全聚賽絡紡雙芯紗及其彈性電磁屏蔽針織物的制備

曲華洋， 謝春萍， 徐伯俊， 劉新金

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學), 江蘇 無錫 214122)

目前，電磁屏蔽織物的發展趨于多元化，尤其是民用電磁屏蔽紡織品需求量越來越多，人們更加注重產品的耐久性、功能性、舒適性及環保性等，高附加值電磁屏蔽產品市場前景可觀。現階段市場上的電磁屏蔽服裝大都以化學鍍[1]、表面涂層[2]等方法以及使用金屬纖維進行混紡、交織、非織造等方法[3]制備，但服用性較差，性價比較低。而不銹鋼長絲作為電磁屏蔽織物的主要原料來源，因其優于短纖維的力學性能,且具有加工流程短和生產成本低的優勢，逐漸進入人們的視野。在不銹鋼長絲織物方面學者們已有較多研究，比如：不銹鋼長絲包芯紗的力學及毛羽性能[4]；影響屏蔽性能的關鍵因素[5-6]等，但是鮮有從不銹鋼長絲織物的舒適性、多功能性的角度來研究這種織物，這就局限了不銹鋼長絲在電磁屏蔽服裝上的應用。

本文通過全聚賽絡紡紗方式紡制棉/不銹鋼/氨綸雙芯紗，在此基礎上設計并開發彈性電磁屏蔽織物，通過與棉/不銹鋼包芯紗織物性能進行對比，模擬其在織物中的實際應用情況，探究利用雙芯紗裝置開發彈性電磁屏蔽織物的可行性，以實現改善產品性能、開發高附加值產品的目標，為挖掘全聚紡設備的生產潛能提供參考。

1 全聚賽絡雙芯紗生產原理

全聚紡裝置如圖1所示。將前羅拉改裝成直徑為50 mm的窄槽式空心羅拉，前羅拉1內部裝有吸風插件4，在羅拉表面由輸出阻捻膠輥5和前膠輥4所控制的圓弧區域共同構成集聚區，紡紗過程中，在負壓作用下，集聚區內須條運動速度與前羅拉保持一致，且須條中的纖維由邊緣向中心集聚使須條保持緊密從而有效改善成紗結構，提高成紗質量[7]。

1—前羅拉；2—中羅拉；3—后羅拉；4—吸風插件；5—阻捻膠輥；6—氣流導向裝置；7—前膠輥；8、9—導絲輪；10—送絲輥；11—棉粗紗；12—氨綸絲；13—引絲膠輥；14—導絲羅拉；15—導絲輥；16—不銹鋼長絲。圖1 全聚紡紡制雙絲包芯紗裝置示意圖Fig.1 Spinning process of double-core yarn in complete condensed spinning

在QFA1528型全聚紡細紗機原有的氨綸包芯紗裝置[8]上，加裝一套數控雙芯紗裝置(見圖1)，根據牽伸工藝設定及前羅拉測速編碼器的信號，通過伺服電動機帶動導絲輥15同步輸出不銹鋼長絲，從而有效控制長絲的預牽伸張力。不銹鋼長絲16與送絲輥10控制的氨綸長絲分別由前膠輥7與前羅拉1之間的2個導絲輪喂入細紗機，與牽伸后的2股鞘紗分別匯合，經過前羅拉表面集聚區之后加捻形成雙芯紗。

剛性長絲(不銹鋼長絲)和彈性長絲(氨綸長絲)因其預牽伸張力不同且表面均很光滑，在成紗過程中紗線結構極難控制，因此，普通環錠紡紡成的棉/不銹鋼/氨綸雙芯紗成紗質量很差，在紡紗實驗中斷頭現象也時有發生。利用嵌入式紡紗系統與全聚紡集聚系統相結合，能有效減少紡紗斷頭，改善紗線毛羽，提高纖維利用率[9]，生產具有多花色、多結構品種的復合紗線。長絲喂入位置及其穩定性在很大程度上影響芯絲包覆效果，實驗中2個導絲輪分別控制2根長絲的位置，如圖2中所示(圖中數字含義與圖1相同)。針對紡制的Z捻紗，這種紡紗三角區結構對于左右任何一側而言，長絲位于棉纖維束中間偏左的位置時短纖維極易處于長絲表層，再經過集聚區的聚集之后，對紗線的強力改善有極大幫助，很大程度上減少了斷頭現象的發生。并且2股纖維束夾裹著長絲在出鉗口前先各自弱捻聚集接著合并強捻成紗，每束須條中的纖維在各自弱捻時有少量內外層轉移。在卷捻成紗過程中，2根棉紗條仍有外層纖維被卷入中心長絲周圍的可能，產生纖維再次轉移現象，使紗條中纖維的內應力均衡，穩定紗線結構。

