張亞芳　徐伯俊　蘇旭中　劉新金　吉宜軍

摘 要：為了開發(fā)石墨烯錦綸紗線，解決紡紗成卷困難問題，并找到與石墨烯錦綸混紡后成紗綜合性能較優(yōu)的纖維。采用相同紡紗設備、工藝參數(shù)和混紡比，試紡并對比GN40/C60、GN40/B60和GN/30/C30/M30紡紗各道工序的關鍵技術及成紗質量。發(fā)現(xiàn)用石墨烯改性的錦綸抗靜電性增強，省去開清前抗靜電劑處理。石墨烯錦綸存在纖維間抱合力小、成卷困難問題，可在開清工序混入30%混紡纖維，并條工序調整并合比例使成紗達到預設的混紡比。石墨烯加入削弱纖維強度，需在粗紗和細紗工序將捻系數(shù)調大10%左右，得到石墨烯錦綸與竹纖維混合時成紗綜合性能效果最優(yōu)。

關鍵詞：石墨烯錦綸;混紡纖維;成卷;工藝調整;成紗性能對比

中圖分類號：TS151.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）03-0038-05

Development and Performance of Graphene Nylon Blended Yarn

ZHANG Yafang1， XU Bojun1， SU Xuzhong1， LIU Xinjin1， JI Yijun2

（1.Key Laboratory of Science & Technology of Eco-Textile Ministry of Education， Jiangnan University，Wuxi 214122， China; 2.Nantong Double Great Textile Co.， Ltd.， Nantong 226661， China）

Abstract：In order to develop graphene nylon yarn， solve the problem of spinning into a roll and find out a fiber with better comprehensive performance after blending with graphene nylon， the same spinning equipment， process parameters and blending ratio were used to spin and compare the key technologies of various spinning processes and yarn quality of the GN40/C60， GN40/B60 and GN/30/C30/M30. It was found that the anti-static property of the nylon modified with graphene was enhanced， and the antistatic agent treatment before opening was omitted. Graphene nylon has the problems that the cohesion between fibers is small and the rolling is difficult. 30% blended fiber can be mixed in the opening process， and the drawing process can be adjusted and proportioned to make the yarn reach the preset blending ratio. The addition of graphene weakens the fiber strength， and the twist coefficient need to increase by about 10% in the roving and spun yarn processes. Under such conditions， the comprehensive performance of the yarn is optimal when the graphene nylon and bamboo are mixed.

Key words：graphene nylon; blended fiber; rolling; process adjustment; yarn performance comparison

石墨烯在紡織領域的應用顯示出較大的優(yōu)越性，可以提升纖維斷裂強度，使紡織品具有很強的抗菌性[1]。石墨烯錦綸可與棉、竹、莫代爾等纖維混和紡紗，使纖維特性得到優(yōu)化與互補，織成的面料具有石墨烯的優(yōu)良特性，同時耐磨保形、穿著舒適。為了提高紗線的可紡性，提高成紗質量，紡紗過程中需要注意一些問題。

a）石墨烯片層內部極強的作用力削弱了兩根石墨烯改性錦綸纖維間作用力[2]，使纖維表面摩擦系數(shù)小、抱合力差。這不僅關系其后道加工能否順利進行，影響其成紗質量，而且還會阻礙石墨烯錦綸紡織品的開發(fā)以及產業(yè)化生產。

b）成卷困難。梳棉工序纏錫林、纏道夫、棉網飄逸不能剝取。

c）并絲、硬絲帶來的顏色疵點。雖然石墨烯錦綸纖維是化學纖維，但是也夾雜著一些并絲、硬絲，需要及時去除，否則染色后在織物上易出現(xiàn)顏色疵點[3]。

d）并條、粗紗工序堵塞圈條斜管、繞皮輥、繞羅拉，紗線毛羽、斷頭增多。

以原位聚合尼龍6切片為原料，采用預制母粒工藝，將氧化石墨烯均勻的分散在聚酰胺切片中，得到氧化石墨烯含量為2.5‰的石墨烯錦綸改性聚酰胺纖維。石墨烯錦綸纖維在與其他纖維混紡時，參與混紡的另一種纖維種類對混紡紗的可紡性、成紗質量、生產成本及后續(xù)的整理工序都有很大影響。將石墨烯錦綸纖維與棉、竹、莫代爾/棉3種不同種類纖維（以下簡稱X，其中GN代表石墨烯錦綸、N代表錦綸、C代表棉、B代表竹、M代表莫代爾）進行紡紗試驗，探討并對比石墨烯錦綸/棉、石墨烯錦綸/竹纖維、石墨烯錦綸/莫代爾/棉3種混紡紗的紡紗工藝和成紗的質量。

