加捻金屬絲紗線的制備及其彎曲剛度

徐海燕， 陳南梁， 蔣金華， 邵光偉

(1. 泉州師范學院 紡織與服裝學院， 福建 泉州 362000； 2. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 3. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

高性能紗線具有高強、高模、低延伸率的特點，目前被越來越多地運用到針織物中，如可穿戴針織物[1]、針織基布復合材料[2-3]等。一般需要將高性能紗線彎曲成線圈形成針織物，但是成圈針織結構中紗線在較小的半徑和鋒利的尖角處彎曲形成線圈結構，會導致高性能紗線在此過程中受到一定的損傷[4]。很多學者[5-7]研究發現，針織過程中會對高性能紗線產生較大的損傷，甚至在針織物表面形成織物破洞、紗線斷頭、大量起毛，從而影響針織物的性能。目前通過優化紗線參數以及設置針織設備最佳運行狀態，可順利實現很多高性能纖維編織[8-10]，其中紗線的彎曲剛度對其是否能順利編織成針織物具有很大影響[11-13]。SASAKI等[12]明確指出紗線的彎矩越大，即彎曲剛度越大，紗線的可編織性下降，因此，對用于針織的金屬絲紗線的彎曲剛度進行研究具有重要意義。

鍍金鉬絲是航空天線中發射網面的主要材料，該材料可根據不同的反射頻率編織成不同網孔大小的經編網狀結構。本文以鍍金鉬絲為研究對象，對不同線密度的鍍金鉬絲單絲分別采用轉杯紡和管絞機進行加捻，比較了2種加捻工藝對金屬絲紗線外觀形態的影響，并測試了單絲和加捻紗線的彎曲剛度，進而分析降低金屬絲紗線剛度的方法，以期為金屬網的順利編織提供參考。

1 實驗部分

1.1 材 料

鍍金鉬絲單絲：1#鍍金鉬絲的單絲直徑為17 μm，線密度為2.6 tex，斷裂伸長率為2.89%；2#鍍金鉬絲的單絲直徑為27 μm，線密度為5.6 tex，斷裂伸長率為3.76%。2種鍍金鉬絲均為西北有色金屬研究院生產的未退火長絲，表面鍍金。

1.2 加捻金屬絲紗線的制備

1.2.1環錠紡加捻工藝

利用傳統的環錠紡方法對多根金屬單絲進行加捻獲得金屬絲復絲，加捻設備采用東華大學研制的X-01型環錠紡細紗實驗機。紡制2種規格的金屬紗線，編號為3#、4#：其中3#金屬絲紗線由4根1#金屬絲單絲加捻而成，4#金屬絲紗線由3根2#金屬絲單絲加捻而成。紡紗機轉速為3 500 r/min，鋼絲圈質量為0.027 5 g，單紗捻度設置為40捻/(10 cm)。

1.2.2管絞機加捻工藝

對鍍金鉬絲采用管絞機進行加捻并線，如圖1所示。本文實驗采用HTU-25-4型新型超細金屬絲管絞機(常州市蘇云電氣有限公司)進行鉬絲的并線實驗。絞線速度為4 r/min，放線盤張力為0.1 N，紗線的絞合節距均為2.5 mm，單紗捻度設置為40捻/(10 cm)，紡制2種規格的金屬紗線，編號為5#、6#，其中：5#金屬絲紗線由4根1#金屬絲單絲并線而成，其線密度為10.5 tex，捻系數為129.6；6#金屬絲紗線由3根2#金屬絲單絲并線而成，其線密度為16.7 tex，捻系數為163.5。

1—管狀筒體； 2—放線盤； 3—單絲； 4—模具；5—牽引裝置； 6—導輪； 7—擺桿； 8—滑輪； 9—收線盤。圖1 管絞機并線示意圖Fig.1 Sketch map of twisting processing in tubular strander

