不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗的彈性與電學性能

趙亞茹， 肖 紅， 陳劍英

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 軍事科學院系統工程研究院 軍需工程技術研究所， 北京 100010；3. 武漢紡織大學 材料科學與工程學院， 湖北 武漢 430000)

相比于金屬和其他剛性屏蔽材料[1]以及導電橡膠[2]和薄膜類[3-4]等柔性屏蔽材料，含不銹鋼纖維的紗線及織物[5]具有質量輕且柔軟、價格便宜、導電和導磁、環境穩定性等優良性能，在電磁兼容和屏蔽方面得到廣泛應用，如電磁屏蔽織物[6]、雷達散射織物[7]、超潔凈抗靜電工作服等[8]。但是，不銹鋼纖維依然較為剛挺，和棉或其他纖維混紡時手感硬挺且不易變形[9]，難以滿足尺寸適應性要求較高的應用場合，如曲面以及形狀復雜的電子器件等。通過對紗線結構設計，將不銹鋼短纖維混紡紗與彈性纖維結合，賦予紗線良好的彈性，制備兼具彈性和電磁屏蔽性能的面料，實現對曲面等復雜形狀的適應性。

目前，彈性導電紗線多用于紗線傳感器[10]，如通過在橡筋絲表面鍍覆聚苯胺類導電高分子，在粗旦氨綸上涂敷導電類物質[11]，將粗旦氨綸和導電纖維并合等方法構成紗線傳感器。對彈性導電紗線的研究多聚焦于應變下電學性能的變化，而未關注其力學性能，一般不能用于織造[12]。可用于工業化織造的彈性導電紗線有以下幾種：以單一彈性長絲為芯紗[13]或彈性長絲和金屬長絲同時作為芯紗[14]，以金屬長絲、金屬長絲復合紗、金屬短纖維混紡紗為外層包覆紗的包芯紗。金屬長絲剛性大且不易變形，其作為外包紗或芯紗時無法隨彈性纖維的伸長而伸長，使紗線彈性受到限制，此類彈性導電纖維的應變與電阻相關性的研究較少。

為了開發性價比高、適用于批量工業化織造的彈性導電紗線，進一步開發彈性電磁屏蔽織物，本文以氨綸長絲作為芯絲、外包不銹鋼短纖維/棉混紡紗線，開發具有彈性的氨綸長絲包覆紗線，研究其彈性、應變和電阻的相關性，為開發兼具彈性和電學性能的紗線及織物提供技術參考。

1 實驗樣品

實驗樣品規格見表1。可以看出，除紗線3#、4#之外，其余9種紗線均含線密度為4.4 tex的氨綸長絲；紡紗時，氨綸絲作為芯紗牽伸3倍，外部包覆不銹鋼短纖維/棉混紡紗條，得到2種不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗，紗線1#和2#中的不銹鋼纖維含量分別為30%、20%(不銹鋼纖維的含量是指作為外包紗的不銹鋼短纖維/棉混紡紗中不銹鋼短纖維的含量)。為提升紗線彈性，將2根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗合股、2根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗與1根氨綸長絲合股、1根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗與1根棉/氨包覆紗合股，制備了系列彈性紗線。同時以不銹鋼短纖維/棉混紡紗、棉/氨綸包覆紗作為對照組，進行系列實驗。

在測試前，紗線1#、2#、5#、6#、…、11#均含氨綸長絲，在沸水中煮10 min，使紗線得到充分的松弛，晾干后進行測試。

表1 實驗樣品規格Tab.1 Sample specifications and related data

2 測試方法

2.1 紗線彈性回復率和塑性變形率測試

根據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)》進行參數設置：Instron 5566型萬能試驗機的傳感器量程為100 N，夾持隔距為200 mm，拉伸速度為200 mm/min；定伸長值為夾持長度的50%，即100 mm。

