3種含金屬絲包芯復(fù)合紗的包覆效果及性能對比

熊　蕾，邵慧奇，邵光偉, b，蔣金華, b，陳南梁, b

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院； b. 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620)

3種含金屬絲包芯復(fù)合紗的包覆效果及性能對比

熊蕾a，邵慧奇a，邵光偉a, b，蔣金華a, b，陳南梁a, b

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院； b. 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620)

摘要：以金屬絲為芯紗，聚酰亞胺(PI)為外包材料，分別通過涂層工藝、空心錠子包纏紡工藝以及二維編織工藝制備3種不同結(jié)構(gòu)的包芯復(fù)合紗，并對3種包芯復(fù)合紗的包覆效果、力學(xué)性能、耐磨性能及電學(xué)性能進行了對比分析.結(jié)果表明：涂層復(fù)合紗直徑最小，表面光滑，包覆效果好，但其力學(xué)性能、耐磨性能及電學(xué)性能不佳；編織復(fù)合紗條干均勻，包覆好且具有最優(yōu)力學(xué)性能、耐磨性能和電學(xué)性能，但其直徑最大；包纏復(fù)合紗包覆效果不穩(wěn)定，易產(chǎn)生“露絲”及結(jié)點，條干最差.

關(guān)鍵詞：金屬纖維； 聚酰亞胺(PI)； 包芯復(fù)合紗； 力學(xué)性能； 耐磨性能； 電學(xué)性能

隨著復(fù)合材料領(lǐng)域的快速發(fā)展，現(xiàn)代科技對新型材料的要求越來越高，具有單一性能的材料已無法滿足需求.金屬纖維因具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防輻射、抗靜電、殺菌等優(yōu)良性能被廣泛應(yīng)用于紡織領(lǐng)域[1].目前已有許多包含金屬纖維的紡織材料[2-4]，但它們多是由傳統(tǒng)的紡織原料(棉、毛、絲、麻和化纖等)與金屬纖維復(fù)合混紡而來，應(yīng)用范圍限于抗靜電、防輻射等民用防護品領(lǐng)域[5]，而可應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域的高性能纖維與金屬纖維復(fù)合的材料亟待開發(fā)與研究.

美國洛克希德馬丁公司曾將高性能纖維Kevlar與金屬絲進行合股[6]，研發(fā)應(yīng)用于航空航天的復(fù)合紗線，但Kevlar纖維抗輻射性能差的缺點，限制了其在高科技領(lǐng)域長壽命的使用.與其他高性能纖維相比，聚酰亞胺(PI)不僅具有高強高模的特性，而且具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐輻射、阻燃等優(yōu)越性能[7].因此，本文選用PI為外包材料，以金屬絲為芯紗制備新型高性能包芯復(fù)合紗.筆者前期分別通過涂層工藝、空心錠包纏紡工藝以及二維編織工藝，選擇合理的工藝參數(shù)，制備3種不同結(jié)構(gòu)的PI/金屬絲包芯復(fù)合紗.本文對3種不同工藝制備的含金屬纖維的包芯復(fù)合紗進行了包覆效果及各項性能的比較分析，為含金屬纖維的包芯復(fù)合紗的開發(fā)及應(yīng)用提供一定參考.

1試驗

1.1試驗原料

以3根直徑為0.027mm的金屬絲經(jīng)管式絞線并線后的紗線作為芯紗，通過3種不同工藝在芯紗表面覆蓋PI材料制備出不同規(guī)格的包芯復(fù)合紗，所取試驗紗線為每種工藝下芯紗包覆效果最好，即外包纖維均勻、連續(xù)地分布在芯紗周圍，不露芯時的試樣，具體紗線試樣參數(shù)如表1所示.

