随着国家对职业安全的关注度日益增加以及人们自我保护意识的增强,职业工装的需求日益扩大,同时要求面料具有较高的拉伸断裂、撕破、顶破、耐磨性能和良好的舒适性,以满足相关行业对工装面料的性能要求。天然纤维和化学纤维混纺织物在保证织物吸湿性及穿着舒适性的基础上,有效改善了织物的耐磨性,因此被广泛应用于工装,如美国的锦纶/棉50/50数码迷彩作训服、芬兰的棉/涤纶65/35夏作训服以及我国的涤纶/棉/维纶60/20/20新型作训服等[1]。但是随着新形势下市场对工装面料性能要求的不断提高,通过改变纱线或织物结构等传统提高织物力学性能的方式较难使织物性能有大幅度的提升。为进一步解决工装面料舒适性与力学性能提升之间的矛盾,我们借鉴塑胶和混凝土等材料中加入高强金属材料以增强产品整体强度的设计理念,将柔性高强合成纤维材料嵌织到以天然纤维为主体的织物中,得到嵌织网格加强筋机织物,在保证织物穿着舒适性的同时,提高织物整体物理机械性能与安全防护性能。1 织物规格设计我们从纤维原料、纱线结构和织物规格三方面入手,面向军队作训服和救援防护服,设计了一款适用于春秋外衣的嵌织网格加强筋机织物。织物经纱A和纬纱A均为JC 9.7 tex×2股线,经纱B和纬纱B均为N 15.5 tex/72 F×2。经纱A与经纱B的比例为32∶2;纬纱A与纬纱B的比例为18∶2。织物幅宽 163 cm,织物经密590根/10 cm,纬密354根/10 cm,织物组织为二上二下右斜纹。1.1 原料选择嵌织网格加强筋机织物由基础纱线和加强筋构成。基础纱线是织物舒适性的保证,所以选择服用性能较好的棉纤维;加强筋承担着提高织物力学性能的作用,因此选择力学性能较好的化学纤维,如涤纶、锦纶、维纶、腈纶和高性能纤维等[2]。其中,锦纶在普通化学纤维中具有明显优势,且成本远低于高性能纤维,尤其是锦纶66具有高强度和高弹性,能满足面料对断裂强力、撕破强力以及耐磨性的要求,因此加强筋采用锦纶66长丝。1.2 纱线设计基础纱线在织物中比例较大,为保证织物整体较高的力学性能,在纤维原料中添加一定比例的长绒棉。在长绒棉比例小于50%时,随着长绒棉比例的增加,纱线强度、条干、粗细节等各项质量指标改善幅度较大,随着长绒棉比例的继续增加,纱线性能提高幅度不明显[3];因此,棉纱中长绒棉比例确定为50%。同时采用精梳纺纱系统,纱线采用双股线结构,提高纱线强力,以满足织物性能要求。加强筋采用锦纶66合股网络丝,与相同线密度的锦纶长丝相比,合股网络丝的刚度较小,抱合力更大。通过测试不同线密度下锦纶网络丝与纯棉股线的刚度、模量,合理设计两种纱线的线密度,使其刚度和模量接近,便于织造中采用单织轴织造,避免双织轴的复杂织造过程,利于保证织物平整和手感柔软。由于面料要兼顾成本、舒适性和安全防护性能,所以要在保证纱线质量满足织造和织物质量要求的前提下降低成本。所纺棉纱单纱断裂强度18.0 cN/tex、棉结30粒/g,其他质量指标均满足GB/T 398—2018《棉本色纱线》中一等品要求[4];所用锦纶66长丝断裂强度9.5 cN/dtex,断裂伸长率18.5%,4.7 cN/dtex负荷的伸长率为(12±1.5)%,其他质量指标均满足FZ/T 54013—2019《锦纶66工业用长丝》中一等品要求[5]。1.3 织物设计锦纶66合股网络丝的嵌织距离是嵌织网格加强筋机织物设计的关键。在其他条件相同时,锦纶66合股网络丝嵌入的距离越小,织物在外力拉伸或撕裂过程中同时受力的长丝根数越多,织物的力学性能越好[6];随着嵌织距离的减小,织物的成本上升,舒适性有所下降;结合实际经验,并综合考虑上述影响,设计嵌织距离为5 mm。消防救援防护服对织物的经纬向强力要求较高,故织物应采用较高的经密和纬密。一般采用平纹、斜纹等组织,但织物的经密和纬密较高时,平纹织物手感硬,服用性能下降较多,且耐磨性和撕裂性能不如斜纹织物;浮长线过长的斜纹织物易起毛、勾丝,且挺括性较差[7]。