曾令璽,曾社平,劉建農,馮向偉,趙勝男,唐建東

(新型環(huán)保復合面料湖北省重點實驗室,湖北 襄陽 441002)

0 引言

石墨烯又名單層石墨(Graphene),是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料,具有完美的大π共軛體系和最薄的單層原子厚度的結構[1]。石墨烯特有的結構使其具備優(yōu)良的導電性、電熱性、力學性、透光性、磁學性及遠紅外性。目前,石墨烯纖維材料的研究與開發(fā)應用是我國紡織行業(yè)發(fā)展的重點[2]。采用石墨烯改性纖維,能有效增加纖維的功能性,且石墨烯改性纖維所紡紗線為色紡紗線,坯布無需染色,直接成衣,減少了染色過程帶來的污染。但纖維經過石墨烯改性后,易造成纖維可紡性降低,具體表現為:纖維強力下降,抗打擊能力減弱,易產生短絨、形成棉結,纖維間抱合力變差,成卷、成網困難,成紗質量下降等。石墨烯改性粘膠纖維(GR)強力下降、梳棉工序不易成網成條,石墨烯改性莫代爾纖維(GMD)易纏結形成棉結,石墨烯改性錦綸纖維(GN)加工工藝不完善,且由于石墨烯片層間較強的作用力使石墨烯材料分散性能較差,纖維表面摩擦因數小、抱合力差[3-4],如何成網成為技術難點。

筆者以研究莫代爾(MD)與石墨烯莫代爾基、粘膠基、錦綸基的可紡性為目的,分別開發(fā)MD/GMD 85/15 9.8 tex紗,MD/GR 85/15 9.8 tex紗以及MD/GN 85/15 9.8 tex紗。

1 紡紗試驗部分

1.1 試驗原料

試驗選取1.30 dtex×39 mm規(guī)格的MD分別與1.33 dtex×38 mm規(guī)格的GMD,GR,GN混紡。

1.2 試驗方案及工藝流程

采取集聚紡方式紡MD/GMD,MD/GR,MD/GN 9.8 tex混紡紗,混紡比均為85∶15。

紡紗工藝流程:A002A型抓棉機→FA106C型豪豬開棉機→A045B型凝棉器→A092A型給棉機→A076C型單打手成卷機→A186D型梳棉機→FA317型并條機(頭并)→RD221C型立達并條機(二道)→FA426E型粗紗機→FA506型細紗機→AC338RM型自絡機。

1.3 各工序工藝配置及技術措施

1.3.1 原料預處理

GR與GN的比電阻大,為防止在紡紗過程中出現纏繞、生產不順等問題,需對其進行預處理。在生產前,先將FK-305抗靜電劑與溫水按一定比例兌勻,然后噴灑在GR,GN原料上,在養(yǎng)生房燜放24 h以上,使體積比電阻降到108Ω·cm以下,養(yǎng)生房溫度約為25 ℃,相對濕度約為55%。因抗靜電劑的作用具有時效性,若放置時間長,抗靜電劑會失效,故原料養(yǎng)生后應迅速投入生產。

1.3.2 開清工序

開清工序遵循“勤抓少抓,輕打多梳少落”的工藝原則。為減少因打擊力過大造成纖維損傷,開清工序采用短流程,各部件的速度宜低;原料送入車間后要立即使用,以確保原料與車間溫濕度達到平衡,提高纖維的可紡性[5]。

由于MD/GMD,MD/GR,MD/GN紗的混紡比均為85∶15,混紡比相差較大,因此不同混紡工藝方案對最終成紗質量影響較大,如紗線強力、條干及纖維分布情況等。為解決這個問題,將GMD與MD,GR與MD,GN與MD在清花槽里先按照65∶35的比例混和,再分別與MD在并條工序按照23∶77的比例混和。使用該方案MD與GMD,GN,GR的混紡比例可達到85∶15,成紗顏色差異小,紗疵少。GR的斷裂強度最小,打手速度要適當低于GMD,以降低纖維損傷;由于MD表面光滑,纖維之間抱合力差、不易成卷,故在成卷羅拉上懸掛MD粗紗,隨棉層一起成卷,以改善成卷困難問題。

