杨竹丽，王府梅,b

(东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620)

纤维阶段测试评价PTT/PET织物弹性的可行性研究

杨竹丽a，王府梅a,b

(东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620)

为探究纤维阶段测试织物弹性的可行性，选用不同厂家生产的3种规格相近的PTT(聚对苯二甲酸丙二醇脂)/PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)自卷曲长丝，通过试制针织物和机织物证明3种长丝弹性存在明显差异.采用正交实验法设计了纤维的9种干热处理条件，长丝经干热处理后测试其弹性.数据分析证明，在100 ℃干热环境下施加0.02 cN/tex的预加张力处理8 min以后，所测试的长丝弹性伸长率与织物弹性伸长率的相关系数高达0.996，完全可以表示纤维对织物弹性伸长率的贡献，该试样预处理条件比其他3个相对有效的处理条件更容易控制，可用于该类长丝的弹性测试.分析了不同预处理条件对纤维弹性的影响，确定了能够产生最大弹性的PTT/PET纤维热处理条件：干热处理温度为100～120 ℃，预加张力为0.01 cN/tex，处理时间为5～8 min.

PTT/PET自卷曲长丝；弹性；干热处理

PTT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)/PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)自卷曲长丝是将PTT和PET两种组分以熔融纺丝方法制成的并列复合丝[1].由于PTT和PET具有不同的热收缩率、模量等力学性能，当纤维受热时，两种组分产生收缩差而形成偏离纤维轴向的卷曲[2-3]，宏观上表现为类似弹簧的三维螺旋卷曲，因此，具有良好的卷曲弹性[4].

从纺丝生产线上下来的PTT/PET成品丝只有少而稀疏的卷曲，必须通过热处理才能使卷曲充分显现，获得理想的弹性[5].因为纤维的热处理操作很难，容易造成纤维间粘连，且与织物弹性对应的纤维热处理条件也不明确，所以，纤维阶段一直难以测试评价其弹性.纤维出厂或交易时从来不标注弹性，客户都是通过将纤维织成织物并经过后整理后测试其织物弹性.更加困扰纺织应用的问题是，不同厂家生产的相同或相近规格的PTT/PET自卷曲长丝的弹性可能存在大的差异，不能相互替代.

因此，有必要研究测试PTT/PET自卷曲纤维弹性的方法，进而制定该类纤维的产品标准，标明其重要的特性指标，减少客户使用前的试制量和未知困惑.文献[6-8]模拟织物的后整理工艺，通过热水处理后测试该类长丝的弹性，但是，大量纤维试样热水处理时容易造成纤维间粘连，热水处理方法不适用于生产实践.为了能够在纤维阶段测试评价PTT/PET自卷曲长丝的弹性，本文尝试对PTT/PET自卷曲长丝进行干热处理后测试弹性，并分析其弹性与织物弹性的相关关系，探究对长丝进行干热处理代替将长丝织成织物，测试织物弹性方法的可行性.

1　试验部分

本文基本试验思路：设计系列纤维干热处理条件，测试不同热处理条件下的纤维弹性；以常用纺织和后整理技术试制织物，测试织物弹性；分析织物弹性与不同热条件处理后纤维弹性的关系，若能找到与织物弹性紧密相关的纤维弹性，其对应的纤维处理条件就是该类纤维弹性测试时可参考的预处理条件.

1.1试验材料

选取3种不同厂家生产的PTT/PET自卷曲长丝(国内外产销量比较大的著名产品)，规格如表1所示.3种长丝的线密度相同，单丝数尽可能接近，但横截面形态和组分比、生产工艺不同.

表1　长丝规格Table 1　Specification of filaments

1.2PTT/PET自卷曲丝干热处理方法

干热处理方法如图1所示，将原始伸直长度约为60 cm的试样悬挂在光滑的试样架横柱上，试样两端施加张力夹，使纤维在试样架上张紧.试样架的结构保证在热处理时纤维之间不会相碰.将试样架移入烘箱中进行恒温干热处理.

图1　干热处理示意图Fig.1　Diagram of dry heat treatment

1.3PTT/PET自卷曲长丝的干热处理条件

先进行前期试验以筛选较优条件，然后确定影响PTT/PET自卷曲长丝热处理的3个因素：温度、预加张力和时间.根据因素和水平数(如表2所示)，选择正交表L9(34)进行正交试验.

表2　因素水平表Table 2　Quadrature level pilot factor table

1.4纤维弹性测试

采用XN-1型氨纶弹性仪对热处理后的试样进行比应力-应变曲线测试.在每一热处理条件下，每种纤维随机取样20段，热处理后测试纤维的弹性伸长率和比应力，以15次测试结果的平均值代表该条件下的纤维性能.

