生物基PA56混纺纱性能影响规律与多目标优化研究

《Journal of Natural Fibers》：Research on the Performance Influence Law and Multiobjective Optimization of Bio-Based PA56 Blended Yarns

　　

摘要专业翻译 本研究探究了纤维种类、混纺比例以及纱线线密度对细绒棉、再生棉、天丝与生物基聚酰胺56（bio-based polyamide 56, PA56）混纺纱性能的影响。研究人员采用转杯纺纱（rotor spinning）工艺，设置4种混纺比例（20/80、40/60、60/40、80/20）和3种线密度（58.3 tex、27.8 tex、18.2 tex），共制备36组纱线试样。测试指标包括断裂强度（breaking strength）、断裂伸长率（breaking elongation）、条干均匀度（evenness）和毛羽（hairiness），并采用熵权-TOPSIS法开展综合性能评价。其中断裂伸长率的指标权重最高（0.4833），断裂强度次之（0.2338）。结果表明：混纺比例与纱线性能之间呈非线性关系，PA56含量对纱线综合品质影响显著；当PA56占比由60%降至40%时，相对贴近度（relative closeness coefficient）下降15%–30%。在36组试样中，混纺比80/20、线密度27.8 tex的PA56/天丝混纺纱综合性能最优，相对贴近度为0.8295。该研究结果可为可持续PA56混纺纱的组分搭配与线密度优化提供定量依据。

论文解读

一、研究背景与意义

随着全球纺织工业对碳中和目标的持续推进，开发低环境足迹的纤维材料已成为纺织材料工程领域的重要研究方向。传统石油基聚酰胺（如PA66）在生产过程中碳排放较高，而生物基聚酰胺56（bio-based polyamide 56, PA56）因其二胺单体（1,5-戊二胺）来源于生物质发酵，在生产过程中具有显著降低的碳足迹，且具备良好的吸湿性、染色性能和柔软度，被视为纺织行业实现碳中和的关键路径之一。然而，与工艺成熟的PA66相比，PA56作为一种新兴工程纤维，在混纺纤维体系中的应用仍处于早期阶段，纱线成形机制研究存在明显空白。现有研究多聚焦于PA56的纤维性能、材料改性或传统纺纱体系，而对转杯纺PA56混纺纱的系统性研究十分有限，尤其是纤维种类、混纺比例和纱线线密度对转杯纺PA56混纺纱结构与力学性能的交互影响尚未得到全面阐明。此外，以往研究多采用单一指标评价纱线质量，难以全面反映复杂混纺纱体系的综合性能。因此，建立转杯纺PA56混纺纱的多指标综合评价框架具有重要的理论价值和工程意义。

本研究创新性地将再生棉和天丝（Tencel）引入PA56混纺体系，所选纤维的可持续属性与PA56的碳减排目标高度契合。再生棉虽具有显著的碳减排属性，但其机械解体处理导致纤维长度分布离散、强度明显下降，给纺纱过程带来较大挑战；而PA56的高强度、高伸长特性可对再生棉的性能缺陷形成力学补偿，通过"生物基资源与循环利用"双维度构建全生命周期可持续纺织材料体系。天丝纤维的引入则旨在构建"高模量-低模量"协同承载模型：天丝具有极高的初始模量和取向度，而生物基PA56表现出优异的变形能力，两种力学性能迥异的纤维在转杯纺高速加捻过程中的径向迁移与分布规律值得深入探究。鉴于混纺纱综合性能涉及断裂强度、断裂伸长率、条干均匀度和毛羽等多个相互制约的指标，传统单指标分析方法难以全面反映混纺纱整体质量，而多准则决策方法为此提供了有效框架，其中熵权-TOPSIS法因其客观确定指标权重、评价方案与理想解相对贴近度的能力，在纺织工程领域受到日益广泛的关注。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员采用转杯纺纱技术制备了PA56与细绒棉、再生棉、天丝三种纤维的混纺纱，设置4种混纺比例（20/80、40/60、60/40、80/20）和3种线密度（58.3 tex、27.8 tex、18.2 tex），共36组纱线试样。原料经梳棉、混棉、开松、精梳等工序处理后，经并条改善纤维取向度和条干均匀度，再经转杯纺纱机完成纤维单纤化、凝聚与加捻成形。纱线性能测试包括：采用YG(B) 021D电子单纱强力仪按GB/T 3916–2013测定断裂强度和断裂伸长率；采用YG172G纱线毛羽仪按FZ/T 01086—2020测定毛羽数；采用CT200条干均匀度仪按GB/T 3292.1—2008测定条干均匀度CV%。在综合评价方面，研究人员构建了以断裂强度、断裂伸长率、条干均匀度CV%和毛羽数为评价指标的决策矩阵，其中条干均匀度CV%和毛羽为成本型指标（越小越好），断裂强度和断裂伸长率为效益型指标（越大越好），通过熵权法客观确定各指标权重，并结合TOPSIS法计算各方案的相对贴近度，实现36组纱线方案的综合性能排序。

