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超细纤维的特点介绍

出自:http://www.sdmicrofiber.com 发布时间:2013年11月14日

一、超细纤维的主要特性

纤维线密度的降低赋予纤维许多超越常规天然纤维的优越性能。主要可归纳如下:

(1)线密度相同的复丝或纱线, 其单纤维根数愈多, 成纱强力就愈高。

(2)单纤维线密度愈小, 抗弯曲刚度愈低,纱线及织物的手感就愈柔软, 悬垂性好, 具有高级的‘ ‘ 书写效应” 。

(3)单纤维直径愈小, 纤维的比表面积愈大, 吸附性增强,去污力提高, 过滤性能好,毛细效应强。

(4)单纤维直径愈小, 单位面积织物的密度愈高,织物保暖性愈好,且具有防水透气性。

然而, 单纤维线密度的减小也会带来一些麻烦,如染整加工时, 上染速率快、易染花、染料吸收量大,但显色性差、染色牢度也会变差等。

二、纤维比表面积与纤维线密度及直径的关系

 

由式(1 -3)知纤维直径:
D = 1.128(pl/p)1/2
又根据纤维比表面积( 即质量面积) 定义:
S= πD.(L/m)
因此:
S = 1. 128π( pl/p) 1/2 . ( L/m)    (1 -5)
式中:L/m— —单位质量的纤维具有的长度,记为Lm。
则纤维比表面积与其线密度和直径有如下关系:
S = 1. 128π ( pl/p) 1/2 . Lm        (1 -6)
线密度单位取dtex,密度单位取g/cm3,Lm单位取cm/g,换算可得式(1—7):
S = 35. 42 x 10-4 ( { pl} dtex/{P} g . cm-3 ) 1/2 . { Lm } cm . g-1cm2.g-1;
表1-3和图1-2给出了PET纤维、PA6纤维及PP纤维的比表面积、线密度和直径三者之间的关系。

 

表1—3 纤维线密度、直径、比表面积之间的关系
线密度/dtex L x 10 /cm.g 直径D/um 比表面积/cm2.g-1
PET纤维 PA6纤维 PP纤维 PET纤维 PA6纤维 PP纤维
4.4 22.5 20.21 22.27 24. 90 1420 1560 1752
2.2 45.0 14. 30 15.75 17.63 2008 2214 2478
1.1 90.0 10.10 11.14 12. 46 2840 3130 3504
6. 6 x 10 -1 150 7.82 8.63 9. 65 3667 4041 4523
1.1×10-1 900 3.20 3. 52 3. 94 8981 9899 11080
1.1×10-2 9000 0.96 1. 05 1. 18 28401 31304 35038
1.1×10-3 90000 0.32 0. 35 0. 39 89813 98995 110801
1.1×10-4 900000 0.10 0. 11 0.12 284014 313049 350384

由表1-3及图1-2可以看到, 随着纤维线密度变小, 直径下 降,纤维的比表面积增大;尤其在纤维线密度小于1. 1dtex时,纤维 直径及比表面积变化的幅度加剧。纤维直径及比表面积的变化将 使纤维性能发生很大变化。

图1-2

三、纤维结构、性能与纤维线密度的关系

1.纤维柔性与纤维线密度的关系 将1根纤维作弯曲变形时, 纤维的轴线在纤维中的相对位置不 变,轴线以上部分(外侧)发生拉伸变形,轴线以下部分(内侧)发生压缩变形, 而且距轴线愈远处受拉伸或受压缩的程度愈大, 如图 1-3所示。
图1-3

纤维柔性的描述是一个很复杂的问题,定量表示纤维的柔性更加困难。这里, 用工程力学中的弯曲刚度肼来简单地表征纤维的柔性。弯曲刚度肼表示材料抵抗弯曲变形的能力,其值愈大,材料愈难弯曲变形,亦即材料抵抗弯曲变形的能力愈大。肼中的E为材料的弹性模量,反映材料变形的难易程度——显然,E值愈大材料愈难变形,E值愈小材料愈易变形;而且,材料相同的纤维具有相 同的E值,材料不同的纤维具有不同的E值。而肼中的,为材料横截面的一种几何性质,称为轴惯性矩,它反映的是材料形状(包括尺寸大小)对材料弯曲变形的抵抗能力——显然,值愈大材料愈难变形,值愈小材料愈易变形。

