高彈形狀記憶復合紡紗技術研究進展

王 勇，于偉東

(1.安徽工程大學 紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000； 2.東華大學 紡織學院，上海 201620；3.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

形狀記憶紗線是一種新型功能紗線[1]，目前主要有2種加工方式：其一，通過傳統的并捻線工序形成形狀記憶復合線[2]；其二，通過新型復合紡紗技術形成具有獨特成紗結構的高彈形狀記憶復合紗[3-4]。在成紗結構上，以上2種類型的紗線均由外層螺旋彈簧結構和內層彈性紗芯復合組成[1]。其中，外層螺旋彈簧結構所用材料多采用金屬絲、常規短纖維或高性能纖維等[5-6]，而紗芯則多采用彈力絲或彈性紗[2,7]。高彈形狀記憶復合紗，其內層為彈性紗芯，外層為螺旋彈簧結構，可使其兼具形狀記憶、可逆高回彈性與結構穩定性。彈性指纖維發生形變后能回復至原狀的性質，當施加的外力作用消除后，纖維形狀、應變等可回復至原位，則稱其具有記憶功能[1]。高彈指擁有比彈性纖維自身彈性更高的伸長量和回復量，且伸長量與回復量相等。

復合紡紗技術即剛性纖維包纏彈性紗芯的紡紗技術[8]，由此形成的形狀記憶紗線具有高度可拉伸性和形變可逆等特點。近年來，東華大學紡織材料與技術和纖維軟物質(TMT-FSM)團隊在高彈形狀記憶復合紡紗技術方面開展了一系列原創性工作。本文對基于空心錠包纏紡、摩擦紡、并捻紡、二軸系環錠紡和二軸系轉杯紡等技術制備彈性紗線方面的研究作簡要評述，介紹基于環錠紡的多軸系高彈形狀記憶復合紡紗技術及紡紗裝置，為多功能、高品質紡紗技術的發展提供有效借鑒，還可為多軸系非等匯聚點成紗機構的改造創新、開發新型功能紗線提供參考。

1 彈性紗線的常見制備技術

人們通常采用引入彈力絲來提高紗線的彈性，如用短纖維須條包纏、包芯或互扭氨綸絲等復合紡紗技術來改善彈性較差或無彈性的短纖維紗線彈性，在彈性較好的羊毛紗線中添加氨綸來實現增彈作用，達到成紗兼具彈性、結構穩定性和形狀記憶功能目的。目前，國內外關于環錠紡的彈性紗線成形技術的研究較少，多基于空心錠包纏紡[9]、摩擦紡[10]、并捻設備[2,11]、二軸系環錠紡[12]、二軸系轉杯紡[13]等內容進行研究。

基于空心錠包纏紡制備形狀記憶復合紗的專利較多。如SPELEERS[9]以彈力絲為芯層，以金屬絲或鍍金、鍍銀、鍍銅等導電高聚物纖維為包纏層，通過單包纏/雙包纏方式以及不同的包纏密度，可形成具有不同結構配置的彈性形狀記憶包纏紗；COS等[14]研究了一種基于改進型空心錠包纏紡系統的彈性形狀記憶包纏紗。文獻[15-16]以橡膠彈力絲為芯絲、金屬絲作為外包纏絲，基于空心錠雙包纏法制備彈性形狀記憶包纏紗；HUANG等[17]經過包芯和包纏2道工序制備彈性形狀記憶包纏紗；彈力絲經過一定程度的預牽伸后，與滌綸纖維復合形成氨綸包芯紗，而后經基于空心錠的單/雙包纏紡紗成形技術，將碳涂層壓電長絲均勻包覆在氨綸包芯紗的外側；HO等[18]以橡膠彈力絲為芯層、不銹鋼纖維/滌綸短纖維30/70混紡紗為外包覆層，基于空心錠包纏紡系統，制備了一種雙包纏對稱耦合彈性形狀記憶包纏紗。

VOIGT[19]提出一種基于摩擦紡系統制備高彈形狀記憶復合紗的方法，芯紗為單根彈性紗或長絲束(如滌綸變形紗、氨綸或類似聚合物等)，包纏層為不銹鋼絲、銅絲、碳纖維等導電長絲，或鍍金、鍍鎳的導電高聚物纖維等。為防止芯層和包纏層間的相互滑移，可在外包纏紗中加入含量為5%～10%的可熔纖維，通過后續熱處理能顯著增強纖維間的抱合力。

采用并捻機加工彈性復合線的技術，是指一邊拉伸彈性組分，一邊將其與其他無彈性紗并合加捻而成。如GUO等[11]以錦綸或錦綸/氨綸復合紗作為彈性組分、以不銹鋼纖維/滌綸混紡紗作為導電組分，通過并捻設備給予紗線不同程度的加捻，可形成高彈形狀記憶復合線。

