金屬鉬絲并線過(guò)程中殘余扭矩的研究*

賈 偉 陳南梁 傅 婷

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

金屬鉬絲并線過(guò)程中殘余扭矩的研究*

賈 偉 陳南梁 傅 婷

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

經(jīng)編鉬絲金屬網(wǎng)適宜于制作高性能的網(wǎng)狀天線反射體。鉬絲的并線加工是制作金屬網(wǎng)所用紗線原料的關(guān)鍵加工過(guò)程，鉬絲在并線過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的殘余扭矩。討論了鉬絲并線的必要性，嘗試在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上直接對(duì)連續(xù)態(tài)鉬絲進(jìn)行加捻并合，分析了并線過(guò)程中產(chǎn)生殘余扭矩的原因，討論了股線捻度與鉬絲股線殘余扭矩及外觀形態(tài)的關(guān)系。

鉬絲，網(wǎng)狀天線，加捻，殘余扭矩

鉬是一種具有高沸點(diǎn)及高熔點(diǎn)的難熔金屬，由其制成的微細(xì)鉬絲具有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、國(guó)防等高科技領(lǐng)域。隨著空間衛(wèi)星天線對(duì)其反射體材料性能要求的提高，鉬絲的加工工藝受到了關(guān)注，由經(jīng)編工藝加工而成的鉬絲金屬網(wǎng)非常適宜于制作高性能的天線反射體。然而因剛性大，斷裂伸長(zhǎng)率低，鉬絲加捻并線后容易產(chǎn)生較大的殘余扭矩，使得股線外觀呈螺旋狀，在經(jīng)編織造過(guò)程中容易造成經(jīng)紗相互糾纏，從而影響織造過(guò)程的正常進(jìn)行，甚至根本無(wú)法進(jìn)行編織。因此對(duì)鉬絲并線過(guò)程中殘余扭矩的研究具有很重要的意義和緊迫性。

目前對(duì)于金屬絲的研究大多局限于對(duì)不銹鋼絲與常見的短纖維混紡加工技術(shù)和對(duì)其混紡紗線性能的分析［1-4］，對(duì)于鉬絲并線過(guò)程中殘余扭矩的研究很少。本文討論了鉬絲并線的必要性，嘗試在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上直接對(duì)鉬絲進(jìn)行加捻并合，分析了并線過(guò)程中產(chǎn)生殘余扭矩的原因，討論了股線捻度與鉬絲股線殘余扭矩以及外觀形態(tài)的關(guān)系。

1 金屬鉬絲并線原理

1.1 金屬鉬絲并線的必要性

經(jīng)編技術(shù)一般要求用于經(jīng)編工藝的紗線要具有較好的延伸性和柔性，以利于紗線的成圈。但是鉬具有很高的彈性模量，彎曲性能較差。因此與普通的纖維紗線或化纖長(zhǎng)絲相比，雖然鉬絲具有較高的強(qiáng)度，但其較高的剛度、較差的彎曲性能和延伸性能使其很容易在經(jīng)編成圈過(guò)程中發(fā)生斷裂，從而給編織過(guò)程造成較大的困難，甚至無(wú)法進(jìn)行編織。

根據(jù)剛性纖維柔軟度的評(píng)價(jià)方法，金屬纖維的柔性可通過(guò)纖維彎曲過(guò)程中最小曲率半徑的大小來(lái)衡量。最小曲率半徑r0與纖維直徑d以及纖維的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率εb有關(guān)，其關(guān)系式為:r0∝d/εb。可以看出，纖維直徑越小，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率越大時(shí)，纖維的最小曲率半徑越小，纖維越柔軟。因此，要提高鉬絲的柔性，可以通過(guò)減小鉬絲纖維的直徑或提高鉬絲的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。鉬絲斷裂伸長(zhǎng)率的提高主要依靠鉬絲材料本身的性能以及絲材加工工藝的改進(jìn)，傳統(tǒng)紡織技術(shù)對(duì)于鉬絲斷裂伸長(zhǎng)率的提高幫助不大。因此從紡織工藝角度來(lái)看，可以通過(guò)對(duì)多根更細(xì)的鉬絲進(jìn)行加捻并合，從而得到既具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，又具有良好柔性和彈性的經(jīng)編用紗。

