陶麗珍 周鎖林 廖蘭蘭

摘要：為了探討金屬長絲在紡織上的應(yīng)用，選用銅鎂合金長絲、金屬銅長絲與不銹鋼長絲，利用賽絡(luò)菲爾和賽絡(luò)紡工藝制備金屬長絲復合導電紗，對比測試了不同產(chǎn)品的力學性能和電熱性能。對照FZ/T 12071—2021《導電紗線》產(chǎn)品標準，復合導電紗的斷裂強度達到相應(yīng)技術(shù)要求，導電性能達到A類產(chǎn)品要求。結(jié)果表明：金屬長絲復合導電紗具有優(yōu)良的定伸長循環(huán)拉伸、定負荷循環(huán)拉伸性能；金屬銅長絲、銅鎂合金長絲較不銹鋼長絲具有更為優(yōu)良的電熱性能。通過復合紗的設(shè)計和紡制，金屬長絲導電紗力學性能達標、電熱性能優(yōu)良，可以用于開發(fā)功能紡織產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：銅鎂合金長絲；金屬銅長絲；復合導電紗線；力學性能；電熱性能

中圖分類號：TS111.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）02-0130-09

金屬纖維種類很多，按照加工方法主要可以分為純金屬纖維、金屬鍍層復合纖維、有機高聚物金屬化纖維等。純金屬纖維是采用金屬絲材經(jīng)多次多股拉拔、熱處理等特殊工藝制成的，包括金屬短纖維和金屬長絲。純金屬纖維具有較大的長徑比，可以滿足可紡、可織的要求，同時還具備常規(guī)紡織纖維所不具備的某些物理、化學性能以及其他特殊的功能，如導電性、導熱性、耐腐蝕性和防電磁輻射等性能［1-2］。前人對金屬短纖維與其他纖維混紡設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品進行了深入的研究，相關(guān)研究都集中于抗電磁輻射產(chǎn)品開發(fā)［3-7］。金屬長絲相比于短纖維而言，其抗電磁輻射性能、電熱性能更為穩(wěn)定、優(yōu)良，但是由于紡織中應(yīng)用的金屬長絲纖維細度一般在20～80 μm，單獨使用其強度和可加工性能存在一定的不足，對金屬長絲進行復合加工，改善其使用性能，是拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵。段永潔等［8］研究了不銹鋼金屬長絲復合紗的制備及其性能；陳安邦等［9］研究了萊賽爾金屬長絲復合紗線、織物的制備及其產(chǎn)品的性能。金屬復合導電紗線可以應(yīng)用于電熱織物開發(fā)、智能可穿戴裝置、柔性傳感器等的開發(fā)，陳莉等［10］、方紓等［11］分別研究了不銹鋼金屬長絲產(chǎn)品的電熱性能及緯編針織物、智能服裝等加熱產(chǎn)品開發(fā)；陳安等［12］分析了金屬長絲加工電熱織物的優(yōu)缺點；馬珮珮等［13］分析了導電紗線在智能可穿戴裝置中的應(yīng)用；王曉雷等［14］對金屬導電紗線在針織柔性應(yīng)變傳感器上應(yīng)用進行了分析。已有研究中，對于不銹鋼金屬長絲復合紗制備及應(yīng)用的研究較多，對于金屬長絲復合紗的循環(huán)使用性能沒有進行系統(tǒng)研究，對于其他金屬長絲如金屬銅、銅鎂合金等的研究較少。

本文將通過試驗對比，研究銅鎂合金長絲、金屬銅長絲和不銹鋼長絲復合紗的紡制，并分析紗線的拉伸性能、定伸長循環(huán)、定負荷循環(huán)等力學性能特點，同時研究分析不同紗線的電熱性能特點，以期為此類金屬復合導電紗在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1紡紗工藝

1.1原料選擇

純棉粗紗，實測定量為7.718 g/10 m；銅鎂合金長絲A（鎂含量0.2 %，常州信承瑞技術(shù)有限公司），金屬銅長絲B（無錫巨豐復合線有限公司），不銹鋼長絲C（市售）。