基于環錠紡的彈性復合紗專利多用二軸系，如CHITTENDEN等[12]對環錠細紗機進行針對性改造，加裝彈力絲喂入機構和預牽伸機構等，采用積極方式控制牽伸量。將分別經過牽伸的短纖維須條和橡膠絲從細紗機前羅拉喂入并合，后加捻紡制成高彈形狀記憶復合紗；吳綏菊等[20]通過在氨綸絲外包纏棉纖維而紡紗成形。

基于轉杯紡的彈性復合紗專利多用二軸系，如CZECHOSLOVAKIA[13]對轉杯紡紗機進行針對性改造，在實心轉杯軸中心開孔，長絲經喂入管進入轉杯，短纖維須條通過輸送通道進入轉杯凝聚槽中，而后二者在引紗管處加捻成紗；張海霞[21]基于上述理念，在改裝的轉杯紡紗機上，選用不同規格氨綸絲，通過調整氨綸絲牽伸倍數紡制具有不同外觀和性能的棉/氨形狀記憶復合紗。

2 高彈形狀記憶環錠復合紡紗技術

二軸系、三軸系是多軸系復合紡紗最基本的2種形式，尤其是三軸系的非等匯聚點復合紡紗技術可實現成紗結構的雙級調控，超越二軸系只有單級的調控方式，因此可產生二級復合結構紗線，從而實現成紗的高彈和超高彈形狀記憶功能。喂入軸系的增多，為結構調整多樣性和復雜度的可能性提供必要條件，只改變了紗線的復合比，對自然匯聚及成紗結構沒有影響。因短纖維須條的粗細、張力不同所做的結構調整是自然行為，故稱為自然匯聚。自然匯聚點又稱等匯聚點，本文采用的是受控匯聚，又稱“人工匯聚”，多級匯聚點指在不同水平線上的匯聚，故稱“非等匯聚點”。因此，對于軸數(n)大于3的多軸系，才會出現非等匯聚點的紡紗，且非等匯聚點的個數Nmax=n-1。通過調整匯聚點位置，可使成紗結構及功能更為豐富多樣。

2.1 非等匯聚點高彈形狀記憶復合紡紗技術

基于環錠細紗機，調控成紗匯聚點數量及其對稱性，可得非等匯聚點和等匯聚點2種形式。非等匯聚點高彈復合紗紡紗機構[22]見圖1。

4—前羅拉；5—皮圈羅拉；6—后羅拉；7—雙螺旋紗段；8—高彈形狀記憶復合紗；11—彈力絲；12—定位張力盤；13—握持輥；21—第1短纖維須條；22—第1須條定位器；23—第1喇叭口；31—第2短纖維須條；32—第2須條定位器；33—第2喇叭口；A、B—第1、2匯聚點。圖1 非等匯聚點高彈復合紗紡紗機構

由圖1可以看出，在普通環錠細紗機上增加1個用來控制彈力絲位置和張力的定位張力盤、增加1個以等張力方式喂入彈力絲的握持輥和2個用來控制短纖維須條位置的須條定位器，實施三軸系非等匯聚點加捻復合，可形成芯層為雙螺旋結構的高彈芯紗、外層為短纖維須條包覆且螺距伸縮自如的高彈形狀記憶復合紗。該復合紡紗技術能夠顯著提升棉、麻、粘膠等短纖維紗的高彈性伸長率，實現復合紗的形狀記憶、增韌抗皺以及大變形結構的穩定性。通過調整短纖維須條和彈力絲三軸輸出時的相對位置和張力，可獲得雙螺旋結構高彈芯紗以應對紗芯層的大變形，使得三軸系復合紗的絕對彈性伸長率明顯高于二軸系復合紗。三軸系喂入方式有2種：短纖維須條位于彈力絲同側，呈同側排列；短纖維須條位于彈力絲的兩側，呈雙側排列。同側排列相對增彈效果較好，雙側排列結構穩定性較好。一種吸波高彈紗紡紗機構[23]見圖2。

1—彈力絲張力盤；2—彈力絲握持輥；3—金屬絲張力盤；4—金屬絲握持輥；5—短纖維須條前喇叭口；6—短纖維須條后喇叭口；7—彈力絲；8—金屬絲；9—短纖維須條；10—包芯結構紗段；11—吸波高彈紗；12—前羅拉鉗口；13、14、15—前、中、后羅拉；A、B—第1、2匯聚點。圖2 一種吸波高彈紗紡紗機構