開清工序的主要工藝參數:MD清花卷定量為400 g/m,打手轉速設定為420 r/min;MD/GMD 65/35混紡紗清花卷定量設定為360 g/m,打手轉速為420 r/min;MD/GR 65/35混紡紗清花卷定量為360 g/m,打手轉速為390 r/min;MD/GN 65/35混紡紗清花卷定量為360 g/m,打手轉速為400 r/min。

1.3.3 梳棉工序

梳棉工序遵循“梳理轉移適度、結雜短絨兼顧”的工藝原則。MD,GMD,GR的強力不高,而梳棉機的各部件速度較高,雖然梳理充分,棉結大量減少,但會造成短絨急劇增加。為此,找到短絨增加與棉結下降的平衡點是梳棉工序的重點。通過適當降低刺輥和道夫轉速等,可減少纖維損傷、提高棉網清晰度、降低棉結。考慮GR比MD,GMD,GN強力低的特點,生產GR/MD 65/35混紡紗的刺輥轉速要低,錫刺比在2以上,以利于纖維由刺輥快速向錫林轉移,減少損傷;生產GR/MD 65/35混紡紗的道夫轉速稍高,利于加快纖維轉移,減少纖維在工作區(qū)重復分梳造成的纖維揉搓,同時回轉蓋板速度增加,以排除相對于另外2個品種增加的更多短絨;GN/MD 65/35混紡紗的生條定量比GMD/MD 65/35,GR/MD 65/35混紡紗的定量稍大,有助于提高成網能力,為此5點隔距稍放大。MD生條定量設計比GMD/MD 65/35,GR/MD 65/35,GN/MD 65/35混紡紗的生條定量大,5點隔距適當增大,以防止纖維充塞于針布之間,造成梳理負荷大,梳理不充分。

GMD,GR,GN定量相較于MD小,棉網較為稀薄,易造成成網困難,對比MD棉網張力為1.36倍,GMD,GR,GN的棉網張力需增大為1.43倍,以引導棉網順利進入圈條器成條。對化纖而言,針布選擇十分重要,梳理以直齒尖、淺齒深為主,纖維間摩擦力小,錫林選用具有托持纖維能力的針布齒條,有利于梳理纖維。蓋板以梳理為主,為減少纖維損傷,可減小齒深、工作角,有利于纖維轉移,使吸納和釋放結合。錫林針布選用AC2030×01540型齒條,蓋板針布選用MCB52型齒條,道夫針布選用AD4030×01890型齒條,刺輥針布選用AT5610×13109型齒條。梳棉工序具體工藝參數見表1。

表1 梳棉工序工藝參數

在生產石墨烯粘膠基時發(fā)現生條棉結多,經分析是由于粘膠溶液中間制品發(fā)粘造成不易分梳而導致,為此采用增加錫林齒密的辦法減少生條棉結,錫林針布型號更改為AC1830×01550D型,生條棉結由6個/g～8個/g下降為2個/g～4個/g。

1.3.4 并條工序

并條工序遵循“定量合適、慢速度、重加壓”的工藝原則[6]。由于纖維表面光滑、抱合差、定量大、羅拉負荷大,容易產生意外牽伸,造成條干不勻,故GMD/MD 65/35,GR/MD 65/35,GN/MD 65/35混紡紗在并條工序采用8×8×8的混合方式,3種混紡紗的定量偏小設計,以改善混合不勻與質量不勻;頭并采取較大后區(qū)牽伸倍數(接近2)減少后彎鉤纖維,提高條子中纖維的伸直平行度。經長期實踐證明,頭并在立達并條機上纖維之間的混合效果不如普通并條機好,這是因為立達并條機運行速度快,纖維在牽伸過程中的混合時間極短,無法達到充分混合的效果,而普通并條機速度慢,并條牽伸過程中的混合時間增加,能夠充分混合,減少布面顏色不勻,故頭并選用FA317型并條機;在三并上采用較小后區(qū)牽伸倍數(約1.3),并條輸出速度不宜過高,前羅拉轉速控制為300 r/min～350 r/min,使纖維變速穩(wěn)定、條子條干均勻。