1 試驗前準備

1.1 纖維性能測定

所用各類纖維的基本性能如表1所示。

由表1可知，石墨烯錦綸纖維的力學性能比普通錦綸纖維的稍差，這是由于生物質石墨烯分散在錦綸纖維中，增加了纖維中的空隙，削弱了纖維的縱向力學性能。但比電阻明顯比普通錦綸的小，這是石墨烯導電性好的緣故。其他幾種纖維，斷裂強度：石墨烯錦綸>莫代爾>棉>竹;斷裂強力不勻率：石墨烯錦綸>棉>竹>莫代爾;斷裂伸長率：石墨烯錦綸>竹>莫代爾>棉?；爻甭剩褐?gt;莫代爾>棉>石墨烯錦綸;比電阻：石墨烯錦綸>棉;平均長度：竹>莫代爾>石墨烯錦綸>棉;線密度：石墨烯錦綸>棉>竹>莫代爾。

1.2 紡紗方案及工藝流程

將錦綸/棉、石墨烯錦綸/棉、石墨烯錦綸/竹、石墨烯錦綸/棉/莫代爾采用三羅拉網格圈型緊密賽絡紡[4]法紡14.8 tex、混紡比均為40/60的混紡紗。試驗使用的設備如下，紡紗工藝流程如圖1所示。

紡紗所用機型：FA002C型抓棉機→FA035B型混棉機→FA106A型開棉機→FA161型給棉機→AO76E型成卷機→FA201B型梳棉機→JWF1310型并條機（三道并條）→JWF1415型粗紗機→EJM128K型細紗機→AUTOCONER X5型自動絡筒機。

2 紡紗關鍵技術

紡紗的實踐表明，在棉紡緊密賽絡系統(tǒng)設備上，經過調整紡紗方案和工藝，紡紗能夠順利進行。各工序影響紡紗順利進行及產品質量的一些主要因素如下。

2.1 開 清

在進行混紡時發(fā)現(xiàn)，石墨烯的添加改善了錦綸纖維的抗靜電性，但石墨烯錦綸纖維蓬松，纖維間摩擦系數(shù)小，纖維表面光滑，單獨成條較為困難，在成卷時，由于纖維與纖維間的抱合力小，不易成卷，即使勉強成卷，在梳棉工序退卷也很困難，層與層之間粘連不清晰[5]。為解決這些問題，筆者提出3個解決方案。方案一：石墨烯錦綸和X纖維分別單獨加工成條，在并條工序混合至成紗;方案二：石墨烯錦綸和X纖維在清花工序完全人工混合至成紗;方案三：石墨烯錦綸和X纖維在清花工序部分人工混合生產，制成的混合生條與精梳棉在并條工序混合至成紗。通過對這3個方案進行試驗，最后得出：進行GN/C 40/60、GN/C/M 40 /30/30紡紗時，方案三效果最優(yōu)，配棉工序混合比例分別在（30±1）%和（17.8±1）%范圍內。在進行GN/B 40/ 60混紡時，采用方案二能夠改善石墨烯錦綸纖可紡性，且效果最優(yōu)。各類混紡紗配棉比例如表2所示。

2.2 梳 棉

石墨烯錦綸纖維的主體是錦綸，石墨烯錦綸/X混紡的梳棉工藝和設備的調整應基于加工錦綸纖維的特點。在紡錦綸紗線的基礎上探索紡石墨烯錦綸/X混紡的梳棉工藝。由于刺輥速度、錫林速度及錫林蓋板隔距等為梳棉重要工藝參數(shù)，且對生條棉結有重要影響，采用正交試驗，列出3因素3因子水平表，并結合試驗數(shù)據(jù)處理分析，找出減少石墨烯錦綸與棉纖維混合生條的最佳參數(shù)[5]。制得的混和條干定量為21.5 g/5m，棉網清晰，生條棉結≤12粒/g。梳棉工藝正交試驗如表3所示。