由圖2可以看出，將金屬絲和彈力絲分別通過各自握持輥后同步喂入前羅拉鉗口；同時，短纖維須條經細紗機牽伸后喂入前羅拉鉗口，形成三軸系喂入。前羅拉鉗口輸出后，在第1匯聚點A，金屬絲被短纖維須條纏繞形成包芯結構紗段；而后在第2匯聚點B，包芯結構紗段螺旋狀纏繞在彈力絲外，形成彈力絲在內、彈簧狀金屬絲在外且不露白的吸波高彈形狀記憶復合紗。該復合紡紗技術有助于棉、麻、粘膠等彈性較差纖維的增韌增彈，并使成紗具有結構記憶性；此外，可提升紗線基織物的抗皺性能、電磁屏蔽特性。通過調整三軸系纖維體輸出時的相對位置和張力，將伸直的剛性金屬絲轉變成螺旋彈簧結構，并包纏在彈性紗芯上，可形成長絲與短纖維比值為2∶1的高彈形狀記憶復合紗。

基于環錠紡的多軸系非等匯聚點高彈形狀記憶復合紡紗技術是傳統二軸系復合紡紗的更高級形式，是更為柔性的紡紗成形技術。

2.2 等匯聚點高彈形狀記憶復合紡紗技術

陳麗芬等[24]在環錠細紗機加裝長絲喂入裝置和氨綸喂入裝置，給予氨綸一定的預牽伸，后將氨綸通過導紗孔定位，將其經過正常牽伸的短纖維須條中間并喂入在前羅拉鉗口處；長絲經導紗孔定位后直接喂入到前羅拉鉗口處，與短纖維須條保持一定的距離；隨后，將長絲和中間包著氨綸的短纖維須條一起加捻，形成一個加捻三角區，卷繞到紗管上形成高彈形狀記憶復合紗，該方法為等匯聚點匯聚。

陳蘭清等[25]在中心氨綸絲的外層包覆有纖維層，纖維層是由2股短纖維須條間隔纏繞加捻構成。該紡紗方法為三軸系紡紗，所紡包芯紗具有結構穩定的特性和形狀記憶功能，屬于等匯聚點匯聚。徐順喜[26]將2根粗紗和彈力絲在紡紗區聚合紡紗，可克服單粗紗易露絲的缺點。所紡包芯紗具有結構穩定、高彈性、形狀記憶特點，該紡紗方法屬于等匯聚點匯聚。

一種三軸系對稱復合紡紗機構[27]見圖3。在普通環錠細紗機的前羅拉上方增加一控制張力的握持輥，使繞行通過的彈力絲在等張力條件下，居中喂入前羅拉鉗口；而位于彈力絲兩側的短纖維須條經集束器圓整化對稱同步地喂入前羅拉鉗口，當彈力絲和2束短纖維須條出前羅拉鉗口后在加捻作用下匯聚形成彈力絲在內、短纖維須條包覆在外的高彈形狀記憶復合紗。其絕對彈性伸長率范圍在30%～95%。該紡紗方法為三軸系紡紗，為等匯聚點匯聚。

1—握持輥；2—定位導紗鉤；3—彈力絲；4—前羅拉；5—前羅拉鉗口；6—集束器；7—短纖維須條；8—高彈形狀記憶復合紗； A—匯聚點。圖3 三軸系對稱復合紡紗機構

等匯聚點復合紡紗屬于自然匯聚，成紗結構較為單一，而非等匯聚點不同于等匯聚點，屬于人工匯聚，每一匯聚點均受控制,故三軸系非等匯聚點復合紡紗技術易于成紗結構的精準調控，更具可變柔性，有助于實現紗線性質的多樣化。

2.3 高彈形狀記憶復合紗的理論彈性和一般范圍

2.3.1 理論彈性指標

復合紗理想螺旋形幾何結構和其圓柱展開圖見圖4?？梢钥闯?，復合紗由外層螺旋彈簧和內層彈性紗芯復合而成。

圖4 復合紗理想螺旋形幾何結構和其圓柱展開圖

為方便表征形狀記憶復合紗在受拉伸時的形變特性，簡化分析設定紗線在初始狀態和拉伸變形時的螺旋角分別為α0和α，螺距分別為hα0和hα，表觀直徑分別為2R0和2R?；谠搸缀谓Y構，紗線伸長率、螺距比、彈性伸長回復率、塑性變形率、螺旋角彈性回復率、塑變率等為可用于定量表征復合紗成紗結構的指標[28]。紗線伸長率為：

(1)

式中：hα為復合紗拉伸變形態的螺距，mm；hα0為復合紗初始螺距，mm；εe為紗線伸長率，%。

復合紗在拉伸過程中，螺距h逐漸增大，紗線伸長率可用螺距增量Δh與初始螺距hα0的比值表示，比值越大，紗線伸長率越大，可拉伸性越優。復合紗螺旋角α在循環拉伸過程中產生的彈性回復率和塑變率成互補關系：

(2)

(3)

(4)

