全聚賽絡(luò)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(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué)), 江蘇 無錫 214122)

目前，電磁屏蔽織物的發(fā)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(chǎn)品的耐久性、功能性、舒適性及環(huán)保性等，高附加值電磁屏蔽產(chǎn)品市場前景可觀。現(xiàn)階段市場上的電磁屏蔽服裝大都以化學(xué)鍍[1]、表面涂層[2]等方法以及使用金屬纖維進(jìn)行混紡、交織、非織造等方法[3]制備，但服用性較差，性價(jià)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(yōu)于短纖維的力學(xué)性能,且具有加工流程短和生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，逐漸進(jìn)入人們的視野。在不銹鋼長絲織物方面學(xué)者們已有較多研究，比如：不銹鋼長絲包芯紗的力學(xué)及毛羽性能[4]；影響屏蔽性能的關(guān)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(yīng)用。

本文通過全聚賽絡(luò)紡紗方式紡制棉/不銹鋼/氨綸雙芯紗，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并開發(fā)彈性電磁屏蔽織物，通過與棉/不銹鋼包芯紗織物性能進(jìn)行對(duì)比，模擬其在織物中的實(shí)際應(yīng)用情況，探究利用雙芯紗裝置開發(fā)彈性電磁屏蔽織物的可行性，以實(shí)現(xiàn)改善產(chǎn)品性能、開發(fā)高附加值產(chǎn)品的目標(biāo)，為挖掘全聚紡設(shè)備的生產(chǎn)潛能提供參考。

1 全聚賽絡(luò)雙芯紗生產(chǎn)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(nèi)部裝有吸風(fēng)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(qū)域共同構(gòu)成集聚區(qū)，紡紗過程中，在負(fù)壓作用下，集聚區(qū)內(nèi)須條運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)，提高成紗質(zhì)量[7]。

1—前羅拉；2—中羅拉；3—后羅拉；4—吸風(fēng)插件；5—阻捻膠輥；6—?dú)饬鲗?dǎo)向裝置；7—前膠輥；8、9—導(dǎo)絲輪；10—送絲輥；11—棉粗紗；12—氨綸絲；13—引絲膠輥；14—導(dǎo)絲羅拉；15—導(dǎo)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(xì)紗機(jī)原有的氨綸包芯紗裝置[8]上，加裝一套數(shù)控雙芯紗裝置(見圖1)，根據(jù)牽伸工藝設(shè)定及前羅拉測速編碼器的信號(hào)，通過伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)絲輥15同步輸出不銹鋼長絲，從而有效控制長絲的預(yù)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(gè)導(dǎo)絲輪喂入細(xì)紗機(jī)，與牽伸后的2股鞘紗分別匯合，經(jīng)過前羅拉表面集聚區(qū)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(yù)牽伸張力不同且表面均很光滑，在成紗過程中紗線結(jié)構(gòu)極難控制，因此，普通環(huán)錠紡紡成的棉/不銹鋼/氨綸雙芯紗成紗質(zhì)量很差，在紡紗實(shí)驗(yàn)中斷頭現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。利用嵌入式紡紗系統(tǒng)與全聚紡集聚系統(tǒng)相結(jié)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(chǎn)具有多花色、多結(jié)構(gòu)品種的復(fù)合紗線。長絲喂入位置及其穩(wěn)定性在很大程度上影響芯絲包覆效果，實(shí)驗(yàn)中2個(gè)導(dǎo)絲輪分別控制2根長絲的位置，如圖2中所示(圖中數(shù)字含義與圖1相同)。針對(duì)紡制的Z捻紗，這種紡紗三角區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)于左右任何一側(cè)而言，長絲位于棉纖維束中間偏左的位置時(shí)短纖維極易處于長絲表層，再經(jīng)過集聚區(qū)的聚集之后，對(duì)紗線的強(qiáng)力改善有極大幫助，很大程度上減少了斷頭現(xiàn)象的發(fā)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(qiáng)捻成紗，每束須條中的纖維在各自弱捻時(shí)有少量內(nèi)外層轉(zhuǎn)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(chǎn)生纖維再次轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，使紗條中纖維的內(nèi)應(yīng)力均衡，穩(wěn)定紗線結(jié)構(gòu)。