三、研究结果与分析

条干均匀度CV%分析。 通过对比三种混纺纱体系的条干均匀度随混纺比例和线密度的变化规律发现：PA56/棉混纺纱的条干不匀率随棉含量增加呈小幅波动，最细纱线（18.2 tex）CV值最高（16%–17%），最粗纱线（58.3 tex）不匀率相对较低（13%–14%），这归因于纱线截面纤维数量差异——细纱截面纤维数少，转杯内纤维集合质量较差，导致条干CV%偏高。再生棉混纺纱整体不匀率高于棉混纺体系，在再生棉含量20%时CV%达最大值18.24%，主要归因于再生棉纤维长度分布不均匀。天丝混纺体系条干均匀度表现最优，整体CV%低于棉和再生棉体系，且随天丝含量增加保持相对稳定，表明天丝纤维优异的长度均匀性和可纺性有助于改善纱线条干质量。

毛羽数分析。 在相同混纺比例下，纱线毛羽数随线密度增大呈显著上升趋势，这可由纱线截面纤维数公式和纱线比表面积效应解释：粗纱截面纤维数增多导致纤维端基数成比例增加，且58.3 tex纱线单位长度表面积约为18.2 tex纱线的1.79倍，增大了外层纤维及其端头的暴露概率。此外，粗纱常规工艺设计采用较低捻系数，纤维间抱合力不足，表面包缠纤维易逃逸形成毛羽。PA56/天丝体系对线密度变化的敏感度显著低于棉和再生棉体系（仅为后者的43%–55%），与天丝纤维优异的长度均匀性和光滑圆形截面密切相关。在PA56/棉和PA56/再生棉体系中，毛羽数随棉纤维含量增加呈显著上升趋势，源于棉纤维天然转曲和扁平截面在高速梳理与凝聚过程中易产生纤维钩挂和缠结；而PA56纤维的高伸长和低摩擦系数可有效包缠棉纤维端头，当PA56含量超过60%时，这种力学锚定效应显著，可有效抑制毛羽。

断裂强度分析。 PA56/棉混纺纱断裂强度随棉含量增加呈波动下降趋势，在棉含量20%时各线密度纱线断裂强度较高，棉含量增至40%–60%时降至最低值，棉含量80%时略有回升，表明过量纯棉纤维含量会削弱纱线承载能力，而适当PA56含量能有效增强混纺纱力学性能。再生棉混纺纱呈现类似但更显著的下降趋势，在再生棉含量20%时各线密度纱线断裂强度达峰值，随再生棉比例增至60%持续降至最低值，归因于再生棉在再加工过程中经历多次机械处理导致纤维长度缩短、表面损伤和强度退化。天丝混纺纱呈现独特的"V形"变化：天丝含量20%时断裂强度较高，增至40%时降至最低值，进一步增至60%时断裂强度显著恢复，27.8 tex纱线达最大值约14.5 cN/tex，这归因于天丝纤维固有的高强度、优异的长度均匀性和取向结构，在高混纺比例下能充分发挥力学优势，与PA56形成有效的协同增强效应。

断裂伸长率分析。 采用二维等高线响应面分析混纺比例与线密度对断裂伸长率的交互影响发现：断裂伸长率随天然纤维含量增加和纱线线密度减小呈显著下降趋势。其机制归因于两方面：一是棉类纤维固有的低断裂伸长率限制了纱线整体变形能力；二是细纱通常具有较高捻度，纤维间紧密抱合限制了加载时的相对滑移。在棉和再生棉体系中，天然纤维含量从20%增至80%时，断裂伸长率从18%–20%急剧下降至8%–12%，再生棉体系因回收过程中机械损伤导致纤维固有延伸性降低而退化更为明显。相比之下，天丝混纺纱在40%–60%混纺比例范围内保持12%–16%的较高伸长水平，展现出优异的协同变形能力。