式中：λ為螺距比，表征紗線在不同拉伸狀態下的形態效應；hα0為復合紗初始螺距，mm；hα0i為復合紗經拉伸試驗后回復至初始態時的螺距，mm；hαi為復合紗拉伸狀態下的螺距，mm；Re為復合紗彈性伸長回復率，%；P為復合紗塑性變形率，%；αi為拉伸態下的螺旋角(經i次拉伸)，(°)；α0i為回復終止角(經i次拉伸)，(°)；Rα為螺旋角彈性回復率，%；Pα為螺旋角塑變率，%。

2.3.2 高彈形狀記憶取值范圍

高彈形狀記憶復合紗具有獨特成紗結構，其紗芯一般由彈力絲或彈性紗組成，而聚醚型、聚酯型彈力絲的彈性伸長率分別為300%～400%、250%～300%，彈性回復率近乎于100%。由普通非彈性纖維直接加工而成的紗線的彈性，一般是所用纖維彈性的1～2倍，如棉紗，其彈性伸長率大于或等于20%，彈性回復率大于或等于80%；對于外層包覆紗而言，其彈性伸長取決于包覆層纖維的螺旋排列，即捻回角β，β=α0(見圖4)。

理論上，復合紗的彈性主要取決于芯紗彈性，棉、麻、絲、毛四大天然纖維，滌綸、錦綸、腈綸、丙綸、維綸和氯綸六大化學纖維和粘膠類纖維，其成紗彈性伸長率通常大于或等于10%；而彈力絲的彈性伸長率一般小于或等于400%，故芯紗可選的彈性范圍為10%～400%。而在復合紗彈性結構設計中，芯紗的彈性決定著復合紗的彈性極限，即為保證芯紗和皮紗彈性匹配，二者須滿足式(5)。

εeC=εeS

(5)

式中：εeC為芯紗的彈性伸長率，%；εeS為皮紗的彈性伸長率，%。當εeC>εeS時，在拉伸過程中皮紗會先受到破壞；當εeC<εeS時，在拉伸過程中芯紗會先受到破壞。因此，通常選擇彈性較大的纖維作為芯紗。

由于皮紗的螺旋線可變化性強，其變化范圍可以通過螺旋線展開的直角三角形幾何分析得到。當復合紗的皮紗為幾何螺旋線且密堆排列時，其捻回角β可達最大值，趨向90°(βmax≈89°)。若將該捻回角最大值的螺旋彈簧完全拉直，即螺旋半徑r為 0時，呈螺旋狀排列的紗條的伸長率εe為5 729%(即tan89°=57.29)，且該紗條自身還未作任何伸長。

然而，實際拉伸中螺旋半徑永遠不可能為0，所以實際加工所得復合紗的最大捻回角βmax約為80°，最小捻回角βmin為15°；且螺旋排列的皮紗繃直后的殘余捻回角βres一般為成紗捻回角β的20%。1個螺距h長度復合紗的理論最大彈性伸長率，見式(6)；1個螺距h長度復合紗的理論最小彈性伸長率見式(7)。

εemax=tanβmax-tanβres=tanβmax-tan0.2βmax

(6)

εemin=tanβmin-tan0.2βmin

(7)

由此，根據捻回角β的理論估計可得：εemin=538.5%；εemin=24.18%。即采取本文提供的復合紡紗機構與工藝，所獲得的結構復合紗彈性伸長率εe的取值范圍為24.18%～538.5%，而且僅僅是螺旋線展開的斜邊的轉動，所產生的εe中，在幾何意義上不存在纖維的伸長，故其彈性回復率Re≈1。即實際的Re取值范圍在98.0%～99.9%之間。

對比上述由芯紗得到的彈性范圍(10%～400%)與由捻回角β求得的彈性范圍(24.18%～538.5%)可知，目前高彈形狀記憶復合紗的彈性εe小于或等于400%，故研發更高彈性的氨綸絲成為制備高彈形狀記憶復合紗的關鍵。

3 結束語

高彈形狀記憶紗線是功能紗線，可由多軸系非等匯聚點復合紡紗技術制得，其成紗結構獨特，由內層彈性紗芯和外層螺旋彈簧結構復合構成，具有形狀記憶、可逆高回彈、變形大、抗皺和結構穩定等特性。成紗彈性高達400%，彈性回復率達98.0%～99.9%。目前形狀記憶復合紗的超高彈，并非受限于紡紗技術，而是受限于超高彈的氨綸絲。三軸系非等匯聚點復合紡紗技術可實現雙級匯聚調控，使成紗結構多樣化，進而使成紗性質多變，而實現該復合紗產業化加工，僅需在傳統環錠紡紗機上加裝模塊化設計與集成的復合紡紗裝置。該裝置不僅是高彈形狀記憶復合紗紡紗的硬件支撐，且可為紡紗機構改造創新和工藝調整方案提供有效借鑒。

高彈形狀記憶復合紡紗技術可用于制備人工肌腱、機器人柔性關節、高緩沖繩索類等功能紗線。