捻度對(duì)棉/氨綸/銀絲包芯紗性能的影響

李 龍，吳 磊，林思伶

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

導(dǎo)電紗線在柔性智能可穿戴裝置中起著重要作用，已經(jīng)受到研究者廣泛關(guān)注[1]?？椢飳?dǎo)電線路將各種主要電子功能器件連接起來(lái)，是智能服裝的重要組成部分[2]。在織物中形成導(dǎo)電線路，其中導(dǎo)電線不僅要具有導(dǎo)電性，還要具有普通紗線的特性，如柔性、彈性、耐用等，以滿足穿著舒適性要求。

制備導(dǎo)電紗線的方法主要有導(dǎo)電材料浸涂普通紗線工藝法與紡紗工藝法。紡紗工藝法是將導(dǎo)電纖維與普通紡織纖維材料在紡紗設(shè)備上通過(guò)包芯、包纏或混紡等方法，使導(dǎo)電纖維與普通紡織纖維有機(jī)結(jié)合而形成導(dǎo)電紗。Amir等[3]在環(huán)錠紡紗機(jī)上紡制滌綸/不銹鋼短纖維混紡紗，研究了紗線捻度、線密度、混紡比對(duì)其電阻的影響。對(duì)于金屬長(zhǎng)絲與紡織短纖維形成的紗線，通常采用包芯紗加工方式。如：魏賽男等[4]利用環(huán)錠紡紗機(jī)制備了竹漿纖維/不銹鋼長(zhǎng)絲包芯紗，測(cè)試了紗線的毛羽和拉伸性能；杜玲玲等[5]采用不銹鋼長(zhǎng)絲、短芳綸纖維在花式捻線機(jī)上制備包芯紗，測(cè)試其織物的防刺性能；Pei等[6]利用粘膠短纖維與超細(xì)銅絲在改進(jìn)的渦流紡紗機(jī)上加工包芯紗，分析了紡紗參數(shù)對(duì)紗線電阻的影響。此外，Guo等[7]用錦綸長(zhǎng)絲/氨綸混合紗、金屬導(dǎo)電長(zhǎng)絲在捻線機(jī)上直接加捻制備包纏紗，分析了捻度對(duì)紗線導(dǎo)電性的影響；Wang等[8-9]用粘膠、不銹鋼長(zhǎng)絲、氨綸長(zhǎng)絲紡制三組分導(dǎo)電復(fù)合紗，測(cè)試了紗線的電力學(xué)性能及其織物的電加熱性能。Ma等[10]利用空芯錠花式捻線機(jī)紡制全纖維阻燃單電極納米發(fā)電紗，其中聚酰亞胺紗包纏在導(dǎo)電鍍銀紗表面，分析了紡紗參數(shù)對(duì)紗線包纏效果的影響。趙亞茹等[11]以氨綸長(zhǎng)絲、不銹鋼短纖維與棉纖維制備皮芯結(jié)構(gòu)導(dǎo)電紗，分析了拉伸過(guò)程中導(dǎo)電紗電阻的變化規(guī)律。

彈性導(dǎo)電紗兼具彈性與導(dǎo)電性，其具備良好的穿著適形性與舒適性，是紡織柔性智能可穿戴電子裝置的研究方向之一。捻度是影響環(huán)錠紗結(jié)構(gòu)與性能的重要參數(shù)之一。本文在環(huán)錠紡紗機(jī)前羅拉與導(dǎo)紗鉤之間附加定位裝置以控制前鉗口輸出的氨綸所產(chǎn)生的偏移，制備了棉/氨綸/銀絲彈性導(dǎo)電包芯紗，分析了紡紗捻度對(duì)包芯紗彈性與電阻等性能的影響，為彈性導(dǎo)電包芯紗的紡制提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

氨綸(線密度為40 dtex(3 f))，江蘇丹毛紡織股份有限公司；棉粗紗(線密度為440 tex)、銀絲(直徑為0.018 mm)，實(shí)驗(yàn)科研金屬材料有限公司。

