弹力包芯纱产品的开发与应用进展

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原文刊自：2021年1月

第49卷（总第591期）

摘 要

探索弹力包芯纱产品的开发、应用研究现状和未来发展趋势。阐述了单芯结构、双芯结构和纳米结构3类弹力包芯纱的产品开发特点；详细介绍了功能性弹力包芯纱应用场景与产品应用研究进展；并对弹力包芯纱的未来开发趋势进行了展望。研究结果表明：通过原料选配、纱线结构设计及成纱过程控制，可实现差别化、功能性弹力包芯纱开发，确保纱线呈现优越弹性的同时，又发挥包覆纱线的特性。认为：弹力包芯纱的开发能够满足不同场景下的产品应用需要，同时要注重开发的成本控制。

关键词

弹力包芯纱; 双芯纱; 纳米结构; 形状记忆材料; 智能化纺织品

随着人们生活水平和生活质量的提高，弹性好且耐久性好的纺织品备受人们的青睐。弹性纤维种类很多，总体可分为聚氨酯纤维（如氨纶）、聚醚酯弹性纤维（如PET/PEO）、聚酯类弹性纤维（如PBT、PTT、PET/PTT双组分复合卷曲纤维）、聚烯烃弹性纤维（如陶氏XLA纤维）和硬弹性纤维（如硬弹性PP和聚偏氟乙烯纤维）等。但弹性纤维存在易老化、手感差等缺陷，往往需要包覆使用，以包芯纱的方式用于织物中。弹力包芯纱是以弹性长丝为芯纱，短纤维连续包缠伸长状态下的弹力长丝而形成的弹力纱线。这种纱线纺纱工艺可靠，成纱性能好，不仅具备弹性纤维的弹性，且相较于包覆纱线而言拉伸时较少存在露芯现象，被广泛应用于弹性服用纺织品的开发。然而弹力包芯纱的结构特征是影响弹力包芯纱性能的重要因素，基于纤维原料通过对弹力包芯纱的结构进行设计是实现功能纺织品开发的关键。

1 弹力包芯纱加工与开发进展

1.1　单芯弹力包芯纱

单芯弹力包芯纱是由单根弹性长丝和短纤维组成的芯鞘结构纱线，能够实现两种成分间的优势互补，即芯丝提供弹性，外包纤维提供强力和表观特性。弹力包芯纱的结构性能受各式纺纱设备的影响存在差异。目前生产弹力包芯纱的设备大多由环锭细纱机改装而成。在环锭纺实际生产中，由于钳口须条的变动性、多单元生产的特点很难统一控制，且加捻必然存在纤维的内外转移，无法将芯丝稳定于截面中心位置，从而易出现露芯和包覆不均的问题；而喷气涡流纺的芯丝稳定处于涡流的中心，纤维束在旋转气流的影响下层层包绕芯丝，因此纱线各组分之间具有优异的抱合力且包覆均匀，可形成真正意义上的包芯纱。通过对比纱线结构性能发现，喷气涡流纺纺出的包芯纱较为理想。

单芯弹力包芯纱满足人们对弹性纱线的基本要求，但仍存在不可忽视的缺陷，如纺织加工对纱线弹性伸长率有较大的损耗，成品的弹性受限；织物在长期使用中保持原弹性性状的能力不理想甚至出现失弹等现象，弹性回复性能下降影响穿着舒适性和美观性。

1.2　双芯弹力包芯纱

双芯弹力包芯纱以两根长丝为芯纱，外包短纤维。其技术优势在于双芯结构将两根长丝优势性能合并或增强，改善单组分芯纱的缺陷，进一步发挥了复合优势，赋予纺织品独特的风格特征和功能特点。国内外学者对两种芯材的选择做了不少尝试，目前已成功开发多种不同纤维原料组合的双芯弹力包芯纱。以下列3类为主。

（1）双弹性芯丝弹力包芯纱。双芯均为弹性长丝时，芯丝共同受力改善传统单芯弹力包芯纱的弹性伸长和弹性回复性能。常见的双弹性芯丝大多选择氨纶与PET/PTT双组分复合长丝组合，有效发挥氨纶长丝的优越弹性与PET/PTT双组分复合长丝的优异弹性回复性和稳定性，可生产具有高弹和高回弹性能的弹力包芯纱。双弹性芯丝弹力包芯纱的应用使织物的弹性稳定性大大增加，舒适性和保形性的提升迎合了消费者需求。