1.2 股線的加捻原理

股線是靠環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的鋼絲圈回轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)兩根或兩根以上并合的單紗進(jìn)行加捻而成的。股線的各種性能在很大程度上決定于股線中所受應(yīng)力分布狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，一般采用捻幅來(lái)描述股線中纖維的分布和結(jié)構(gòu)變化。

設(shè)股線中的單紗橫截面為橢圓形，單紗外層纖維捻幅為P0，距離單紗中心O1為r的任一點(diǎn)處的捻幅為P0';股線外層纖維的捻幅為P1，距離股線中心O2為R的任一點(diǎn)處的捻幅為P1'，則股線加捻后的綜合捻幅P=P1'－P0'。如圖1所示，當(dāng)反向加捻，且股線捻幅為單紗捻幅的兩倍時(shí)，即P1=2P0，股線內(nèi)外層的捻幅一致，內(nèi)外層應(yīng)力分布均勻，股線強(qiáng)力最佳。此時(shí)股線捻度T1與單紗捻度T2一致，即 T1=T2。

圖1 P1=2P0時(shí)的捻幅分布

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)所用的鉬絲纖維是由西北有色金屬研究院生產(chǎn)的未退火長(zhǎng)絲，表面鍍金，平均直徑為25 μm，平均延伸率為2.5%，線密度與斷裂強(qiáng)度分別為58.5 dtex和1.76 cN/dtex。試驗(yàn)設(shè)備采用由東華大學(xué)研制的X-01型環(huán)錠紡細(xì)紗試驗(yàn)機(jī)。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

首先對(duì)兩根金屬鉬絲進(jìn)行預(yù)加捻，然后對(duì)預(yù)加捻單紗合并反向加捻成股線。在預(yù)加捻度一定的條件下，研究反向復(fù)捻的捻度變化對(duì)鉬絲股線殘余扭矩和外觀形態(tài)的影響。將股線捻度與單紗捻度的比值簡(jiǎn)稱為捻比，捻比分別設(shè)置為 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4，從而可將股線捻度與股線殘余扭矩以及外觀形態(tài)的關(guān)系，轉(zhuǎn)化為捻比與殘余扭矩以及股線外觀形態(tài)的關(guān)系。

其他工藝參數(shù):紡紗機(jī)錠速為3 500 r/min，鋼絲圈重量為0.027 5 g，單紗捻度設(shè)置為350、450、600 T/m三種。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 衡量鉬絲股線殘余扭矩的參數(shù)表征

在紡紗加捻時(shí)，纖維被拉伸和扭轉(zhuǎn)，紗線中因此儲(chǔ)存了與之相對(duì)應(yīng)的扭應(yīng)力，其中一部分在紡紗過(guò)程中被釋放，但仍有相當(dāng)?shù)膽?yīng)力保留下來(lái)，形成紗線的殘余扭矩［5-6］。由于金屬鉬絲具有剛性大、模量高、斷裂伸長(zhǎng)率低的特點(diǎn)，相對(duì)于普通紡織紗線，其股線的殘留扭矩對(duì)外觀形態(tài)的影響更為顯著。如圖2所示，金屬鉬絲長(zhǎng)絲經(jīng)加捻并合后，在自然松弛狀態(tài)下呈現(xiàn)一種類似螺旋線的外觀形態(tài)。具有這種形態(tài)的鉬絲股線在相互接近的情況下很容易發(fā)生相互扭結(jié)的現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響鉬絲股線的可編織性。圖3表示4根鉬絲股線發(fā)生扭結(jié)時(shí)的外觀形態(tài)。

圖2 鉬絲股線外觀

圖3 鉬絲股線扭結(jié)外觀

為了便于定量分析股線捻度與股線殘余扭矩以及股線外觀形態(tài)的關(guān)系，依據(jù)實(shí)際鉬絲股線的外觀形態(tài)，本文提出以下兩個(gè)假設(shè):①鉬絲股線自然松弛狀態(tài)下可近似為規(guī)則對(duì)稱的螺旋線形態(tài);②沿平行于螺旋線中心軸方向的一平面對(duì)股線投影所得的圖形為一正弦波，波長(zhǎng)與振幅分別記為λ與f，如圖4所示。