1.2 包芯紗的紡制

要實(shí)現(xiàn)一定長(zhǎng)度的導(dǎo)電紗線在一定應(yīng)變范圍內(nèi)電阻不變，要求紗線具有一定彈性，且在彈性伸長(zhǎng)范圍內(nèi)導(dǎo)電材料的截面積、長(zhǎng)度不發(fā)生變化。本文實(shí)驗(yàn)以銀絲為導(dǎo)電材料，氨綸為彈性材料，棉纖維為外包纖維，在環(huán)錠紡紗機(jī)上紡制彈性導(dǎo)電包芯紗。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得理想結(jié)構(gòu)紗線的合理工藝方法：氨綸經(jīng)過(guò)張力輪從環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的前鉗口喂入，銀絲從環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的前鉗口喂入并與棉粗紗牽伸后的須條在前鉗口并合由前羅拉輸出，其中氨綸與棉須條/銀絲在前鉗口間距為6 mm，氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)為1.6。在前羅拉與導(dǎo)紗鉤之間附加一個(gè)定位裝置，以確保從前羅拉鉗口輸出的氨綸在紡紗過(guò)程中保持直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)棉纖維與銀絲以氨綸為紗芯進(jìn)行包纏，如圖1所示。

圖1 包芯紗紡紗示意圖

由圖1可知，紡紗捻度不僅影響氨綸彈性變化，而且影響銀絲繞氨綸紗芯的包纏螺距、包纏半徑，因此紡紗捻度將影響包芯紗彈性與導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)紡紗捻度分別為65、70、75、80、85、90捻/(10 cm)，包芯紗線密度為75 tex。

1.3 包芯紗的性能測(cè)試

耐磨性[12]測(cè)試：使用Y731抱合力測(cè)試儀(常州紡織儀器廠)測(cè)試紗線的耐磨性，測(cè)試時(shí)以紗線外包棉纖維層磨斷時(shí)金屬片對(duì)紗線摩擦的次數(shù)來(lái)表征紗線耐磨性。每種紗線測(cè)試30個(gè)試樣，取平均值。

定伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)彈性率[13]測(cè)試：在包芯紗上隨機(jī)截取長(zhǎng)度為50 mm的試樣30個(gè)，夾持長(zhǎng)度為30 mm，采用Y391紗線彈力儀(常州第二紡織儀器有限公司)設(shè)置定伸長(zhǎng)值為10 mm，每個(gè)試樣拉伸5次，測(cè)試每次殘留伸長(zhǎng)值，根據(jù)式(1)計(jì)算包芯紗定伸長(zhǎng)彈性率。

(1)

式中：Re為紗線定伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)彈性率，%；∑L2為恢復(fù)2 min(初張力下)各次殘留伸長(zhǎng)值總和，mm；n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)；Lk為定伸長(zhǎng)值，mm。

定負(fù)荷伸長(zhǎng)彈性率[13]測(cè)試：在包芯紗上隨機(jī)截取長(zhǎng)度為50 mm的試樣30個(gè)，夾持長(zhǎng)度為30 mm，采用Y391紗線彈性儀設(shè)置定負(fù)荷0.049 N，每個(gè)試樣定負(fù)重伸長(zhǎng)5次，測(cè)試每次伸長(zhǎng)值與殘留伸長(zhǎng)值。根據(jù)式(2)計(jì)算包芯紗定負(fù)荷伸長(zhǎng)彈性率。

(2)

式中：Rwe為定負(fù)荷伸長(zhǎng)彈性率，%；∑L3為定負(fù)荷3 min各次伸長(zhǎng)值總和，mm。

強(qiáng)力[14]測(cè)試：參照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)》，在HD021N電子單紗強(qiáng)力儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)上測(cè)試包芯紗的拉伸強(qiáng)力，夾持距離為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，每個(gè)試樣測(cè)30次。