综合考虑,采用二上二下右斜纹组织,布边采用方平组织,顺序穿综,每筘4入。织物组织图如图1所示。其中,A为JC 9.7 tex×2股线,B为N 15.5 tex/72 F×2。.F001图1织物组织图2 关键生产工艺探讨2.1 生产工艺流程纱线的生产工艺流程:长绒棉与细绒棉各占50%,分别经开清棉、梳棉、精梳工序,通过两道并条混并,再经粗纱、细纱、并捻得到JC 9.7 tex×2股线。棉条混和较棉包混和更易控制混纺比例,并且能够对两种原料进行针对性的工艺设计,便于质量监控[8]。长绒棉与细绒棉性能的不同,使其在清梳工艺上也存在差异。长绒棉断裂强力较细绒棉低,并且卷曲多,在清梳工序中易受损伤,纤维转移困难,因此应降低开清设备打手速度,梳棉机锡林、盖板、道夫速度应比加工细绒棉时低,锡林与刺辊线速比应稍大,以加强纤维转移,降低短绒[9]。为了提高长绒棉的利用率,避免开清工序的过度打击,严格控制长绒棉的落棉量,结合实际经验,长绒棉开清总落棉率控制在(1.7±0.4)%,精梳落棉率控制在(13±1)%;细绒棉开清总落棉率控制在(2.5±0.4)%,精梳落棉率控制在(20±1)%。织物的生产工艺流程:锦纶长丝染色定形后经并网得到锦纶合股网络丝,JC 9.7 tex×2股线与锦纶合股网络丝分别整经、上浆后在并轴机上并轴,然后经穿结经、织造、验修布、打包入库。2.2 并网工艺在LB⁃192型包覆纱机上进行并网。在网络丝加工过程中,机器车速和空气压力会影响最终网络丝的结构与性能。一般来说,空气压力越大,对长丝丝束的作用力越强,有利于单丝的交缠,网络结越易形成;机器车速主要影响网络数和网络牢度,车速越高,网络数越少、网络牢度也越低。在实际生产中,车速不能过快,否则长丝张力过大会导致断头,且网络数和网络牢度较小,长丝抱合力没有得到很好的改善;同时网络牢度不能过大,否则织物上网络结点明显,染色不匀增加,织物柔软性也会受到一定影响[10]。综合考虑对长丝的抱合力和织物布面的要求,选择中等网络数和网络牢度,车速设定为370 m/min,气压设定为0.5 MPa。2.3 整、浆、并工艺两种经纱的吸湿性和力学性能差异较大,对整经速度、整经张力等工艺的要求不同,需分别采用专门的整经机进行整经。JC 9.7 tex×2股线在GA124H⁃230型整经机上整经,锦纶合股网络丝在FILA WARPER⁃230型整丝机上整经。纱线整经张力应均匀、适度,尽量减少纱线的伸长;在实际生产中,整经张力器选择环式+杆式,相对于圆盘式张力器能够扩大张力调节范围,同时对张力波动起到一定补偿作用。车速的设置要考虑纱线以及筒子卷绕的质量;纱线和筒子卷绕质量较高时,车速可偏高设置,兼顾整经效率;与JC 9.7 tex×2股线相比,锦纶合股网络丝的回潮率较小,易产生静电,故整经速度要适当降低。实际生产中,JC 9.7 tex×2股线整经速度500 m/min,锦纶合股网络丝的整经速度400 m/min。锦纶合股网络丝经加工后抱合力得到了改善,但耐磨性难以满足织造要求,直接织造易产生破股疵点,所以还要单独上浆,进一步增强长丝抱合力、强力和耐磨性。浆料使用以聚丙烯酸铵盐为主要成分的锦纶专用浆料,其在上浆时与烘燥后的水溶性不一致,可以减少浆纱吸湿再黏现象[11]。选用FILAMASTER⁃EXPRESS⁃180型长丝专用浆丝机,采用轴对轴的上浆方式,且锦纶吸湿性较小,烘干速度快,浆丝速度可适当提高,设定为260 m/min。低速和高速压浆力分别为3 000 N和9 000 N。湿态下锦纶更易伸长,故设定上浆部分牵伸率为0.1%,烘燥部分牵伸率为0.8%。短纤纱纤维长度较短,毛羽明显,且强力小于长丝,故上浆的目的是增加强力和耐磨性,贴伏毛羽,上浆率相对长丝较大,且需兼顾浆液渗透和被覆,上浆率设定为8.5%。