摘要：玄武巖纖維是一種高性能綠色材料。為探究玄武巖纖維成紗結(jié)構(gòu)及其織物性能，開發(fā)多功能紡織產(chǎn)品，以玄武巖為基體材料，運(yùn)用包覆紡紗技術(shù)和摩擦紡紗技術(shù)，將芳綸、超高分子量聚乙烯、阻燃粘膠作為外包覆材料制備復(fù)合紗線，所制備的紗線包括雙芳粘膠及聚芳粘膠兩種，分析紗線的微觀形貌、拉伸斷裂、彎曲性能以及熱穩(wěn)定性能，測試所制成織物的阻燃性能及防切割性能。結(jié)果表明：雙芳粘膠紗線具有較高的力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性能，聚芳粘膠紗線擁有更優(yōu)異的柔軟性能。在織物阻燃效果方面，雙芳粘膠織物與聚芳粘膠混紡織物的極限氧指數(shù)都超過27%，這兩種織物切割性能均達(dá)到防護(hù)二級標(biāo)準(zhǔn)，混紡織物切割性能優(yōu)于純紡織物。

關(guān)鍵詞：玄武巖；摩擦紡紗；復(fù)合紗線；斷裂強(qiáng)力；阻燃；防割

中圖分類號：TS104.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）02-0057-06

森林火災(zāi)是人們所公認(rèn)的世界八大主要自然災(zāi)害之一［1］，為保護(hù)消防人員生命安全，開發(fā)阻燃產(chǎn)品具有重要意義。阻燃面料是指當(dāng)織物達(dá)到燃燒條件時(shí)能夠抑制或延緩火焰蔓延，當(dāng)火源移開后能快速自熄，不會(huì)陰燃的面料。市場上現(xiàn)有阻燃面料分為整理類［2］和本質(zhì)阻燃類［3］。通常，經(jīng)后整理的阻燃織物因阻燃劑的加入會(huì)影響織物的風(fēng)格，其強(qiáng)度也會(huì)降低，部分產(chǎn)品甚至存在熔融滴落現(xiàn)象［4］。無機(jī)纖維中的玄武巖纖維具有較高的隔熱性及化學(xué)穩(wěn)定性，屬于本質(zhì)阻燃類纖維。雖然阻燃類紡織品市場需求量大，但也存在著功能單一的問題［5］。為獲得阻燃多功能織物，在高溫環(huán)境中發(fā)揮隔熱保護(hù)作用的基礎(chǔ)上，賦予面料特定加強(qiáng)部位處的防切割性能，可以在一定程度上減輕樹枝或刀具等對人體的傷害。

有關(guān)紗線結(jié)構(gòu)的研究表明，包覆紗結(jié)構(gòu)的織物防切割性能高于包芯紗和合捻紗［6］。超高分子量聚乙烯、芳綸常用于做防切割類的材料。考慮到超高分子量聚乙烯纖維熔點(diǎn)低，在高溫下易融縮變形，因此在包覆時(shí)將其作為內(nèi)層包覆紗，芳綸以相反方向包覆于紗線最外層，同時(shí)紡制雙向包覆芳綸的紗線與之作對比。但包覆紗線的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)對芯紗的全包覆，所選擇的紗線均為表面光滑的長絲，原料惰性強(qiáng)，不易染色。阻燃粘膠纖維在高溫下安全無毒不融滴［7］，可染色性能及透氣性能好，阻燃性能優(yōu)異，為增強(qiáng)功能化效果并改善手感，選用摩擦紡紗技術(shù)將阻燃粘膠短纖包裹于包覆紗線上。運(yùn)用包覆技術(shù)及摩擦紡紗技術(shù)相結(jié)合的方式紡制玄武巖基復(fù)合紗線，通過不同紡紗工藝間相互協(xié)同的作用，獲得復(fù)合紗線的多重防護(hù)性能。本文探究玄武巖基復(fù)合紗線的基本性能及所制備織物的阻燃及防切割性能，為玄武巖基阻燃紡織品的開發(fā)提供參考。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料

