芳綸長(zhǎng)絲/不銹鋼微絲的并捻工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

康明明，陳夢(mèng)潔，陳柏旭，李 強(qiáng),2，李永貴,2，莊建國

(1.閩江學(xué)院服裝與藝術(shù)工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省新型功能性紡織纖維及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108；3.可隆(南京)特種紡織品有限公司，江蘇 南京 210046)

電子產(chǎn)品在提供便利的同時(shí)，也帶來了不可忽視的電磁輻射問題，長(zhǎng)期活動(dòng)在電磁輻射較強(qiáng)的環(huán)境里，輕者導(dǎo)致人體情緒波動(dòng)，情形嚴(yán)重會(huì)引起電磁輻射超敏綜合癥，如頭疼、耳鳴、無力、疲勞，極度危害人體健康。此外，電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾也會(huì)影響設(shè)備的使用和測(cè)量的精準(zhǔn)性[1-2]。在某些特殊制造工業(yè)領(lǐng)域，如國防軍事、化工生產(chǎn)等領(lǐng)域，服裝常需兼具防輻射與阻燃性能來滿足日常工作需要。所以，需深入研究兼具電磁屏蔽與阻燃性能的織物，以便更好地滿足市場(chǎng)需求。

目前，制作電磁屏蔽織物的方法有：涂層法、鍍金屬法、金屬纖維混紡法等[3-5]。本實(shí)驗(yàn)將采用倍捻法，將細(xì)達(dá)0.035 mm的不銹鋼微絲(長(zhǎng)絲)和芳綸長(zhǎng)絲復(fù)合成紗。因不銹鋼微絲本身具有導(dǎo)電和電磁屏蔽的功能，對(duì)電磁波有良好的反射和吸收作用；而芳綸長(zhǎng)絲，則具有阻燃、超高強(qiáng)度、高模量和優(yōu)異的耐酸耐堿性能，兩者倍捻可制得兼具阻燃和電磁屏蔽性能的復(fù)合紗。

本文研究不銹鋼微絲與芳綸長(zhǎng)絲的紗線并捻工藝，得到不銹鋼微絲與芳綸長(zhǎng)絲的最優(yōu)復(fù)合工藝參數(shù)，為開發(fā)新型電磁屏蔽材料提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

芳綸1313(纖度為200 D，斷裂強(qiáng)度為4.1 cN·dtex-1，含油率為1.5%，斷裂伸長(zhǎng)率為20%)，煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司生產(chǎn)。

316L型不銹鋼微絲(直徑為0.035 mm，斷裂強(qiáng)力為91 cN，斷裂伸長(zhǎng)率為21.3%)，強(qiáng)綸新材料有限公司公司生產(chǎn)。

1.2 儀器與設(shè)備

數(shù)字式小樣并紗機(jī)DSDw-01-2、數(shù)字式小樣并捻機(jī)DSDt-01(天津市嘉誠機(jī)電設(shè)備有限公司)，全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀YG063(泉州市美邦儀器有限公司)，臺(tái)式電子掃描顯微鏡TM4000Plus(日本日立有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用并紗機(jī)將一根芳綸長(zhǎng)絲和一根不銹鋼長(zhǎng)絲進(jìn)行并線，再將其在倍捻機(jī)進(jìn)行加捻合成紗線，研究其捻度、卷繞張力補(bǔ)償、并捻機(jī)錠速等主要工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合紗的結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1.3.1 捻度單因子實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過初步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：當(dāng)捻度大于120 T·(10 cm)-1時(shí)，倍捻機(jī)的下皮帶會(huì)脫離圓盤軌道，并且磨損設(shè)備的同時(shí)，機(jī)器冒出白煙伴隨有燒焦味道，繼而皮帶便脫落，產(chǎn)生嚴(yán)重的皮帶自退繞現(xiàn)象，不利于正常生產(chǎn)，而且紗線質(zhì)量也較差，易拉斷；當(dāng)捻度小于20 T·(10 cm)-1時(shí)，加捻復(fù)合紗抱合力太差，單紗容易脫落滑動(dòng)。由此得出，選擇捻度的范圍為20～120 T·(10 cm)-1，樣品對(duì)應(yīng)編號(hào)見表1。

表1 捻度單因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2 卷繞張力補(bǔ)償單因子實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)卷繞張力補(bǔ)償過大時(shí)，筒子卷繞的紗線拉力就越大，容易造成紗線的彈性損失，織造斷頭增加；而補(bǔ)償張力過小，則會(huì)引起筒子成型不良，造成筒子疵點(diǎn)[6]。所以，卷繞張力補(bǔ)償采用0.5～1.5 N之間，樣品對(duì)應(yīng)編號(hào)見表2。