11—棉粗紗；12—氨綸絲； 16—不銹鋼長絲。圖2 嵌入式紡紗三角區示意圖Fig.2 Schematic diagram of yarn formation zone of embedding & system locating spinning

2 實驗部分

2.1 實驗原料

選用精梳棉粗紗經牽伸之后做鞘紗，選用氨綸長絲和316 L型不銹鋼長絲(上海普盛金銀絲紡織品有限公司)作為芯絲。實驗所用的不銹鋼長絲直徑為30 μm，最大斷裂伸長率為35%，氨綸長絲線密度為44.4 dtex，精梳棉粗紗的定量為5.0 g/(10 m)。

2.2 紡紗實驗方案

在QFA1528型全聚紡細紗機上分別紡制棉/不銹鋼/氨綸(36.4 tex/30 μm/44.4 dtex)、棉/不銹鋼包芯紗(36.4 tex/30 μm)、棉/不銹鋼/氨綸雙芯紗(36.4 tex/35 μm/ 44.4 dtex)，將其分別編號為1*、2*、7*；分別紡制棉/不銹鋼/氨綸(29.2 tex/ 30 μm/44.4 dtex)、棉/不銹鋼包芯紗(29.2 tex/30 μm)、棉/不銹鋼/氨綸雙芯紗(29.2 tex/35 μm/44.4 dtex)，將其分別編號為3*、4*、8*；分別紡制 24.3 tex/30 μm/44.4 dtex棉/不銹鋼/氨綸、24.3 tex/30 μm棉/不銹鋼包芯紗、24.3 tex/35 μm/44.4 dtex棉/不銹鋼/氨綸雙芯紗將其編號為5*、6*、9*。參考相關紡紗實踐[10-11]進行實驗，對比分析加入氨綸前后時紗線和織物性能，從而確定彈性電磁屏蔽織物的可行性。細紗工藝參數如表1所示。

表1 紡紗工藝參數Tab.1 Spinning parameters of yarn

注：E后為后區牽伸倍數；E總為總牽伸倍數；2、4、6號紗線中無氨綸芯絲用“-”來表示。

2.3 織物試織方案

使用GSJX-1-44型電腦針織橫機進行雙芯紗的編織，機號為12針/(25.4 mm)，起針300針，橫列數為270。本文選用1+1羅紋組織，將已紡的紗線編織成織物，依照紗線編號將織物依次編號為1#～9#號。為減少實驗誤差，編織過程中所有織物的工藝參數盡可能相同，織物的基本參數見表2所示。

表2 織物的基本參數Tab.2 Basic parameters of fabrics

2.4 性能測試

為減少實驗誤差，本實驗測試條件均為：溫度(23±2) ℃、相對濕度(65±3)%。并且測試之前將紗線樣品和織物樣品在該條件下平衡24 h以上。

2.4.1紗線性能測試

依據GB/T 4743—1995《紗線線密度的測定 絞紗法》，使用YG086縷紗測長機、JA2003型電子天平測試紗線線密度；依據FZ/T01057.3—2007《紡織纖維鑒別試驗方法第3部分：顯微鏡法》，使用 Y172型纖維切片器結合MOTTC B1型顯微鏡進行紗線截面實驗；依據GB/T 3916—1997《紡織品 卷裝紗單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》，使用YG086C全自動單紗強力儀測試紗線強力等性能。

通過分析SAGD采油過程中的余熱，結合AHP技術的特點并基于熱力學分析方法，同時考慮經濟性和可操作性的前提下，給出了幾種利用通過AHP技術利用SAGD余熱的方案，以期能夠為提高SAGD采油工藝過程能源利用效率提供開發策略。

2.4.2織物性能測試

依據GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，使用YG141D型厚度儀測試織物厚度；依據GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》，使用HD026N+型電子織物強力儀測試針織物頂破強力性能；依據FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復率試驗方法》，使用YG026C型電子織物強力機測試織物彈性回復性能；依據 GBJ 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測試方法》，使用Agilent E5 061 A型矢量網絡分析儀、法蘭同軸裝置及TS0210A1型10 dB網絡衰減器對織物的電磁屏蔽性能進行測試；依據美國AATCC TM202—2012《紡織品服裝 相對手感值得評定：儀器法》，采用PhabrOmeter織物手感評價系統測試織物柔軟度、硬挺度等織物風格性能。

