金屬鉬絲并線過程中殘余扭矩的研究*

賈 偉 陳南梁 傅 婷

(東華大學紡織學院，上海，201620)

金屬鉬絲并線過程中殘余扭矩的研究*

賈 偉 陳南梁 傅 婷

(東華大學紡織學院，上海，201620)

經編鉬絲金屬網適宜于制作高性能的網狀天線反射體。鉬絲的并線加工是制作金屬網所用紗線原料的關鍵加工過程，鉬絲在并線過程中容易產生較大的殘余扭矩。討論了鉬絲并線的必要性，嘗試在環錠細紗機上直接對連續態鉬絲進行加捻并合，分析了并線過程中產生殘余扭矩的原因，討論了股線捻度與鉬絲股線殘余扭矩及外觀形態的關系。

鉬絲，網狀天線，加捻，殘余扭矩

鉬是一種具有高沸點及高熔點的難熔金屬，由其制成的微細鉬絲具有高比強度、高比模量、低熱膨脹系數等一系列優異性能，廣泛應用于航空航天、電子、國防等高科技領域。隨著空間衛星天線對其反射體材料性能要求的提高，鉬絲的加工工藝受到了關注，由經編工藝加工而成的鉬絲金屬網非常適宜于制作高性能的天線反射體。然而因剛性大，斷裂伸長率低，鉬絲加捻并線后容易產生較大的殘余扭矩，使得股線外觀呈螺旋狀，在經編織造過程中容易造成經紗相互糾纏，從而影響織造過程的正常進行，甚至根本無法進行編織。因此對鉬絲并線過程中殘余扭矩的研究具有很重要的意義和緊迫性。

目前對于金屬絲的研究大多局限于對不銹鋼絲與常見的短纖維混紡加工技術和對其混紡紗線性能的分析［1-4］，對于鉬絲并線過程中殘余扭矩的研究很少。本文討論了鉬絲并線的必要性，嘗試在環錠細紗機上直接對鉬絲進行加捻并合，分析了并線過程中產生殘余扭矩的原因，討論了股線捻度與鉬絲股線殘余扭矩以及外觀形態的關系。

1 金屬鉬絲并線原理

1.1 金屬鉬絲并線的必要性

經編技術一般要求用于經編工藝的紗線要具有較好的延伸性和柔性，以利于紗線的成圈。但是鉬具有很高的彈性模量，彎曲性能較差。因此與普通的纖維紗線或化纖長絲相比，雖然鉬絲具有較高的強度，但其較高的剛度、較差的彎曲性能和延伸性能使其很容易在經編成圈過程中發生斷裂，從而給編織過程造成較大的困難，甚至無法進行編織。

根據剛性纖維柔軟度的評價方法，金屬纖維的柔性可通過纖維彎曲過程中最小曲率半徑的大小來衡量。最小曲率半徑r0與纖維直徑d以及纖維的拉伸斷裂伸長率εb有關，其關系式為:r0∝d/εb。可以看出，纖維直徑越小，拉伸斷裂伸長率越大時，纖維的最小曲率半徑越小，纖維越柔軟。因此，要提高鉬絲的柔性，可以通過減小鉬絲纖維的直徑或提高鉬絲的拉伸斷裂伸長率兩種途徑來實現。鉬絲斷裂伸長率的提高主要依靠鉬絲材料本身的性能以及絲材加工工藝的改進，傳統紡織技術對于鉬絲斷裂伸長率的提高幫助不大。因此從紡織工藝角度來看，可以通過對多根更細的鉬絲進行加捻并合，從而得到既具有足夠的機械強度，又具有良好柔性和彈性的經編用紗。

1.2 股線的加捻原理

股線是靠環錠細紗機的鋼絲圈回轉時對兩根或兩根以上并合的單紗進行加捻而成的。股線的各種性能在很大程度上決定于股線中所受應力分布狀態和結構的相互關系，一般采用捻幅來描述股線中纖維的分布和結構變化。

設股線中的單紗橫截面為橢圓形，單紗外層纖維捻幅為P0，距離單紗中心O1為r的任一點處的捻幅為P0';股線外層纖維的捻幅為P1，距離股線中心O2為R的任一點處的捻幅為P1'，則股線加捻后的綜合捻幅P=P1'－P0'。如圖1所示，當反向加捻，且股線捻幅為單紗捻幅的兩倍時，即P1=2P0，股線內外層的捻幅一致，內外層應力分布均勻，股線強力最佳。此時股線捻度T1與單紗捻度T2一致，即 T1=T2。

