捻度對棉/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 紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048)

導電紗線在柔性智能可穿戴裝置中起著重要作用，已經受到研究者廣泛關注[1]。織物導電線路將各種主要電子功能器件連接起來，是智能服裝的重要組成部分[2]。在織物中形成導電線路，其中導電線不僅要具有導電性，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。

制備導電紗線的方法主要有導電材料浸涂普通紗線工藝法與紡紗工藝法。紡紗工藝法是將導電纖維與普通紡織纖維材料在紡紗設備上通過包芯、包纏或混紡等方法，使導電纖維與普通紡織纖維有機結合而形成導電紗。Amir等[3]在環錠紡紗機上紡制滌綸/不銹鋼短纖維混紡紗，研究了紗線捻度、線密度、混紡比對其電阻的影響。對于金屬長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]利用環錠紡紗機制備了竹漿纖維/不銹鋼長絲包芯紗，測試了紗線的毛羽和拉伸性能；杜玲玲等[5]采用不銹鋼長絲、短芳綸纖維在花式捻線機上制備包芯紗，測試其織物的防刺性能；Pei等[6]利用粘膠短纖維與超細銅絲在改進的渦流紡紗機上加工包芯紗，分析了紡紗參數對紗線電阻的影響。此外，Guo等[7]用錦綸長絲/氨綸混合紗、金屬導電長絲在捻線機上直接加捻制備包纏紗，分析了捻度對紗線導電性的影響；Wang等[8-9]用粘膠、不銹鋼長絲、氨綸長絲紡制三組分導電復合紗，測試了紗線的電力學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紡制全纖維阻燃單電極納米發電紗，其中聚酰亞胺紗包纏在導電鍍銀紗表面，分析了紡紗參數對紗線包纏效果的影響。趙亞茹等[11]以氨綸長絲、不銹鋼短纖維與棉纖維制備皮芯結構導電紗，分析了拉伸過程中導電紗電阻的變化規律。

彈性導電紗兼具彈性與導電性，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。捻度是影響環錠紗結構與性能的重要參數之一。本文在環錠紡紗機前羅拉與導紗鉤之間附加定位裝置以控制前鉗口輸出的氨綸所產生的偏移，制備了棉/氨綸/銀絲彈性導電包芯紗，分析了紡紗捻度對包芯紗彈性與電阻等性能的影響，為彈性導電包芯紗的紡制提供了參考。

1 實驗部分

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)，實驗科研金屬材料有限公司。

1.2 包芯紗的紡制

要實現一定長度的導電紗線在一定應變范圍內電阻不變，要求紗線具有一定彈性，且在彈性伸長范圍內導電材料的截面積、長度不發生變化。本文實驗以銀絲為導電材料，氨綸為彈性材料，棉纖維為外包纖維，在環錠紡紗機上紡制彈性導電包芯紗。通過實驗獲得理想結構紗線的合理工藝方法：氨綸經過張力輪從環錠細紗機的前鉗口喂入，銀絲從環錠細紗機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，氨綸預牽伸倍數為1.6。在前羅拉與導紗鉤之間附加一個定位裝置，以確保從前羅拉鉗口輸出的氨綸在紡紗過程中保持直線運動，實現棉纖維與銀絲以氨綸為紗芯進行包纏，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電性。實驗設計紡紗捻度分別為65、70、75、80、85、90捻/(10 cm)，包芯紗線密度為75 tex。

1.3 包芯紗的性能測試

耐磨性[12]測試：使用Y731抱合力測試儀(常州紡織儀器廠)測試紗線的耐磨性，測試時以紗線外包棉纖維層磨斷時金屬片對紗線摩擦的次數來表征紗線耐磨性。每種紗線測試30個試樣，取平均值。

定伸長伸長彈性率[13]測試：在包芯紗上隨機截取長度為50 mm的試樣30個，夾持長度為30 mm，采用Y391紗線彈力儀(常州第二紡織儀器有限公司)設置定伸長值為10 mm，每個試樣拉伸5次，測試每次殘留伸長值，根據式(1)計算包芯紗定伸長彈性率。

(1)

式中：Re為紗線定伸長伸長彈性率，%；∑L2為恢復2 min(初張力下)各次殘留伸長值總和，mm；n為實驗次數；Lk為定伸長值，mm。

定負荷伸長彈性率[13]測試：在包芯紗上隨機截取長度為50 mm的試樣30個，夾持長度為30 mm，采用Y391紗線彈性儀設置定負荷0.049 N，每個試樣定負重伸長5次，測試每次伸長值與殘留伸長值。根據式(2)計算包芯紗定負荷伸長彈性率。

(2)

式中：Rwe為定負荷伸長彈性率，%；∑L3為定負荷3 min各次伸長值總和，mm。

強力[14]測試：參照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》，在HD021N電子單紗強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)上測試包芯紗的拉伸強力，夾持距離為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，每個試樣測30次。