（2）刚性纱/弹性纱双芯弹力包芯纱。双芯分别为刚性长丝和弹性长丝，可实现刚性材料与弹性材料的复合，有效解决刚性材料服用性差等问题，为柔性纺织品的功能开发提供条件。如不锈钢长丝作为一种优良电磁屏蔽材料，单独使用时存在舒适性差、延展性低等问题，若将其与氨纶长丝共作芯丝并外包短纤使用时，氨纶长丝优异的弹性性能恰好能弥补不锈钢长丝的上述缺陷，为柔性防辐射服的制备提供可能。

（3）可溶性纱/弹性纱双芯弹力包芯纱。在包芯纱的双芯结构中采用可溶性纱，溶去可溶芯纱后可在包覆纤维中形成孔隙，主弹力芯纱与外覆层之间处于松弛的接触状态，使主弹力芯纱有更大的回缩空间。由于回弹阻力减少，回弹的效果得以改善，因此用空心弹力纱所制成的织物或服装可实现快速回缩，解决穿衣时的变形问题。

双芯弹力包芯纱生产宜采用赛络纺工艺，因赛络纺纺纱过程中单纱须条的纤维转移较传统环锭纺少，纤维呈顺直紧密的排列，使纱体表面光滑，成纱条干及强力都有所提高。同时赛络纺采用双根粗纱喂入，须条宽度相对变宽，有利于提高短纤对双芯长丝的包覆效果。生产双芯弹力包芯纱时，尤其两根芯丝存在弹性性能差异的情况下，需要单独控制双芯长丝的张力，否则在成纱过程中纱线结构不稳定易出现断头、包覆不良、露芯以及橡皮纱现象。为实现双芯长丝的良好喂入，主要从长丝退绕张力和预牵伸张力两方面进行控制。侯小伟等通过4组方案比较得出纺制涤纶与氨纶长丝为芯丝时的最佳退绕方式，即两根长丝采用单独的送纱机构控制，在导丝轮汇合后喂入前罗拉钳口，有效避免了缺丝和芯丝张力波动大的缺陷。孙延荣等在探究双弹性芯丝的喂入方式上，比较两根弹性长丝分别采用独立导丝轮喂入、并丝后经同一导丝轮喂入、通过包覆丝机包覆包后经同一导丝轮喂入3组方案，得出两根弹性长丝经包覆工艺更利于成纱质量控制，并以此法成功纺制了双芯弹力包芯纱。徐照芳为保证双芯长丝在喂入和运行时张力适中稳定，在确立适宜牵伸倍数后进行了张力分配试验，并提出加装吊环张力器、大导轮和张力胶辊可有效改善双芯弹力包芯纱的包覆效果。曲华洋等通过在纺纱设备上配置双芯数控装置，进一步优化不同质芯丝的成纱质量，纺出双芯丝的纱体结构更加稳定。

1.3　纳米结构弹力包芯纱

纳米纤维具有高的比表面积，是构建多功能性纺织品的理想载体，但因纳米纤维直接纺成的纱线强度不够，限制了纳米纤维在纺织领域的产品形式与应用。而包芯纱结构具备复合优势，将静电纺纳米纤维加捻包覆在常规纱线的表面形成纳米包芯纱，可实现纳米纤维与传统纱线的有机结合，赋予一维纳米结构材料一定的力学性能和弹性性能，同时解决纱线二次加工的难题。

纳米结构弹力包芯纱的构建主要有3种形式。一是以普通长丝为芯纱，外包弹性纳米纤维制备纳米纤维包芯纱；二是以弹性长丝为芯纱，外包纳米纤维制备纳米纤维包芯纱；三是以弹力包芯纱为柔性支架，纳米纤维仅作为包覆部分。将静电纺丝法制备的纳米纤维通过旋转气流、圆盘或喇叭漏斗的旋转作用卷绕到芯层表面从而形成包芯结构纳米纱线。然而现有的制备技术或比较复杂，或没有考虑包芯纱上纳米纤维的排列等问题，且不同的工艺设置也会引起纳米纤维包芯纱的形貌和各种力学性能的变化。因此，通过制备工艺的优化以构建高产量、高定向、高取向的纳米纤维包覆层，仍需进一步地探索研究。未来如能克服纳米一维材料生产产量上的局限，纳米结构弹力包芯纱在纺织品领域将会大有作为。