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

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

選用精梳棉粗紗經(jīng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案

在QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)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(hào)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(hào)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(hào)為5*、6*、9*。參考相關(guān)紡紗實(shí)踐[10-11]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析加入氨綸前后時(shí)紗線和織物性能，從而確定彈性電磁屏蔽織物的可行性。細(xì)紗工藝參數(shù)如表1所示。

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

注：E后為后區(qū)牽伸倍數(shù)；E總為總牽伸倍數(shù)；2、4、6號(hào)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(jī)進(jìn)行雙芯紗的編織，機(jī)號(hào)為12針/(25.4 mm)，起針300針，橫列數(shù)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(hào)將織物依次編號(hào)為1#～9#號(hào)。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，編織過程中所有織物的工藝參數(shù)盡可能相同，織物的基本參數(shù)見表2所示。

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

2.4 性能測試

為減少實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)測試條件均為：溫度(23±2) ℃、相對(duì)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(jù)GB/T 4743—1995《紗線線密度的測定 絞紗法》，使用YG086縷紗測長機(jī)、JA2003型電子天平測試紗線線密度；依據(jù)FZ/T01057.3—2007《紡織纖維鑒別試驗(yàn)方法第3部分：顯微鏡法》，使用 Y172型纖維切片器結(jié)合MOTTC B1型顯微鏡進(jìn)行紗線截面實(shí)驗(yàn)；依據(jù)GB/T 3916—1997《紡織品 卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》，使用YG086C全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀測試紗線強(qiáng)力等性能。

通過分析SAGD采油過程中的余熱，結(jié)合AHP技術(shù)的特點(diǎn)并基于熱力學(xué)分析方法，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和可操作性的前提下，給出了幾種利用通過AHP技術(shù)利用SAGD余熱的方案，以期能夠?yàn)樘岣逽AGD采油工藝過程能源利用效率提供開發(fā)策略。

2.4.2織物性能測試

依據(jù)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(jù)GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測定 鋼球法》，使用HD026N+型電子織物強(qiáng)力儀測試針織物頂破強(qiáng)力性能；依據(jù)FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復(fù)率試驗(yàn)方法》，使用YG026C型電子織物強(qiáng)力機(jī)測試織物彈性回復(fù)性能；依據(jù) 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(wǎng)絡(luò)分析儀、法蘭同軸裝置及TS0210A1型10 dB網(wǎng)絡(luò)衰減器對(duì)織物的電磁屏蔽性能進(jìn)行測試；依據(jù)美國AATCC TM202—2012《紡織品服裝 相對(duì)手感值得評(píng)定：儀器法》，采用PhabrOmeter織物手感評(píng)價(jià)系統(tǒng)測試織物柔軟度、硬挺度等織物風(fēng)格性能。

3 結(jié)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(duì)應(yīng)的CU-6型纖維橫截面取樣軟件進(jìn)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(xiàn)直徑較大的圓形，構(gòu)成紗線鞘紗的棉纖維是有中腔的腰圓形結(jié)構(gòu)，作為芯絲的不銹鋼長絲直徑略小于羊毛的圓形結(jié)構(gòu)，圖中用“鋼”來標(biāo)識(shí)，氨綸長絲較為柔軟、易變形，切片時(shí)極易被擠壓，故氨綸形狀不穩(wěn)定，圖中用“氨綸”來標(biāo)識(shí)。

由圖3可觀察出，對(duì)比同時(shí)包覆2根長絲的紗線線密度不同的1*、3*、5*雙芯紗產(chǎn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)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(duì)分散，但沒有露絲現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象，為織物服用性能的提高和多彩功能性新產(chǎn)品的創(chuàng)造提供可能。

圖3 紗線橫截面結(jié)構(gòu)(×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(zhì)量