根據(jù)試驗方案調整參數(shù)進行梳棉，生條定量均為21.5 g/5 m，將輸出生條用條干測試儀進行測試得到生條棉結數(shù)。由表3可看出，試驗號2、4手揀疵點含量較少。采用極差分析法對正交試驗所得的結果進一步分析，第一步是要求出各水平間極差，第二步是根據(jù)極差大小對各因素影響程度進行排序，最后確定在該指標下的最優(yōu)工藝方案。在相同情況下棉結可以間接反映梳棉生條中的疵點含量，計算結果如表4所示。

由實驗得出，最好水平組合是A1、B2、C2，即刺輥速度800 r/min，錫林速度360 r/min，錫林與蓋板隔距0.228 6，0.203 2，0.177 8，0.177 8，0.203 2 mm。對梳棉工藝進行A1、B2、C2組合調整，并對所得的生條棉結測試，得到生條棉結含量為10粒/g，小于12粒/g，取得了預期效果。

2.3 并 條

并條工序是實現(xiàn)紗線混合、達到預期混紡比以及改善條干的關鍵。表5列出了要得到GN40/C60、GN40/B60、GN40/M30/C30的混紡紗，在并條階段（分為預并，頭道，二道，末道）各關鍵工藝參數(shù)的設置。

設置并條工序羅拉隔距為10 mm×16 mm，出條速度為260 r/min。在并條階段，頭道并入其他條子時，并和比例的分配是影響最后能否實現(xiàn)預定成

紗比例的關鍵[6]，經多次試紡，得出3種混紡類型并合數(shù)分配方式分別為3JC+2GN/C、6并、4GN/C/M+1JC時，能得到最后GN40/C60、GN40/B60、GN40/M30/C30的混紡紗。通過對條干CV%的分析可知，在并條工序中，當并條工序工藝參數(shù)相同時，石墨烯錦綸纖維與X混紡，各道工序條干CV%均為GN/C最大，GN/C/M其次，GN/B最小。

2.4 粗 紗

由于石墨烯的加入削弱了石墨烯錦綸纖維的強度[7]，且石墨烯錦綸纖維間抱合力差，所以粗紗的捻系數(shù)需調大10%左右，這里分別設為GN/C 53.3，GN/B 46.47，GN/C/M 51.788。得到的粗紗退繞無斷頭，細紗牽伸無硬頭，條干CV≤16。粗紗各關鍵工藝參數(shù)如表6所示。

2.5 細 紗

采用三羅拉網格圈型緊密賽絡紡相結合的紡紗方法，如圖2所示。細紗羅拉隔距設為18、35 mm，錠子轉速14 000 r/min，前羅拉轉速191 r/min，盡量減小牽伸不勻。羅拉加壓應加大。細紗捻系數(shù)應調大10%左右，設為358，以保證成紗強力，減少斷頭。將成紗織成平方米質量為155 g/m2的相同規(guī)格的針織物，經測試，各項織物手感風格良好。

2.6 絡 筒

石墨烯錦綸纖維混紡紗強力偏低，必須減小絡紗張力。槽筒速度偏低，本次設為800 m/min。合理設定空氣捻接器參數(shù)[7]，控制好捻接頭質量，合理設定電子清紗參數(shù)，確保有害紗疵被有效清除。

3 成紗質量分析

3.1 成紗條干分析

條干CV%、毛羽含量、粗細節(jié)與混紡種類的關系如表7所示。

由表7可知，相同混紡比和工藝下，與普通錦綸混紡紗相比，石墨烯改性錦綸混紡紗改善了成紗的條干。主要原因是石墨烯的高導電率增加了纖維間的抱合[8]，紡紗過程中產生的紗疵少，成紗條干均勻度好。石墨烯錦綸纖維與X混紡，成紗CV%為GN/C的條干CV%最大，GN/C/M的其次，GN/B最小。主要原因是棉纖維為天然纖維，所含雜質較多，纖維間差異較大，在紡紗各道工序中，造成條干不勻、毛羽增多的幾率較大，成紗條干均勻度較差，毛羽含量較多[9]。而竹纖維、莫代爾和石墨烯錦綸纖維都屬合成纖維，纖維所含雜質少，纖維長度較長，長度整齊度較好，纖維間差異較小，造成條干不勻、毛羽增多的幾率較小。