在管絞機并線的過程中，管狀筒體1按照一定速度轉動，單絲放線盤2垂直放置在搖籃架上，搖籃架固定在筒體的中心線位置，在筒體旋轉的過程中，放線盤始終保持垂直位置。在管絞機的內部最多可放置7個放線盤，即最多可進行7根單絲的并線。單絲由放線盤引出后經筒體中心引向筒體壁，沿管壁前進后經固定的模具4(加捻區域)，由筒體的轉動將各根單絲在加捻區域加捻并線，然后經牽引裝置5、導輪6、擺桿7和滑輪8將并線后的紗線繞到收線盤9上。

1.3 紗線的彎曲剛度測試

采用KES-FB2型純彎曲試驗儀(日本加多技術有限公司)測試紗線的彎曲性能，在紙板內裁剪出尺寸為11 mm×60 mm的長方形，將紗線均勻平行地排列在紙板中鏤空的長方形中，共排列60根。將長方形上下兩端的紙板去除后夾在夾頭內進行紗線的純彎曲實驗，如圖2所示[14]。本文分別測試了2種單絲(1#、2#)和并線后2種復絲(5#、6#)的彎曲剛度。

圖2 紗線彎曲實驗試樣Fig.2 Sample of yarn for bending stiffness test

1.4 紗線外觀形態觀察

利用kh-1000型三維視頻顯微鏡(美國科視達公司)觀察并線前后紗線的外觀形態。

2 結果與討論

2.1 加捻金屬絲紗線的外觀形態

2.1.1環錠紡法

圖3示出利用環錠紡加捻后金屬絲紗線的外觀形態。對多根鍍金鉬單絲進行環錠紡時發現，鍍金鉬絲經過加捻并線后，在自然松弛狀態下呈現出類似螺旋線的外觀形態(見圖3(a))，此時具有這種外觀形態的多根鍍金鉬絲復絲在相互接近的情況下很容易扭結在一起(見圖3(b))，使得紗線的條干及外觀惡化。鍍金鉬絲紗線發生扭結的主要原因是紗線存在較大的殘余扭矩[15-16]。在采用環錠紡工藝紡紗時：一方面在單絲退繞過程中給單絲加上了一定的捻度，另一方面單絲在加捻過程中由于退繞時處于自由狀態，而沒有始終處于伸直狀態。這兩方面原因導致金屬絲難以用傳統的紡紗工藝進行加工，容易產生較大的殘余扭矩。金屬絲紗線在加捻過程中會產生較大的內應力，且無法通過軸向空間位置的變化來釋放，使得紗線具有較大的殘余扭矩。同時由于金屬絲高剛度、高模量、低延伸率等特點使得殘余扭矩對紗線外觀的影響較為顯著，也影響著后續編織工藝的順利進行，用該法紡得紗線無法進行針織加工，未進行下一步彎曲剛度的分析。

圖3 鍍金鉬絲股線的扭結現象Fig.3 Kinking of metal plied yarn. (a) Monofilament (b) Multifilaments

2.1.2管絞機并線法

采用管絞機進行加捻并線的鍍金鉬絲紗線外觀如圖4所示?？芍浩浣Y構緊密均勻，外觀平直光潔，沒有明顯的殘余扭矩，相鄰紗線間不易發生相互纏結，紗線本身自向扭結的現象較少，大大提高了鍍金鉬絲紗線的可編織性。

圖4 管絞機并線獲得的鍍金鉬絲外觀Fig.4 Metallic plied yarn twisted by tubular strander

由圖1可知，當筒體1旋轉時，放線盤2固定在搖籃架上始終保持垂直位置，起單絲退扭作用，因此，在并線時，單絲只受撓曲作用，而不發生扭轉，即單絲不繞自身的軸線轉動，在絞合過程中沒有出現自扭變形，沒有扭轉內應力，紗線并線結構可保持穩定。同時單絲在達到加捻區域前，一直處于伸直狀態，該工藝可盡可能地降低各單絲在加捻過程中產生的內應力。

