一种阻燃、耐高温的包芯纱及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于纺织技术领域，特别涉及一种阻燃、耐高温的包芯纱及其制备方法和应用。


背景技术：

2.聚酰亚胺具有良好的阻燃、耐高温性能，可以应用在阻燃、耐高温等防护领域，现有的聚酰亚胺防护用纱线多采用和其他纤维进行均匀混纺的方式获得，在混纺纱线中，聚酰亚胺作为提高纱线性能的组分，通常会因为混纺纱线短板效应的出现，需要添加较高比例的聚酰亚胺才能达到优异的阻燃、耐高温效果，造成纱线价格的升高。而当聚酰亚胺含量较高时，阻燃性能得到提高，但是断裂伸长率又无法得到提升，因此存在断裂伸长率和阻燃性能存在难以共同提高的问题。
3.除此之外，因聚酰亚胺具有天然的亮黄色，且纤维结构稳定，不易染色，混纺纱线颜色受限，严重制约了其在消防、抢险救援、飞行服等领域的应用。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种阻燃、耐高温的包芯纱及其制备方法和应用；本发明提供的包芯纱具有优异的阻燃和耐高温性能。
5.本发明的第一方面提供一种阻燃、耐高温的包芯纱，包括芯纱和包覆纱，所述包覆纱包缠在所述芯纱的表面，所述芯纱包含聚酰亚胺纤维，所述包覆纱包含间位芳纶，所述芯纱占所述包芯纱的质量百分比为20-45％。
6.本发明阻燃、耐高温的包芯纱，通过包芯纱结构，以聚酰亚胺纤维作为芯纱，使其以连续的整体存在纱线的内部，构成纱线的基本骨架，使纱线在高温下，能够借助聚酰亚胺芯纱的耐高温特性，使纱线和由该纱线制备的织物的高温尺寸稳定性大大提高；并且聚酰亚胺纤维以连续整体存在内部，使得包芯纱以较低的聚酰亚胺纤维含量，实现优异的阻燃效果和具有优异的断裂伸长率，尤其是对于包芯纱制备的面料的损毁长度的降低具有显著效果。本发明在保证阻燃、耐高温效果的前提下，控制芯纱占包芯纱的质量百分比为20％-45％。若芯纱含量低于20％，阻燃、耐高温提升幅度不大，并且此种配比下需要芯纱具有更高的纱支，造成芯纱纺纱难度加大，产品质量不稳定并且成本大幅增加；若芯纱含量高于45％，和混纺纱线相比阻燃耐高温性能优势不突出，反而会因为两步法增加纺纱费用，使纱线的经济价值降低。
7.进一步的优选方案中，芯纱占包芯纱的质量百分比为20％-33％，当芯纱的质量百分比高于33％时，会造成包缠纱难以包覆芯纱，产生芯纱外露的问题。
8.优选地，芯纱为短纤纱线，聚酰亚胺纤维的断裂强度≥4cn/dtex，断裂伸长率均≤25％。
9.本发明中的短纤纱线，是指以短纤维为原料经过纺纱加捻制备的纱线，短纤维的
纤维长度为10mm-200mm，纺纱包含多种方式，最常见的包含环锭纺、涡流纺、转杯纺。
10.聚酰亚胺纤维：是指主链上含有酰亚胺环(-co-nh-co-)的一类聚合物，聚酰亚胺纤维是采用此聚合物经过纺丝所形成的纤维，聚酰亚胺纤维具有优异的阻燃、耐高温性能。本发明所述聚酰亚胺纤维断裂强度满足gb/t33617《聚酰亚胺短纤维》中优等品要求，即纤维断裂强度≥4cn/dtex。现阶段满足上述条件的聚酰亚胺纱线通常断裂伸长率≤25％，采用此范围的纤维能够保证纤维原材料来源的广泛性和普适性。
11.本发明采用聚酰亚胺短纤纱线的价格仅为同种线密度聚酰亚胺长丝价格的10％-50％，能够大大降低包芯纱的成本。
12.优选的，芯纱的加捻方向与包芯纱的加捻方向相反，所述芯纱的捻系数为160-280。
13.因为聚酰亚胺纤维断裂伸长率低于间位芳纶，造成纱线断裂伸长率低，使得织物的撕破强力低，造成混纺纱线中两种纤维具有断裂不同时性，聚酰亚胺会先断裂，聚酰亚胺断裂后，芳纶间抱合力减弱，造成纱线断裂强力和伸长的减小，从而降低面料的断裂强力和撕破强力。采用反向加捻制备的包芯纱，包芯纱加捻时让芯纱进行解捻，减小了芯纱的捻系数，在较小的捻系数下，芯纱纤维在初始拉伸过程中，会产生少量滑移，主要依靠包覆层承受拉力，但是随着拉力增加，包覆纱线对内层聚酰亚胺纤维的挤压进一步加强，芯纱不再产生滑移，纱线中全部纤维都能起到受力作用，这样通过滑移减少了聚酰亚胺和芳纶的断裂不同时性，提高了纱线的断裂强度和断裂伸长率，从而提高了面料的断裂强力和撕破强力。因为聚酰亚胺纤维之间的摩擦系数较大，因此可以采用较低的捻系数，芯纱的捻系数在160-280之间时，在拉伸过程中芯纱能够产生部分滑移，并且随着拉力增加，包覆纤维对于芯纱挤压加剧，芯纱不会出现滑移断裂，从而保证包芯纱具有更好地断裂伸长率，低于160会造成滑移过大，纱线强力不足，高于280，芯纱难以产生滑移，不能达到提高伸长率的效果。