选用S432⁃180型浆纱机。由于经纱头份较多,所以采用双浆槽;浆料以淀粉、PVA为主,具体配方为:40 kg淀粉、20 kg PVA、4 kg KT、2.5 kg CMS、2.5 kg蜡片。浆纱主要工艺参数:车速70 m/min,预压辊压力为12 kN,浆槽主压辊Ⅰ、Ⅱ压力分别为8.5 kN、30 kN,浆液温度92 ℃,浆纱回潮率(7±1)%。并轴工序选用T⁃MDS⁃180型并轴机。退绕张力应依据纱线线密度进行设定,纱线较细时,为了减少纱线断头,退绕张力偏小设置。JC 9.7 tex×2股线退绕张力320 N,锦纶合股网络丝退绕张力460 N,织轴卷绕张力4 400 N。结合企业生产实际,织轴开始卷绕时车速50 m/min~60 m/min,卷绕到300 m左右时,速度逐渐增加并稳定在70 m/min左右。2.4 织造工艺选用JAT 810⁃190型喷气织机。由于织物经密高、紧度大,在织造过程中织机负荷大,布面振动大,所以对梭口清晰度的要求较高。织机配备电子开口机构,每页综框动程单独设置,选择较早的开口时间和较大的上机张力,同时车速不能过高,以保证梭口清晰度。第1页至第8页综框动程依次为42 mm、49 mm、55 mm、61 mm、23 mm、29 mm、35 mm、40 mm,开口时间270°,上机张力4 000 N,织机速度680 r/min。采用低后梁工艺,但为了减小上层经纱张力,避免上层经纱断裂而影响织机效率,后梁高度偏高设置,实际高度为+2。织物的两种纬纱线密度不同,所以主喷嘴压力分别设置。一般纱线的线密度越大,气压设定越高,所以JC 9.7 tex×2股线的主喷嘴气压0.16 MPa,锦纶合股网络丝的主喷嘴气压0.32 MPa,辅喷气压均为0.35 MPa,拉伸喷嘴0.39 MPa,微风气压0.10 MPa,主喷时间70°~180°,辅喷时间70°~240°。3 织物力学性能测试根据GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》、GB/T 3917.1—2009《纺织品 织物撕破性能 第1部分:冲击摆锤法撕破强力的测定》、GBT 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》和FZ/T 01128—2014《纺织品 耐磨性的测定 双轮磨法》,对织物的拉伸断裂、撕破、顶破、耐磨性等进行测试[12⁃15]。测试结果表明:织物经向断裂强力1 202.5 N,纬向断裂强力848.6 N,经向撕破强力54.8 N,纬向撕破强力48.4 N,顶破强力1 922.4 N,摩擦475次出现破损。GA 633—2006《消防员抢险救援防护服装》对外层面料经、纬向断裂强力要求均为不应小于350 N,对经、纬向撕破强力要求均为不应小于25 N:未规定顶破强力和出现破损摩擦次数[16]。可以看出:织物的拉伸性能和撕破性能达到了GA 633—2006《消防员抢险救援防护服装》对外层面料力学性能的要求。4 结束语为了解决面料设计中穿着舒适性与力学性能提升之间的矛盾,引入加强筋结构,制备了舒适性和力学性能优良的嵌织网格加强筋机织物。在纺纱和织造工序中,考虑到棉纱和锦纶网络丝的性能差异,采取了针对性的技术措施,保证了成纱质量和织物质量。织物的力学性能测试结果表明:织物的拉伸断裂、撕破、顶破、耐磨性等均满足了相关标准规定,织物具有较好的应用价值。随着人们对工装面料防护性要求的不断提升,兼具舒适性和良好力学性能的工装面料将具有巨大的发展潜力;在此基础上,开发具有电磁屏蔽、防静电、阻燃等防护功能于一身的工装面料将成为后续研究的热点。

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