1.2復合紗紡制原理

根據(jù)賽絡(luò)菲爾和賽絡(luò)紡的紡紗原理，利用HFX-A4數(shù)字式小樣細紗機，制備金屬長絲復合紗。

采用一根金屬長絲和一根棉粗紗，利用賽絡(luò)菲爾紡紗工藝紡制金屬長絲賽絡(luò)菲爾包覆紗。為了獲得好的包覆效果，經(jīng)過多次試驗，長絲喂入點偏移粗紗須條中心5 mm喂入效果較好。

采用一根金屬長絲和兩根棉粗紗，利用賽絡(luò)紡紗工藝紡制金屬長絲賽絡(luò)包芯紗。為了獲得好的包芯效果，金屬長絲喂入點應(yīng)處于兩根粗紗的中間，保證棉纖維包裹好金屬長絲。

復合紗紡制原理見圖1所示。

1.3復合紗工藝設(shè)計

紡紗工藝參數(shù)：前羅拉線速11.713 m/min，錠子轉(zhuǎn)速8000 r/min，前羅拉轉(zhuǎn)速149.20 r/min，中羅拉轉(zhuǎn)速6.17 r/min，后區(qū)牽伸1.15倍，后羅拉轉(zhuǎn)速5.37 r/min。

本試驗共設(shè)計6種金屬長絲復合紗和純棉紗，紗線設(shè)計規(guī)格27.8 tex（外包纖維），細紗捻系數(shù)360，具體見表1。

1.4復合紗紡制注意事項

在紗線試紡過程中，由于金屬長絲細度細、強力小，容易出現(xiàn)金屬長絲斷裂等現(xiàn)象，要依靠人工細心觀測正常紡紗狀態(tài)。在試驗中加裝了斷絲檢測裝置，當金屬長絲斷裂后，斷絲檢測微動開關(guān)斷開，報警提示燈亮，提醒處理斷絲。

在工廠大批量生產(chǎn)時，可考慮斷絲檢測裝置與斷頭粗紗停喂、單錠檢測等自動生產(chǎn)裝置聯(lián)動，以保證金屬長絲斷后能及時報警和聯(lián)動處置。

2實驗

2.1試樣

銅鎂合金長絲A、金屬銅長絲B、不銹鋼長絲C及所紡的金屬復合紗，規(guī)格見表1。

2.2實驗儀器

LLY-27纖維細度分析儀（萊州市電子儀器有限公司）、T2-HD228S體視顯微鏡（深圳市奧斯微光學儀器有限公司）、HD021NH電子化纖長絲強力儀（南通宏大實驗儀器有限公司）、福祿克107數(shù)字萬用表（安徽世福儀器有限公司）、UTP3305-II線性直流電源（優(yōu)利德科技中國股份有限公司）、ST9660紅外測溫儀（香港?，攦x表集團有限公司）。

2.3測試方法

2.3.1外觀形態(tài)特征

采用LLY-27纖維細度分析儀，調(diào)整放大倍數(shù)為400倍，觀察金屬長絲纖維的縱向形態(tài)特征，利用纖維細度分析儀的直徑測量模塊，實測3種金屬長絲的直徑；利用T2-HD228S體視顯微鏡對復合紗的縱向形態(tài)進行觀察。

2.3.2力學性能測試

采用HD029N電子化纖長絲強力儀，按照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）》，進行拉伸力學性能測試。測試隔距500 mm，拉伸速度500 mm/min，根據(jù)0.5 cN/tex施加預(yù)加張力，每種試樣測試10次，取平均值。

拉伸停置10 s，松弛停置10 s，在定伸長率為1%、2%、3%的條件下，循環(huán)50次，測試定伸長循環(huán)拉伸性能。

拉伸停置10 s，松弛停置10 s，在定負荷值為20、50、80、100 cN時，循環(huán)50次，測試定負荷循環(huán)拉伸性能。

2.3.3電熱性能測試

將金屬長絲和復合紗試樣分別放置于絕緣板上，用夾頭夾住試樣兩端，兩夾頭間距離為10 cm，測試兩夾頭間的電阻值，測試10次并計算其平均值。

將金屬長絲復合紗試樣以10 cm×10 cm的S型線路粘貼在耐高溫電木板上，試樣之間的間距平均分布，總長度為50 cm；用夾頭夾住試樣兩端，將絕緣板制作的長方形測試箱罩在試樣上，保證其加熱溫度的穩(wěn)定性；將ST9660紅外測溫儀放在高70 cm的長方形測試箱上，接通UTP3305-II線性直流電源，分別施加3、6、9、12 V的電壓，用紅外成像儀分別記錄不同負載電壓下試樣5 min內(nèi)的溫度變化，每30 s記錄一次。測試方法示意見圖2。

