3种含金属丝包芯复合纱的包覆效果及性能对比

熊　蕾，邵慧奇，邵光伟, b，蒋金华, b，陈南梁, b

(东华大学 a. 纺织学院； b. 产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海 201620)

3种含金属丝包芯复合纱的包覆效果及性能对比

熊蕾a，邵慧奇a，邵光伟a, b，蒋金华a, b，陈南梁a, b

(东华大学 a. 纺织学院； b. 产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海 201620)

摘要：以金属丝为芯纱，聚酰亚胺(PI)为外包材料，分别通过涂层工艺、空心锭子包缠纺工艺以及二维编织工艺制备3种不同结构的包芯复合纱，并对3种包芯复合纱的包覆效果、力学性能、耐磨性能及电学性能进行了对比分析.结果表明：涂层复合纱直径最小，表面光滑，包覆效果好，但其力学性能、耐磨性能及电学性能不佳；编织复合纱条干均匀，包覆好且具有最优力学性能、耐磨性能和电学性能，但其直径最大；包缠复合纱包覆效果不稳定，易产生“露丝”及结点，条干最差.

关键词：金属纤维； 聚酰亚胺(PI)； 包芯复合纱； 力学性能； 耐磨性能； 电学性能

随着复合材料领域的快速发展，现代科技对新型材料的要求越来越高，具有单一性能的材料已无法满足需求.金属纤维因具有导电、导热、防辐射、抗静电、杀菌等优良性能被广泛应用于纺织领域[1].目前已有许多包含金属纤维的纺织材料[2-4]，但它们多是由传统的纺织原料(棉、毛、丝、麻和化纤等)与金属纤维复合混纺而来，应用范围限于抗静电、防辐射等民用防护品领域[5]，而可应用于航空航天等高科技领域的高性能纤维与金属纤维复合的材料亟待开发与研究.

美国洛克希德马丁公司曾将高性能纤维Kevlar与金属丝进行合股[6]，研发应用于航空航天的复合纱线，但Kevlar纤维抗辐射性能差的缺点，限制了其在高科技领域长寿命的使用.与其他高性能纤维相比，聚酰亚胺(PI)不仅具有高强高模的特性，而且具有耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、阻燃等优越性能[7].因此，本文选用PI为外包材料，以金属丝为芯纱制备新型高性能包芯复合纱.笔者前期分别通过涂层工艺、空心锭包缠纺工艺以及二维编织工艺，选择合理的工艺参数，制备3种不同结构的PI/金属丝包芯复合纱.本文对3种不同工艺制备的含金属纤维的包芯复合纱进行了包覆效果及各项性能的比较分析，为含金属纤维的包芯复合纱的开发及应用提供一定参考.

1试验

1.1试验原料

以3根直径为0.027mm的金属丝经管式绞线并线后的纱线作为芯纱，通过3种不同工艺在芯纱表面覆盖PI材料制备出不同规格的包芯复合纱，所取试验纱线为每种工艺下芯纱包覆效果最好，即外包纤维均匀、连续地分布在芯纱周围，不露芯时的试样，具体纱线试样参数如表1所示.

表1　纱线试样参数

1.2试验仪器

YG 061型电子单纱强力仪，莱州市电子仪器有限公司；尼康ECLIPSE E200型生物显微镜，上海普赫光电科技有限公司；超细金属丝模拟摩擦仪[8]，东华大学；WDY-Ⅱ型自动电压试验仪，常州威远电工器材有限公司；CH-12.7-ATSX型电子测厚仪，上海六菱仪器厂.

1.3测试方法

1.3.1外观形态测试

采用电子测厚仪测量纱线直径，每种试样测试10次，取其平均值.采用体视显微镜拍摄照片观察纱线形态结构.

1.3.2拉伸性能测试

在温度为(20±1)℃和相对湿度为(65±2)%条件下，参照GB/T 3916—1997《单根纱线断裂强力和断裂伸长率标准》，在隔距为250mm和拉伸速度为250mm/min时，对纱线试样进行力学性能测试，其中每种纱线试样测试不少于5次，取其平均值.

1.3.3耐磨性能测试

采用超细金属丝模拟摩擦仪，模拟针织织造过程中纱线的磨损情况，其原理是摩擦部分固定有织针，纱线从织针针钩处穿过，测试时摩擦部分往复摆动，以模拟编织过程中织针对纱线的机械作用.在预拉张力为49 cN、转速为120r/min的条件下测试纱线试样的耐磨次数，每种试样分别测试5次，取其平均值.

1.3.4击穿电压测试

采用圆棒法测试试样击穿电压.每次试验取长约400mm的试样，将其在圆棒上绕一圈，试样下端按规定挂上相应砝码，使试样与电极表面紧密接触.在试样导体与电极之间施加标称频率为50Hz的试验电压，电压从零开始以大约100V/s的速度上升，直到击穿为止，记录击穿时的电压值，每种试样分别测试5次，取其平均值.

