共混比对间位芳纶/阻燃粘胶混纺纱综合性能及拉伸损伤机制的影响

《Journal of Industrial Textiles》：Effect of blending ratio on the comprehensive properties and tensile damage mechanism of meta-aramid/flame-retardant viscose blended yarns

　　

本研究旨在探讨共混比对间位芳纶/阻燃粘胶混纺纱力学性能、热性能、阻燃性能及舒适性能的影响，并通过有限元模拟揭示其拉伸损伤机制。研究人员制备了四种不同共混比的混纺纱，并基于Abaqus开展了系统表征与动态拉伸模拟。结果表明，共混比显著影响混纺纱的应力分布、断裂形态及拉伸强度。由于阻燃粘胶的拉伸性能较差，纱线横截面上的应力分布愈发不均匀，导致间位芳纶的强度利用率不足，断裂模式由脆性断裂转变为韧性断裂。同时，阻燃粘胶含量的增加降低了纱线的热稳定性和阻燃性能，表现为损毁长度增加和残余炭含量降低。在所有样品中，含60%间位芳纶、38%阻燃粘胶和2%导电长丝的纱线综合性能最佳：垂直燃烧损毁长度为9.8 cm，高温残余炭含量为43.23%，回潮率为8.58%，拉伸强力达196.26 cN。有限元模拟揭示了拉伸过程中的应力演化及纤维断裂顺序，与实验结果一致。本研究为高性能阻燃芳纶混纺纱的结构设计、性能优化及工程应用提供了理论依据和数据支持。

**论文解读：间位芳纶/阻燃粘胶混纺纱共混比对其综合性能与拉伸损伤机制的影响**

**1. 研究背景与问题**

间位芳纶（meta-aramid）因其优异的阻燃性、隔热性、化学稳定性、力学性能和尺寸稳定性，广泛应用于航空航天、军事消防和石油化工等高科技领域。然而，间位芳纶纤维较大的比表面积、高表面能和较高的放湿速率使其在纺纱过程中易产生静电，影响成纱质量。为改善这一问题，通常将芳纶与吸湿性较好的纤维进行混纺。阻燃粘胶纤维（flame-retardant viscose）具有低烟、无毒、不熔融、不滴落等特性，其极限氧指数（LOI）大于27%，且大比表面积和亲水基团赋予其优异的吸湿和水分传输能力。目前，关于间位芳纶/阻燃粘胶混纺纱的研究主要集中于生产工艺和阻燃性能，而针对不同共混比对纱线拉伸性能、阻燃性、耐热性、舒适性和可纺性影响的系统研究鲜有报道。此外，有限元方法已被广泛用于模拟各类纱线的拉伸失效行为，如棉纱、纸纱、毛纱等，但研究对象多为单组分纱线，对多组分、多比例混纺纱的有限元模型参数化及其拉伸失效与应力分布的微观机制研究仍相对匮乏。因此，本研究旨在探究共混比对间位芳纶/阻燃粘胶混纺纱综合性能的影响，并揭示其拉伸损伤机制。

**2. 主要研究内容与结论**

研究人员制备了四种不同共混比的间位芳纶/阻燃粘胶混纺纱，包括1#（98%间位芳纶/2%导电长丝）、2#（70%间位芳纶/30%阻燃粘胶）、3#（60%间位芳纶/38%阻燃粘胶/2%导电长丝）和4#（50%间位芳纶/50%阻燃粘胶）。通过实验表征与基于Abaqus的有限元动态拉伸模拟，系统研究了共混比对纱线阻燃性能、热稳定性、力学性能、回潮率及芯吸高度的影响，并揭示了拉伸损伤机制。研究发现，共混比显著影响混纺纱的应力分布、断裂形态和拉伸强度。阻燃粘胶的加入虽然改善了纱线的吸湿性和可纺性，降低了有害毛羽，但同时降低了纱线的热稳定性和阻燃性能。综合来看，3#纱线（60%间位芳纶/38%阻燃粘胶/2%导电长丝）具有最佳的综合性能：垂直燃烧损毁长度为9.8 cm，高温残余炭含量为43.23%，回潮率为8.58%，拉伸强力达到196.26 cN。有限元模拟结果与实验结果吻合良好，准确再现了拉伸过程中的应力分布和纤维失效顺序，验证了模型的可靠性。

**3. 关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：（1）基于Abaqus的有限元动态显式分析（Dynamic/Explicit），构建了四种不同共混比纱线的三维等效简化模型（模型与实际尺寸比例为1:100，纤维数统一设为74根，分五层排列），纤维被定义为弹塑性材料并采用延性损伤准则，模拟拉伸过程中的应力分布与断裂行为；（2）依据GB/T 5455-2014标准进行垂直燃烧试验，测试纱线的续燃时间、阴燃时间、损毁长度和收缩长度；（3）采用热重分析仪（Q500，TA Instruments）在氮气氛围下（升温速率10°C·min?1，温度范围30-800°C）测定纱线的热稳定性；（4）依据GB/T 3916-2013和GB/T 14344-2008标准，采用电子单纱强力仪（XL-2）分别进行直拉、过针和钩接三种模式的拉伸测试，以表征纱线的拉伸性能和弯曲性能；（5）依据GB/T 6503-2017和FZ/T 01071-2008标准，测定纱线的回潮率和芯吸高度。样本由泰和新材料股份有限公司（烟台，山东）提供，纱线细度设定为11.66 tex，Z捻向。