PTT/PET自卷曲长丝的拉伸曲线如图2所示．所谓弹性伸长是指试样在低负荷下将纤维卷曲伸直所产生的伸长，即图2中AC部分的伸长，C处的弹性伸长率为该试样的最大弹性伸长率.弹力点C的确定方法(参照屈服点的曼列迪斯法[9])：连接拉伸的起始点与断裂点，作平行且与拉伸曲线相切的直线，则切点即定为弹力点，弹力点处的应力和伸长率分别称为比应力和弹性伸长率[10].

图2　PTT/PET自卷曲纤维的比应力-应变曲线Fig.2　Stress strain curve of PTT/PET self-crimp filament

1.5织物织造和后整理工艺

织物弹性是纤维弹性、织物结构和织物后整理工艺综合作用的结果，为消除织物结构和织物后整理工艺的影响，采用相同的织物结构和后整理工艺试制机织物和针织物.

1.5.1机织物

将3种PTT/PET自卷曲长丝分别作为纬丝，经丝统一采用线密度为16.7 tex的涤纶DTY长丝，因为缎纹织物更有利于PTT/PET自卷曲长丝形成卷曲弹性[11]，因此，织物组织选择五枚二飞的经面缎纹进行织物织造，经密为720根/10 cm，纬密为270根/10 cm.最后进行分散染料同浴一步法的常规织物后整理加工.

1.5.2针织物

3种PTT/PET自卷曲长丝以相同织物结构织成纬编针织物，在最能开发弹性的温度下进行湿热处理.湿热处理条件：90 ℃下松弛湿热处理40 min，冷却后在130 ℃下继续湿热处理40 min.

1.6织物弹性试验

织物拉伸试验采用KES双轴向拉伸仪，对热处理后的PTT/PET自卷曲丝机织物纬向和针织物纵行进行负荷-伸长拉伸测试.拉伸试验均在恒温恒湿室(温度(20±2)℃，相对湿度(65±3)%)中进行.

2　结果与讨论

2.1两类织物的弹性伸长率比较

机织物和针织物在KES拉伸仪上所得弹性伸长率试验结果如图3所示.由图3可知，不论是针织物还是机织物，3种PTT/PET自卷曲长丝织物弹性的大小规律是一致的，都是A织物>B织物>C织物.定负荷弹性伸长率越大，说明该织物在外力作用下越容易产生形变，C长丝的单丝数最多，拉伸时相互之间摩擦力较大，因此不容易产生形变，故C织物弹性伸长率最小.

图3　不同PTT/PET自卷曲长丝织物的弹性伸长率比较Fig.3　Elastic elongation of different PTT/PET self-crimp filament fabrics

A与B织物弹性伸长率相差不大，A织物弹性伸长率较高.这是因为3种不同长丝虽然线密度相同，但是由3个不同厂家生产，纺丝工艺不同，因此横截面形态、组分比等参数不同，热处理后两种组分产生的差异性收缩不同，获得不同的纤维卷曲，因此A长丝弹性伸长率高于B长丝，A织物的弹性伸长率高于B织物.通过相同织造工艺和染整处理下的织物弹性分析可知，不同厂家生产的规格相近的PTT/PET自卷曲长丝弹性不同，织物弹性也相差很大.

由图3还可知，针织物的弹性伸长率高于机织物.这是因为机织物在后整理过程中进行了碱处理，弹性略有损伤，并且机织物经向为PET长丝，纬向为PTT/PET自卷曲丝；针织物完全由PTT/PET自卷曲丝织成，另外，针织物的结构和受力方式更有利于弹性的发挥.

2.2长丝与织物弹性伸长率的相关分析

分析3种PTT/PET自卷曲丝织物弹性与不同热条件处理后纤维弹性的关系，寻找与织物弹性紧密相关的纤维弹性，其对应的纤维热处理条件即为该类纤维弹性测试时的最优预处理条件.

不同热处理条件下，长丝弹性伸长率与织物弹性伸长率的相关关系如表3所示.由表3可知，在100 ℃、 0.02 cN/tex的条件下处理8 min后，所测得的长丝弹性伸长率与其织物弹性伸长率相关系数高达0.996，且相关关系的显著性检验表明，在单侧检验置信水平95%条件下显著相关，说明该热处理条件所测的长丝弹性与其织物弹性一致.将长丝在该条件下干热处理后测试其弹性，能够反映其织物的弹性，因此，将该热处理条件称作“标准预处理条件”.

表3　织物弹性伸长率与长丝弹性伸长率的相关关系Table 3　Correlation of the elastic elongation between fabrics and filaments

另外3个热处理条件(100 ℃，0.03 cN/tex，3 min；120 ℃，0.02 cN/tex，3 min；120 ℃，0.03 cN/tex，5 min)下的长丝弹性伸长率与织物弹性伸长率的相关系数也比较高，都在0.7以上，但是，因处理时间比较短会给准确控制时间带来难度，因此不可取.而其他热处理条件下相关系数都很小，说明在那些条件下处理后的长丝弹性伸长率无法反映织物弹性，因此所用纤维热处理条件没有实用价值.