表1　紗線試樣參數(shù)

1.2試驗儀器

YG 061型電子單紗強力儀，萊州市電子儀器有限公司；尼康ECLIPSE E200型生物顯微鏡，上海普赫光電科技有限公司；超細金屬絲模擬摩擦儀[8]，東華大學(xué)；WDY-Ⅱ型自動電壓試驗儀，常州威遠電工器材有限公司；CH-12.7-ATSX型電子測厚儀，上海六菱儀器廠.

1.3測試方法

1.3.1外觀形態(tài)測試

采用電子測厚儀測量紗線直徑，每種試樣測試10次，取其平均值.采用體視顯微鏡拍攝照片觀察紗線形態(tài)結(jié)構(gòu).

1.3.2拉伸性能測試

在溫度為(20±1)℃和相對濕度為(65±2)%條件下，參照GB/T 3916—1997《單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率標準》，在隔距為250mm和拉伸速度為250mm/min時，對紗線試樣進行力學(xué)性能測試，其中每種紗線試樣測試不少于5次，取其平均值.

1.3.3耐磨性能測試

采用超細金屬絲模擬摩擦儀，模擬針織織造過程中紗線的磨損情況，其原理是摩擦部分固定有織針，紗線從織針針鉤處穿過，測試時摩擦部分往復(fù)擺動，以模擬編織過程中織針對紗線的機械作用.在預(yù)拉張力為49 cN、轉(zhuǎn)速為120r/min的條件下測試紗線試樣的耐磨次數(shù)，每種試樣分別測試5次，取其平均值.

1.3.4擊穿電壓測試

采用圓棒法測試試樣擊穿電壓.每次試驗取長約400mm的試樣，將其在圓棒上繞一圈，試樣下端按規(guī)定掛上相應(yīng)砝碼，使試樣與電極表面緊密接觸.在試樣導(dǎo)體與電極之間施加標稱頻率為50Hz的試驗電壓，電壓從零開始以大約100V/s的速度上升，直到擊穿為止，記錄擊穿時的電壓值，每種試樣分別測試5次，取其平均值.

2結(jié)果與討論

2.1包芯紗形貌分析

為了分析不同工藝制備的金屬絲包芯復(fù)合紗表面的形態(tài)差異，在40倍體視顯微鏡下分別觀察芯紗和3種包芯復(fù)合紗的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并測試試樣的直徑，結(jié)果如圖1及表2所示.

(a) 芯紗

(b) 涂層復(fù)合紗

(c) 包纏復(fù)合紗

(d) 編織復(fù)合紗

試樣芯紗涂層復(fù)合紗包纏復(fù)合紗編織復(fù)合紗直徑/mm0.0550.0630.1470.228

從圖1及表2可以看出，在保證對芯紗的包覆效果較好時，涂層工藝制備出的復(fù)合紗直徑最小，僅比金屬絲芯紗直徑大不超過10μm，是3種工藝里包覆厚度最薄的一種工藝，且涂層復(fù)合紗表面光滑，條干均勻，包覆效果好.編織復(fù)合紗直徑是金屬絲芯紗直徑的4倍左右，這是因為其芯紗是由多根外包纖維交織成管狀包覆的，外包結(jié)構(gòu)非常緊密，產(chǎn)生毛羽的可能性較小，因此其條干均勻、表面光滑，有比較好的包覆效果.另外，在體視顯微鏡觀察下發(fā)現(xiàn)，包纏復(fù)合紗的包覆效果不穩(wěn)定，條干均勻性在3種包芯復(fù)合紗中最差，紗線表面易產(chǎn)生“露絲”及結(jié)點，使得紗線表面不光滑，這主要是由空心錠包纏紡工藝中氣圈的大幅變化引起包纏點的上下波動造成的.