**4. 研究结果**

**4.1 模拟结果**
有限元模拟显示，混纺纱的拉伸断裂过程分为三个阶段：弹性阶段（应力分布均匀）、屈服与损伤阶段（外层纤维应力不均，开始滑移或断裂）、失效阶段（中内层纤维相继失效，直至完全断裂）。对于纯芳纶纱，纤维性能均一，应力分布均匀，断裂呈脆性特征，强度利用率高。而对于混纺纱，由于组分纤维性能差异，外层纤维（多为粘胶）首先达到应力极限而失效，随后载荷向内层转移并导致应力集中，且部分纤维因摩擦阻力不足被拔出，造成纤维强度利用率下降，断裂模式由脆性向韧性转变。模拟所得断裂形态与实验观察一致。

**4.2 阻燃性能测试结果**
垂直燃烧试验表明，所有混纺纱的续燃时间和阴燃时间均为0秒，离火自熄。随着阻燃粘胶含量增加，损毁长度和收缩长度显著增加。4#纱线（50%/50%）损毁长度为10.6 cm，较1#（98%/2%）的6.3 cm增加68.3%。这归因于间位芳纶的苯环结构比粘胶大分子结构更稳定，热分解温度约440°C，而阻燃粘胶第一阶段分解温度仅约260°C。扫描电镜（SEM）观察显示，燃烧后纤维表面出现膨胀、起泡形貌，粘胶含量越高越明显，表明形成了碳化层。

**4.3 热重测试结果**
热重分析（TG/DTG）显示，混纺纱在35-100°C有轻微失重（脱水），随后经历两个主要失重阶段。第一阶段（230-370°C）归因于纤维素主链分解及C-O、C-C键断裂；第二阶段（370-700°C）为残余结构芳构化并逐渐形成石墨结构。随着阻燃粘胶含量增加，10%失重温度降低，最终残余炭含量减少。4#纱线最终残炭率为38.67%，较1#的47.96%下降19.40%。

**4.4 毛羽、拉伸与弯曲性能测试结果**
毛羽测试表明，阻燃粘胶的加入显著减少了短毛羽和有害毛羽（S3），3#较1#的有害毛羽减少77.53%，这归因于粘胶良好的亲水性改善了纺纱中的静电现象。拉伸测试显示，2#纱线（70%/30%）的断裂强力较1#下降26.52%，断裂伸长率下降50.41%；随着粘胶含量继续增加，下降速率放缓。由于间位芳纶强度和伸长率均优于阻燃粘胶，拉伸过程中弱伸长的粘胶先断裂，导致芳纶强度利用率低。弯曲性能方面，1#纱线的过针强力和钩接强力较直拉强力分别下降10.46%和14.92%，而4#纱线分别提高5.81%和13.45%，表明混纺纱在环形拉伸过程中的纤维转移增加了单位截面纤维利用率。

**4.5 回潮率与芯吸高度测试结果**
随着阻燃粘胶含量增加，混纺纱的回潮率和芯吸高度均显著提高。4#纱线较1#回潮率增加25.4%，芯吸高度增加31.1%。间位芳纶致密的分子结构和高度取向的分子链阻碍水分子渗透，而阻燃粘胶作为纤维素纤维，其大分子含有大量亲水基团（–OH），可通过氢键吸附水分子，表现出强输水能力。

**5. 讨论与结论**

研究讨论指出，阻燃粘胶在高温下（约260°C）纤维素主链脱水炭化形成表面碳质层，同时释放CO?和H?O等不燃气体稀释可燃挥发物，但其炭层较间位芳纶形成的石墨化炭层致密性和脆性均较差。间位芳纶的芳香酰胺结构通过环化和交联反应提供固相阻燃特性，分解温度约440°C且不滴落。混纺纱中阻燃粘胶充当亲水"水路"促进水分传输，而间位芳纶提供结构支撑，这种协同作用提高了芯吸性能但不可避免地降低了热稳定性和阻燃性。

研究结论总结如下：本研究系统考察了共混比对间位芳纶/阻燃粘胶混纺纱力学、阻燃、热学及舒适性能的影响，并通过有限元模拟揭示了其拉伸损伤机制。结果表明，阻燃粘胶含量增加加剧了纱线内部应力不均匀性，且因其低强度低伸长导致过早断裂，从而降低整体拉伸强度。同时，粘胶较低的热分解温度恶化了纱线的阻燃性和热稳定性。含60%间位芳纶、38%阻燃粘胶和2%导电长丝的纱线综合性能最佳，适用于阻燃防护纺织品。有限元模拟准确再现了拉伸下的应力分布和失效过程，与实验结果高度一致，能够合理表征多组分纱线的拉伸变形与损伤机制。理想化纤维截面和表面等简化假设对宏观力学规律影响有限。未来工作将引入真实纤维形态和可变摩擦系数改进模型，探索共混比、捻度与纺纱工艺的协同效应，建立更精确的混纺纱性能预测方法。