非彈性紗線預加張力為0.5 cN/tex；彈性紗線參考FZ/T 50007—2012《氨綸絲彈性試驗方法》的預加張力選擇表，根據試樣的線密度選擇合適的預加張力。

測試步驟：取伸直而不伸長的紗線[15-16]，夾持在Instron5566萬能試驗機上，夾持隔距即試樣原長200 mm，加上預加張力，以200 m/min的速度拉伸，拉伸100 mm后，再回復至原長，如此往復拉伸5次，第6次拉伸至定伸長值后，停頓松弛5 s，然后等速回復至原位，停置松弛10 s，再一次拉伸試樣至其應力等于預加張力，此時試樣長度為L2。

彈性回復率和塑性變形率的計算公式為：

式中：R為彈性回復率，%；σ為塑性變形率，%；L0為試樣原始長度，mm；L1為試樣拉伸后長度，mm；L2為試樣復位且松弛10 s后施加預加張力時的長度，mm。

2.2 紗線應變-電阻測試

預加張力選擇和設置同2.1節。對于非彈性紗線，在伸直而不伸長狀態下進行測量；對于彈性紗線，根據預加張力選擇表選取相應的預加張力。

具體操作過程：用膠帶對Instron 5566萬能試驗機夾頭進行絕緣處理，將萬用表夾頭固定在萬能試驗機上，調整萬用表夾頭的間距為10 cm，儀器上下夾頭的距離為15 cm；依次用萬能試驗機上夾頭、萬用表上夾頭夾住紗線，然后在萬用表上夾頭處纏繞幾圈(防止拉伸過程中滑移)，用對應預加張力的鋁箔夾在紗線上，調節鋁箔至下夾頭處，再纏繞固定紗線，用萬用表下夾頭、萬能試驗機下夾頭夾住紗線，讀取此時萬用表的數據，此后，以100 mm/min的速度拉伸試樣，每拉伸10 mm記錄1次電阻、強力和伸長數據，直至紗線斷裂。

2.3 形貌觀察

用NCL-2光學顯微鏡(德國Union儀表公司)，觀察纖維的微觀形態。操作過程：將紗線的兩端用透明膠帶黏到載玻片上，使紗線保持自然卷曲狀態，蓋上蓋玻片，將玻片放在載物臺上，用壓片固定，調整到合適位置及放大倍數，進行觀察。

3 結果與分析

3.1 紗線的彈性

不銹鋼短纖維含量不同時紗線的彈性回復率和塑性變形率見圖1。

圖1 不銹鋼短纖維含量不同時紗線的彈性回復率和塑性變形率Fig.1 Elastic recovery rate and plastic deformation rate of yarns with different stainless steel short fiber content

由圖1看出，紗線1#、2#、5#的彈性回復率分別為70.68%、75.45%、90.11%，塑性變形率分別為14.66%、12.28%、4.95%。可見，不銹鋼短纖維含量越高，外包紗的剛性越大，限制了氨綸長絲的伸長和回復，紗線彈性回復率越小，塑性變形率越大，紗線彈性越差。

紗線1#、3#分別是不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗、不銹鋼短纖維/棉混紡紗，均含30%不銹鋼短纖維。紗線1#的彈性回復率為70.68%，塑性變形率為14.66%；定伸長反復拉伸時，紗線3#斷裂。可見，加入氨綸長絲，使紗線彈性大大提高。紗線2#和4#有相同現象：紗線2#的彈性回復率為75.45%，塑性變形率為12.28%；4#紗線在相同定伸長反復拉伸時斷裂。

加入氨綸長絲提高了紗線的彈性；含不銹鋼短纖維越多，外包紗剛性越大，限制氨綸長絲的彈性伸長，紗線彈性性能越差。

3.2 紗線的電學性能

3.2.1 典型的應變-電阻曲線圖

彈性紗線拉伸過程中形貌變化示意圖見圖2，彈性紗線典型的應力-應變和應變-電阻曲線見圖3。

圖2 彈性紗線拉伸過程中形貌變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of yarn shape change during stretching

圖3 彈性紗線典型的應力-應變和應變-電阻曲線Fig.3 Typical stress-strain and strain-resistance curves

對不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗施加應力，紗線在拉伸過程中共分為4個階段，對應不同的形貌變化、應力-應變和應變-電阻特征。