圖1 P1=2P0時的捻幅分布

2 試驗

2.1 試驗條件

本試驗所用的鉬絲纖維是由西北有色金屬研究院生產的未退火長絲，表面鍍金，平均直徑為25 μm，平均延伸率為2.5%，線密度與斷裂強度分別為58.5 dtex和1.76 cN/dtex。試驗設備采用由東華大學研制的X-01型環錠紡細紗試驗機。

2.2 試驗方案設計

首先對兩根金屬鉬絲進行預加捻，然后對預加捻單紗合并反向加捻成股線。在預加捻度一定的條件下，研究反向復捻的捻度變化對鉬絲股線殘余扭矩和外觀形態的影響。將股線捻度與單紗捻度的比值簡稱為捻比，捻比分別設置為 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4，從而可將股線捻度與股線殘余扭矩以及外觀形態的關系，轉化為捻比與殘余扭矩以及股線外觀形態的關系。

其他工藝參數:紡紗機錠速為3 500 r/min，鋼絲圈重量為0.027 5 g，單紗捻度設置為350、450、600 T/m三種。

3 試驗結果和分析

3.1 衡量鉬絲股線殘余扭矩的參數表征

在紡紗加捻時，纖維被拉伸和扭轉，紗線中因此儲存了與之相對應的扭應力，其中一部分在紡紗過程中被釋放，但仍有相當的應力保留下來，形成紗線的殘余扭矩［5-6］。由于金屬鉬絲具有剛性大、模量高、斷裂伸長率低的特點，相對于普通紡織紗線，其股線的殘留扭矩對外觀形態的影響更為顯著。如圖2所示，金屬鉬絲長絲經加捻并合后，在自然松弛狀態下呈現一種類似螺旋線的外觀形態。具有這種形態的鉬絲股線在相互接近的情況下很容易發生相互扭結的現象，從而嚴重影響鉬絲股線的可編織性。圖3表示4根鉬絲股線發生扭結時的外觀形態。

圖2 鉬絲股線外觀

圖3 鉬絲股線扭結外觀

為了便于定量分析股線捻度與股線殘余扭矩以及股線外觀形態的關系，依據實際鉬絲股線的外觀形態，本文提出以下兩個假設:①鉬絲股線自然松弛狀態下可近似為規則對稱的螺旋線形態;②沿平行于螺旋線中心軸方向的一平面對股線投影所得的圖形為一正弦波，波長與振幅分別記為λ與f，如圖4所示。

圖4 鉬絲股線投影波形

已知鉬絲股線自由狀態下螺旋線的波曲程度反映了殘余扭矩的大小，用振幅與波長的比值來表征鉬絲股線外觀形態的波曲程度。f/λ值越大，說明波曲程度越大，股線的殘余扭矩越大。

3.2 鉬絲股線的實際外觀形態

表1為測得的鉬絲股線外觀參數。

表1 鉬絲股線的外觀參數

由表1可知，隨著捻比的增加，特別是在捻比大于0.5之后，鉬絲股線的振幅與波長的比值f/λ顯著增加;而當捻比為0.2～0.5時，f/λ 值相對穩定在較低的水平。表明隨著捻比的增加，特別是捻比大于0.5之后，鉬絲股線外觀的波曲程度增大，殘余扭矩也增大，因此股線容易產生如圖5所示的自扭結現象。當股線的捻比接近1或大于1時，其外觀形態甚至呈現如圖6所示的彈簧狀。因此，在實際加捻并線過程中，應采用較低的捻比配置。

由圖7可知，隨著捻比的增加，股線外觀的波長呈下降趨勢，并且在相同捻比的條件下，初始單紗的捻度越大，股線的波長越小。經編機在送經過程中，大量的經紗相鄰密集地排列，鉬絲股線外觀的波曲容易造成經紗間的相互糾纏。單位長度內的波曲數量是產生糾纏的關鍵因素，單位長度內的波曲數越多，即波長越小，相鄰經紗發生糾纏的概率越大。因此，在實際加捻并線過程中，應盡可能采用較低的初始單紗捻度及捻比配置。

圖5 自動扭結外觀

圖6 彈簧狀股線外觀

圖7 捻比—波長圖

需要指出的是，當復捻捻度過低時，股線內單紗間的抱合松散，自然狀態下單紗間易出現較大的縫隙，從而會對股線的電磁波反射性能產生較大的影響。因此在實際加捻并線過程中，復捻的捻度不能過低，在保證股線內鉬絲相互緊密抱合的前提下，應盡量采用較低的單紗捻度和捻比配置。經過大量的試驗，本文認為采用單紗捻度為350 T/m、復捻捻度為120 T/m的捻度配置的鉬絲雙股線具有最佳的經編編織性能。