導(dǎo)電性測(cè)試：將包芯紗放在帶有刻度的平板上，一端固定，另一端在一定拉力下使紗伸直或伸長(zhǎng)，然后用鑷子去除紗表面棉纖維而露出銀絲，用UT39A數(shù)字萬(wàn)用表(優(yōu)利德科技有限公司)測(cè)試紗線的電阻。

外觀形貌觀察：采用VHX-500超景深三維顯微系統(tǒng)(基恩施(中國(guó))有限公司)觀察包芯紗與解捻包芯紗的外觀形貌圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 理論分析

根據(jù)圖1(b)示出的包芯紗中氨綸與銀絲形態(tài)模型，假如銀絲緊貼氨綸表面螺旋包纏(如圖2所示)，設(shè)銀絲在氨綸表面包纏螺旋角為β(°)，氨綸直徑為D1(cm)，銀絲直徑為D2(cm)，紗線捻度為T(mén)t(捻/(10 cm))，1個(gè)捻回銀絲長(zhǎng)度為L(zhǎng)(cm)，根據(jù)紡紗原理[15]，則有：

圖2 銀絲緊貼氨綸表面包纏示意圖

(3)

(4)

式中：D1=0.077 25 cm，D2= 0.001 8 cm。

由式(3)、(4)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同紡紗捻度下銀絲緊貼氨綸表面包纏螺旋角β與1個(gè)捻回下銀絲長(zhǎng)度L的理論值，見(jiàn)表1。根據(jù)捻度與捻回之間的關(guān)系，得到不同紡紗捻度下1 cm包芯紗中緊貼氨綸表面包纏的銀絲長(zhǎng)度的理論值Lt，其中Lt=LTt/10。

表1 不同捻度下的β, L與Lt值

2.2 紗線耐磨性分析

不同捻度包芯紗耐磨次數(shù)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。當(dāng)捻度為75捻/(10 cm)時(shí)，紗線的耐磨次數(shù)較高，耐磨性好。當(dāng)捻度過(guò)小時(shí)，紗線包纏較松，纖維之間的抱合力較小，紗線在摩擦作用下纖維易脫落，耐磨次數(shù)較少。當(dāng)捻度過(guò)大時(shí)，紗線中纖維的扭矩大、纖維應(yīng)力增加，造成外包纖維容易被磨斷，紗線耐磨性降低。當(dāng)捻度為75捻/(10 cm)時(shí)，紗線外包纖維與紗線軸向的夾角適中，紗線沿軸向摩擦?xí)r外包纖維不易磨斷，包芯紗的耐磨性較好。

圖3 不同捻度包芯紗的耐磨次數(shù)

2.3 紗線彈性率分析

不同捻度包芯紗的定伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)彈性率、定負(fù)荷伸長(zhǎng)彈性率的結(jié)果見(jiàn)圖4。在捻度增加初期，包芯紗的定伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)彈性率與定負(fù)荷伸長(zhǎng)彈性率隨著捻度的增加而增加；當(dāng)捻度達(dá)到70捻/(10 cm)后，包芯紗彈性率隨著捻度增加而減小。這是因?yàn)槟矶仍黾?，包芯紗中氨綸捻回角也隨之增大，氨綸伸長(zhǎng)變形增大；同時(shí)棉纖維對(duì)氨綸束縛增加，造成氨綸彈性減小，包芯紗彈性率下降。

圖4 不同捻度包芯紗的彈性率

2.4 紗線斷裂強(qiáng)力分析

不同捻度包芯紗的斷裂強(qiáng)力見(jiàn)圖5。隨著捻度增加，紗線斷裂強(qiáng)力增加，但當(dāng)捻度為80 捻/(10 cm)時(shí)，紗線斷裂強(qiáng)力達(dá)到最大。因?yàn)殡S著捻度增加，外包棉纖維/銀絲與氨綸芯之間的結(jié)合程度增強(qiáng)，紗線強(qiáng)力增加；紗線捻度繼續(xù)增加，氨綸芯和外包纖維與紗線軸向夾角增大、內(nèi)應(yīng)力增加，這些纖維可承受紗線軸向拉伸作用的有效分力減少，紗線斷裂強(qiáng)力降低。