14.优选地，所述包芯纱的线密度为18-50tex，捻系数为260-420。
15.本发明提供的阻燃、耐高温的包芯纱，主要应用在消防、抢险救援、森林扑火、赛车、航空等领域，为了保证面料的舒适度，纱线应具有合适的线密度，纱线线密度大于50tex，织物过硬，服用舒适度下降。当纱线线密度小于18tex时，需要芯纱具有更高的纱支，通常在100英支以上，这对聚酰亚胺的纺纱难度是极大的，纱线质量不稳定，造成后续织造不稳定，产品质量也难以得到保证。包芯纱采用捻系数为260-420，捻系数过小将对纱线的断裂强度和断裂伸长率造成不利影响。而捻系数过大，不仅降低了生产效率，也有可能因为芯纱超过临界捻系数造成纱线强力降低，更重要的是因为聚酰亚胺纤维和间位芳纶都是耐高温纱线，过大的捻系数会造成后道产品尺寸不稳定，并难以定型。采用此种捻系数，因为内外纱线具有相反加捻方向，能够减少纱线内应力，从而更加有利于纱线形态结构的稳定。
16.优选地，按照重量百分比计，所述包覆纱包含间位芳纶85-95％、3-13％对位芳纶和1-5％抗静电纤维。
17.间位芳纶在高温及火焰的作用下，会发生收缩，会造成布面的破碎，为了进一步提高面料的阻燃性能，添加对位芳纶，提高纱线的阻燃性能，并且对位芳纶具有更好的耐温性能，进一步提高纱线的高温稳定性。但是对位芳纶强力高、模量大，服用舒适度差，其比例控
制在13％以下，能够更好的兼顾服用舒适度。间位芳纶、对位芳纶、聚酰亚胺纤维吸湿性能差，容易产生静电，在包覆纱中添加抗静电纤维能够很好的改善纱线的抗静电性能。本发明中的抗静电纤维采用现有抗静电纤维即可。
18.本发明的第二方面提供所述阻燃、耐高温的包芯纱的制备方法，包括以下步骤：
19.将所述芯纱和所述包覆纱经过加捻，制备得到所述包芯纱。
20.优选地，所述制备方法包括以下步骤：
21.s1、通过加捻制备得到包含聚酰亚胺纤维的纱线；
22.s2、将所述包含聚酰亚胺纤维的纱线作为芯纱和所述包覆纱经过加捻，制备得到所述包芯纱；
23.其中，步骤s2所述加捻的方向与步骤s1所述加捻的方向相反。
24.采用两步法加工包芯纱线，芯纱是以一个紧密的整体进行喂入的，能够实现更好的包覆效果。为了使纱线具有更好的包缠效果，步骤s1采用的加捻方式包含紧密纺、赛络纺、扭妥纺、柔洁纺、涡流纺等，能够有效的降低纱线毛羽，减少芯纱纤维外露，提高包缠效果，由于芯纱更加光洁，可以适当增加芯纱的比例，提高纱线的阻燃、耐高温性能。
25.本发明采用聚酰亚胺纤维作为芯纱，先将聚酰亚胺纤维制成纱线，提高纤维之间的抱合度，使聚酰亚胺以更小的体积存在，能够提高芯纱含量，保证纱线的阻燃效果，并且使包覆纱能够更好的包缠芯纱，防止纤维外露。
26.采用两步法，能够实现芯纱和包芯纱的反向加捻，这是一步法包芯纱所不能实现的。
27.优选地，所述制备方法包括以下步骤：
28.s1、将水溶性纤维和聚酰亚胺纤维经过加捻，得到芯纱；
29.s2、将所述芯纱和所述包覆纱经过加捻，再经过水浴除去所述水溶性纤维，得到所述包芯纱；其中，步骤s2所述加捻的方向与步骤s1所述加捻的方向相反。
30.按照重量百分比计，芯纱包含10-30％的水溶性纤维和70-90％的聚酰亚胺纤维，水溶性纤维的水溶温度≤95℃；包芯纱经过高温水浴处理，水浴温度≥水溶性纤维的水溶温度，水溶性纤维完全溶解后，经过水洗去除水溶性纤维。
31.本发明将水溶性纤维和聚酰亚胺纤维混纺成芯纱，再通过包覆纱包覆形成包芯纱，然后通过高温水浴，去除水溶性纤维，水溶性纤维去除后得到的芯纱会产生收缩形变，这部分收缩形变储存在包芯纱的内部，在外力作用下，这部分形变转化为更高的断裂伸长率，能够整体提高包芯纱的断裂伸长率，从而提高面料的抗撕破强力。
32.本发明提供的包芯纱线可以用在阻燃织物，尤其是消防员灭火防护服、抢险救援服、森林防火服、飞行服等领域。