10 tex玄武巖連續(xù)絲（匯爾杰玄武巖纖維有限公司）、44 tex超高分子量聚乙烯（九州星際科技有限公司）、44 tex芳綸（中國航天科工六院46所）、阻燃粘膠混紡粗紗（匯爾杰玄武巖纖維有限公司）。

1.2試樣制備

采用包覆紡紗技術(shù)，通過上下空心錠管高速旋轉(zhuǎn)制備不同捻向包覆紗線。外包紗線種類包括超高分子量聚乙烯長絲（S捻）與芳綸長絲（Z捻）的混紡紗（聚芳紗線）以及雙向均包覆芳綸的紗線（雙芳紗線）?？招腻V錠速為7000 r/min，捻度為600 捻/m。再通過摩擦紡紗技術(shù)，使得包覆紗線表面賦予一層柔軟的短纖。分梳輥與摩擦輥轉(zhuǎn)速均為6000 r/min，喂入速率為0.7 m/min。所制備的紗線稱為雙芳粘膠及聚芳粘膠。

玄武巖織物由半自動(dòng)小樣織機(jī)織造，織物組織為平紋。織造織物為兩種：一種經(jīng)緯紗線均為雙芳粘膠；另一種經(jīng)紗為雙芳粘膠，緯紗為聚芳粘膠。因經(jīng)紗相同，本文所制備織物以緯紗命名。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1微觀形貌測試

在室溫下使用RH-2000型三維顯微鏡（HIROX浩視有限公司），觀察內(nèi)外層紗線表觀形貌。

1.3.2拉伸斷裂測試

參照GB/T 7690.3—2013《增強(qiáng)材料紗線試驗(yàn)方法 第3部分：玻璃纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測定》，使用INSTRON 5943型強(qiáng)力儀（美國英斯特朗公司）測試，拉伸速度統(tǒng)一設(shè)置為200 mm/min，夾持有效距離為200 mm。

1.3.3彎曲性能測試

參考GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》中鉤接測試方法，試樣長度為200 mm。鉗口部位夾緊，避免試樣滑移，測試10組樣品，取其平均值。計(jì)算鉤接強(qiáng)度時(shí)，鉤接線密度為實(shí)測線密度的2倍。

1.3.4熱穩(wěn)定性能測試

采用STA300型熱重分析儀（日立分析儀器有限公司）測試摩擦紡紗線熱學(xué)性能。試驗(yàn)氣體為氮?dú)?，?0 ℃時(shí)開始測試，以10 ℃/min的升溫速率升至800 ℃。

1.3.5織物極限氧指數(shù)測試

采用JF-3型氧指數(shù)測定儀（南京江寧分析儀器有限公司）測試織物，環(huán)境溫度為（23±2） ℃。確保燃燒筒處于垂直狀態(tài)，待測織物安裝于試樣架中心，用點(diǎn)火器引燃，以50 mm延燃距離作為判定極限氧指數(shù)的依據(jù)，每種試樣6塊，測定維持試樣燃燒所需的氧濃度值。

1.3.6織物切割性能測試

依據(jù)EN 388： 2016 Protective gloves against mecha-nical risks中測試織物防切割性能的方法，本試驗(yàn)采用FY-012J型手套抗切割性能試驗(yàn)機(jī)（溫州方圓儀器有限公司），使用鎢鋼圓刀片對織物進(jìn)行測試，通過記錄控制試樣及測試試樣的循環(huán)周期，計(jì)算防切割指數(shù)。其中循環(huán)周期精確至0.1周，每組測試5次。

2結(jié)果與討論

2.1紗線表觀形貌分析

聚芳紗線以及經(jīng)摩擦紡紗技術(shù)后的聚芳粘膠紗線形貌分別如圖1所示。從圖1可以明顯看出：兩種紡紗方法中紗線具有不同風(fēng)格。圖1（a）中聚芳包覆紗線光滑無捻縮，平直無毛羽。圖1（b）中聚芳阻燃粘膠紗線表面由短纖纏繞，紗線較未經(jīng)摩擦紡技術(shù)的雙包覆紗線更柔軟。