圖5 不同捻度紗線的斷裂強(qiáng)力

2.5 紗線電阻分析

包芯紗的線性電阻與銀絲在紗線中的實(shí)際長(zhǎng)度有關(guān)，而銀絲在包芯紗中的螺旋形態(tài)直接影響一定長(zhǎng)度紗線中銀絲的實(shí)際長(zhǎng)度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)紡制的包芯紗，捻度影響銀絲在紗線中的螺旋形態(tài)。對(duì)于不同捻度的包芯紗，在一定張力下使包芯紗伸直不伸長(zhǎng)，然后在伸直的100 cm長(zhǎng)的包芯紗中隨機(jī)取10段長(zhǎng)度為1 cm的紗線，分別測(cè)試其電阻值，計(jì)算實(shí)測(cè)電阻的平均值Ry，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)測(cè)電阻與理論電阻的計(jì)算結(jié)果

按照式(5)計(jì)算得到1 cm長(zhǎng)的伸直銀絲的理論電阻值為0.629 1 Ω。

(5)

式中：Rt為理論電阻，Ω；L為銀絲長(zhǎng)度，cm；S為銀絲橫截面積，cm2；ρ為銀絲電阻率，其值為1.6×10-6Ω·cm；r為銀絲半徑，其值為0.009 mm。

假如包芯紗中銀絲緊貼氨綸表面包纏，根據(jù)表1中長(zhǎng)度理論值Lt以及1 cm長(zhǎng)的銀絲的理論電阻值0.629 1 Ω，計(jì)算得到不同捻度下1 cm長(zhǎng)的伸直包芯紗的理論電阻值Rt，結(jié)果見(jiàn)表2。

由圖1(b)可以得出：增加捻度，一方面單位長(zhǎng)度包芯紗的捻回?cái)?shù)增多，銀絲包纏螺距Y減小，造成單位長(zhǎng)度包芯紗中銀絲長(zhǎng)度增加；另一方面，銀絲對(duì)氨綸的包緊程度增加，銀絲包纏半徑X變小，又會(huì)造成單位長(zhǎng)度包芯紗中銀絲長(zhǎng)度減小。

由表2可知，捻度增加，包芯紗的Ry變大。這表明增加捻度造成銀絲包纏紗芯氨綸的螺距減小，單位長(zhǎng)度包芯紗中銀絲長(zhǎng)度增加。表2中不同捻度下1 cm長(zhǎng)的包芯紗的Ry大于1 cm長(zhǎng)的伸直銀絲的Rt(0.629 1 Ω)，這是因?yàn)榘炯喼秀y絲呈螺旋狀圍繞紗芯氨綸包纏，1 cm長(zhǎng)的伸直包芯紗中銀絲實(shí)際長(zhǎng)度大于1 cm,因此不同捻度包芯紗在伸直(不伸長(zhǎng))狀態(tài)下的Ry大于0.629 1 Ω。

由表2還可看出，不同捻度包芯紗的Ry大于Rt。這是因?yàn)榘炯喼秀y絲沒(méi)有緊貼氨綸表面進(jìn)行螺旋包纏，在銀絲與氨綸之間存在棉纖維，使包芯紗中銀絲螺旋包纏直徑大于圖2狀態(tài)的銀絲螺旋包纏直徑，造成銀絲長(zhǎng)度增大，所以包芯紗的Ry大于Rt。