由于單絲在加捻前始終處于伸直狀態且未受到扭力作用，僅在加捻區域與其他單絲加捻并線，紗線中的殘余扭矩較少。圖5示出金屬單絲在管絞機加捻區域之間的走向。若放線盤隨著筒體旋轉(見圖5(a))，當筒體旋轉過一定的角度，在單絲進入加捻區域前，由于筒體的轉動而給單絲加上一定的旋轉，使得單絲受到力的作用而發生扭轉，筒體旋轉1周即給單絲增加1個捻回。而在管絞機上，放線盤固定在搖籃架上，搖籃架保證處于筒體中心的放線盤始終處于垂直位置，并未沿著筒體旋轉(見圖5(b))：因此，在加捻區域前單絲并未受到扭力的作用，也未給自身增加捻回數，因此可獲得殘余扭矩較少的加捻紗線。

圖5 金屬單絲在管絞機加捻區域之前的走向Fig.5 Trends of monofilament in tubular strander before twisting. (a) Pay-off stand rotating with tubular cylinder;b) Pay-off stand always keeping vertical in twisting processing

2.2 單絲線密度對紗線彎曲剛度的影響

金屬絲單絲和紗線的彎曲剛度測試結果如表1所示。為進一步比較在相同線密度下紗線的彎曲剛度，分別將金屬絲單絲，即纖維的彎曲剛度和金屬絲紗線的彎曲剛度換算成相對彎曲剛度。纖維的彎曲剛度計算公式[17]為

(1)

式中：Bf為纖維的彎曲剛度，cN·cm2；E為纖維的彈性模量，cN/tex；ηf為截面形狀系數，其值小于1；Ntf為纖維的線密度，tex；ρ為纖維的密度，g/cm3。

表1 金屬絲紗線的彎曲剛度Tab.1 Bending rigidity of metal yarn

纖維的相對彎曲剛度計算公式[17]為

(2)

式中：Bfr為纖維的相對彎曲剛度，cN·cm2/tex2。

對于1#和2#單絲，將測得的纖維彎曲剛度轉化為相對纖維彎曲剛度，如表1所示?？芍?， 2種單絲的相對彎曲剛度較接近，這是由于2種單絲的原材料是相同的，因此，也證明了本文方法測試纖維和紗線彎曲剛度的準確性。

紗線的彎曲剛度的計算公式[17]為

(3)

式中：By為紗線的彎曲剛度，cN·cm2；Nty為紗線的線密度，tex；α為表層纖維的傾斜角，(°)；N為纖維彎曲剛度和纖維扭轉剛度的比值。

則，紗線的相對彎曲剛度為

(4)

式中：Byr為紗線的相對彎曲剛度，cN·cm2/tex。

由表1可知，根據式(4)計算得出6#紗線的相對彎曲剛度比5#紗線高，即紗線中單絲線密度越小，相同線密度下紗線的彎曲剛度越小。

(5)

由于只考慮單絲線密度對紗線彎曲剛度的影響，纖維材料是相同的，因此，N為常數。即紗線的相對彎曲剛度與紗線中單絲的線密度成正比，同時與α成反比關系。

6#紗線和5#紗線的相對彎曲剛度之比為2.45，二者的單絲線密度之比為2.15，即紗線的彎曲剛度與單絲線密度成正比關系；但二者之間的比值還存在一定誤差，這是由于相同捻度下，6#紗線中的α角比5#紗線中大，一定程度上削弱了單絲線密度對彎曲剛度的影響。

3 結 論

本文對不同線密度的鍍金鉬絲單絲進行加捻并線形成金屬絲紗線，并研究了單絲的線密度對紗線彎曲剛度的影響，得出以下結論。

1)利用傳統加捻方法對高剛度、高模量、低延伸率的鍍金鉬絲進行加捻后，金屬絲紗線具有大量殘余扭矩，使得紗線外觀形態出現扭結，妨礙紗線進一步加工形成針織物；利用管絞機進行加捻并線后，金屬絲紗線具有良好的外觀形態，殘余扭矩較少。

2)對金屬絲單絲和利用管絞機加捻并線后的金屬絲紗線進行彎曲剛度的測試，并將紗線的彎曲剛度測試結果換算為相對彎曲剛度，即紗線相同線密度下的彎曲剛度，結果表明紗線的相對彎曲剛度與紗線中纖維的線密度成正比關系。在紗線的線密度、纖維材料、捻度等條件不變的情況下，可通過降低紗線中纖維的線密度來降低剛性紗線的彎曲剛度，以利于后期織物的編織和生產。

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