上述标准预处理条件与1.4节给出的长丝弹性测试方法组合，可得到PTT/PET自卷曲长丝弹性的测试评价方法.

2.3长丝弹性对热处理条件的依存性

在对PTT/PET自卷曲长丝进行干热处理时，发现3种因素对其弹性的影响程度不同，因此，本文分析温度、预加张力和时间对PTT/PET自卷曲长丝弹性的影响规律，为“标准预处理条件”的确定提供更有力的理论支持.

2.3.1正交试验结果分析

用极差分析法对正交试验结果进行分析.3种PTT/PET自卷曲长丝各个因素在3个水平下所得结果的极差计算汇总如表4所示.从表4可以看出，不论是弹性伸长率还是比应力，温度和预加张力这两个因素对应的极差均较大，表明这两种因素对PTT/PET自卷曲长丝弹性影响较大；时间所对应的极差最小，表明时间对弹性的影响最小.

表4　弹性伸长率和比应力的极差Table 4　The range of elastic elongation and specific stress

2.3.2温度对弹性的影响

在正交试验中，温度因素的水平数为85，100和120 ℃，3种长丝弹性伸长率随温度的变化如图4(a)所示.为了进一步探究温度对其影响，对温度进行了控制变量法试验，增加温度梯度为85～160 ℃，伸长率的平均值随温度的变化如图4(b)所示.

(a) 正交试验结果

(b) 控制变量法试验结果图4　温度与弹性伸长率的关系Fig.4　Relationship between temperature and the elastic elongation rate

由图4可知，两种试验方法下，温度对3种PTT/PET自卷曲长丝伸长率的影响趋势是一致的，都是随着温度增加，弹性伸长率增加；到一定程度后，继续增加温度，弹性伸长率降低.这是因为温度升高促进了大分子链的运动，但是温度过高会对纤维造成损伤.由于生产工艺不同，3种PTT/PET自卷曲长丝达到最大弹性伸长率的温度不同，B和C两种PTT/PET自卷曲长丝在100 ℃时伸长率达到最大值，而A长丝在120 ℃时弹性伸长率达到最大值.

3种长丝比应力与温度的关系如图5所示.由图5可知，3种PTT/PET自卷曲长丝比应力的变化趋势也是基本一致的.随着温度的升高，比应力增加，温度继续增加到一定程度后，升高的趋势变缓.但是A长丝在温度为100和140 ℃时比应力是下降的.这是由于图5中的数据采用的是一组数据的平均值，该试验中测试的所有试样的比应力值随温度的变化趋势如图6所示.从整体趋势上来看，比应力随着温度的升高而增加，且随着温度的进一步升高，比应力的增加减缓.

(a) 正交试验结果

(b) 控制变量法试验结果图5　温度与比应力的关系Fig.5　Relationship between temperature and specific stress

图6　温度与A长丝比应力的关系Fig.6　Relationship between temperature and specific stress of filament A

2.3.3预加张力对弹性的影响

预加张力与长丝弹性伸长率的关系如图7所示.由图7可知，随着预加张力的增加，3种长丝的弹性伸长率都降低.纤维受热后，温度升高促进了大分子链的运动，分子链呈不规则排列，松弛处理容易导致纤维缠结，施加一定张力能够促进分子链的规整排列.但是预加张力过大，抑制大分子链的活动，形成的卷曲变少，弹性伸长率降低.

(a) 正交试验结果

(b) 控制变量法试验结果图7　预加张力与弹性伸长率的关系Fig.7　Relationship between pretension and the elastic elongation rate

3种长丝预加张力与比应力的关系如图8所示.由图8可知，随着预加张力的增加，比应力随之增加，但是预加张力增加到一定程度后，比应力又开始降低(图8(b)).因为预加张力太大，受热时纤维内部分子链运动被抑制，分子链被过度拉直移位，形成小而且少的卷曲，因此弹性伸长率和比应力都降低.

(a) 正交试验结果

(b) 控制变量法试验结果图8　预加张力与比应力的关系Fig.8　Relationship between pretension and specific stress

综上所述，预加张力在0.01 cN/tex时，长丝可以获得较优的弹性.由2.2节中分析得知，标准热处理条件的预加张力为0.02 cN/tex，这是因为实际处于织物中的长丝受到相邻纱线的张力作用，因此,与织物弹性测试相关的长丝热处理预加张力大小应该增加，使其接近标准热处理条件的张力.