3.3 鉬絲股線殘余扭矩特性的分析

根據普通紡織纖維股線加捻原理，通過單紗的反向加捻可有效緩解殘余扭矩對股線外觀的影響。對于雙股線，當股線捻度與單紗捻度一致，即T1=T2時，股線內外層應力分布均勻，股線強力最佳，外觀也很好。而金屬鉬絲雖然也可通過對單紗進行反向加捻的方法來減小殘余扭矩，但在復捻捻度對殘余扭矩的影響上卻存在較大的差異。作者認為，造成這種差異的主要原因在于鉬絲材料本身的特性以及股線的結構。

普通的紡織纖維股線一般由大量的短纖維構成，無論是纖維的剛性，還是纖維的直徑都要比金屬鉬絲小得多，因此在加捻過程中產生的內應力較小。在加捻過程中，通過對單紗進行反向加捻，纖維可通過空間位置的轉移有效地釋放大部分殘余扭矩，因此它較少呈現如鉬絲一樣的外觀形態。

鉬絲股線是由數根連續態的鉬絲加捻并合而成的，材料本身的剛性以及單絲直徑都比普通紡織纖維大得多，在加捻過程中會產生較大的內應力。并且由于空間的束縛，連續態鉬絲不易通過軸向空間位置的變化來釋放內應力，因此鉬絲股線具有較大的殘余扭矩，且對外觀形態的影響也較大。

4 結論

本文討論了鉬絲并線的必要性，分析了在加捻并合過程中鉬絲產生殘余扭矩的原因，并分析了股線捻度的變化對鉬絲股線殘余扭矩以及外觀形態的影響。

(1)金屬鉬絲適用于織造衛星天線網狀反射材料，但其較大的剛性及較低的斷裂伸長率，使得單根鉬絲難以直接用作經編用紗。對多根更細的鉬絲加捻并合，得到的鉬絲股線既具有足夠的機械強度，又具有良好的柔性和彈性，滿足經編工藝的要求。

(2)經過環錠細紗機加捻并合后的鉬絲股線具有較大的殘余扭矩，外觀呈螺旋線形態。對單紗進行反向加捻，可減小股線的殘余扭矩，降低股線外觀的波曲程度，但無法完全消除股線的殘余扭矩。

(3)在保證股線內鉬絲緊密抱合的前提下，采用較低的單紗捻度和捻比配置，可減小股線的殘余扭矩，改善其外觀形態，使之易于編織。試驗表明，采用單紗捻度為350 T/m，復捻捻度為120 T/m的捻度配置的股線質量較好。

(4)對連續態金屬鉬絲進行加捻并合，并研究其殘余扭矩，國內外的應用實例很少，一般都在環錠紡的基礎上進行研究，因此不足之處有待改進和深入研究。如細紗機工藝參數(錠子轉速、鋼絲圈型號等)，對股線的殘余扭矩以及外觀形態的影響值得繼續研究;對于并線方式，傳統的環錠紡雖然可通過對單紗進行反向加捻等手段來減小連續態鉬絲股線的殘余扭矩，但改善的效果并不明顯，因此對于是否存在更適合的并線方式值得繼續研究。

［1］張亮，宋廣禮，楊昆.導電針織物的可編織性能的研究［J］.天津工業大學學報，2008，27(5):43-46.

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［6］楊昆，陶肖明，葉蔭權，等.一種新型針織用環錠紗的研制及應用［J］.紡織學報，2004，25(6):58-60.

Research on the residual torque during the twisting of molybdenum wire

Jia Wei，Chen Nanliang，Fu Ting
(College of Textiles，Donghua University)

The meshes，knitted from molybdenum wire，are used as the materials for the reflector of the mesh-surface antenna.During the twisting process，much of residual torque appear in the yarn.In this paper，the molybdenum wire was twisted directly on a ring spinning frame，developed by Donghua University.The reason for causing the residual torque during the twisting process was discussed，and the influence of twist of yarn on the residual torque and appearance of yarn were also analyzed.

molybdenum wire，mesh-surface antenna，twist，residual torque

TS101.2

A

1004－7093(2011)06－0022－04

*中央高校基本科研業務費專項資金(2010A06－3－1)

2010－10－15

賈偉，男，1986年生，在讀碩士研究生。主要從事產業用紡織品研究。