GN/MD 65/35混紡紗的生條定量須適當增加,采用同樣的牽伸倍數,對比GMD/MD 65/35和GR/MD 65/35混紡紗,粗紗定量增大,斷粗紗減少。GR/MD 65/35混紡紗的纖維抱合力優(yōu)于GMD/MD 65/35和GN/MD 65/35混紡紗,并條輸出速度可稍大。羅拉握持距除了與纖維長度有關,還與條子定量有關,定量大、應適當放大握持距,以防止牽伸不開,故GN/MD 65/35混紡紗握持距比GR/MD 65/35,GMD/MD 65/35混紡紗稍大。并條膠輥硬度應偏小選擇,選用邵爾A硬度為78度的并條膠輥。膠輥硬度小,在搖架壓力的作用下,膠輥變形增加,與纖維的接觸面增加,摩擦力界向前延伸,對浮游纖維的握持力增加,使浮游纖維變速穩(wěn)定,條干水平改善,并條工序主要工藝參數見表2～表4。

表2 紡MD/GMD 85/15 9.8 tex紗并條工藝參數

表3 紡MD/GR 85/15 9.8 tex紗并條工藝參數

表4 紡MD/GN 85/15 9.8 tex紗并條工藝參數

1.3.5 粗紗工序

粗紗工序的工藝設計應遵循“較低車速、較大捻系數、小后區(qū)牽伸倍數”的工藝原則。速度高、捻度低,在卷繞過程中,由于離心力的作用,纖維易飛散、粗紗表面變毛;同時捻度低,在細紗退繞時,易斷粗紗,結合GR的抱合力優(yōu)于GMD,粗紗捻系數有所不同,適當增加GMD的粗紗捻度,增大粗紗強力,防止卷繞過程中斷粗紗。GN的實際紗號粗,捻系數可稍小,防止細紗出硬頭。此外,GR的速度適當增加,可增加產量。由于MD,GMD,GR,GN整體光滑,故隔距塊宜偏小掌握,在保證不出竹節(jié)的情況下,增加對纖維叢的握持,以改善條干不勻,降低后工序紗疵。粗紗伸長率控制在1.8%以內,內外排粗紗伸長率差異控制在1%以內,伸長過長易產生粗細節(jié),造成條干不勻。此外,由于石墨烯纖維為黑色,須做好隔離防護工作,嚴防半成品碰撞及纖維飄浮,造成混纖問題[7]。羅拉隔距為12 mm×25 mm×35 mm。粗紗工序具體工藝參數配置見表5。

表5 粗紗工藝參數

1.3.6 細紗工序

細紗工藝設計遵循“較大捻度、較大壓力、降低速度”的工藝原則。較大捻度可增加紗線強力,較大壓力能增加對纖維的握持,降低速度有利于減少纖維斷頭;取消導紗動程,有助于纖維在網格圈集聚,減少須條在網格圈表面左右滑動,使用抗靜電網格圈可改善條干。因環(huán)錠紡易纏繞前羅拉、形成紗疵,故采用集聚紡的方式紡MD/GMD 85/15 9.8 tex,MD/GR 85/15 9.8 tex與MD/GN 85/15 9.8 tex混紡紗,集聚紡采用LXC-870型鋁襯管前膠輥,PG1/2-3854型鋼領,TPJM 1/2 ES gc型鋼絲圈。石墨烯纖維混紡紗短絨率高,在細紗卷繞時,易在鋼絲圈、鋼領和紗線三者接觸處形成頭大尾細的黑色棉結,為此揩車周期縮短約為10 d比較合適;膠輥膠圈表面會變黑,更換后可用來紡制檔次較低的品種。羅拉隔距為19 mm×38 mm。細紗工序工藝參數配置見表6。