3 結果與分析

3.1 紗線性能分析

3.1.1紗線橫截面形貌

將利用Y172型纖維切片器制作的紗線橫截面切片放在MOTTC B1型顯微鏡下觀察，并用與之對應的CU-6型纖維橫截面取樣軟件進行拍照采集，其圖像如圖3所示。紗線外羊毛纖維的橫截面呈現直徑較大的圓形，構成紗線鞘紗的棉纖維是有中腔的腰圓形結構，作為芯絲的不銹鋼長絲直徑略小于羊毛的圓形結構，圖中用“鋼”來標識，氨綸長絲較為柔軟、易變形，切片時極易被擠壓，故氨綸形狀不穩定，圖中用“氨綸”來標識。

由圖3可觀察出，對比同時包覆2根長絲的紗線線密度不同的1*、3*、5*雙芯紗產品，紗線較粗的1*、3*試樣中長絲包覆效果良好，2根長絲基本位于紗線中心位置，結構穩定，而線密度為 24.3 tex的5*紗線中芯線比較高，2根長絲位置相對分散，但沒有露絲現象。2*、4*、6*紗線橫截面圖顯示出，只包覆1根不銹鋼長絲的紗線沒有露絲現象，長絲基本位于紗線中心位置。紗線包覆性能良好，無露絲現象，為織物服用性能的提高和多彩功能性新產品的創造提供可能。

圖3 紗線橫截面結構(×200)Fig.3 Cross sections of yarn(×200).(a) Sample 1*;(b) Sample 2*;(c) Sample 3*;(d) Sample 4*;(e) Sample 5*;(f) Sample 6*

3.1.2成紗質量

表3 紗線的力學性能Tab.3 Mechanical properties of yarns

由表3可知，試樣2*強力值最大，試樣5*強力值最小。對比試樣1*和2*、試樣3*和4*、試樣5*和6*，紗線細度相同時內包2根長絲的雙芯紗強力均稍弱于不銹鋼長絲包芯紗，伸長率優于不銹鋼長絲包芯紗。分析其原因為，相比較不銹鋼長絲包芯紗，內包不銹鋼長絲和氨綸長絲的紗線結構較為松散，2根長絲與棉纖維間的抱合力較小，外包棉纖維與長絲之間不能更好地集聚在一起，受到拉伸時纖維整體的強力利用率低。這就需要在紡紗過程中更穩定地控制長絲位置和長絲預牽伸倍數。

3.2 織物性能分析

3.2.1織物強力及彈性回復性能

表4示出織物頂破強力及彈性回復性能。可知，對比試樣1#和2#、3#和4#、5#和6#，外包棉線密度相同時雙芯紗織物和不銹鋼長絲包芯紗織物的頂破強力基本相差不大。由于織物強力主要由棉纖維來承擔，且與織物線圈密度和厚度有關，因此紗線較粗的1#和2#試樣頂破強力最大，較細的5#和6#試樣頂破強力相對最小。

表4 織物強力及彈性回復性能Tab.4 Bursting and elastic recovery ratio of fabrics

6種織物線圈縱行方向上的彈性回復性能均優于橫列方向上；相同紗線線密度下，雙芯紗做成的織物在線圈橫列和縱行方向上的彈性回復性能都很明顯地優于不銹鋼長絲包芯紗織物。成紗過程中的氨綸長絲由于預牽伸作用被拉伸，拉伸后的氨綸和預牽伸倍數極小的不銹鋼長絲被同時包覆進棉纖維束中，因此成紗之后紗線結構中的氨綸在織物的彈性回復性能上發揮了極大作用。另外，縱向拉伸時，拉力引起的線圈圈柱定向的改變很大，比之線圈中紗線轉移，氨綸絲本身的彈性起了很大的作用，因此不銹鋼長絲/氨綸雙芯紗做成織物的縱向彈性回復性能比橫向大。