2.2力學(xué)性能分析

3種包芯復(fù)合紗相對芯紗力學(xué)性能的變化如圖2所示. 由圖2(a)可知，包纏復(fù)合紗的斷裂強力與芯紗強力差異不大，說明空心錠包纏紡制備的紗線，其斷裂強力主要取決于芯紗斷裂強力，與外包紗無明顯關(guān)系.這是由于紗線拉伸時芯紗受力先行斷裂，而外包纖維是以螺旋狀包纏在芯紗表面，受力時即脫散，對斷裂強力貢獻不大.涂層復(fù)合紗較芯紗斷裂強力有一定提高但并不明顯，因為芯紗表面涂層太薄，對斷裂強力的提高無明顯作用.編織復(fù)合紗的斷裂強力較芯紗強力有接近4倍的提升，表明其外包紗對復(fù)合紗的斷裂強力有明顯的增強作用.這主要是因為外包紗之間經(jīng)二維編織工藝交叉編織后形成緊密的結(jié)構(gòu)，可以承受當芯紗受力斷裂后的拉力，拉伸過程中外包纖維間的摩擦阻力大，從而提高編織復(fù)合紗的拉伸斷裂強力.

(a) 斷裂強力

(b) 斷裂伸長率

另外，從圖2(b)可以看出，包纏復(fù)合紗的斷裂伸長率最低，并且低于芯紗斷裂伸長率，可能是由于外包紗對芯紗的包纏結(jié)構(gòu)很緊密，以致其對芯紗的伸長有一定束縛作用.而編織復(fù)合紗由于其外包紗含有交叉編織結(jié)構(gòu)，在一定外力作用下，纖維間可產(chǎn)生相對滑移，沿外力方向伸直，使其具有較大的斷裂伸長率.涂層復(fù)合紗的斷裂伸長率因其表面的PI漆膜具有一定的延展性而較芯紗有所增加.

3種包芯復(fù)合紗之間力學(xué)性能的比較如圖3所示. 由圖3可知，涂層復(fù)合紗斷裂強度最高，編織復(fù)合紗次之，包纏復(fù)合紗最低.這是因為金屬絲斷裂強度比PI高許多，復(fù)合紗越粗，芯紗金屬絲單位截面積所占比例越小，導(dǎo)致其斷裂強度越低.編織復(fù)合紗雖然比包纏復(fù)合紗粗很多，但其外包紗編織結(jié)構(gòu)能夠承受一定拉力，因此其斷裂強度比包纏復(fù)合紗稍高.

圖3　3種包芯復(fù)合紗斷裂強度對比Fig.3　　　　Fracture stress comparison of three　　　kinds of core spun yarns

2.3耐磨性能分析

采用超細金屬絲模擬摩擦儀測試了芯紗及3種包芯紗的耐磨情況，測試結(jié)果如表3所示. 由表3可知，在49cN預(yù)加張力下，涂層復(fù)合紗耐磨性能較芯紗有一定提高，包纏復(fù)合紗耐磨性能最差，編織復(fù)合紗的耐磨情況最好，耐磨次數(shù)達500次以上.這是因為編織復(fù)合紗具有外包紗對芯紗緊密的編織結(jié)構(gòu)，使紗體之間的機械鎖結(jié)較強，不容易產(chǎn)生滑移，摩擦力較大；另外，相對其他3種試樣編織復(fù)合紗直徑最大，對其耐磨性也有利.而試驗中發(fā)現(xiàn)，包纏復(fù)合紗由于均勻性較差且外包纖維在芯紗表面經(jīng)摩擦容易滑移，在上機摩擦幾次后外包紗即起毛，且很快斷裂，外包結(jié)構(gòu)即發(fā)生松散解體，只有芯紗受力摩擦，因此，其耐磨次數(shù)與芯紗相近.涂層復(fù)合紗相對包纏復(fù)合紗，其表面光滑且無不穩(wěn)定的包纏結(jié)構(gòu)，但芯紗表面的PI膜厚度很薄，其耐磨性并沒有明顯提高.