圖6為包芯紗與解捻包芯紗的外觀形貌圖。從圖6(a)可以看到彈性導(dǎo)電包芯紗外層由棉纖維覆蓋，說(shuō)明棉纖維起到了外包纖維的作用。從圖6(b)可以看到，氨綸位于包芯紗的紗芯，銀絲與棉纖維呈螺旋狀圍繞氨綸包纏，氨綸與銀絲之間有棉纖維。

圖6 包芯紗的外觀形貌

對(duì)于不同捻度的包芯紗，在一定張力下使包芯紗伸直10%，然后在100 cm長(zhǎng)的伸長(zhǎng)包芯紗中隨機(jī)取10段長(zhǎng)度為1 cm的紗線，分別測(cè)試紗線實(shí)際電阻，計(jì)算其平均值Rs，結(jié)果見(jiàn)表3。由表2、3可得，包芯紗伸長(zhǎng)10%之后，1 cm長(zhǎng)的包芯紗的實(shí)測(cè)電阻值(Rs)小于伸直(不伸長(zhǎng))1 cm長(zhǎng)的包芯紗的實(shí)測(cè)電阻值(Ry)。在伸直(不伸長(zhǎng))狀態(tài)與伸長(zhǎng)(10%)狀態(tài)下1 cm長(zhǎng)的包芯紗實(shí)測(cè)電阻值之差隨捻度發(fā)生變化，其中在捻度為75 捻/(10 cm)時(shí)，2種狀態(tài)下的實(shí)測(cè)電阻值之差較小。

表3 伸長(zhǎng)10%后包芯紗的實(shí)測(cè)電阻值

包芯紗伸長(zhǎng)10%后，其1 cm長(zhǎng)的Rs大于1 cm長(zhǎng)的伸直銀絲的Rt(0.629 1 Ω)。這表明包芯紗伸長(zhǎng)10%后，其中的銀絲沒(méi)有達(dá)到完全伸直狀態(tài)，紗線伸長(zhǎng)造成包芯紗中銀絲的包纏螺距(Y)變大、單位長(zhǎng)度包芯紗中銀絲的實(shí)際長(zhǎng)度變小。表3中不同捻度包芯紗的Rs值小于表2中的Rt值，這是由于紗線伸長(zhǎng)使包芯紗中氨綸紗芯直徑變小、銀絲包纏半徑減小，造成銀絲長(zhǎng)度減小，電阻值變小。

3 結(jié) 論

本文制備了棉/氨綸/銀絲包芯紗，其彈性、單位長(zhǎng)度的電阻值等性能與捻度密切相關(guān)。根據(jù)彈性導(dǎo)電包芯紗結(jié)構(gòu)，分析了不同捻度下導(dǎo)電純銀絲沿著單位長(zhǎng)度包芯紗的包纏長(zhǎng)度。在實(shí)際紡制的包芯紗中，銀絲沒(méi)有緊貼氨綸芯紗表面進(jìn)行包纏，在氨綸與銀絲之間存在棉纖維，因此單位長(zhǎng)度包芯紗的理論電阻值小于實(shí)測(cè)電阻值。且捻度增加，銀絲的包纏螺距減小，單位長(zhǎng)度包芯紗中銀絲長(zhǎng)度增加，包芯紗實(shí)測(cè)電阻值變大。紗線捻度影響氨綸、棉纖維的順直度以及棉/銀絲對(duì)氨綸芯的包覆程度，引起包芯紗的彈性、強(qiáng)力、耐磨性也隨紡紗捻度而變化。當(dāng)捻度小于75捻/(10 cm)時(shí)，包芯紗的耐磨性隨捻度的增大而增加，包芯紗的彈性也隨捻度的增大而增加；當(dāng)捻度為80捻/(10 cm)時(shí)，包芯紗的斷裂強(qiáng)力最大。在彈性導(dǎo)電包芯紗伸直(不伸長(zhǎng))與伸長(zhǎng)10%狀態(tài)下，單位長(zhǎng)度包芯紗的實(shí)測(cè)電阻值都隨紡紗捻度的增大而增加。