徐海燕， 陳南梁， 蔣金華， 邵光偉

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

高性能紗線具有高強(qiáng)、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(fù)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(jié)構(gòu)中紗線在較小的半徑和鋒利的尖角處彎曲形成線圈結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致高性能紗線在此過程中受到一定的損傷[4]。很多學(xué)者[5-7]研究發(fā)現(xiàn)，針織過程中會對高性能紗線產(chǎn)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(yōu)化紗線參數(shù)以及設(shè)置針織設(shè)備最佳運行狀態(tài)，可順利實現(xiàn)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(jìn)行研究具有重要意義。

鍍金鉬絲是航空天線中發(fā)射網(wǎng)面的主要材料，該材料可根據(jù)不同的反射頻率編織成不同網(wǎng)孔大小的經(jīng)編網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)杯紡和管絞機(jī)進(jìn)行加捻，比較了2種加捻工藝對金屬絲紗線外觀形態(tài)的影響，并測試了單絲和加捻紗線的彎曲剛度，進(jìn)而分析降低金屬絲紗線剛度的方法，以期為金屬網(wǎng)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(chǎn)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(huán)錠紡加捻工藝

利用傳統(tǒng)的環(huán)錠紡方法對多根金屬單絲進(jìn)行加捻獲得金屬絲復(fù)絲，加捻設(shè)備采用東華大學(xué)研制的X-01型環(huán)錠紡細(xì)紗實驗機(jī)。紡制2種規(guī)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(jī)轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，鋼絲圈質(zhì)量為0.027 5 g，單紗捻度設(shè)置為40捻/(10 cm)。

1.2.2管絞機(jī)加捻工藝

對鍍金鉬絲采用管絞機(jī)進(jìn)行加捻并線，如圖1所示。本文實驗采用HTU-25-4型新型超細(xì)金屬絲管絞機(jī)(常州市蘇云電氣有限公司)進(jìn)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(jié)距均為2.5 mm，單紗捻度設(shè)置為40捻/(10 cm)，紡制2種規(guī)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(shù)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(shù)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(dǎo)輪； 7—擺桿； 8—滑輪； 9—收線盤。圖1 管絞機(jī)并線示意圖Fig.1 Sketch map of twisting processing in tubular strander

在管絞機(jī)并線的過程中，管狀筒體1按照一定速度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的過程中，放線盤始終保持垂直位置。在管絞機(jī)的內(nèi)部最多可放置7個放線盤，即最多可進(jìn)行7根單絲的并線。單絲由放線盤引出后經(jīng)筒體中心引向筒體壁，沿管壁前進(jìn)后經(jīng)固定的模具4(加捻區(qū)域)，由筒體的轉(zhuǎn)動將各根單絲在加捻區(qū)域加捻并線，然后經(jīng)牽引裝置5、導(dǎo)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(shù)有限公司)測試紗線的彎曲性能，在紙板內(nèi)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(nèi)進(jìn)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(fù)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(tài)觀察

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

2 結(jié)果與討論

2.1 加捻金屬絲紗線的外觀形態(tài)

2.1.1環(huán)錠紡法

圖3示出利用環(huán)錠紡加捻后金屬絲紗線的外觀形態(tài)。對多根鍍金鉬單絲進(jìn)行環(huán)錠紡時發(fā)現(xiàn)，鍍金鉬絲經(jīng)過加捻并線后，在自然松弛狀態(tài)下呈現(xiàn)出類似螺旋線的外觀形態(tài)(見圖3(a))，此時具有這種外觀形態(tài)的多根鍍金鉬絲復(fù)絲在相互接近的情況下很容易扭結(jié)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(fā)生扭結(jié)的主要原因是紗線存在較大的殘余扭矩[15-16]。在采用環(huán)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(tài)，而沒有始終處于伸直狀態(tài)。這兩方面原因?qū)е陆饘俳z難以用傳統(tǒng)的紡紗工藝進(jìn)行加工，容易產(chǎn)生較大的殘余扭矩。金屬絲紗線在加捻過程中會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)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(xù)編織工藝的順利進(jìn)行，用該法紡得紗線無法進(jìn)行針織加工，未進(jìn)行下一步彎曲剛度的分析。

圖3 鍍金鉬絲股線的扭結(jié)現(xiàn)象Fig.3 Kinking of metal plied yarn. (a) Monofilament (b) Multifilaments

2.1.2管絞機(jī)并線法

采用管絞機(jī)進(jìn)行加捻并線的鍍金鉬絲紗線外觀如圖4所示?？芍浩浣Y(jié)構(gòu)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(fā)生相互纏結(jié)，紗線本身自向扭結(jié)的現(xiàn)象較少，大大提高了鍍金鉬絲紗線的可編織性。

圖4 管絞機(jī)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(dāng)筒體1旋轉(zhuǎn)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(fā)生扭轉(zhuǎn)，即單絲不繞自身的軸線轉(zhuǎn)動，在絞合過程中沒有出現(xiàn)自扭變形，沒有扭轉(zhuǎn)內(nèi)應(yīng)力，紗線并線結(jié)構(gòu)可保持穩(wěn)定。同時單絲在達(dá)到加捻區(qū)域前，一直處于伸直狀態(tài)，該工藝可盡可能地降低各單絲在加捻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

由于單絲在加捻前始終處于伸直狀態(tài)且未受到扭力作用，僅在加捻區(qū)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(jī)加捻區(qū)域之間的走向。若放線盤隨著筒體旋轉(zhuǎn)(見圖5(a))，當(dāng)筒體旋轉(zhuǎn)過一定的角度，在單絲進(jìn)入加捻區(qū)域前，由于筒體的轉(zhuǎn)動而給單絲加上一定的旋轉(zhuǎn)，使得單絲受到力的作用而發(fā)生扭轉(zhuǎn)，筒體旋轉(zhuǎn)1周即給單絲增加1個捻回。而在管絞機(jī)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(zhuǎn)(見圖5(b))：因此，在加捻區(qū)域前單絲并未受到扭力的作用，也未給自身增加捻回數(shù)，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(jī)加捻區(qū)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(jié)果如表1所示。為進(jìn)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(shù)，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(zhuǎn)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?yán)w維和紗線彎曲剛度的準(zhǔn)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(zhuǎn)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(jù)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(shù)。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(guān)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(guān)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(jié) 論

本文對不同線密度的鍍金鉬絲單絲進(jìn)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(jié)論。

1)利用傳統(tǒng)加捻方法對高剛度、高模量、低延伸率的鍍金鉬絲進(jìn)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(tài)出現(xiàn)扭結(jié)，妨礙紗線進(jìn)一步加工形成針織物；利用管絞機(jī)進(jìn)行加捻并線后，金屬絲紗線具有良好的外觀形態(tài)，殘余扭矩較少。

2)對金屬絲單絲和利用管絞機(jī)加捻并線后的金屬絲紗線進(jìn)行彎曲剛度的測試，并將紗線的彎曲剛度測試結(jié)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(jié)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(guān)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(chǎn)。

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