微观形貌与截面分析。 通过扫描电子显微镜（SEM）表征单纤维表面和纱线截面形态发现：生物基PA56纤维表面光滑均匀、圆柱形、可见表面缺陷少；天丝纤维呈光滑纵向形态和较规则的圆形截面。在纱线截面中，PA56/天丝混纺比20/80时存在较大中心空隙和较疏松的纤维集合；PA56比例增至40%和60%时纤维排列更致密，大尺度空隙减小，芯层与外层间纤维填充更连续；80/20比例时仍可见周向纤维包缠，但存在局部空隙和结构异质性。

熵权-TOPSIS综合评价。 熵权分析结果表明，断裂伸长率的信息熵最低（e_j=0.9179），变异系数最大（d_j=0.0821），熵权最高（w_j=0.4833），说明断裂伸长率在样本间离散程度最大、提供有效信息最多，在综合评价中起主导作用；断裂强度次之，熵权为0.2338；条干均匀度CV%和毛羽的熵权分别为0.1409和0.1420，对综合评价结果影响相对有限。TOPSIS综合评价排名显示，混纺比80/20（PA56/其他纤维）占据前10名中的8个席位，相对贴近度均超过0.66，表明高比例PA56配置能显著提升纱线综合性能。排名第一的方案为PA56/天丝（80/20，27.8 tex），相对贴近度达0.8295；PA56/再生棉体系（80/20，58.3 tex）排名第二，相对贴近度为0.8216。当PA56比例从60%降至40%时，各纤维体系的相对贴近度均出现15%–30%的显著下降，表明60/40是维持综合性能的关键阈值比例。

混纺体系、线密度与混纺比例评价。 小提琴图分析显示：PA56/天丝体系综合性能最稳定且最优，中位数约0.48，数据分布集中；PA56/棉体系中位数最低（约0.38）但分布范围最广、离散度最大；PA56/再生棉体系中位数居中（约0.42），上四分位数较高，表明在优化配置下具有达到较高性能水平的潜力。线密度方面，细纱（18.2 tex）综合性能评价最低，中位数约0.33；中等线密度（27.8 tex）综合性能最优，中位数约0.45，数据分布相对集中；粗纱（58.3 tex）中位数与27.8 tex相当（约0.52）但分布范围更广。PA56含量方面，综合性能在40%至60%之间出现显著跃升，60%附近的变化可能与混纺纱截面组织和承载行为的转变有关——当PA56比例增至约60%时，PA56相的连续性增强，促进了纤维端包缠、纤维间抱合和拉伸载荷的重新分配。

四、讨论与结论

敏感性分析表明，在合理范围内（±10%）调整指标权重后，主要混纺方案的排名基本保持不变，PA56/天丝（80/20，27.8 tex）配置始终显示最高的相对贴近度值，说明熵权-TOPSIS评价结果具有稳定性，对适度权重变化不高度敏感。

研究结论可概括为：混纺比例是影响纱线性能的主导因素，增加PA56含量能显著提升断裂强度、断裂伸长率和表面质量，而PA56比例从60%降至40%导致相对贴近度下降15%–30%，表明60/40比例是维持良好综合性能的关键阈值。不同纤维体系间存在明显差异：PA56/天丝混纺纱综合性能最稳定且最优；PA56/再生棉混纺纱在高PA56含量下实现了力学性能与可持续性的平衡；PA56/棉混纺纱对工艺变化敏感度较高。纱线线密度对纱线性能影响显著：细纱（18.2 tex）条干不匀率较高，粗纱（58.3 tex）强度较高但毛羽增多，中等线密度（27.8 tex）在强度、伸长、条干和毛羽间达到最佳平衡。熵权分析确定断裂伸长率为最具影响力的指标（权重48.33%），断裂强度次之。TOPSIS评价表明PA56/天丝（80/20，27.8 tex）综合性能最优，相对贴近度为0.8295。这些发现为PA56转杯纺混纺纱生产中纤维混纺和纱线设计的优化提供了科学依据。