表2 卷繞張力補(bǔ)償單因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.3 錠速單因子實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證數(shù)值區(qū)間的過程中，倍捻機(jī)調(diào)整錠速一旦達(dá)到8 000 r·min-1以上，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)飛快，對(duì)機(jī)器皮帶、卷繞筒子都有嚴(yán)重磨損且不利于長(zhǎng)時(shí)間工作；倍捻機(jī)調(diào)整錠速到4 000 r·min-1以下的時(shí)候，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)太慢，加捻效率也不高。所以基于織造的全因素考慮，選用錠速在4 000～8 000 r·min-1，樣品對(duì)應(yīng)編號(hào)見表3。

表3 錠速單因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 紗線性能表征

1.4.1 力學(xué)性能

按GB/T 3916-2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》進(jìn)行測(cè)試，利用單紗強(qiáng)力儀測(cè)定紗線的拉伸斷裂性能。

1.4.2 紗線結(jié)構(gòu)

利用臺(tái)式電子掃描顯微鏡進(jìn)行掃描拍攝，分析紗線結(jié)構(gòu)以及單紗和長(zhǎng)絲之間的包纏情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 捻度對(duì)復(fù)合紗斷裂強(qiáng)度的影響

采用1.4.1所述方法測(cè)得復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)度，得到紗線的捻度對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響關(guān)系(圖1)。

圖1 捻度對(duì)紗線斷裂強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of twist on yarn breaking tenacity

由圖1(a)可知，隨著捻度增大，紗線的斷裂強(qiáng)度先增大，而后逐漸減小，說明在紗線并捻的過程中存在一個(gè)臨界的捻度數(shù)值，使得紗線的強(qiáng)度最佳。這是因?yàn)閺?fù)合紗在剛開始加捻時(shí)，捻度較低且各根單絲之間的關(guān)聯(lián)度小，而隨著捻度逐步增加，經(jīng)過倍捻工藝的兩股紗線相互包裹與纏繞，有效地防止了斷裂伸長(zhǎng)率較小的紗線的脫落與滑移斷裂，相比各單絲的強(qiáng)度，并捻復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)度有效增加[7]。但是，當(dāng)并捻復(fù)合紗的捻度到達(dá)一定的數(shù)值后，復(fù)合紗在拉伸斷裂時(shí)，各根單絲的斷裂不同時(shí)性增加，整個(gè)斷裂破壞過程在一個(gè)較長(zhǎng)的伸長(zhǎng)區(qū)間完成，由此導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度隨捻度的增加而下降，并在開始斷裂以后，拉伸曲線出現(xiàn)一個(gè)較長(zhǎng)的延伸部分[8]。一般隨著捻度的增加，紗線的耐磨性會(huì)有所增加，可以有助于后續(xù)織造的開展。

因此，需繼續(xù)實(shí)驗(yàn)找出捻度20～60 T·(10 cm)-1之間，紗線的最佳捻度。由圖1(b)得出，在區(qū)間內(nèi)由于芳綸和不銹鋼微絲都是長(zhǎng)絲形態(tài)，將其加微捻時(shí)，強(qiáng)度即可達(dá)到高點(diǎn)，故捻度為30 T·(10 cm)-1時(shí)復(fù)合紗強(qiáng)度最佳。

2.2 卷繞張力補(bǔ)償對(duì)復(fù)合紗斷裂強(qiáng)度的影響

采用1.4.1所述方法測(cè)得復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)度，得到紗線的卷繞張力補(bǔ)償對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響關(guān)系(圖2)。

圖2 卷繞張力補(bǔ)償對(duì)紗線斷裂強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of winding tension compensation on yarn breaking tenacity

由圖2可知，紗線的卷繞張力補(bǔ)償對(duì)復(fù)合紗的強(qiáng)度也存在較大的影響。一般在織造實(shí)踐中認(rèn)為卷繞張力補(bǔ)償僅影響紗線的卷裝成型。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在并捻的工藝中，卷繞張力補(bǔ)償對(duì)復(fù)合紗的拉伸斷裂強(qiáng)度也存在影響。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，當(dāng)紗線種類或生產(chǎn)的條件改變時(shí)，必須通過定量的實(shí)驗(yàn)和定量的試紡才能選擇出更好的卷繞張力補(bǔ)償參數(shù)。當(dāng)卷繞張力補(bǔ)償設(shè)置過大時(shí)，筒子卷繞的紗線拉力就愈大，繼而造成紗線的彈性損失，出現(xiàn)織造斷頭的增加；而張力過小，則會(huì)引起筒子成型不良，造成筒子疵點(diǎn)，繼而影響紗線的條干均勻度[9-11]。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)卷繞張力補(bǔ)償選用在0.5～1.5 N時(shí)，并捻過程比較穩(wěn)定，紗線條干比較均勻，成紗質(zhì)量較好。當(dāng)卷繞張力補(bǔ)償為1 N時(shí)，紗線強(qiáng)度性能最好，故選用該值。