導電性測試：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，然后用鑷子去除紗表面棉纖維而露出銀絲，用UT39A數字萬用表(優利德科技有限公司)測試紗線的電阻。

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

2 結果與分析

2.1 理論分析

根據圖1(b)示出的包芯紗中氨綸與銀絲形態模型，假如銀絲緊貼氨綸表面螺旋包纏(如圖2所示)，設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Tt(捻/(10 cm))，1個捻回銀絲長度為L(cm)，根據紡紗原理[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)計算得到實驗設計的不同紡紗捻度下銀絲緊貼氨綸表面包纏螺旋角β與1個捻回下銀絲長度L的理論值，見表1。根據捻度與捻回之間的關系，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的測試結果見圖3。當捻度為75捻/(10 cm)時，紗線的耐磨次數較高，耐磨性好。當捻度過小時，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，耐磨次數較少。當捻度過大時，紗線中纖維的扭矩大、纖維應力增加，造成外包纖維容易被磨斷，紗線耐磨性降低。當捻度為75捻/(10 cm)時，紗線外包纖維與紗線軸向的夾角適中，紗線沿軸向摩擦時外包纖維不易磨斷，包芯紗的耐磨性較好。

圖3 不同捻度包芯紗的耐磨次數

2.3 紗線彈性率分析

不同捻度包芯紗的定伸長伸長彈性率、定負荷伸長彈性率的結果見圖4。在捻度增加初期，包芯紗的定伸長伸長彈性率與定負荷伸長彈性率隨著捻度的增加而增加；當捻度達到70捻/(10 cm)后，包芯紗彈性率隨著捻度增加而減小。這是因為捻度增加，包芯紗中氨綸捻回角也隨之增大，氨綸伸長變形增大；同時棉纖維對氨綸束縛增加，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 紗線斷裂強力分析

不同捻度包芯紗的斷裂強力見圖5。隨著捻度增加，紗線斷裂強力增加，但當捻度為80 捻/(10 cm)時，紗線斷裂強力達到最大。因為隨著捻度增加，外包棉纖維/銀絲與氨綸芯之間的結合程度增強，紗線強力增加；紗線捻度繼續增加，氨綸芯和外包纖維與紗線軸向夾角增大、內應力增加，這些纖維可承受紗線軸向拉伸作用的有效分力減少，紗線斷裂強力降低。

圖5 不同捻度紗線的斷裂強力

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際長度有關，而銀絲在包芯紗中的螺旋形態直接影響一定長度紗線中銀絲的實際長度。對于實驗紡制的包芯紗，捻度影響銀絲在紗線中的螺旋形態。對于不同捻度的包芯紗，在一定張力下使包芯紗伸直不伸長，然后在伸直的100 cm長的包芯紗中隨機取10段長度為1 cm的紗線，分別測試其電阻值，計算實測電阻的平均值Ry，結果見表2。

表2 實測電阻與理論電阻的計算結果

按照式(5)計算得到1 cm長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，根據表1中長度理論值Lt以及1 cm長的銀絲的理論電阻值0.629 1 Ω，計算得到不同捻度下1 cm長的伸直包芯紗的理論電阻值Rt，結果見表2。

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

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，單位長度包芯紗中銀絲長度增加。表2中不同捻度下1 cm長的包芯紗的Ry大于1 cm長的伸直銀絲的Rt(0.629 1 Ω)，這是因為包芯紗中銀絲呈螺旋狀圍繞紗芯氨綸包纏，1 cm長的伸直包芯紗中銀絲實際長度大于1 cm,因此不同捻度包芯紗在伸直(不伸長)狀態下的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。這是因為包芯紗中銀絲沒有緊貼氨綸表面進行螺旋包纏，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狀態的銀絲螺旋包纏直徑，造成銀絲長度增大，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)可以看到彈性導電包芯紗外層由棉纖維覆蓋，說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長的伸長包芯紗中隨機取10段長度為1 cm的紗線，分別測試紗線實際電阻，計算其平均值Rs，結果見表3。由表2、3可得，包芯紗伸長10%之后，1 cm長的包芯紗的實測電阻值(Rs)小于伸直(不伸長)1 cm長的包芯紗的實測電阻值(Ry)。在伸直(不伸長)狀態與伸長(10%)狀態下1 cm長的包芯紗實測電阻值之差隨捻度發生變化，其中在捻度為75 捻/(10 cm)時，2種狀態下的實測電阻值之差較小。

表3 伸長10%后包芯紗的實測電阻值

包芯紗伸長10%后，其1 cm長的Rs大于1 cm長的伸直銀絲的Rt(0.629 1 Ω)。這表明包芯紗伸長10%后，其中的銀絲沒有達到完全伸直狀態，紗線伸長造成包芯紗中銀絲的包纏螺距(Y)變大、單位長度包芯紗中銀絲的實際長度變小。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，造成銀絲長度減小，電阻值變小。

3 結 論

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