn)銷量比較大的著名產(chǎn)品)，規(guī)格如表1所示.3種長絲的線密度相同，單絲數(shù)盡可能接近，但橫截面形態(tài)和組分比、生產(chǎn)工藝不同.

表1　長絲規(guī)格Table 1　Specification of filaments

1.2PTT/PET自卷曲絲干熱處理方法

干熱處理方法如圖1所示，將原始伸直長度約為60 cm的試樣懸掛在光滑的試樣架橫柱上，試樣兩端施加張力夾，使纖維在試樣架上張緊.試樣架的結構保證在熱處理時纖維之間不會相碰.將試樣架移入烘箱中進行恒溫干熱處理.

圖1　干熱處理示意圖Fig.1　Diagram of dry heat treatment

1.3PTT/PET自卷曲長絲的干熱處理條件

先進行前期試驗以篩選較優(yōu)條件，然后確定影響PTT/PET自卷曲長絲熱處理的3個因素：溫度、預加張力和時間.根據(jù)因素和水平數(shù)(如表2所示)，選擇正交表L9(34)進行正交試驗.

表2　因素水平表Table 2　Quadrature level pilot factor table

1.4纖維彈性測試

采用XN-1型氨綸彈性儀對熱處理后的試樣進行比應力-應變曲線測試.在每一熱處理條件下，每種纖維隨機取樣20段，熱處理后測試纖維的彈性伸長率和比應力，以15次測試結果的平均值代表該條件下的纖維性能.

PTT/PET自卷曲長絲的拉伸曲線如圖2所示．所謂彈性伸長是指試樣在低負荷下將纖維卷曲伸直所產(chǎn)生的伸長，即圖2中AC部分的伸長，C處的彈性伸長率為該試樣的最大彈性伸長率.彈力點C的確定方法(參照屈服點的曼列迪斯法[9])：連接拉伸的起始點與斷裂點，作平行且與拉伸曲線相切的直線，則切點即定為彈力點，彈力點處的應力和伸長率分別稱為比應力和彈性伸長率[10].

圖2　PTT/PET自卷曲纖維的比應力-應變曲線Fig.2　Stress strain curve of PTT/PET self-crimp filament

1.5織物織造和后整理工藝

織物彈性是纖維彈性、織物結構和織物后整理工藝綜合作用的結果，為消除織物結構和織物后整理工藝的影響，采用相同的織物結構和后整理工藝試制機織物和針織物.

1.5.1機織物

將3種PTT/PET自卷曲長絲分別作為緯絲，經(jīng)絲統(tǒng)一采用線密度為16.7 tex的滌綸DTY長絲，因為緞紋織物更有利于PTT/PET自卷曲長絲形成卷曲彈性[11]，因此，織物組織選擇五枚二飛的經(jīng)面緞紋進行織物織造，經(jīng)密為720根/10 cm，緯密為270根/10 cm.最后進行分散染料同浴一步法的常規(guī)織物后整理加工.

1.5.2針織物

3種PTT/PET自卷曲長絲以相同織物結構織成緯編針織物，在最能開發(fā)彈性的溫度下進行濕熱處理.濕熱處理條件：90 ℃下松弛濕熱處理40 min，冷卻后在130 ℃下繼續(xù)濕熱處理40 min.

1.6織物彈性試驗

織物拉伸試驗采用KES雙軸向拉伸儀，對熱處理后的PTT/PET自卷曲絲機織物緯向和針織物縱行進行負荷-伸長拉伸測試.拉伸試驗均在恒溫恒濕室(溫度(20±2)℃，相對濕度(65±3)%)中進行.

2　結果與討論

2.1兩類織物的彈性伸長率比較

機織物和針織物在KES拉伸儀上所得彈性伸長率試驗結果如圖3所示.由圖3可知，不論是針織物還是機織物，3種PTT/PET自卷曲長絲織物彈性的大小規(guī)律是一致的，都是A織物>B織物>C織物.定負荷彈性伸長率越大，說明該織物在外力作用下越容易產(chǎn)生形變，C長絲的單絲數(shù)最多，拉伸時相互之間摩擦力較大，因此不容易產(chǎn)生形變，故C織物彈性伸長率最小.