3結(jié)果與討論

3.1外觀形態(tài)特征

金屬長絲縱向形態(tài)如圖3所示，縱向表面光滑平直，粗細均勻；3種金屬長絲的實測直徑分別為：銅鎂合金長絲30 μm、金屬銅長絲36 μm、不銹鋼長絲30 μm。

根據(jù)式（1），計算銅鎂合金長絲、金屬銅長絲、

不銹鋼長絲的線密度分別是6.3、9.1、5.6 tex。

d=0.03568Ntexδ（1）

式中：d為金屬長絲直徑，mm；Ntex為紗線的線密度，tex；δ為紗線的密度，g/cm3。其中金屬銅長絲和不銹鋼纖維的密度δ分別為8.9、7.93 g/cm3，銅鎂合金中鎂含量為0.2%，其密度參照金屬銅長絲。

金屬長絲復合紗的形態(tài)特征如圖4所示。3種

賽絡(luò)菲爾包覆紗中，金屬長絲均勻包覆在棉纖維表面，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；賽絡(luò)包芯紗的縱向形態(tài)顯示，棉纖維很好地包裹住金屬長絲，包芯效果良好。

3.2拉伸力學性能

金屬長絲和復合紗的斷裂強力和斷裂伸長率測試結(jié)果見表2。

測試結(jié)果顯示，3種金屬長絲實測的斷裂強度從大到小依次為：不銹鋼長絲、銅鎂合金長絲、金屬銅長絲，斷裂伸長率從大到小依次為：不銹鋼長絲、金屬銅長絲、銅鎂合金長絲。

不同復合紗強伸性能比較顯示，斷裂強度從大到小依次為：不銹鋼復合紗、銅鎂合金復合紗、銅絲復合紗，且賽絡(luò)菲爾包覆紗的斷裂強度均高于相應(yīng)的金屬長絲和賽絡(luò)包芯紗。由于賽絡(luò)菲爾包覆紗中的金屬長絲以螺旋的形式包纏在棉纖維表面，增加了復合紗的強力，使得賽絡(luò)菲爾包覆紗的斷裂強度得到改善。對照FZ/T 12071—2021《導電紗線》，所有復合紗的斷裂強度分別達到優(yōu)等品和合格品的技術(shù)要求。賽絡(luò)菲爾包覆紗、賽絡(luò)包芯紗的斷裂伸長率均較相應(yīng)的金屬長絲有明顯改善，與純棉紗的斷裂伸長率處于同類水平。

綜上，所紡制金屬長絲復合紗，其斷裂強度指標

滿足復合導電紗的技術(shù)要求，其斷裂伸長率得到有效改善，改善了金屬長絲纖維的使用性能。

3.3定伸長循環(huán)拉伸性能

定伸長循環(huán)拉伸測試的紗線急彈性回復率、塑性變形率和應(yīng)力松弛率結(jié)果見表3。

實驗結(jié)果顯示，在小變形條件下，棉/不銹鋼絲復合紗的急彈性回復率及應(yīng)力松弛率優(yōu)于棉/銅鎂合金復合紗、棉/銅絲復合紗；當定伸長率增加時，紗線的急彈性回復率降低，塑性變形率和應(yīng)力松弛率變大。在定伸長3%、循環(huán)拉伸50次的條件下，棉/銅鎂合金復合紗、棉/銅絲復合紗的定伸長循環(huán)拉伸性能指標與棉/不銹鋼絲復合紗接近，其彈性回復