2结果与讨论

2.1包芯纱形貌分析

为了分析不同工艺制备的金属丝包芯复合纱表面的形态差异，在40倍体视显微镜下分别观察芯纱和3种包芯复合纱的形态结构，并测试试样的直径，结果如图1及表2所示.

(a) 芯纱

(b) 涂层复合纱

(c) 包缠复合纱

(d) 编织复合纱

试样芯纱涂层复合纱包缠复合纱编织复合纱直径/mm0.0550.0630.1470.228

从图1及表2可以看出，在保证对芯纱的包覆效果较好时，涂层工艺制备出的复合纱直径最小，仅比金属丝芯纱直径大不超过10μm，是3种工艺里包覆厚度最薄的一种工艺，且涂层复合纱表面光滑，条干均匀，包覆效果好.编织复合纱直径是金属丝芯纱直径的4倍左右，这是因为其芯纱是由多根外包纤维交织成管状包覆的，外包结构非常紧密，产生毛羽的可能性较小，因此其条干均匀、表面光滑，有比较好的包覆效果.另外，在体视显微镜观察下发现，包缠复合纱的包覆效果不稳定，条干均匀性在3种包芯复合纱中最差，纱线表面易产生“露丝”及结点，使得纱线表面不光滑，这主要是由空心锭包缠纺工艺中气圈的大幅变化引起包缠点的上下波动造成的.

2.2力学性能分析

3种包芯复合纱相对芯纱力学性能的变化如图2所示. 由图2(a)可知，包缠复合纱的断裂强力与芯纱强力差异不大，说明空心锭包缠纺制备的纱线，其断裂强力主要取决于芯纱断裂强力，与外包纱无明显关系.这是由于纱线拉伸时芯纱受力先行断裂，而外包纤维是以螺旋状包缠在芯纱表面，受力时即脱散，对断裂强力贡献不大.涂层复合纱较芯纱断裂强力有一定提高但并不明显，因为芯纱表面涂层太薄，对断裂强力的提高无明显作用.编织复合纱的断裂强力较芯纱强力有接近4倍的提升，表明其外包纱对复合纱的断裂强力有明显的增强作用.这主要是因为外包纱之间经二维编织工艺交叉编织后形成紧密的结构，可以承受当芯纱受力断裂后的拉力，拉伸过程中外包纤维间的摩擦阻力大，从而提高编织复合纱的拉伸断裂强力.

(a) 断裂强力

(b) 断裂伸长率

另外，从图2(b)可以看出，包缠复合纱的断裂伸长率最低，并且低于芯纱断裂伸长率，可能是由于外包纱对芯纱的包缠结构很紧密，以致其对芯纱的伸长有一定束缚作用.而编织复合纱由于其外包纱含有交叉编织结构，在一定外力作用下，纤维间可产生相对滑移，沿外力方向伸直，使其具有较大的断裂伸长率.涂层复合纱的断裂伸长率因其表面的PI漆膜具有一定的延展性而较芯纱有所增加.

3种包芯复合纱之间力学性能的比较如图3所示. 由图3可知，涂层复合纱断裂强度最高，编织复合纱次之，包缠复合纱最低.这是因为金属丝断裂强度比PI高许多，复合纱越粗，芯纱金属丝单位截面积所占比例越小，导致其断裂强度越低.编织复合纱虽然比包缠复合纱粗很多，但其外包纱编织结构能够承受一定拉力，因此其断裂强度比包缠复合纱稍高.

图3　3种包芯复合纱断裂强度对比Fig.3　　　　Fracture stress comparison of three　　　kinds of core spun yarns

2.3耐磨性能分析

采用超细金属丝模拟摩擦仪测试了芯纱及3种包芯纱的耐磨情况，测试结果如表3所示. 由表3可知，在49cN预加张力下，涂层复合纱耐磨性能较芯纱有一定提高，包缠复合纱耐磨性能最差，编织复合纱的耐磨情况最好，耐磨次数达500次以上.这是因为编织复合纱具有外包纱对芯纱紧密的编织结构，使纱体之间的机械锁结较强，不容易产生滑移，摩擦力较大；另外，相对其他3种试样编织复合纱直径最大，对其耐磨性也有利.而试验中发现，包缠复合纱由于均匀性较差且外包纤维在芯纱表面经摩擦容易滑移，在上机摩擦几次后外包纱即起毛，且很快断裂，外包结构即发生松散解体，只有芯纱受力摩擦，因此，其耐磨次数与芯纱相近.涂层复合纱相对包缠复合纱，其表面光滑且无不稳定的包缠结构，但芯纱表面的PI膜厚度很薄，其耐磨性并没有明显提高.