圖3　不同PTT/PET自卷曲長絲織物的彈性伸長率比較Fig.3　Elastic elongation of different PTT/PET self-crimp filament fabrics

A與B織物彈性伸長率相差不大，A織物彈性伸長率較高.這是因為3種不同長絲雖然線密度相同，但是由3個不同廠家生產(chǎn)，紡絲工藝不同，因此橫截面形態(tài)、組分比等參數(shù)不同，熱處理后兩種組分產(chǎn)生的差異性收縮不同，獲得不同的纖維卷曲，因此A長絲彈性伸長率高于B長絲，A織物的彈性伸長率高于B織物.通過相同織造工藝和染整處理下的織物彈性分析可知，不同廠家生產(chǎn)的規(guī)格相近的PTT/PET自卷曲長絲彈性不同，織物彈性也相差很大.

由圖3還可知，針織物的彈性伸長率高于機織物.這是因為機織物在后整理過程中進行了堿處理，彈性略有損傷，并且機織物經(jīng)向為PET長絲，緯向為PTT/PET自卷曲絲；針織物完全由PTT/PET自卷曲絲織成，另外，針織物的結構和受力方式更有利于彈性的發(fā)揮.

2.2長絲與織物彈性伸長率的相關分析

分析3種PTT/PET自卷曲絲織物彈性與不同熱條件處理后纖維彈性的關系，尋找與織物彈性緊密相關的纖維彈性，其對應的纖維熱處理條件即為該類纖維彈性測試時的最優(yōu)預處理條件.

不同熱處理條件下，長絲彈性伸長率與織物彈性伸長率的相關關系如表3所示.由表3可知，在100 ℃、 0.02 cN/tex的條件下處理8 min后，所測得的長絲彈性伸長率與其織物彈性伸長率相關系數(shù)高達0.996，且相關關系的顯著性檢驗表明，在單側檢驗置信水平95%條件下顯著相關，說明該熱處理條件所測的長絲彈性與其織物彈性一致.將長絲在該條件下干熱處理后測試其彈性，能夠反映其織物的彈性，因此，將該熱處理條件稱作“標準預處理條件”.

表3　織物彈性伸長率與長絲彈性伸長率的相關關系Table 3　Correlation of the elastic elongation between fabrics and filaments

另外3個熱處理條件(100 ℃，0.03 cN/tex，3 min；120 ℃，0.02 cN/tex，3 min；120 ℃，0.03 cN/tex，5 min)下的長絲彈性伸長率與織物彈性伸長率的相關系數(shù)也比較高，都在0.7以上，但是，因處理時間比較短會給準確控制時間帶來難度，因此不可取.而其他熱處理條件下相關系數(shù)都很小，說明在那些條件下處理后的長絲彈性伸長率無法反映織物彈性，因此所用纖維熱處理條件沒有實用價值.

上述標準預處理條件與1.4節(jié)給出的長絲彈性測試方法組合，可得到PTT/PET自卷曲長絲彈性的測試評價方法.

2.3長絲彈性對熱處理條件的依存性

在對PTT/PET自卷曲長絲進行干熱處理時，發(fā)現(xiàn)3種因素對其彈性的影響程度不同，因此，本文分析溫度、預加張力和時間對PTT/PET自卷曲長絲彈性的影響規(guī)律，為“標準預處理條件”的確定提供更有力的理論支持.

2.3.1正交試驗結果分析

用極差分析法對正交試驗結果進行分析.3種PTT/PET自卷曲長絲各個因素在3個水平下所得結果的極差計算匯總如表4所示.從表4可以看出，不論是彈性伸長率還是比應力，溫度和預加張力這兩個因素對應的極差均較大，表明這兩種因素對PTT/PET自卷曲長絲彈性影響較大；時間所對應的極差最小，表明時間對彈性的影響最小.

表4　彈性伸長率和比應力的極差Table 4　The range of elastic elongation and specific stress

2.3.2溫度對彈性的影響

在正交試驗中，溫度因素的水平數(shù)為85，100和120 ℃，3種長絲彈性伸長率隨溫度的變化如圖4(a)所示.為了進一步探究溫度對其影響，對溫度進行了控制變量法試驗，增加溫度梯度為85～160 ℃，伸長率的平均值隨溫度的變化如圖4(b)所示.