率、塑性變形率和應(yīng)力松弛率均保持在一定的范圍內(nèi)，所紡制的復合紗能滿足一定形變條件下重復使用的要求。

3.4定負荷循環(huán)拉伸性能

定負荷循環(huán)拉伸測試的紗線急彈性回復率、塑性變形率和定負荷伸長率的指標見表4。

從表4中數(shù)據(jù)可見，棉/不銹鋼絲復合紗的急彈性回復率優(yōu)于棉/銅鎂合金復合紗、棉/銅絲復合紗；隨著定負荷值的增加，紗線的急彈性回復率逐漸變小，塑性變形率和定負荷伸長率逐漸變大。在定負荷100 cN、循環(huán)拉伸50次的條件下，不同復合紗的急彈性回復率、塑性變形率和定負荷伸長率均保持在合適的范圍內(nèi)，說明所紡制的復合紗能滿足一定負荷下重復使用的要求。

3.5導電性能

試樣電阻的實測結(jié)果見表5。

3種金屬長絲的電阻值從大到小依次為： 不銹鋼長絲、銅鎂合金長絲、金屬銅絲，金屬長絲復合紗與相應(yīng)的金屬長絲電阻值相差不大，對照FZ/T 12071—2021《導電紗線》導電性能要求，金屬長絲復合紗導電性能達到A類產(chǎn)品要求。

3.6加熱升溫性能

不同電壓下試樣加熱的紅外圖像如圖5所示，圖5顯示了3種金屬長絲復合紗在不同電壓下加熱的紅外圖像，可見電熱性能最好的是金屬銅長

絲復合紗，最差的是不銹鋼長絲復合紗，銅鎂合金長絲復合紗介于中間。其原因是材料電阻越小，通電后升溫的速度越快，能達到的穩(wěn)定溫度也越高。

試樣的電熱升溫性能比較如圖6。由圖６可知，在3、6、9、12 V的安全電壓下，試樣的溫度隨著通電時間的增加而上升，在加熱30 S內(nèi)升溫速率最快，基本達到平衡溫度，此后隨著通電時間的增加其溫度基本保持穩(wěn)定。試驗顯示，3種金屬長絲纖維的發(fā)熱性能由大到小依次為：金屬銅絲、銅鎂合金長絲、不銹鋼絲；當電壓為12 V時，金屬銅長絲的最高平衡溫度可達到54.9℃，棉/銅賽絡(luò)菲爾包覆紗、賽絡(luò)包芯紗的平衡溫度分別為48.6、46.7℃；銅鎂合金長絲的最高平衡溫度可達到41.6℃，棉/銅鎂賽絡(luò)菲爾包覆紗、棉/銅鎂賽絡(luò)包芯紗的平衡溫度分別為40.9、35.6℃。金屬長絲與相應(yīng)的復合紗線相比，所測試的表面溫度由高到低依次為：金屬長絲、賽絡(luò)菲爾包覆紗、賽絡(luò)包芯紗，總體溫度差異不大。試樣的發(fā)熱性能主要與金屬材料的電阻有關(guān)，紗線結(jié)構(gòu)對其略有影響，由于賽絡(luò)包芯紗中金屬長絲在紗線內(nèi)部，使得表面測試溫度稍低。

4結(jié)論

利用賽絡(luò)菲爾和賽絡(luò)紡工藝，開發(fā)了銅鎂合金長絲、金屬銅長絲、不銹鋼長絲復合導電紗，分析了其力學性能和電熱性能，為金屬長絲在紡織上的實際應(yīng)用提供參考，結(jié)論如下：

a） 所選3種金屬長絲細度均勻、具有良好的可紡性能，不銹鋼長絲及其復合紗的力學性能最優(yōu)，所有復合紗的斷裂強度均達到FZ/T 12071—2021《導電紗線》技術(shù)要求，且具有良好的循環(huán)使用性能。

b） 3種金屬長絲及其復合紗的導電性能滿足FZ/T 12071—2021《導電紗線》A類產(chǎn)品要求，實測導電紗的電熱性能顯示，銅鎂合金長絲、金屬銅復合紗的電熱性能優(yōu)于不銹鋼長絲復合紗，且負載電壓越大，試樣表面的溫度越高，升溫速率越快；當電壓為12 V時，棉/銅賽絡(luò)菲爾包覆紗、賽絡(luò)包芯紗的平