33.相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
34.本发明包芯纱包括芯纱和包覆纱，包覆纱包缠在芯纱的表面，芯纱包含聚酰亚胺纤维，包覆纱包含芳纶，芯纱占包芯纱的质量百分比为20-45％，通过包芯纱结构，以聚酰亚胺纤维为芯纱，芳纶为包覆纱，使聚酰亚胺纤维不显露在纱线外层，从而避免了聚酰亚胺纤维不易染色造成的应用领域受限的问题，同时使得包芯纱具有优异的阻燃和耐高温性能。
具体实施方式
35.为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举如下实施例进行说明。需要指出的是，如下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
36.如下实施例中所用的组分、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
37.以下实施例中，间位芳纶采用杜邦公司nomex，对位芳纶采用杜邦公司kevlar，抗静电纤维采用钟纺公司belltron 9r1。
38.实施例1
39.一种阻燃、耐高温的包芯纱，包括芯纱和包覆纱，包覆纱包缠在芯纱的表面，芯纱采用聚酰亚胺短纤维，聚酰亚胺短纤维的断裂伸长率为18％，断裂强度为4.9cn/dtex，包覆纱采用间位芳纶。
40.本实施例阻燃、耐高温的包芯纱的制备方法，包括以下步骤：
41.s1、将聚酰亚胺短纤维经过z捻，得到初始芯纱；
42.s2、将初始芯纱和包覆纱经过s捻，得到包覆纱包缠芯纱的包芯纱；
43.其中，步骤s2中s捻的方向与步骤s1中z捻的方向相反。
44.实施例2
45.实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中得到的初始芯纱和包芯纱的捻系数、线密度均不同，芯纱捻系数也不同，以及芯纱占包芯纱的重量百分比也不同。
46.实施例3
47.一种阻燃、耐高温的包芯纱，包括芯纱和包覆纱，包覆纱包缠在芯纱的表面，芯纱采用聚酰亚胺短纤维，聚酰亚胺短纤维的断裂伸长率为18％，断裂强度为4.9cn/dtex，以重量百分比计，包覆纱采用93％间位芳纶、5％对位芳纶和2％抗静电纤维。
48.本实施例阻燃、耐高温的包芯纱的制备方法，包括以下步骤：
49.s1、将聚酰亚胺短纤维经过z捻，得到初始芯纱；
50.s2、将初始芯纱和包覆纱经过z捻，得到包覆纱包缠芯纱的包芯纱；
51.其中，步骤s2中z捻的方向与步骤s1中z捻的方向相同。
52.实施例4
53.一种阻燃、耐高温的包芯纱，包括芯纱和包覆纱，包覆纱包缠在芯纱的表面，芯纱采用聚酰亚胺短纤维，聚酰亚胺短纤维的断裂伸长率为18％，断裂强度为4.9cn/dtex，以重量百分比计，包覆纱采用90％间位芳纶、7％对位芳纶和3％抗静电纤维。
54.本实施例阻燃、耐高温的包芯纱的制备方法，包括以下步骤：
55.s1、将聚酰亚胺短纤维经过s捻，得到初始芯纱；
56.s2、将初始芯纱和包覆纱经过z捻，得到包覆纱包缠芯纱的包芯纱；
57.其中，步骤s2中z捻的方向与步骤s1中s捻的方向相反。
58.实施例5
59.一种阻燃、耐高温的包芯纱，包括芯纱和包覆纱，包覆纱包缠在芯纱的表面，以重量百分比计，芯纱采用85％聚酰亚胺短纤维和15％的水溶性纤维，聚酰亚胺短纤维的断裂伸长率为18％，断裂强度为4.9cn/dtex，包覆纱采用间位芳纶。
60.本实施例阻燃、耐高温的包芯纱的制备方法，包括以下步骤：
61.s1、将聚酰亚胺短纤维和水溶性纤维经过s捻，得到初始芯纱；
62.s2、将初始芯纱和包覆纱经过z捻，再经过水浴除去水溶性纤维，得到包覆纱包缠芯纱的包芯纱；
63.其中，步骤s2中z捻的方向与步骤s1中s捻的方向相反。
64.上述实施例1-5制备过程中各物质的参数如表1所示。为了方便对比，表1中实施例5的初始芯纱的捻系数和线密度，是初始芯纱去除水溶性纤维后经过换算得到的。
65.表1
[0066][0067][0068]
对比例1
[0069]