(a) 正交試驗結果

(b) 控制變量法試驗結果圖4　溫度與彈性伸長率的關系Fig.4　Relationship between temperature and the elastic elongation rate

由圖4可知，兩種試驗方法下，溫度對3種PTT/PET自卷曲長絲伸長率的影響趨勢是一致的，都是隨著溫度增加，彈性伸長率增加；到一定程度后，繼續(xù)增加溫度，彈性伸長率降低.這是因為溫度升高促進了大分子鏈的運動，但是溫度過高會對纖維造成損傷.由于生產(chǎn)工藝不同，3種PTT/PET自卷曲長絲達到最大彈性伸長率的溫度不同，B和C兩種PTT/PET自卷曲長絲在100 ℃時伸長率達到最大值，而A長絲在120 ℃時彈性伸長率達到最大值.

3種長絲比應力與溫度的關系如圖5所示.由圖5可知，3種PTT/PET自卷曲長絲比應力的變化趨勢也是基本一致的.隨著溫度的升高，比應力增加，溫度繼續(xù)增加到一定程度后，升高的趨勢變緩.但是A長絲在溫度為100和140 ℃時比應力是下降的.這是由于圖5中的數(shù)據(jù)采用的是一組數(shù)據(jù)的平均值，該試驗中測試的所有試樣的比應力值隨溫度的變化趨勢如圖6所示.從整體趨勢上來看，比應力隨著溫度的升高而增加，且隨著溫度的進一步升高，比應力的增加減緩.

(a) 正交試驗結果

(b) 控制變量法試驗結果圖5　溫度與比應力的關系Fig.5　Relationship between temperature and specific stress

圖6　溫度與A長絲比應力的關系Fig.6　Relationship between temperature and specific stress of filament A

2.3.3預加張力對彈性的影響

預加張力與長絲彈性伸長率的關系如圖7所示.由圖7可知，隨著預加張力的增加，3種長絲的彈性伸長率都降低.纖維受熱后，溫度升高促進了大分子鏈的運動，分子鏈呈不規(guī)則排列，松弛處理容易導致纖維纏結，施加一定張力能夠促進分子鏈的規(guī)整排列.但是預加張力過大，抑制大分子鏈的活動，形成的卷曲變少，彈性伸長率降低.

(a) 正交試驗結果

(b) 控制變量法試驗結果圖7　預加張力與彈性伸長率的關系Fig.7　Relationship between pretension and the elastic elongation rate

3種長絲預加張力與比應力的關系如圖8所示.由圖8可知，隨著預加張力的增加，比應力隨之增加，但是預加張力增加到一定程度后，比應力又開始降低(圖8(b)).因為預加張力太大，受熱時纖維內(nèi)部分子鏈運動被抑制，分子鏈被過度拉直移位，形成小而且少的卷曲，因此彈性伸長率和比應力都降低.

(a) 正交試驗結果

(b) 控制變量法試驗結果圖8　預加張力與比應力的關系Fig.8　Relationship between pretension and specific stress

綜上所述，預加張力在0.01 cN/tex時，長絲可以獲得較優(yōu)的彈性.由2.2節(jié)中分析得知，標準熱處理條件的預加張力為0.02 cN/tex，這是因為實際處于織物中的長絲受到相鄰紗線的張力作用，因此,與織物彈性測試相關的長絲熱處理預加張力大小應該增加，使其接近標準熱處理條件的張力.

2.3.4熱處理時間對彈性的影響

文獻[5]研究表明，熱處理時間對PTT/PET自卷曲長絲卷曲的形成影響較大，如在熱處理時間為5 min之內(nèi)，纖維卷曲形成率為80%～90%.但本文正交試驗中得出結論，處理時間對PTT/PET自卷曲絲彈性伸長率和比應力的影響不大.

3種長絲彈性伸長率及比應力隨處理時間的變化曲線如圖9所示.由圖9可知，隨著處理時間的增加，3種長絲的彈性伸長率和比應力都非線性增加，在3～5 min之間，彈性伸長率和比應力增加幅度較大，說明在5 min之內(nèi)，纖維收縮極快；但在5～8 min之間，彈性伸長率和比應力的增加幅度很小，說明5 min之后纖維仍在收縮，但收縮緩慢并趨于穩(wěn)定.這與文獻[11]的研究結果一致.采用Origin方差分析法進行顯著性分析發(fā)現(xiàn)，在置信水平為95%的條件下，處理時間對彈性伸長率的平均值和方差沒有顯著性影響.