1)未受力階段。紗線應力、電阻對應圖3中A′、A點。紡紗時，氨綸長絲作為芯紗，牽伸3倍后，外包不銹鋼短纖維/棉混紡紗；外力撤去后，氨綸長絲回縮，帶動外層包覆紗發生屈曲，紗線形貌如圖2中a所示。

2)氨綸長絲發生彈性形變階段。受外力作用時，氨綸長絲的初始模量較小，先受力被拉伸，直到氨綸長絲彈性形變消失，外包紗開始受力，此時外包紗處于伸直不伸長狀態，紗線整體形貌如圖2中b所示，應力如圖3中B′所示，整個拉伸過程應力無明顯變化。

拉伸過程中，氨綸長絲逐漸變細，外包紗屈曲減小，逐漸伸直，但粗細不變。外包紗屈曲時，不銹鋼短纖維發生彎曲、折疊等，具有較多的有效搭接，電阻較小；外包紗逐漸被拉直，不銹鋼短纖維也逐漸伸直，纖維間接觸減少，電阻增加；當外包紗處于伸直不伸長狀態，電阻最大，對應圖3中應變-電阻曲線的B點。

3)外包纖維部分受力直到斷裂階段。氨綸長絲和外包紗同時受力，模量迅速增加，隨著應變增加，應力大幅度提高，直到紗線斷裂，應力變化如圖3中B′C′；紗線逐漸變細，紗線形貌如圖2中c所示。拉伸過程中，外包紗變細，不銹鋼短纖維間接觸概率增加，紗線電阻逐漸減小，直到斷裂前，達到最小值，對應應變-電阻曲線BC段。

4)紗線斷裂。如圖3中虛線箭頭所示，應力驟降，電阻驟升，不可測量。

3.2.2 紗線中不銹鋼短纖維含量對電阻的影響

不同不銹鋼短纖維含量的紗線的應變-電阻曲線見圖4。可以看出：紗線1#中不銹鋼短纖維含量高于紗線2#，無論處于哪個拉伸應變階段，紗線1#的電阻均小于紗線2#；隨著應變增加，電阻呈先升高后降低的趨勢，直至紗線斷裂，和前述典型的應變-電阻曲線一致。拉伸過程中，不銹鋼短纖維的接觸狀態直接影響電阻，電阻發生數量級的變化，紗線1#的電阻從2 927 Ω降低到625 Ω，遠高于不銹鋼短纖維含量對電阻的影響。

圖4 不同不銹鋼短纖維含量紗線的應變-電阻曲線Fig.4 Strain-resistance curves of yarns with different stainless steel short fiber content

3.2.3 彈性對電阻的影響

不同彈性紗線的應變-電阻曲線見圖5。紗線1#、2#分別是以紗線3#、4#為外包紗，氨綸長絲為芯紗制成的不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗。氨綸絲的加入，對紗線的電阻影響較為復雜，大致分為3個階段。

圖5 不同彈性紗線的應變-電阻曲線Fig.5 Strain-resistance curves of different elastic yarns

1)未受力階段。紗線3#、4#的電阻分別為5 160、3 296 Ω，紗線1#、2#的電阻分別為934、1 077 Ω，可知含氨綸長絲的紗線電阻較低。由3.2.1節紗線未受力階段可知，含氨綸長絲的紗線，外包紗屈曲，單位長度內不銹鋼短纖維數量增加，不銹鋼短纖維之間發生搭接，使電阻降低。

2)拉伸階段。由3.2.1節可知，隨著拉伸，紗線1#、2#中氨綸長絲先受力，外包紗伸長，不銹鋼短纖維間接觸減少，電阻增加；繼續拉伸，紗線整體受力，外包紗變細，不銹鋼短纖維間接觸緊密，紗線電阻降低。紗線3#、4#中不含氨綸長絲，在外力作用下，紗線受力變細，不銹鋼短纖維間接觸增加，在2%的形變下，電阻發生數量級降低，從5 160 Ω降低到490 Ω。紗線拉伸至斷裂前，不銹鋼短纖維接觸十分緊密，而氨綸長絲的存在，會影響部分不銹鋼短纖維的接觸，因此紗線1#、2#電阻略大于紗線3#、4#。