2.2紗線斷裂強(qiáng)力分析

紗線的物理性能對織物各項(xiàng)性能具有一定的影響，尤其是紗線的拉伸斷裂力學(xué)性能。表1所示為復(fù)合紗線力學(xué)測試結(jié)果。由表1可知，雙芳粘膠紗線強(qiáng)力為197.66 N，為聚芳粘膠紗線的1.57倍。由于芳綸的強(qiáng)力優(yōu)于超高分子量聚乙烯，因此在拉伸力的方向上占據(jù)一定優(yōu)勢。同時(shí)，包覆層材料之間的配伍及結(jié)構(gòu)共同影響紗線整體強(qiáng)力。中間層芳綸及超高強(qiáng)分子量聚乙烯這兩種材料表面光滑，會(huì)使得紗線在所設(shè)定捻度下施加一定外力后，表面紗線仍會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。而針對芯紗線密度小的紗線，外包紗線的包覆作用從某種角度上來講會(huì)產(chǎn)生類似于加捻的效果，而“加捻”能夠增強(qiáng)外包覆紗線之間的摩擦力［8］，使得紗線包覆均勻，強(qiáng)力有所提高。

通過對拉伸過程中的觀察可以看出，拉伸前紗線條干均勻，拉伸后部分紗線斷裂部位表現(xiàn)為波浪型凸起，呈現(xiàn)屈曲形態(tài)。紗線斷裂后，由于最外層短纖的存在，中間層受其束縛從某一斷裂處保持原包覆時(shí)的螺旋狀態(tài)，使得斷裂形態(tài)在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

2.3紗線彎曲性能分析

織物在經(jīng)緯紗線串套過程中不可避免會(huì)發(fā)生屈曲現(xiàn)象，紗線鉤接性能可以在一定程度上表征紗線的彎曲變形及柔韌性，紗線的鉤接力學(xué)性能如圖2所示。

聚芳粘膠紗線鉤接強(qiáng)度為90.9 cN/tex，雙芳粘膠紗線鉤接強(qiáng)度為74.6 cN/tex。表明聚芳粘膠紗線韌性好，可繞曲性強(qiáng)。由于鉤接點(diǎn)處會(huì)同時(shí)受到彎曲作用及剪切作用［9］，測試過程中紗線受力點(diǎn)呈相互垂直的十字，基于材料本身特性，超高分子量聚乙烯相比于芳綸具有更高的鉤接斷裂位移。紗線在測試結(jié)束后，其鉤接斷裂形式主要為兩種，一種是上半段或下半段紗線在受力點(diǎn)兩側(cè)呈波浪形態(tài)，另一種則為紗線完全斷裂，其中上半段鉤接斷裂后形態(tài)如圖3所示。

2.4紗線熱穩(wěn)定性能分析

為了測試紗線的熱穩(wěn)定性能，通過熱重分析對復(fù)合紗線進(jìn)行測試。芯紗玄武巖為無機(jī)耐高溫纖維，在所設(shè)定的溫度下并不會(huì)產(chǎn)生失重現(xiàn)象。圖4顯示了樣品的TGA以及DTG曲線，阻燃紗線的熱分解過程整體可分為兩個(gè)階段：400 ℃之前為第一階段，第一階段主要是阻燃粘膠的熱分解過程，粘膠纖維是纖維素纖維，在200～400 ℃纖維素發(fā)生降解，兩種紗線在初始部分的分解過程幾乎重合。第二階段則為外包覆紗線的質(zhì)量損失，由曲線分析可知，雙芳粘膠以及聚芳粘膠的快速降解溫度分別為541.3 ℃以及476.9 ℃，說明芳綸具有比超高強(qiáng)分子量聚乙烯更好的熱穩(wěn)定性能。溫度在800 ℃時(shí)雙芳粘膠的殘余質(zhì)量（59.2%）高于聚芳粘膠（538%），表明雙芳粘膠在高溫下成炭性更好。雙芳粘膠的熱穩(wěn)定性能優(yōu)于聚芳粘膠紗線。