表6 細紗工藝參數

1.3.7 絡筒工序

絡筒工序的作用是清除紗疵。合理設置工藝參數,能有效清除有害紗疵,保證布面質量,混紡纖維之間的抱合差,絡筒速度不宜過高,過高會增加棉結,須設置為1000 m/min。由于石墨烯改性纖維為黑色,在紗線上容易形成色結,這種色結既包括黑色、灰色色結,又包括白色色結。電子清紗器以棉結大小作為清除依據,而不是以顏色為依據,為此可使用異纖功能深色中切淺色來切除白色色結。筆者公司經試驗發(fā)現,石墨烯含量占比為15%時,在烏斯特條干儀與洛菲電子清紗器上切疵存在一定差距,洛菲電子清紗器切除含有導電物質的紗線效果較好,需打開異纖D&B模式,用來切除白色色結。洛菲電子清紗器的主要參數設定:棉結直徑(N)為3.5倍,短粗節(jié)直徑(DS)為2.3倍,短粗節(jié)長度(LS)為1.3 cm,長粗節(jié)直徑(DL)為1.23倍,長粗節(jié)長度(LL)為40 cm。

2 成紗質量分析

采用烏斯特條干儀檢測紗線條干質量,用長嶺YG136型單紗強力儀檢測紗線強力,紗線的具體成紗質量指標見表7。

表7 成紗質量指標

從表7可以看出,MD/GR 85/15 9.8 tex紗的條干水平優(yōu)于MD/GMD 85/15 9.8 tex紗,主要原因為:GR表面具有少許溝槽,纖維之間的抱合性能好,纖維在牽伸過程中分布比較均勻;MD/GMD表面光滑,在梳棉工序比MD/GR成網困難,短絨率高0.5%～0.8%,故-40%細節(jié)、+35%粗節(jié)及棉結都增加。MD/GR 85/15 9.8 tex紗的強力低于MD/GMD 85/15 9.8 tex紗,這是由于GMD強力高于GR;對紗線強力而言,纖維本身強力為主要因素,纖維間的抱合為次要因素。MD/GN 85/15 9.8 tex紗的條干水平最差,這是因為加入石墨烯的GN保留了錦綸的絕大部分性能,纖維具有一定的回彈性且易產生靜電,在梳棉工序難以單獨成網,必須與其他纖維混和才能成網,2種混和的纖維在梳棉工序設置工藝以占主體的纖維為主,同時兼顧另一種纖維,在梳理時若梳理力過大,會加劇GN回彈,碰撞附近纖維,造成GN與MD梳理不充分,增加棉結,最終導致成紗條干質量變差。MD/GN 85/15 9.8 tex紗的斷裂強力較低,理論上GN單纖維強力高,最終紗線強力也會較高,實際上雖然GN纖維強力高,但占比較少,紗線主體還是MD,且伸長差異大,造成纖維滑脫,斷裂不同步,進而影響強力。

3 結語

3.1GMD,GR,GN分別與MD采用65/35的比例在清花槽里混和,再分別與MD在并條工序按照23∶77的比例混合,大幅改善了混不勻,色差大等問題;以前為了混合均勻,GMD,GR,GN與MD的 4種纖維在清花工序單獨上槽,做成生條,再經過四道并合(GMD的生條與MD生條并合4次,GR的生條與MD生條并合4次,GN的生條與MD生條并合4次),會造成色結多、布面紗疵高等問題,該混合方式使這些問題得到改善。

3.2經過石墨烯改性,基體纖維性能會發(fā)生部分改變,但保留大部分性能,即某種纖維加入石墨烯的性能與未加入石墨烯時的性能存在共性與特性,對此需要有針對性的設計工藝,不能完全按照基體纖維設計工藝,如石墨烯改性后纖維強力下降、容易形成短絨,各機件速度、隔距須做相應調整。

3.3不同纖維性能不同,不能完全照搬其他纖維的工藝,如GN與GR抱合力不同,GN表面無溝槽,纖維間抱合差,體積比電阻大,梳棉成網比GR困難。因此雖然都是石墨烯改性,但各工序工藝不同。

3.4MD/GMD 85/15 9.8 tex紗,MD/GR 85/15 9.8 tex紗及MD/GN 85/15 9.8 tex紗的成紗條干、強力等受多個因素影響,不僅僅是纖維本身性能的影響,如在同等成紗工藝條件下,成紗強力既與纖維強力有關,又與纖維之間抱合力有關。