金属纤维及其混纺纱线直径系数的计算及测试

赵领航 蔡普宁 贾哲昆 张 元 李建利

(陕西省纺织科学研究所，西安，710038)

金属纤维具有优良的导热、耐高温、耐磨及强度高等特性。目前已开发出金属纤维枕式密封带、除尘袋、热工件输送带、阻隔热帘、耐温缓冲垫等纺织品;同时采用金属纤维与其他纤维混纺开发了电磁屏蔽服、防静电服、孕妇防护服及防护罩等功能性纺织品［1-2］。但由于金属纤维的密度与传统纺织纤维的密度差异较大，且有关金属纤维及其混纺纱线直径系数的研究鲜见，给纺织设计带来了一定的困难。为了给金属纤维在机织物中的应用提供技术参考，本文就金属纤维及其混纺纱线直径系数的计算及测试进行研究。

1 金属纤维的特点

金属纤维的生产方法主要有单丝拉拔法、切削法、拉拔法、熔抽法四种。纺织用金属纤维大多采用金属线材经多次拉拔工艺制成，纤维一般呈长丝条状，单丝直径一般为8～24 μm，长度在数十米到百米之间，制成的金属纤维长丝束可根据单丝根数的不同分成不同规格，一般采用单丝直径加单丝根数的方式来标识，如 8 μm 2 000 芯、12 μm 1 000 芯等。金属纤维在与纺织短纤混纺时，要对金属纤维束进行牵切，使其长度与混纺纤维长度相适应，以保证纺纱工序的顺利进行。常见金属纤维和常规纺织纤维密度见表1，由表1可以看出，金属纤维的密度比常规纺织纤维大6～7倍［3］。虽然金属纤维具有表面粗糙、摩擦因数大、刚性强、韧性差、无卷曲、弹性差等特性，严重影响纺纱、织造工序的顺利进行［4-6］，但其优良的耐高温性、耐腐蚀性、导电性等，使其在电磁屏蔽、高温烟气过滤、隔热等领域的应用越来越广泛。

表1 常见金属纤维和常规纺织纤维密度

2 金属纤维及其混纺纱线直径系数测试的意义

织物的几何结构是织物性能风格的基础，纱线屈曲程度与经纬纱密度的配合则由纱线直径决定。在纺纱工序中，纱线直径决定清纱工艺参数，而在织造工序中，纱线的直径更是进行机织物、针织物设计和确定编织工艺的重要依据之一［7］。金属纤维及其混纺纱线作为特种纱线在纺织产品中的应用越来越多，但有关它的直径系数还未有准确的数值，这影响了金属纤维及其混纺纱线在后续纺织加工过程中的生产工艺制订、织物紧度计算及织物风格预测。因此，计算和测试金属纤维及其混纺纱线的直径系数十分必要，它将为技术人员设计工艺参数提供重要依据。

3 纱线直径系数的推导

3.1 纱线直径的测试方法

纱线直径的测量主要有显微镜法和投影仪法两种。显微镜法是依据纱线线密度选择合适的显微镜放大倍数，并对纱线施加适当的张力将其均匀整齐地排列在载玻片上，移动载玻片测量纱线直径在目镜显微尺上的读数，再根据物镜和目镜显微尺关系式计算出纱线直径。

投影仪法是将纱线试样一端夹持在投影仪载物台上的夹持器上，另一端施加适当的张力，转动投影屏，将试样的一侧边缘与投影屏上的横线重合，转动载物台上的游标尺，使试样的另一侧边缘与投影屏上的横线重合，游标尺上两次读数之差即为试样的直径。

3.2 纱线直径系数的数学建模

根据各种加捻纱线的外观情况，发现其形状较接近圆柱体。为了更好地进行理论推导计算，假设纱线为圆柱体，长为L(m)，质量为m(g)，截面积为s(mm2)，直径为d(mm)，纱线密度为δ(g/cm3)，则由此可得纱线密度与直径的关系式［8］：

由式(1)可求出纱线直径：

纱线的粗细程度即线密度，其定义是1 000 m长的纱线在公定回潮率下的质量，称为纱线的特克斯(tex)。一般棉纱俗称为号数，计算方法如下［7-9］：

式中：Nt——纱线线密度，tex;

m——纱线质量，g;

L——纱线长度，m。

由式(2)和式(3)可推导出纱线直径与纱线线密度的数学关系：

式中的Φ称为纱线直径系数。

纱线密度主要由所组成纱线的纤维密度和纺纱生产工艺所决定，根据经验有：

式中：γ——纺制纱线所用纤维的密度，g/cm3。

则

由式(8)可知，只要知道所用纤维的密度就可计算出纱线的直径系数。根据表1中几种常规纤维的密度，采用式(8)可计算出各自纯纺纱线的直径系数，见表2。与各自常用纱线直径系数进行对比，可以看出两者基本一致，说明采用式(8)计算纯纺纱线的直径系数是可信的。

表2 几种常规纯纺纱线的常用直径系数与计算值的对比

4 试样及测试

本次试验采用铁铬铝长丝纱及短纤纱、不锈钢长丝纱及短纤纱，以及我单位所纺制的不同配比的不锈钢混纺纱作为测试试样，依据GB/T4743—2009《纺织品 卷装纱 绞纱法线密度的测定》测定纱线线密度，纱线直径测试依据 ZB W 04017—1989《纱线直径测定方法CCD测定仪法》。对金属纤维纯纺纱线分别采用式(6)、式(8)计算纱线直径系数，并测试纱线线密度，结果见表3;对金属纤维混纺纱线采用式(6)计算纱线直径系数，并测试纱线线密度，结果见表4。

表3 金属纤维纯纺纱线测试及计算结果

表4 金属纤维混纺纱线测试及计算结果

5 试验结果分析

由表3可以看出，在金属纤维纯纺纱线直径系数计算时，式(6)和式(8)均可应用且结果相近，这为金属纯纺纱线直径系数的计算提供了不同路径，如在只知道纤维密度时，可直接采用式(8)计算;如不知道纤维密度，或纱线是几种纤维混纺制得的，则可通过测量纱线直径及线密度采用式(6)计算纱线直径系数。由表3可知，铁铬铝纯纺纱线的直径系数为0.017 0～0.017 1，不锈钢纯纺纱线的直径系数为0.016 5～0.016 7。为了计算方便，我们可以将密度为7.3～8.0 g/cm3的金属纤维纱线的直径系数均取值0.017。

通过计算不同配比金属纤维混纺纱线的直径系数(见表4)，可以确定常用混纺比的金属纤维纱线的直径系数范围，这可为生产工艺计算提供帮助。由表4可知，随着纱线中金属纤维含量的增加，纱线直径系数逐渐减小，当金属纤维含量为0～30%时，直径系数变化较慢;而当含量为40%～100%时，直径系数变化较快。这主要是由于金属纤维和普通纺织纤维的密度差异较大，当金属纤维含量为0～30%时，普通纺织纤维占主体，对纱线直径系数的影响较小;而当金属纤维含量为40%～100%时，金属纤维占主导地位，对纱线直径系数的影响较大。

6 结语

(2)对比不锈钢、铁铬铝纯纺纱线的直径系数，当纤维密度为7.3～8.0 g/cm3时，金属纤维纯纺纱线的直径系数可取值0.017。

(3)金属纤维混纺纱线的直径系数与金属纤维的含量基本呈线性关系，当金属纤维含量为40%～100%时，金属纤维占主导地位，对纱线直径系数的影响较大。

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