3)斷裂階段。紗線斷裂后，電阻驟升，不可測量。

3.2.4 合股方式對電阻的影響

3.2.4.1 不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗合股 紗線1#、2#、6#、7#的應變-電阻曲線見圖6。2根紗線1#合股組成紗線6#，初始階段，合股后紗線彈性大，屈曲大，單紗內部的不銹鋼短纖維之間、單紗之間均接觸不緊密，紗線6#的電阻大于紗線1#；隨著拉伸，單紗內部不銹鋼短纖維接觸緊密，并且單紗間不銹鋼短纖維發生搭接，電阻降低，紗線6#電阻小于紗線1#。同理，2#和7#紗線呈現出同樣的規律。由此可知，單紗合股并線可降低紗線的電阻。

圖6 紗線1#、2#、6#、7#的應變-電阻曲線Fig.6 Strain-resistance curves of 1#、2#、6#、7# yarn

3.2.4.2 2種彈性紗合股 紗線8#和9#由不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗和棉/氨包覆紗合股而成，紗線彈性較好，屈曲較大，測試時，萬用表夾頭夾持的可能是不同股紗線，所以無法測出數據。

圖10 紗線1#的狀態Fig.10 Status of 1# ammonia covered yarn. (a) Entire state of yarn(×70); (b) Spandex yarn broken portion in yarn(×130); (c) Spandex yarn unbroken portion in yarn(×130)

3.2.4.3 彈性紗和氨綸絲合股 紗線1#與10#的應變-電阻曲線見圖7，紗線2#與11#的應變-電阻曲線見圖8。可以看出，包覆紗和股線變化趨勢相同，紗線合股進一步提高了紗線的彈性，但是沒有改變紗線電學性能的變化趨勢，它們的電阻在同樣的應變點達到最大。

圖7 紗線1#與10#的應變-電阻曲線Fig.7 Strain-resistance curves of 1# and 10# yarn

2根紗線1#和1根氨綸絲合股形成紗線10#。初始階段，股線中的紗線1#均產生較大的屈曲，不銹鋼短纖維的接觸減小，紗線10#電阻大于紗線1#；隨著拉伸，股線中單紗內部不銹鋼短纖維接觸緊密，同時單紗間不銹鋼短纖維發生搭接，股線電阻小于紗線1#；繼續拉伸，股線中單紗抱合緊密，但氨綸長絲影響不銹鋼短纖維的接觸，同時，股線整體的不銹鋼短纖維的含量要低于單紗，綜合因素，在應變30%～40%之間，股線電阻大于單紗。同理，紗線11#呈現出相同的變化趨勢。

3.2.5 氨綸芯絲的斷裂現象

紗線1#、2#、5#、6#、7#的表觀形態見圖9，紗線1#的狀態見圖10。

由圖9看出，紗線1#、2#、6#、7#沿長度方向出現交替伸直(圓形區域)和屈曲2種狀態，而紗線5#棉/氨包紗，沿長度方向一直呈現屈曲狀態。對紗線1#進行單獨觀察，如圖10所示，紗線經過沸水處理發生應力松弛，芯紗氨綸長絲發生回縮，外包纖維隨之收縮，在芯絲外面形成屈曲狀態，氨綸絲斷裂時，無法帶動外包紗回縮，因此紗線是伸直狀態。

4 結束語

以氨綸長絲為芯紗，不銹鋼短纖維/棉混紡紗為外包紗，制備不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗。為提高紗線的彈性，將2根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗合股、2根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗與氨綸長絲合股、1根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗與1根棉/氨包覆紗合股，制備一系列兼具彈性和導電性能的紗線。測試分析了所制備彈性紗線的應變-電阻曲線、彈性、紗線形態等指標。結果表明：不銹鋼短纖維的含量增加，紗線導電性能增加，彈性回復率降低，塑性變形增大；單紗合股增加了紗線的彈性，未改變紗線電學性能變化規律；1#、2#、5#等彈性紗線的彈性回復率均大于70%，塑性變形率均小于15%；隨著拉伸，電阻先增加后降低，存在顯著變化，因此需要進一步開發隨著拉伸電阻保持恒定的彈性導電紗線。