对比例1与实施例1的区别在于：采用常规的混纺方法进行制备。具体的，以重量百分比计，对比例1采用33％聚酰亚胺和67％间位芳纶，按照常规的混纺方法进行混纺，得到线密度为30tex、捻系数为350的常规混纺纱线(非包芯纱结构)。
[0070]
对比例2
[0071]
对比例2与实施例1的区别在于：提高聚酰亚胺纤维的含量，并采用常规的混纺方法进行制备。具体的，以重量百分比计，对比例2采用50％聚酰亚胺纤维和50％间位芳纶，按照常规的混纺方法进行混纺，得到线密度为30tex、捻系数为350的常规混纺纱线(非包芯纱结构)。
[0072]
对实施例1-5以及对比例1-2所得产品的断裂强度和阻燃性能进行测试。其中，断裂强度、伸长率，按照gb/t3916-2013纺织品卷装纱单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定(cre法)进行测试；极限氧指数，按照gb/t 5454-1997《纺织品燃烧性能实验氧指数法》进行测试。测试结果见表2所示。
[0073]
表2
[0074]
组别纱线断裂强度cn/tex断裂伸长率％极限氧指数％实施例128.516.434.8实施例228.515.334.2实施例325.410.432.1实施例428.317.836.2实施例527.818.133.6对比例124.910.331.8
对比例225.88.935.1
[0075]
从表2测试结果可以看出，实施例1和对比例1相比，在聚酰亚胺纤维和间位芳纶混纺比相同的情况下，实施例1得到包芯结构的纱线，极限氧指数更高，阻燃效果更加优异；并且纱线的断裂强力和断裂伸长率得到提高。
[0076]
实施例1和对比例2相比，实施例1在聚酰亚胺纤维的含量只有33％的前提下，和对比例2含有50％的聚酰亚胺纤维的混纺纱线的极限氧指数相当，同时实施例1纱线的断裂强度和断裂伸长率得到了大幅度提高。
[0077]
实施例1、2、4、5采用包芯纱反向加捻和对比例1，2相比，具有更高的断裂伸长率和断裂强力。
[0078]
实施例5和实施例2相比，水溶性纤维的加入，提高了整个纱线的断裂伸长率；但是因为水溶性纤维溶解后留下的部分空隙，增加了聚酰亚胺纤维接触到空气的概率，使得极限氧指数略有降低。
[0079]
将实施例1-5和对比例1的纱线分别制备成面料，对面料的阻燃、隔热、耐高温性能进行对比测试，同时以现有的消防员灭火防护服外层最常用的3a面料作为对比例3进行测试。其中，极限氧指数，按照gb/t 5454-1997《纺织品燃烧性能实验氧指数法》进行测试；损毁长度、续燃时间，按照gb/t 5455-2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度阴燃和续燃时间的测定》进行；撕破强力，按照《gb/t 3917.3-2009纺织品织物撕破性能第3部分：梯形试样撕破强力的测定》进行测试；热防护系数、收缩率，按照ga10-2014消防员灭火防护服中附录a整体热防护性能试验、附录b热稳定性能试验进行测试。测试结果见表3所示。
[0080]
表3
[0081]
[0082][0083]
从表3可以看出，实施例1-5的热防护系数、极限氧指数、损毁长度、高温收缩率均明显比对比例1以及对比例3好，说明采用本发明制备的纱线加工成的面料的阻燃、耐高温性能比常规混纺面料以及现有3a面料好。实施例1和对比例3相比，实施例1在克重小于对比例3的前提下，热防护系数却比对比例3更高，进一步说明采用本发明制备的纱线加工成的面料具有更好的隔热性能，除此之外，面料的极限氧指数、损毁长度也都明显优于对比例3的3a面料，说明本发明制备的纱线具有更好的阻燃性能，而且实施例1的面料的高温收缩率更低，说明本发明制备的纱线具有更好的耐高温性能。
[0084]
实施例1，2，4，5制备的面料与实施例3制备的面料相比，撕破强力明显更高，撕破强力达到了100n以上，能够满足消防员灭火防护服外层面料的标准需求，说明反向加捻，芯纱捻系数在160-280之间的包芯纱结构设计能够高效提高纱线的断裂伸长率，从而提高面料的抗撕破强力。
[0085]
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。