圖4 鉬絲股線投影波形

已知鉬絲股線自由狀態(tài)下螺旋線的波曲程度反映了殘余扭矩的大小，用振幅與波長(zhǎng)的比值來(lái)表征鉬絲股線外觀形態(tài)的波曲程度。f/λ值越大，說(shuō)明波曲程度越大，股線的殘余扭矩越大。

3.2 鉬絲股線的實(shí)際外觀形態(tài)

表1為測(cè)得的鉬絲股線外觀參數(shù)。

表1 鉬絲股線的外觀參數(shù)

由表1可知，隨著捻比的增加，特別是在捻比大于0.5之后，鉬絲股線的振幅與波長(zhǎng)的比值f/λ顯著增加;而當(dāng)捻比為0.2～0.5時(shí)，f/λ 值相對(duì)穩(wěn)定在較低的水平。表明隨著捻比的增加，特別是捻比大于0.5之后，鉬絲股線外觀的波曲程度增大，殘余扭矩也增大，因此股線容易產(chǎn)生如圖5所示的自扭結(jié)現(xiàn)象。當(dāng)股線的捻比接近1或大于1時(shí)，其外觀形態(tài)甚至呈現(xiàn)如圖6所示的彈簧狀。因此，在實(shí)際加捻并線過(guò)程中，應(yīng)采用較低的捻比配置。

由圖7可知，隨著捻比的增加，股線外觀的波長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，并且在相同捻比的條件下，初始單紗的捻度越大，股線的波長(zhǎng)越小。經(jīng)編機(jī)在送經(jīng)過(guò)程中，大量的經(jīng)紗相鄰密集地排列，鉬絲股線外觀的波曲容易造成經(jīng)紗間的相互糾纏。單位長(zhǎng)度內(nèi)的波曲數(shù)量是產(chǎn)生糾纏的關(guān)鍵因素，單位長(zhǎng)度內(nèi)的波曲數(shù)越多，即波長(zhǎng)越小，相鄰經(jīng)紗發(fā)生糾纏的概率越大。因此，在實(shí)際加捻并線過(guò)程中，應(yīng)盡可能采用較低的初始單紗捻度及捻比配置。

圖5 自動(dòng)扭結(jié)外觀

圖6 彈簧狀股線外觀

圖7 捻比—波長(zhǎng)圖

需要指出的是，當(dāng)復(fù)捻捻度過(guò)低時(shí)，股線內(nèi)單紗間的抱合松散，自然狀態(tài)下單紗間易出現(xiàn)較大的縫隙，從而會(huì)對(duì)股線的電磁波反射性能產(chǎn)生較大的影響。因此在實(shí)際加捻并線過(guò)程中，復(fù)捻的捻度不能過(guò)低，在保證股線內(nèi)鉬絲相互緊密抱合的前提下，應(yīng)盡量采用較低的單紗捻度和捻比配置。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，本文認(rèn)為采用單紗捻度為350 T/m、復(fù)捻捻度為120 T/m的捻度配置的鉬絲雙股線具有最佳的經(jīng)編編織性能。

3.3 鉬絲股線殘余扭矩特性的分析

根據(jù)普通紡織纖維股線加捻原理，通過(guò)單紗的反向加捻可有效緩解殘余扭矩對(duì)股線外觀的影響。對(duì)于雙股線，當(dāng)股線捻度與單紗捻度一致，即T1=T2時(shí)，股線內(nèi)外層應(yīng)力分布均勻，股線強(qiáng)力最佳，外觀也很好。而金屬鉬絲雖然也可通過(guò)對(duì)單紗進(jìn)行反向加捻的方法來(lái)減小殘余扭矩，但在復(fù)捻捻度對(duì)殘余扭矩的影響上卻存在較大的差異。作者認(rèn)為，造成這種差異的主要原因在于鉬絲材料本身的特性以及股線的結(jié)構(gòu)。