(a) 彈性伸長率

(b) 比應力圖9　彈性伸長率以及比應力隨處理時間的變化Fig.9　Changes of the elastic elongation rate and specific stress with different treatment time

綜上所述，PTT/PET自卷曲長絲獲得最優(yōu)彈性的干熱處理條件：處理溫度為100～120 ℃，預加張力為0.01 cN/tex，處理時間為5～8 min.

3　結　語

本文通過對PTT/PET自卷曲長絲進行拉伸試驗表明，測試PTT/PET自卷曲長絲彈性所需的纖維預處理條件，即標準干熱處理條件:溫度為100 ℃、預加張力為0.02 cN/dtex、處理時間為8 min，經(jīng)此標準條件處理后的長絲彈性伸長率能夠反映其織物的彈性伸長率，有可能根據(jù)此標準預處理條件建立該類長絲彈性的標準檢測方法.

用極差分析法對纖維熱處理條件的正交試驗結果進行分析發(fā)現(xiàn)，處理時間和預加張力對PTT/PET自卷曲長絲彈性影響最大.對纖維熱處理條件的正交試驗結果進行分析發(fā)現(xiàn)，纖維能夠產(chǎn)生最大彈性的熱處理條件：干熱處理溫度為100～120 ℃、處理時間為5～8 min、預加張力0.01 cN/tex.前述標準熱處理條件的溫度和時間都處在該范圍內(nèi)，但是標準熱處理條件的張力(0.02 cN/tex)卻大于使纖維獲得最大彈性的張力(0.01 cN/tex)，這是因為實際織物中的長絲受到相鄰紗的張力作用.

3種PTT/PET自卷曲長絲及其織物的彈性伸長率有明顯差異，再次表明纖維截面形態(tài)、組分比設計和生產(chǎn)工藝對該類長絲彈性的影響很大，該類產(chǎn)品交易時有必要標明其彈性指標的大小.

在纖維階段對PTT/PET自卷曲長絲干熱處理后測試其彈性的方法，如果應用到纖維生產(chǎn)企業(yè)或商貿(mào)檢測中，能夠快速準確且方便地評價PTT/PET自卷曲長絲在織物中的彈性，大幅節(jié)約成本與時間.但該方法目前仍處于實驗室階段，還不成熟，干熱處理不能批量進行，應用到實踐中還需要進一步完善.

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Feasibility Study on Elastic Test and Evaluation of PTT/PET Self-crimp Filament Fabric in Fiber Phase

YANGZhu-lia，WANGFu-meia,b

(a.College of Textiles; b.Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

To explore the feasibility of the elastic test in fiber phase,three kinds of PTT (polytrimethylene terephthalate)/PET (polyethylene terephthalate) self-crimp filament with similar specifications were selected,and the elasticity of these three kinds of filament was proved to have obvious difference.Nine kinds of dry heat treatment conditions were designed according to orthogonal test.The elastic tests were proceeding after dry heat treatment.The analysis showed that the correlation coefficient of the fabric extension and filament elastic elongation was up to 0.996,which gained by elastic test after 8 minute dry heat treatment in the temperature of 100 ℃ and under 0.02 cN/tex pretension.The high correlation coefficient indicated that fiber had a greater contribution in fabric elasticity after dry heat treatment under this condition which was controlled more easily than other three ones,therefore,this condition can be used as the standard one in the filament elastic test.The analysis of the effect of different pretreatment conditions on the fiber elasticity indicated that PTT/PET filament had the maximum flexibility under the following condition: dry heat temperature of 100-120 ℃，pretension 0.01 cN/tex,treatment time 5-8 min.

PTT (polytrimethylene terephthalate)/PET (polyethylene terephthalate) self-crimp filament; elasticity; dry heat treatment

1671-0444(2015)02-0189-07

2014-02-21

楊竹麗(1989—)，女，山東海陽人，博士研究生，研究方向為紡織材料與紡織品設計.E-mail： yangjulie@126.com

王府梅(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: wfumei@dhu.edu.cn

TS 151.9

A