2.3.4热处理时间对弹性的影响

文献[5]研究表明，热处理时间对PTT/PET自卷曲长丝卷曲的形成影响较大，如在热处理时间为5 min之内，纤维卷曲形成率为80%～90%.但本文正交试验中得出结论，处理时间对PTT/PET自卷曲丝弹性伸长率和比应力的影响不大.

3种长丝弹性伸长率及比应力随处理时间的变化曲线如图9所示.由图9可知，随着处理时间的增加，3种长丝的弹性伸长率和比应力都非线性增加，在3～5 min之间，弹性伸长率和比应力增加幅度较大，说明在5 min之内，纤维收缩极快；但在5～8 min之间，弹性伸长率和比应力的增加幅度很小，说明5 min之后纤维仍在收缩，但收缩缓慢并趋于稳定.这与文献[11]的研究结果一致.采用Origin方差分析法进行显著性分析发现，在置信水平为95%的条件下，处理时间对弹性伸长率的平均值和方差没有显著性影响.

(a) 弹性伸长率

(b) 比应力图9　弹性伸长率以及比应力随处理时间的变化Fig.9　Changes of the elastic elongation rate and specific stress with different treatment time

综上所述，PTT/PET自卷曲长丝获得最优弹性的干热处理条件：处理温度为100～120 ℃，预加张力为0.01 cN/tex，处理时间为5～8 min.

3　结　语

本文通过对PTT/PET自卷曲长丝进行拉伸试验表明，测试PTT/PET自卷曲长丝弹性所需的纤维预处理条件，即标准干热处理条件:温度为100 ℃、预加张力为0.02 cN/dtex、处理时间为8 min，经此标准条件处理后的长丝弹性伸长率能够反映其织物的弹性伸长率，有可能根据此标准预处理条件建立该类长丝弹性的标准检测方法.

用极差分析法对纤维热处理条件的正交试验结果进行分析发现，处理时间和预加张力对PTT/PET自卷曲长丝弹性影响最大.对纤维热处理条件的正交试验结果进行分析发现，纤维能够产生最大弹性的热处理条件：干热处理温度为100～120 ℃、处理时间为5～8 min、预加张力0.01 cN/tex.前述标准热处理条件的温度和时间都处在该范围内，但是标准热处理条件的张力(0.02 cN/tex)却大于使纤维获得最大弹性的张力(0.01 cN/tex)，这是因为实际织物中的长丝受到相邻纱的张力作用.

3种PTT/PET自卷曲长丝及其织物的弹性伸长率有明显差异，再次表明纤维截面形态、组分比设计和生产工艺对该类长丝弹性的影响很大，该类产品交易时有必要标明其弹性指标的大小.

在纤维阶段对PTT/PET自卷曲长丝干热处理后测试其弹性的方法，如果应用到纤维生产企业或商贸检测中，能够快速准确且方便地评价PTT/PET自卷曲长丝在织物中的弹性，大幅节约成本与时间.但该方法目前仍处于实验室阶段，还不成熟，干热处理不能批量进行，应用到实践中还需要进一步完善.

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Feasibility Study on Elastic Test and Evaluation of PTT/PET Self-crimp Filament Fabric in Fiber Phase

YANGZhu-lia，WANGFu-meia,b

(a.College of Textiles; b.Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

To explore the feasibility of the elastic test in fiber phase,three kinds of PTT (polytrimethylene terephthalate)/PET (polyethylene terephthalate) self-crimp filament with similar specifications were selected,and the elasticity of these three kinds of filament was proved to have obvious difference.Nine kinds of dry heat treatment conditions were designed according to orthogonal test.The elastic tests were proceeding after dry heat treatment.The analysis showed that the correlation coefficient of the fabric extension and filament elastic elongation was up to 0.996,which gained by elastic test after 8 minute dry heat treatment in the temperature of 100 ℃ and under 0.02 cN/tex pretension.The high correlation coefficient indicated that fiber had a greater contribution in fabric elasticity after dry heat treatment under this condition which was controlled more easily than other three ones,therefore,this condition can be used as the standard one in the filament elastic test.The analysis of the effect of different pretreatment conditions on the fiber elasticity indicated that PTT/PET filament had the maximum flexibility under the following condition: dry heat temperature of 100-120 ℃，pretension 0.01 cN/tex,treatment time 5-8 min.

PTT (polytrimethylene terephthalate)/PET (polyethylene terephthalate) self-crimp filament; elasticity; dry heat treatment

1671-0444(2015)02-0189-07

2014-02-21

杨竹丽(1989—)，女，山东海阳人，博士研究生，研究方向为纺织材料与纺织品设计.E-mail： yangjulie@126.com

王府梅(联系人)，女，教授，E-mail: wfumei@dhu.edu.cn

TS 151.9

A