普通的紡織纖維股線一般由大量的短纖維構(gòu)成，無(wú)論是纖維的剛性，還是纖維的直徑都要比金屬鉬絲小得多，因此在加捻過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較小。在加捻過(guò)程中，通過(guò)對(duì)單紗進(jìn)行反向加捻，纖維可通過(guò)空間位置的轉(zhuǎn)移有效地釋放大部分殘余扭矩，因此它較少呈現(xiàn)如鉬絲一樣的外觀形態(tài)。

鉬絲股線是由數(shù)根連續(xù)態(tài)的鉬絲加捻并合而成的，材料本身的剛性以及單絲直徑都比普通紡織纖維大得多，在加捻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。并且由于空間的束縛，連續(xù)態(tài)鉬絲不易通過(guò)軸向空間位置的變化來(lái)釋放內(nèi)應(yīng)力，因此鉬絲股線具有較大的殘余扭矩，且對(duì)外觀形態(tài)的影響也較大。

4 結(jié)論

本文討論了鉬絲并線的必要性，分析了在加捻并合過(guò)程中鉬絲產(chǎn)生殘余扭矩的原因，并分析了股線捻度的變化對(duì)鉬絲股線殘余扭矩以及外觀形態(tài)的影響。

(1)金屬鉬絲適用于織造衛(wèi)星天線網(wǎng)狀反射材料，但其較大的剛性及較低的斷裂伸長(zhǎng)率，使得單根鉬絲難以直接用作經(jīng)編用紗。對(duì)多根更細(xì)的鉬絲加捻并合，得到的鉬絲股線既具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，又具有良好的柔性和彈性，滿足經(jīng)編工藝的要求。

(2)經(jīng)過(guò)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)加捻并合后的鉬絲股線具有較大的殘余扭矩，外觀呈螺旋線形態(tài)。對(duì)單紗進(jìn)行反向加捻，可減小股線的殘余扭矩，降低股線外觀的波曲程度，但無(wú)法完全消除股線的殘余扭矩。

(3)在保證股線內(nèi)鉬絲緊密抱合的前提下，采用較低的單紗捻度和捻比配置，可減小股線的殘余扭矩，改善其外觀形態(tài)，使之易于編織。試驗(yàn)表明，采用單紗捻度為350 T/m，復(fù)捻捻度為120 T/m的捻度配置的股線質(zhì)量較好。

(4)對(duì)連續(xù)態(tài)金屬鉬絲進(jìn)行加捻并合，并研究其殘余扭矩，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)例很少，一般都在環(huán)錠紡的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，因此不足之處有待改進(jìn)和深入研究。如細(xì)紗機(jī)工藝參數(shù)(錠子轉(zhuǎn)速、鋼絲圈型號(hào)等)，對(duì)股線的殘余扭矩以及外觀形態(tài)的影響值得繼續(xù)研究;對(duì)于并線方式，傳統(tǒng)的環(huán)錠紡雖然可通過(guò)對(duì)單紗進(jìn)行反向加捻等手段來(lái)減小連續(xù)態(tài)鉬絲股線的殘余扭矩，但改善的效果并不明顯，因此對(duì)于是否存在更適合的并線方式值得繼續(xù)研究。

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Research on the residual torque during the twisting of molybdenum wire

Jia Wei，Chen Nanliang，F(xiàn)u Ting
(College of Textiles，Donghua University)

The meshes，knitted from molybdenum wire，are used as the materials for the reflector of the mesh-surface antenna.During the twisting process，much of residual torque appear in the yarn.In this paper，the molybdenum wire was twisted directly on a ring spinning frame，developed by Donghua University.The reason for causing the residual torque during the twisting process was discussed，and the influence of twist of yarn on the residual torque and appearance of yarn were also analyzed.

molybdenum wire，mesh-surface antenna，twist，residual torque

TS101.2

A

1004－7093(2011)06－0022－04

*中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2010A06－3－1)

2010－10－15

賈偉，男，1986年生，在讀碩士研究生。主要從事產(chǎn)業(yè)用紡織品研究。