对于同一种材料的纤维,因弹性模量层为固定值,所以弯曲刚度肼就只取决于截面轴惯性矩,值的大小。由工程力学知,圆形截面的轴惯性矩I= πD4/64,即圆形截面纤维的轴惯性矩与纤维直径的4次方成正比。这说明纤维直径的微小变化将引起轴惯性矩的急剧变化,从而引起纤维弯曲刚度EI的急剧变化。因此,纤维直径变小,会表现出纤维柔性的极大提高。表1-4是用实例表示的具体数据,可见纤维直径对其截面轴惯性矩的影响之大。

 

表1-4 纤维直径对轴惯性矩的影响
直径D D D/2 D/4 D/10 10 -3D
轴惯性矩 I πD4/64 πD4/( 64 x 16) πD4/(64 X 256 ) πD4/( 64 x 104 ) πD4/( 64 x 1012 )

若将长L的圆形纤维一端A固定(如图1-4,例如一块起绒布料的绒毛),于另一端B处施加力F使其弯曲(如同用手去抚摸布料的绒毛),假设纤维弯随的曲率半径为p,则根据工程力学中悬臂 式梁受力弯曲变形的力学分析, 知此时所施加的力F为:
F= El/(pL) =πED4/(64pL) (1-8)

亦即, 使纤维弯曲变形时所需要的力F与其直径的4次方成正比, 与纤维长度成反比。所以, 纤维直径愈细愈易变形, 纤维愈长也愈易变形。故降低纤维的线密度可有效地提高纤维的柔性。

若将1根直径为D的单纤维( 试样1) 与l束单纤维直径为d的n根纤维组成的复丝( 试样2) 作弯曲试验比较, 假设两试样的总截面积相同, 即:
πD2/4=nπd2/4
则: ( EI)试样1=EπD4/64
(EI) 试样2= nEπd4/64( 因为πD2/4=nπd2/4, 所以d=D/n1/2
= nEπ(Dn -1/2)4/64=EπD4/(64n)
( EI)试样1 /(EI) 试样2=(EπD4/64)/(EπD4/64n) =n           (1—9)

由以上结果知,试样曼的弯曲刚度是试样2弯曲刚度的儿倍。 这表明线密度相同的复丝中单纤维的根数愈多(或说单纤维的线密度愈小),纤维的柔性愈大。人造麂皮的所谓“书写效应”就是因其表面绒毛纤细而柔软,当手指抚摸时绒毛沿着抚摸的受力方向倒伏而显现出来的。因此,超细纤维制品会给人以手感舒适、滑爽、产量上乘的良好印象。

纤维截面的轴惯性矩不仅与纤维截面的尺寸有关,还与纤维截面的形状有关。表1一5反映了纤维截面的轴惯性矩与截面形状的关系。
表1一5

当采用异形孔喷丝板纺制不同截面形状的纤维时,便可得到不同抗弯能力和不同性能的纤维材料。

2,取向度、结晶度与单纤维的线密度的关系

纤维在纺丝成型(特别是熔体纺丝成型)过程中,单纤维的线密度愈小,纤维比表面积愈大,在纺程上纤维与空气间的摩擦阻力 也愈大, 因而纤维的取向度也愈高。与线密度和比表面积间的变化 关系相似,当单纤维的线密度小于1. 1dtex时,取向度急剧增加。纤 维取向度的提高又会诱导结晶的发生, 引起结晶度的提高以及与此相关的其他性能的变化(图1—5、图1-6) 。
图1-5
图1-6

3. 传热系数与单纤维的线密度的关系

与线密度和比表面积间的变化关系相似, 当单纤维的线密度小于1. 1dtex时,纤维的传热系数也迅速提高(图1-7)。这也将对超细纤维织物穿着舒适性有所改善。
图1-7

4.染色性能与单纤维的线密度的关系

单纤维的线密度愈小,纤维直径愈细,比表面积愈大,纤维对染料的吸附速度加快,即上染速率加快;但是,由于纤维表面的反射光增强,使纤维的显色性变差,即在同样染料吸附量的情况下,纤维或织物给人们的感觉是色浅。因此,要使超细纤维的发色性达到常规纤维的水平,就必须增加染料的用量,如采用常压型阳离子染料可染聚酯( ECDP)纺制超细纤维,可得到满意的染色效果。另外由于超细纤维的比表面积大,上染速率快,故染色时容易染花,一般采用低温入浴、慢速升温的染色工艺可以改善染色效果。

超细纤维织物染色时最易出现的问题是染色不均匀——批内及批间差异,易出现色斑,色相偏差,特别是色相的重现性差,而且色牢度差。织物染色过程中也易出现运行不良并导致色痕及褶皱。 超细纤维织物染色时染色设备的选择至关重要,若在张力或压力下加工则手感差,但是在松弛状态下染色又会产生褶皱,因此应当选择合适的染整设备。

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