2.3 錠速對(duì)復(fù)合紗斷裂強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 錠速對(duì)復(fù)合紗斷裂強(qiáng)度的影響

采用1.4.1所述方法測(cè)得復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)度，得到紗線錠速對(duì)復(fù)合紗斷裂強(qiáng)度的影響關(guān)系(圖3)。

圖3 錠速對(duì)紗線斷裂強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of spindle speed on yarn breaking tenacity

由圖3可知，隨著錠速的增加，復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)度增加趨勢(shì)不明顯，大多數(shù)位于3.2 cN·dtex-1左右。這主要是因?yàn)樵?.3.3中選用的區(qū)間，充分考慮了機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)、紗線成型規(guī)律等因素，選用錠速在4 000～8 000 r·min-1之間。但是，在考慮最優(yōu)復(fù)合紗強(qiáng)度的同時(shí)，還需考慮紗線的外觀均勻程度。若是紗線加捻后出現(xiàn)“小辮子紗”或者“斷頭”現(xiàn)象，則充分說明在一定的錠速下，復(fù)合紗中的兩種長(zhǎng)絲的張力不匹配。其中，過大的紗線包圍角、過大的紗線氣圈張力或紗線氣圈觸碰儲(chǔ)紗罐上沿等原因會(huì)造成上述情況產(chǎn)生。所以，要經(jīng)過綜合的分析之后才能確定紗線合適的錠速[7]。

2.3.2 錠速對(duì)紗線結(jié)構(gòu)和斷裂強(qiáng)度的影響

不同錠速條件下紗線的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 錠速對(duì)紗線結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effect of spindle speed on yarn structure

由圖4可以看出：經(jīng)過并捻機(jī)紡制的復(fù)合紗結(jié)構(gòu)類似于包纏紗，即以一種長(zhǎng)絲為紗芯，另一種長(zhǎng)絲螺旋包覆紗芯的紗線結(jié)構(gòu)。當(dāng)錠速為4 000 r·min-1時(shí)，復(fù)合紗結(jié)構(gòu)如圖4(a)，芳綸長(zhǎng)絲纖維束并未有效加捻，纖維與纖維之間抱合力還較小，紗線不適合進(jìn)一步織造。當(dāng)錠速為6 000 r·min-1時(shí)，明顯看出紗線不勻率減少，條干均勻，加捻后的紗線徑向轉(zhuǎn)移、內(nèi)外轉(zhuǎn)移都較少，疵點(diǎn)也明顯減少，且不銹鋼微絲均勻纏繞，紗線適合進(jìn)一步織造。當(dāng)錠速為8 000 r·min-1時(shí)，雖說對(duì)于提高單位時(shí)間產(chǎn)量而言，錠速越高越好，但是從圖4(c)中間段明顯看到加捻的不勻率有增加跡象，而且捻不勻的增加會(huì)大大增加斷頭率，繼而造成人工接頭數(shù)量增加，使得弱捻機(jī)會(huì)加大，影響成紗質(zhì)量[12]。

最理想的紗線結(jié)構(gòu)應(yīng)該是圖4(b)所示，即錠速為6 000 r·min-1時(shí)，不銹鋼微絲均勻旋轉(zhuǎn)包覆在外層，有利于消除靜電，以防止靜電造成的危害。

3 結(jié)語

1)捻度和卷繞張力補(bǔ)償對(duì)芳綸與不銹鋼微絲的復(fù)合紗的影響規(guī)律與短纖紗的加捻規(guī)律一致，即復(fù)合紗也存在臨界捻度與臨界補(bǔ)償張力的情況，復(fù)合紗線的斷裂強(qiáng)度隨著捻度和卷繞張力補(bǔ)償?shù)脑龃笙冗_(dá)到一定數(shù)值而后減小。

2)不同的錠速在一定程度上影響復(fù)合紗線的成紗形態(tài)。當(dāng)錠速為6 000 r·min-1時(shí)，復(fù)合紗均勻無疵點(diǎn)，不銹鋼微絲均勻貼附。在實(shí)際的織造生產(chǎn)過程中，也應(yīng)盡可能控制好錠速以兼顧紗線的不勻率，避免紗線徑向轉(zhuǎn)移、內(nèi)外轉(zhuǎn)移帶來的退捻、弱捻、斷頭率、毛羽、疵點(diǎn)等。

3)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，得出芳綸與不銹鋼微絲并捻的最佳工藝參數(shù)：捻度為30 T·(10 cm)-1，卷繞張力補(bǔ)償為1 N，錠速為6 000 r·min-1時(shí)，復(fù)合紗性能良好。