2 功能性弹力包芯纱产品的开发应用进展

2.1　形状记忆功能包芯纱产品

形状记忆材料具有受特定的外界条件激发下产生预变形，而再次刺激后又能回复其预先设置形状的特性。纺织品用形状记忆材料可分为形状记忆合金（SMA）和形状记忆聚合物（SMP）两大类，均可满足纺织品对环境适应性的需求，在制备智能纺织品方面极具发展前景。以形状记忆纤维（SMF）为芯纱纺制包芯纱，受环境变化触发形状记忆活动，可用于花式纱线的研发生产。如将形状记忆包芯纱加热至预设形变回复温度以上，即伴随芯纱发生形态回复的包覆纤维也产生了相应的迁移，降温后该形变仍能继续保持。目前该方法已成功纺出了圈圈线、粗松螺旋线、雪尼尔线等形状记忆花式纱线。形状记忆包芯纱织造成的织物具备良好的折痕保持性能、抗皱防缩性、起拱回复性，且仍保留外包纤维亲肤舒适等优点，非常适合高品质服装与医疗卫生用纺织品的生产，并且随着智能纺织品研发的推进，形状记忆包芯纱应用范围将进一步扩大。

2.2　防护功能包芯纱

防护服是一类能够保护人体免受恶劣环境的影响，在某些可能存在危及生命或对人体造成相当大损害的情况下，起积极防护作用的特殊服装。防护服的种类庞杂，在军工、航天航空、消防、医疗、电力等部门均具有广泛的应用，且随着人们防护意识的增强，防护服在民用防护领域不断扩展，如防辐射服在孕妇服装上的应用。根据防护对象，防护服又可分为阻燃服、防电磁辐射服、防弹服、抗菌服等。作为直接防护装备，在防护服的设计中舒适性与防护性同等重要，防护产品越舒适越容易被使用者接受。采用弹力包芯纱可获得防护能力好且舒适效果佳的防护服，同时双芯弹力包芯纱较单芯在弹性和防护性上均占优势。曲华洋等通过对不锈钢/氨纶双芯弹力包芯纱织物进行产品性能试验，得出双芯纱不仅符合电磁屏蔽防护产品的一般要求，且大大提升了织物弹性回复性能。

2.3　弹性导电功能包芯纱

利用包芯结构可获得兼备柔性和导电性的纱线。按获得途径分两类：一是在可拉伸弹性材料上包覆导电纤维或涂覆导电层；二是采用双芯弹力包芯纱，导电长丝与弹性长丝同为芯丝。这两种方法制备的弹性导电体均具备优良的导电特性，区别在于导电物质所在的部位不同，即裸露的导电层和芯层导电，这可根据功能用途的需要进行选择。弹性导电体因导电物质的加入，改善了原本弹性纱线的防静电功能，减少静电放电和电磁干扰的危害，可用于制造有屏蔽静电感应功能的导电服或用于容易产生静电危险环境的工作服。此外弹性导电纱线发挥导电和信号传送器的作用，可成为智能纺织品和交互式纺织品的关键元件。如制备柔性传感器用作监测装置在可穿戴健康监测、人体活动记录等方面具有较好的发展潜力。为使传感器获得较高的灵敏度，多采用纳米纤维材料制备。传感器根据其传感原理和材料结构的不同，可感应温度、压力、位移、电流等多种物理或者化学刺激。郭亚楠以氨纶包芯纱线作为一个弹性支架，通过原位聚合在纱线上包覆纳米聚苯胺作为导电组分，制备了可伸缩湿度传感器。南楠以涤纶长丝作为芯纱，利用静电纺丝技术获得掺杂有碳纳米管的聚氨酯纳米纤维包芯纱，最后在纱线表面涂覆一层带有导电铜丝的PDMS凝胶膜，制得压力传感器。佑晓露采用化学镀镍法制备了镀镍棉纱作为导电芯纱，通过共轭静电纺丝技术，制备出基于PU纳米纤维包芯纱的电容式压力传感器。