衡溫度分別為48.6、46.7℃，棉/銅鎂賽絡(luò)菲爾包覆紗、棉/銅鎂賽絡(luò)包芯紗的平衡溫度分別為40.9、35.6℃。

c） 在前人對不銹鋼長絲功能紡織品研究開發(fā)的基礎(chǔ)上，可以利用銅鎂合金長絲、金屬銅長絲復合紗優(yōu)良的力學性能和更佳的電熱性能特點，進行電熱織物、智能可穿戴產(chǎn)品等功能紡織品的研發(fā)。

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Research on spinning and property of composite electro-conductive yarns comprising metal filaments

TAO Lizhena，b， ZHOU Suolina，b， LIAO Lanlana

（a.Textile Department; b.Changzhou Key Lab of Eco-Textile Technology， Changzhou Vocational Institute of Textile and Garment， Changzhou 213164， China）

Abstract：

The metal filaments have the good properties of conductivity， thermal conductivity and electromagnetic shielding. The fineness of the metal filaments used in textiles is generally 20～80 μm. The strength and machinability of the metal filaments used alone generally cannot meet the requirements. The composite processing of the metal filaments can improve their performance and expand their application field.

To test and compare properties of different metal filaments applied to textiles， we select the copper-magnesium alloy filament， metal copper filament and stainless steel filament， and develop composite electro-conductive yarns comprising metal filaments by Sirofil and Siro spinning technologies. The morphological characteristics of metal filaments and composite yarns are observed by the fiber fineness analyzer and stereo microscope. The tensile mechanical properties of different composite yarns are tested and analyzed with an electronic filament strength tester. The tensile property of constant elongation cyclic drawing is tested by cycling for 50 times under the conditions of 10 second tensile stop， 10 second relaxation stop and 1%， 2% and 3% of constant elongation. The tensile property of constant load cyclic drawing is tested by cycling for 50 times under the conditions of 10 second tensile stop， 10 second relaxation stop and 20， 50， 80 and 100 cN of constant load. To test the electric resistance of metal filaments and composite yarns with a digital multimeter， so as to measure the electrothermal properties of the composite electro-conductive yarns， 10 cm×10 cm electro-conductive yarn sample is pasted on the flame-resistant bakelite board in S shape， and the voltages of 3， 6， 9， and 12 V are applied respectively. Under different load voltages， the temperature change of the sample is recorded with an infrared imager within 5 minutes.

It can be concluded that the selected metal filaments have uniform fineness and good spinnability， and the metal composite conductive yarn have standard mechanical performance and excellent electricthermal performance. Referring to the product standard FZ/T 12071-2021 Electro Conductive Yarn， the breaking strengths of the yarns meet the corresponding technical requirements， and the conductivity properties reach its standard of Class A. All composite electro-conductive yarns have excellent properties of constant elongation cyclic drawing and constant load cyclic drawing. The electrothermal performance of copper-magnesium alloy filament yarns and metal copper composite yarns is better than that of stainless steel filament yarns. The higher the load voltage is， the higher the temperature of the sample is， and the faster the heating speed is. When the voltage is 12 V， the equilibrium temperatures of cotton/copper Sirofil covered yarn and Siro spun yarn are 48.6℃ and 46.7℃ respectively， and the equilibrium temperatures of cotton/copper magnesium Sirofil covered yarn and cotton/copper-magnesium Siro spun yarn are 40.9℃ and 35.6℃ respectively.

In the future， based on the research and development of functional textiles made of stainless filaments by predecessors， we can develop the functional textiles such as electric heating fabrics and intelligent wearable products using the excellent mechanical properties and better electrothermal properties of copper-magnesium alloy filament and metal copper filament composite yarns.

Keywords：

copper-magnesium alloy filament; metal copper filament; composite electro-conductive yarn; mechanical properties; electrothermal properties

收稿日期：20220812

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20221207

基金項目：江蘇高?！扒嗨{工程”優(yōu)秀教學團隊項目（蘇教師函〔2021〕11 號）

作者簡介：陶麗珍（1973—），女，江蘇丹陽人，教授，碩士，主要從事紡織新材料及功能紡織品方面的研究。