3.2 成紗強伸性能分析

成紗強伸性能與混紡種類的關系如表8所示。

由表8可知，石墨烯改性錦綸纖維混紡紗的力學性能比普通錦綸纖維混紡紗的力學性能差，這是石墨烯的加入削弱了錦綸強力造成的[10]。GN/C/M的成紗的力學性能最好，GN/B次之，GN/C最差。原因是紗線力學性能與纖維本身的力學性能有關[11]，由表1可知，參與混紡的3種纖維中，竹纖維的力學性能最差，棉纖維的其次，但僅為竹纖維的1.2倍，莫代爾的力學性能最好，且是竹纖維的1.7倍。而在成紗強力中，GN/C的成紗的力學性能最差，GN/B的力學性能相對增大，GN/C/M的成紗力學性能最好，為GN/B的1.1倍。說明石墨烯錦綸與莫代爾/棉纖維混紡，成紗力學性能效果最優(yōu)。

4 結 語

a）石墨烯改性錦綸纖維存在纖維表面維蓬松光滑，抱合力小，成卷困難的問題?？稍陂_清工序混入17.8%左右的X纖維，在混并工序以調整對應的并合數(shù)與并合比例，使成紗達到GN/X 40/60的混紡比。

b）采用正交試驗，列出3因素3因子水平表，并結合試驗數(shù)據(jù)處理分析，找出減少石墨烯錦綸與X纖維混合生條疵點的最佳參數(shù)。得出，最好水平組合是是刺輥速度800 r/min，錫林速度360 r/min，錫林與蓋板隔距0.228 6，0.203 2，0.177 8，0.177 8，0.203 2 mm。并條工序3種混紡類型并合數(shù)分配方式分別為3JC+2GN/C、6并、4GN/C/M+1JC時，能得到最后GN40/C60、GN40/B60、GN40/M30/C30比例的混紡紗。

c）石墨烯的加入削弱了石墨烯錦綸的強度，且為防止意外牽伸帶來的粗紗條干不勻，需在粗紗工序將捻系數(shù)調大10%左右;牽伸倍數(shù)要減小為11.67，鉗口隔距設為6.5 mm來控制浮游纖維，降低條干不勻;前羅拉轉速提高為215 r/mim，來提高生產效率。參與混紡的三種纖維中，石墨烯錦綸與莫代爾/棉混合時成紗條干和機械性能效果最優(yōu)。

參考文獻：

[1] 曲麗君，田明偉，遲淑麗，等.部分石墨烯復合纖維與制品的研發(fā)[J].紡織學報，2016，37（10）：170-177.

[2] YANG C Q， MAO Z O， LICKFIELD G C. Ester crosslinking of cotton cellulose by polycarboxylic acids： pH-dependency[J]. Textile Chemist & Colorist & American Dyestuff Reporter， 2000，32（11）：43-46.

[3] KREST’YANINOV M A，TITOVA A G，ZAICHIKOV A M. Intra-and intermolecular hydrogen bonds in ethylene glycol，monoethanolamine and ethylenediamine[J].Russian Journal of Physical Chemistry A，2014，88（12）：2114-2120.

[4] 魯禮凡.網格圈型緊密賽絡紡的集聚機理及關鍵部件的研究[D].上海：東華大學，2013.

[5] 歐懷林.改進開清棉流程的體會[J].棉紡織技術，2012，40（11）：34-36.

[6] 江蘇華力索菲新材料有限公司.石墨烯錦綸纖維的制備方法：中國，CN201610888499.3[P].2017-03-15.

[7] 牛方.化纖品牌潮來襲：他們憑什么“弄潮”[J].中國紡織，2017（4）：64-66.

[8] 吳震宇，陳小天，石鵬飛，，等.采用響應曲面法的紗線空氣捻接參數(shù)優(yōu)化[J].紡織學報，2016，37（1）：41-46.

[9] 黃興山.美國Innegrity公司研制成功新型高性能纖維—Innegra纖維[J].合成技術及應用，2010，25（2）：18.

[10] TITOV A V， KRáL P， PEARSON R. Sandwiched graphene-membrane superstructures[J]. Acs Nano， 2010，4（1）：229-234.

[11] SUN B， SHI T， LIU Z， et al. Large-area flexible photodetector based on atomically thin MoS 2/graphene film[J]. Materials & Design， 2018，154（9）：1-7.