2.4　柔性储能功能包芯纱

基于纱线的柔性储能器件与传统纺织产品间具有良好的相容性，同时与非线性储能设备相比具有高能量密度、长循环寿命和高效率等优势，近年来引起了业界的高度重视。目前储能器件的研发主要为电能的存储。包芯纱成为一种制备线性可拉伸超级电容的途径，得益于包芯纱双组分的特性，单纱上容易产生电荷转移，且在一定应力条件下纱线仍能保持电化学稳定性。线性可拉伸超级电容满足了人们对可穿戴电子装置的制备需要。为进一步提高电极材料的电化学性能，采用增大电极活性材料的有效比表面积来容纳更多参与反应的迁移电荷。对此，学者们使用不同纳米纤维材料制备的包芯纱做超级电容，如PAN纳米纤维包芯纱，聚苯胺/不锈钢长丝包芯纱、碳纳米管/不锈钢包芯纱、MXene/碳纳米纤维纱等。其中只有少数文献解决了柔性超级电容器可拉伸性的问题。SUN J F等利用皮芯结构在弹性纤维基体上依次包覆两层由凝胶电解质分隔的取向CNT膜，制成了可拉伸线性超级电容器。其次纺织储能器件还可实现热能的存储。相变材料在不同温度下会发生相态间的转变，从而吸收或释放较大潜热的材料。赵舟将具有储能作用的相变储能热红外干扰长丝做为芯丝，阻燃粘胶纤维为包覆部分制成了相变储能红外线干扰阻燃包芯纱。目前此类储能材料仅实现单芯包芯纱制备，还未能将弹性体融入其中，仍有很大的优化空间。

3 弹力包芯纱的未来开发趋势

随着社会生产力的提高，为应对社会市场需求变化，我国纺织行业正加快调整产品结构，朝着提升产品品质方向转型升级。弹性纱线向着易护理、保形性好、多功能方向发展，其生产开发应注重以下3个方面：一是聚焦纤维材料从单一走向多元，新型弹性纤维的出现和应用促使弹性包芯纱保形性、耐久性得到了提高，更多功能性差别化纤维的加入赋予包芯纱特殊的性能优势；二是纱线结构不断得到优化，双芯弹力包芯纱、空心弹力包芯纱等新结构纱线的出现明显改善了传统弹性纱线性能，但未来需发展更多具有优异结构性能的纱线；三是纺纱设备仍有改进的空间，如何进一步提高包覆纤维的包覆率以减少芯纱露白、提高适纺原料的多样性等问题，仍需学术界和产业界的共同探索。

包芯纱优势得到普遍的认同，但若要进一步提高市场份额，须把握市场的流行趋势，提高研究开发水平，不断拓展弹力包芯纱新的应用领域。一方面未来的纺织品必然更注重多功能的集聚，因此智能可穿戴纺织品的发展态势不可忽视。包芯结构产品在制备多功能、智能化纺织品上具有很大发展优势和潜力，可使产品兼具功能性与舒适性，解决一些产品服用性差的问题。纳米结构弹力包芯纱作为一种新型结构的纱线，提高了产品的附加值，可用于各类传感器、可穿戴电容等领域，具有很高的产品开发价值。另一方面，性价比仍是功能性产品成功走向市场的先决条件，新结构弹力包芯纱开发，无论是在纺纱设备的更新、原料投入成本、生产技术难度方面，都明显高于传统纱线开发，这将导致其产品市场价格较高。为保证将产品做精做优的同时力求降低生产成本，目前纺纱企业正在通过兼并重组及技术改造向集约化、规模化生产发展。此外成本的控制仍要回归到纺纱设备的改进和制备工艺的优化上。

4 结语

日趋多样化的包芯纱结构，使弹性纱线的发展到达了一个新高度。包芯弹性体结构稳定，且复合化生产充分利用原料的特性，兼具了各种材料的优点。新结构双芯弹力包芯纱的出现，进一步提高了原产品的性能，无论是对纱线弹性的改善，还是用于防护功能的纱线开发，都具有积极作用。然而各种弹性纤维、长丝的选择与相互配合，以及成纱工艺参数配置、工艺调控变化等都会影响弹力包芯纱产品的最终性能，如何依据弹力包芯纱的应用场景，优化纱线原料的组合，设计更加合理的纱线结构，配置合适的成纱工艺是未来弹力包芯纱产品质量提升的关键。在提高产品性能的同时，还应考虑如何降低生产成本，才能占据市场优势。

资料来源：《棉纺织技术》