2.5織物極限氧指數(shù)分析

本文以面料的氧指數(shù)表征其阻燃性能，試樣以縱向延燃距離作為參考，測試織物的經(jīng)向阻燃性能，測試過程中逐步調(diào)整氧濃度。

試樣在燃燒過程中的損毀區(qū)域會(huì)出現(xiàn)紅熱現(xiàn)象，但均未出現(xiàn)流淌或滴落的燃燒物質(zhì)，陰燃時(shí)間及續(xù)燃時(shí)間為0 s。經(jīng)測試，雙芳粘膠織物極限氧指數(shù)值為35.45%，聚芳粘膠織物極限氧指數(shù)為2855%，均大于27%，為難燃材料，織物阻燃效果明顯。

燃燒后的雙芳粘膠和聚芳粘膠織物的形貌如圖5所示，可以明顯看出經(jīng)燃燒后的織物經(jīng)緯紗線組織完整，未出現(xiàn)明顯脆裂?？椢锶紵鬄樘炕癄顟B(tài)，損毀程度擴(kuò)散至邊緣并逐漸減弱，試樣不存在燒通現(xiàn)象，部分玄武巖雖裸露于表面，但整體仍起到骨架支撐作用。在圖5（b）中部分超高強(qiáng)分子量聚乙烯纖維自身經(jīng)燒蝕后熔融，被阻燃粘膠殘余物附著，表層阻燃粘膠具有較高的回潮率，在燃燒時(shí)吸收熱量蒸發(fā)水分［10］，所產(chǎn)生的殘余物可以抑制火焰的蔓延，這表明通過摩擦紡紗技術(shù)，能夠賦予包覆紗一定的保護(hù)及阻燃效果。

2.6織物防切割性能分析

織物在切割斷裂過程中涉及纖維拉伸斷裂及剪切兩方面［11］，纖維本身的剛度、韌性，以及刀片與材料之間的摩擦［12］均會(huì)影響防切割性能，切割所需的斷裂能由最小功獲得。在緯向切割平紋組織面料時(shí)，刀片沿著經(jīng)紗方向切割突起的緯組織點(diǎn)，織物的微小變形會(huì)產(chǎn)生切割破壞。刀片以圓周運(yùn)動(dòng)往復(fù)切割織物中的紗線，直至切斷部分試樣。防切割指數(shù)是體現(xiàn)切割性能的指標(biāo)，可由下列公式計(jì)算得出：

Cn = Cn+Cn+12（1）

In=（Cn+Tn）Cn（2）

式中：Cn為第n個(gè)控制試樣的周期；Cn+1為第n+1個(gè)控制試樣的周期；T為測試樣的周期。

將每組切割指數(shù)求和，其平均值表示為防切割指數(shù)。測試結(jié)果顯示，雙芳粘膠織物防切割指數(shù)為2.51，聚芳粘膠織物為2.81。本文所織造的聚芳粘膠混紡織物較純雙芳粘膠織物具有更優(yōu)越的防切割性能。對比防切割級別可知，所制備的柔性織物防切割均為2級，具有良好保護(hù)性能。

3結(jié)論

本文運(yùn)用包覆紡紗技術(shù)與摩擦紡紗技術(shù)相結(jié)合的方式紡制紗線。以玄武巖為基材，調(diào)控芳綸、超高分子量聚乙烯長絲、阻燃粘膠粗紗3者的成紗結(jié)構(gòu)，制得柔性紗線并織造織物。紗線拉伸及鉤接強(qiáng)力、熱穩(wěn)定性及織物阻燃防割性能測試結(jié)果如下：

a）雙芳粘膠紗線強(qiáng)力為聚芳粘膠紗線的1.57倍，而聚芳粘膠紗線鉤接強(qiáng)度較雙芳粘膠紗線高出16.3 cN/tex。雙芳粘膠強(qiáng)力高，聚芳粘膠紗線韌性好。

b）雙芳粘膠的熱穩(wěn)定性能優(yōu)于聚芳粘膠紗線，快速降解溫度分別為541.3、476.9 ℃。

c）單層織物阻燃性能優(yōu)異，極限氧指數(shù)已超過27%，同時(shí)具有良好的防切割性能，防切割指數(shù)均超過2.5，可用于防護(hù)服加強(qiáng)部位。