表3　芯紗及包芯復(fù)合紗耐磨情況

2.4電學(xué)性能分析

金屬纖維具有導(dǎo)電性， PI屬絕緣材料，因此，在金屬芯紗表面包覆PI材料可使包芯復(fù)合紗具有表面電絕緣性能.為了測試不同工藝制備的含金屬絲的包芯復(fù)合紗表面絕緣性能的差異，對3種包芯復(fù)合紗試樣進行了擊穿電壓測試，結(jié)果如圖4所示.

圖4　3種包芯紗擊穿電壓對比Fig.4　　　　Comparison of breakdown voltage　　　of three core spun yarns

文獻[9]研究表明，擊穿電壓與介質(zhì)的厚度有很大關(guān)系，一般情況下，介質(zhì)越厚，擊穿電壓值就越高.由于外包材料為絕緣PI漆或長絲，擊穿電壓可從側(cè)面反映3種工藝對芯紗的包覆情況.從圖4可以分析得出，包覆孔隙最小的涂層復(fù)合紗因其表面涂層只有不足10μm的厚度，容易擊穿導(dǎo)電；編織復(fù)合紗的擊穿電壓最高，雖然其包覆孔隙大，但較厚的包覆厚度、外包紗交織形成的緊密結(jié)構(gòu)能使其達到較好的絕緣效果.

3結(jié)語

在標準實驗室環(huán)境里，本文對通過3種不同工藝制備的聚酰亞胺(PI)/金屬絲包芯復(fù)合紗進行了形貌分析、拉伸性能、耐磨性能及電學(xué)性能的測試.根據(jù)試驗的結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1) 涂層復(fù)合紗直徑最小，表面光滑，條干均勻，包覆效果好，但其力學(xué)性能、耐磨性能及電學(xué)性能無明顯優(yōu)勢；

(2) 包纏復(fù)合紗的包覆效果不穩(wěn)定，條干較差，容易產(chǎn)生“露絲”及結(jié)點，其各項性能多取決于芯紗，與外包紗無關(guān)；

(3) 編織復(fù)合紗的包覆效果較好，具有最優(yōu)的力學(xué)性能、耐磨性能及電學(xué)性能，但其直徑最大，可能會成為限制其應(yīng)用的因素之一.

參考文獻

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Comparison on Covering Effect and Properties of Three Kinds of Core Spun Yarn Containing Metal Fibers

XIONGLeia,SHAOHui-qia,SHAOGuang-weia, b,JIANGJin-huaa, b,CHENNan-lianga, b

(a. College of Textiles; b. Engineering Research Center of Technical Textile，Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Three kinds of core spun yarns containing metal fibers and polyimide which were made respectively through coating process, hollow spindle spinning and 2D braiding process were introduced. Covering effect, mechanical properties, abrasion resistance properties and electrical properties of the core spun yarns were compared and analyzed. The results show that the core spun yarn made through coating process has the minimum diameter, smooth surface and good covering effect. But its mechanical properties, abrasion resistance properties and electrical properties aren’t good. The 2D braiding core spun yarn has good yarn evenness and covering effect. Compared with other core spun yarns, its mechanical properties, abrasion resistance properties and electrical properties are the best, but it has the maximum diameter. The covering effect of wrapped composite yarn is unstable, this kind of yarn is easy to generate yarn faults and its evenness isn’t good.

Key words:metal fiber; polyimide(PI); core spun yarn; mechanical properties; abrasion resistance properties; electrical properties

文章編號：1671-0444(2016)02-0213-04

收稿日期：2015-03-05

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(11472077)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2232015D3-01)；上海市自然科學(xué)基金資助項目(13ZR1400500)；大學(xué)生創(chuàng)新性實驗資助項目(201410255024，201510255118)

作者簡介：熊蕾(1991—)，女，湖北隨州人，碩士研究生，研究方向為航空航天復(fù)合材料設(shè)計及制備．E-mail: 583062146@qq.com 陳南梁(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: nlch@dhu.edu.cn

中圖分類號：TB 333；TS 104.7

文獻標志碼：A