表3　芯纱及包芯复合纱耐磨情况

2.4电学性能分析

金属纤维具有导电性， PI属绝缘材料，因此，在金属芯纱表面包覆PI材料可使包芯复合纱具有表面电绝缘性能.为了测试不同工艺制备的含金属丝的包芯复合纱表面绝缘性能的差异，对3种包芯复合纱试样进行了击穿电压测试，结果如图4所示.

图4　3种包芯纱击穿电压对比Fig.4　　　　Comparison of breakdown voltage　　　of three core spun yarns

文献[9]研究表明，击穿电压与介质的厚度有很大关系，一般情况下，介质越厚，击穿电压值就越高.由于外包材料为绝缘PI漆或长丝，击穿电压可从侧面反映3种工艺对芯纱的包覆情况.从图4可以分析得出，包覆孔隙最小的涂层复合纱因其表面涂层只有不足10μm的厚度，容易击穿导电；编织复合纱的击穿电压最高，虽然其包覆孔隙大，但较厚的包覆厚度、外包纱交织形成的紧密结构能使其达到较好的绝缘效果.

3结语

在标准实验室环境里，本文对通过3种不同工艺制备的聚酰亚胺(PI)/金属丝包芯复合纱进行了形貌分析、拉伸性能、耐磨性能及电学性能的测试.根据试验的结果，得到以下结论：

(1) 涂层复合纱直径最小，表面光滑，条干均匀，包覆效果好，但其力学性能、耐磨性能及电学性能无明显优势；

(2) 包缠复合纱的包覆效果不稳定，条干较差，容易产生“露丝”及结点，其各项性能多取决于芯纱，与外包纱无关；

(3) 编织复合纱的包覆效果较好，具有最优的力学性能、耐磨性能及电学性能，但其直径最大，可能会成为限制其应用的因素之一.

参考文献

[1] 金永良. 金属纤维的性能特点及其产品开发[J]. 棉纺织技术, 2003, 31(5): 28-31.

[2] 李丹. 银纤维包覆纱及其织物的开发与性能研究[D]. 青岛:青岛大学纺织服装学院, 2014.

[3] SU C I, CHERN J T. Effect of stainless steel-containing fabrics on electromagnetic shielding effectiveness[J]. Textile Research Journal, 2004, 74(1): 51-54.

[4] BAKER C, PRADHAN A, PAKSTIS L, et al. Synthesis and antibacterial properties of silver nanoparticles[J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2005, 5(2): 244-249.

[5] 孙天, 魏赛男, 李倩. 金属纤维在纺织品中的应用[J]. 轻纺工业与技术, 2014(4): 64-66.

[6] 汪家铭. 聚酰亚胺纤维应用前景与发展建议[J]. 精细化工原料及中间体,2012(2):20-23.

[7] WILLIAM D W. Development of low PIM, zero CTE mesh for deployable communications antennas[C]// MILCOM’90-IEEE Military Communications Conference. New York, US:IEEE, 1990:1175-1178.

[8] 陈南梁,蒋金华,张晨曙,等. 一种超细金属丝模拟摩擦仪:201320068205.4[P]. 2013-08-07.

[9] 张红.高电压技术[M]. 北京:中国电力出版社,2009.

Comparison on Covering Effect and Properties of Three Kinds of Core Spun Yarn Containing Metal Fibers

XIONGLeia,SHAOHui-qia,SHAOGuang-weia, b,JIANGJin-huaa, b,CHENNan-lianga, b

(a. College of Textiles; b. Engineering Research Center of Technical Textile，Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Three kinds of core spun yarns containing metal fibers and polyimide which were made respectively through coating process, hollow spindle spinning and 2D braiding process were introduced. Covering effect, mechanical properties, abrasion resistance properties and electrical properties of the core spun yarns were compared and analyzed. The results show that the core spun yarn made through coating process has the minimum diameter, smooth surface and good covering effect. But its mechanical properties, abrasion resistance properties and electrical properties aren’t good. The 2D braiding core spun yarn has good yarn evenness and covering effect. Compared with other core spun yarns, its mechanical properties, abrasion resistance properties and electrical properties are the best, but it has the maximum diameter. The covering effect of wrapped composite yarn is unstable, this kind of yarn is easy to generate yarn faults and its evenness isn’t good.

Key words:metal fiber; polyimide(PI); core spun yarn; mechanical properties; abrasion resistance properties; electrical properties

文章编号：1671-0444(2016)02-0213-04

收稿日期：2015-03-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11472077)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232015D3-01)；上海市自然科学基金资助项目(13ZR1400500)；大学生创新性实验资助项目(201410255024，201510255118)

作者简介：熊蕾(1991—)，女，湖北随州人，硕士研究生，研究方向为航空航天复合材料设计及制备．E-mail: 583062146@qq.com 陈南梁(联系人)，男，教授，E-mail: nlch@dhu.edu.cn

中图分类号：TB 333；TS 104.7

文献标志码：A