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Preparation of basalt-based composite yarns and their flame retardant fabric properties

LUO Chunxu1， LI Hui1， WU Minyong2， XIONG Xiaoman1， LIU Keshuai1

（1.State Key Laboratory of New Textile Materials and Advanced Processing Technologies， Wuhan Textile University， Wuhan 430200， China;

2.Huierjie New Material Technology Co.， Ltd.， Xiangyang 441102， China）

Abstract：

The basalt fiber is an inorganic fiber， with high-temperature resistance and high strength， but its shear and abrasive properties are poor， and the surface is particularly prone to burr after being subjected to external forces. When the fiber is damaged， it can cause painful damage to human skin. It is significant for making inorganic fiber yarns flexible to make up for the shortage of materials by spinning technology and to strengthen its multi-functions at the same time. In this paper， the basalt fiber was used as the matrix material， and the properties of composite yarn and fabric formed by aramid fiber， ultra-high molecular weight polyethylene and flame retardant viscose were discussed. Basalt inorganic fiber covering mainly contains two layers， with the first layer being the bi-directional covering of filament and the second layer being the covering of staple fibers. By combining the spinning methods and parameters under the two processes， the development of basalt composite yarns was realized， which is expected to provide ideas for research institutes and enterprises.

Basalt core yarn of 10 tex， 44 tex of UHMWPE， and aramid were selected as the outer covering yarn. Firstly， the core yarn was wrapped with different twist directions by using hollow spindle wrapping technology， and secondly， the soft flame-retardant viscose staple fiber was wrapped in the outermost layer by friction spinning technology. By observing the apparent shape of the yarn， and testing the tensile breaking strength， hooking strength， thermal stability， and other quality indexes， we investigated the yarn formation performance and the flame-retardant and anti-cutting performance of the fabric. The surface of the yarn covered by the first layer is smooth and straight， and the surface of the yarn covered by the second layer is given a layer of short fibers， which makes the hand feel softer. The aramid/aramid/viscose yarn has a strength of 197.66 N， a hooking strength of 373 cN/tex， and a hooking displacement of 3.8 mm， while the UHMWPE/aramid/viscose yarn has a strength of 175.5 N， a hooking strength of 45.4 cN/tex and a hooking displacement of 6.3 mm. In other words， the aramid/aramid/viscose yarn has high strength and the UHMWPE/aramid/viscose yarn has high tenacity. The thermal stability of the two yarns is excellent， and the core yarn basalt is inorganic fiber， so theoretically there is no loss of mass， and the residual mass of aramid/aramid/viscose yarn and UHMWPE/aramid/viscose yarn at 800 ℃ is 59.2% and 53.8g%， respectively. There is no flowing or dripping burning material during the combustion process， and there are brittle debris on the surface of the fabric after the combustion， which are the residue of combustion. Some of the basalt are exposed on the surface， but it still acts as a skeleton， and the white material can be revealed from the ultra-high strength molecular weight polyethylene portion of the UHMWPE/aramid/viscose yarn after melting. The limit oxygen index value of the aramid/aramid/viscose fabric and the UHMWPE/aramid/viscose fabric is 35.45% and 28.55%， respectively， indicating evident flame-retardant effect of the two fabrics. The anti-cutting performance of fabrics mainly depends on the external cutting force borne by the surface energy of fabric， and the cutting performance of polyarylene viscose fabrics is better than that of aramid/aramid/viscose fabrics， that is， the anti-cutting index of blended fabrics prepared in this paper is higher than that of pure fabrics.

Keywords：

basalt; friction spinning; composite yarn; breaking strength; flame retardant; cutting resistance

收稿日期：20230612

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20230906

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52203373）

作者簡介：駱春旭（1995—），女，遼寧朝陽人，碩士研究生，主要從事高性能纖維紡紗方面的研究。

通信作者：劉可帥，E-mail：1141552467@qq.com