表3 紗線的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of yarns

由表3可知，試樣2*強(qiáng)力值最大，試樣5*強(qiáng)力值最小。對(duì)比試樣1*和2*、試樣3*和4*、試樣5*和6*，紗線細(xì)度相同時(shí)內(nèi)包2根長絲的雙芯紗強(qiáng)力均稍弱于不銹鋼長絲包芯紗，伸長率優(yōu)于不銹鋼長絲包芯紗。分析其原因?yàn)椋啾容^不銹鋼長絲包芯紗，內(nèi)包不銹鋼長絲和氨綸長絲的紗線結(jié)構(gòu)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(shí)纖維整體的強(qiáng)力利用率低。這就需要在紡紗過程中更穩(wěn)定地控制長絲位置和長絲預(yù)牽伸倍數(shù)。

3.2 織物性能分析

3.2.1織物強(qiáng)力及彈性回復(fù)性能

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

表4 織物強(qiáng)力及彈性回復(fù)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(fù)性能均優(yōu)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(fù)性能都很明顯地優(yōu)于不銹鋼長絲包芯紗織物。成紗過程中的氨綸長絲由于預(yù)牽伸作用被拉伸，拉伸后的氨綸和預(yù)牽伸倍數(shù)極小的不銹鋼長絲被同時(shí)包覆進(jìn)棉纖維束中，因此成紗之后紗線結(jié)構(gòu)中的氨綸在織物的彈性回復(fù)性能上發(fā)揮了極大作用。另外，縱向拉伸時(shí)，拉力引起的線圈圈柱定向的改變很大，比之線圈中紗線轉(zhuǎn)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(fù)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(duì)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(shí)，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(xiàn)逐漸減弱的趨勢，當(dāng)測試頻率到達(dá)1 000 MHz及以上，試樣屏蔽性能曲線趨于緩和；對(duì)比試樣1#和2#、3#和4#、5#和6#，相同細(xì)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(qiáng)。分析其原因?yàn)榧尤氚本]長絲后，由于氨綸絲的回彈作用，針織物結(jié)構(gòu)變得更加緊密，橫列和縱行上紗線根數(shù)增加，使得相同織物面積里發(fā)揮屏蔽電磁作用的不銹鋼長絲含量增加從而增強(qiáng)了織物的電磁屏蔽效果。另外，雙芯紗織物紗線間的接觸點(diǎn)增多也會(huì)對(duì)織物電磁屏蔽效果起到一定的增強(qiáng)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(duì)200～1 400 MHz不同頻段電磁波的屏蔽效能，對(duì)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(dāng)不銹鋼長絲直徑增加時(shí)，相同織物測試面積中導(dǎo)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(duì)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(fēng)格

表5示出織物風(fēng)格測試指標(biāo)。可知，雙芯紗織物硬挺度、懸垂系數(shù)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(shí)緊密，使得紗線彎曲剛度比不銹鋼長絲包芯紗大。對(duì)比試樣1#、3#、5#和試樣2#、4#、6#可知紗線直徑對(duì)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(shù)越小。

表5 織物風(fēng)格測試結(jié)果Tab.5 Test results of fabric style

對(duì)比試樣1#和2#、3#和4#、5#和6#，雙芯紗織物柔軟度和相對(duì)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(guān)，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(jié) 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(xì)紗機(jī)上紡制不同細(xì)度雙芯紗和不銹鋼長絲包芯紗，并織造6種針織物。研究結(jié)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(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，紗線包覆效果良好，并且可以有效提高紗線伸長率。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可根據(jù)外包纖維品種、特性及最終產(chǎn)品的風(fēng)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(fù)性能大大提升，頂破強(qiáng)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(duì) 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(qiáng)，平面波頻率處于較低水平時(shí)，各織物的屏蔽性能均大于10 dB，可對(duì)生活中大部分電子設(shè)備起到防輻射作用，維護(hù)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(shè)備生產(chǎn)以不銹鋼長絲和氨綸長絲作為芯絲的雙芯紗產(chǎn)品織造彈性電磁屏蔽織物具有可行性，今后可考慮開發(fā)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(chǎn)品的制造提供可能。

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