3.2.2織物電磁屏蔽性能

圖4示出1#～6#試樣對200～1 400 MHz不同頻段電磁波的屏蔽效能。其中試樣1#電磁屏蔽性能最佳，試樣6#最差。如圖所示，平面波頻率小于 400 MHz時，各織物的屏蔽性能均大于10 dB，可滿足一般性民用電磁屏蔽織物的使用要求，隨著測試頻率的增加織物屏蔽性能呈現逐漸減弱的趨勢，當測試頻率到達1 000 MHz及以上，試樣屏蔽性能曲線趨于緩和；對比試樣1#和2#、3#和4#、5#和6#，相同細度下棉/氨綸/不銹鋼長絲雙芯紗織物相比于棉/不銹鋼長絲包芯紗織物，在不同平面波頻率下測試的電磁屏蔽性能均有一定程度的增強。分析其原因為加入氨綸長絲后，由于氨綸絲的回彈作用，針織物結構變得更加緊密，橫列和縱行上紗線根數增加，使得相同織物面積里發揮屏蔽電磁作用的不銹鋼長絲含量增加從而增強了織物的電磁屏蔽效果。另外，雙芯紗織物紗線間的接觸點增多也會對織物電磁屏蔽效果起到一定的增強作用。

圖4 織物各頻段屏蔽性能Fig.4 Shielding performance of fabrics in difference frequency bands

圖5示出1#～3#和7#～9#試樣對200～1 400 MHz不同頻段電磁波的屏蔽效能，對比試樣1#和7#、3#和8#、5#和9#，在織物緊密度相差不大的情況下，不銹鋼長絲芯絲直徑增大，織物的電磁屏蔽性能略有提升。不銹鋼長絲包芯紗織物的屏蔽主要以反射為主，當不銹鋼長絲直徑增加時，相同織物測試面積中導電長絲的投影面積增加，即織物中反射電磁波的有效面積增大，從而使織物整體屏蔽效果有所提升。

圖5 不銹鋼直徑對織物屏蔽性能的影響Fig.5 Shielding performance of fabrics with different filament diameters

3.2.3織物風格

表5示出織物風格測試指標。可知，雙芯紗織物硬挺度、懸垂系數高于不銹鋼長絲包芯紗織物，這是由于雙芯紗線回彈性較好，且紗線直徑較大，織物試樣厚實緊密，使得紗線彎曲剛度比不銹鋼長絲包芯紗大。對比試樣1#、3#、5#和試樣2#、4#、6#可知紗線直徑對織物硬挺度和懸垂性有很大影響，線密度越小，織物硬挺度越低、懸垂系數越小。

表5 織物風格測試結果Tab.5 Test results of fabric style

對比試樣1#和2#、3#和4#、5#和6#，雙芯紗織物柔軟度和相對手感略低于不銹鋼長絲包芯紗織物。織物的柔軟度與紗線毛羽、線密度、織物密度等因素有關，雙芯紗采用的嵌入式紡紗方式能有效改善紗線毛羽，提高纖維利用率，且雙芯紗較粗，織物密度大，所以雙芯紗織物的柔軟度稍差于不銹鋼長絲包芯紗織物。

綜合考慮，棉/不銹鋼/氨綸雙芯紗織物的手感及服用性能差于棉/不銹鋼長絲包芯紗織物，但相差不大。

4 結 論

選擇不銹鋼長絲和氨綸長絲作為芯絲，采用嵌入式紡紗方法在QFA1528型細紗機上紡制不同細度雙芯紗和不銹鋼長絲包芯紗，并織造6種針織物。研究結果表明：1)不銹鋼長絲與氨綸長絲作為紗線的芯絲，外包棉纖維進行生產時，紗線包覆效果良好，并且可以有效提高紗線伸長率。實際生產時，可根據外包纖維品種、特性及最終產品的風格特征確定芯絲的喂入比例；2)紗線中加入氨綸芯絲后織物在線圈橫列和縱行方向上的彈性回復性能大大提升，頂破強力基本變化不大。棉/不銹鋼長絲/氨綸雙芯紗織物的手感及綜合服用性能差于棉/不銹鋼長絲包芯紗織物，但其相差不大；3)相同線密度紗線的雙芯紗織物相比于棉/不銹鋼長絲包芯紗織物，對 200～1 400 MHz不同頻段電磁波頻率下測試的電磁屏蔽性能均有一定程度的增強，平面波頻率處于較低水平時，各織物的屏蔽性能均大于10 dB，可對生活中大部分電子設備起到防輻射作用，維護人體健康。不銹鋼長絲直徑增加有利于織物電磁屏蔽性能的提升。

使用全聚紡設備生產以不銹鋼長絲和氨綸長絲作為芯絲的雙芯紗產品織造彈性電磁屏蔽織物具有可行性，今后可考慮開發高附加值彈性防輻射服裝，為織物服用性能的提高和功能性新產品的制造提供可能。

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