喷气涡流纺金属丝包芯纱的制备及其结构与性能

张 岩， 裴泽光， 陈 革

(东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

电子智能服装将电子产品融入服装之中，集电子器件的功能与纺织品的舒适性于一体，是可穿戴设备的一大类，在生理特征检测、健康管理、生活辅助、体育、娱乐与军事等领域有着广泛而重要的应用前景[1]。织物导电线路将各主要电子功能器件连接起来，是智能服装的重要组成部分。织物导电线路需具备电导率高、力学性能好、可靠性高、质轻、人机友好等特点。目前，制备织物导电线路的方法主要有2种：一是利用溅射、化学气相沉积、电镀、丝网印刷、喷墨打印等方法在织物表面沉积导电材料[2]，利用这类方法得到的导电线路易剥落，脆度高，通常需要进行后道封装以提高其力学性能，使制得的导电织物透气性和延展性下降[3]；二是将导电纱线利用刺绣、缝编、机织、针织等方法植入织物中以形成导电线路[4-6]，这种方法制得的导电织物具有透气性与耐用性好等优点。将金属丝(如不锈钢丝、铜丝等)利用上述方法植入织物中，得到的导电线路具有较高的电导率和优良的力学性能，缺点是形成的导电织物质感硬，舒适性较差。

为改善金属丝作为织物导电线路所存在的上述缺点，有研究者利用可规模化生产的纺纱技术如环锭纺纱方法[7-8]、摩擦纺纱方法[9-10]分别制备了以金属丝为芯纱、外包短纤维的包芯纱作为导电纱线。环锭纺纱方法难于形成良好的包芯纱结构，且生产率低，流程长；而摩擦纺纱方法虽然可形成良好的包芯纱结构，但通常仅适用于纺制中、粗支纱。喷气涡流纺是一种借助高速旋转气流对纤维须条进行加捻成纱的新型纺纱方法，其制成的纱线呈包缠结构，即外层为有捻的包缠纤维，内层为无捻、近似平行的芯纤维[11]。这种特殊结构使得喷气涡流纺工艺非常适合纺制包芯纱，即外包纤维均匀包缠在作为芯纱的长丝的外侧，长丝不易偏离纱体中心和外露，保证其不受磨损；此外，由喷气涡流纱制成的织物具有良好的耐磨性[12]。

本文在已获得的专利技术[13]基础上，利用喷气涡流纺纱方法制备出以超细金属丝为芯纱、外包短纤维、具有芯鞘结构的包芯纱。所采用的金属丝为直径等于50 μm、外部涂敷聚氨酯涂层(厚度约为3 μm)的铜丝。在此基础上对包芯纱的结构与电学、力学性能进行了研究与分析。

1 纺纱装置

1.1 金属丝喂入装置

由于所采用的金属丝直径很细，弹性很低，而前罗拉表面具有梯形斜纹，金属丝经过前罗拉钳口时将会被轧成波纹状，其结构受到破坏，因此，设计了如图1所示的金属丝喂入装置与方法。金属丝经导引钩被夹线器夹持并施加一定张力(该张力可调)，随后通过导引轮进入张力传感器以获得金属丝的实时张力值，再通过导引钩进入前罗拉开槽胶辊的槽隙中，随后进入位于前罗拉钳口下游的纺纱喷嘴。

1—金属丝； 2—金属丝导引钩； 3—金属丝夹线器；4—金属丝导引轮； 5—张力传感器； 6—金属丝导引钩；7—粗纱； 8—后罗拉； 9—中罗拉； 10—前罗拉；11—喷嘴； 12—包芯纱导引轴； 13—卷装。图1 金属丝喂入装置Fig.1 Device of feeding copper wire

前罗拉开槽胶辊如图2所示。金属丝通过开槽胶辊与前罗拉间的槽隙进入喷嘴内部。喷嘴几何中心与胶辊槽的中心处在同一直线上，如图3所示喷嘴入口负压区作用简图。

图2 前罗拉开槽胶辊Fig.2 Front rubber roller with groove

1—纤维束， 2—前罗拉钳口， 3—喷嘴入口负压区，4—金属丝， 5—导引体保持器； a为短纤维束被夹持的钳口长度(开槽前)， b为喷嘴入口端面至钳口距离， c为喷嘴入口内径，f为短纤维束被夹持的钳口长度(开槽后)，g为短纤维束在钳口处宽度， h为圆锥形负压区在钳口处半径，p为槽宽， β为圆锥形负压区锥角。图3 喷嘴入口负压区作用简图Fig.3 Schematic of negative pressure zone near nozzle inlet

这种方式可保证金属丝不受前罗拉表面梯形斜纹的挤轧而变成波纹状。胶辊上的槽宽p为4 mm，径向槽深为1 mm，保证金属丝完整地通过前罗拉钳口且有一定的偏移调节空间。

胶辊开槽后，短纤维束被夹持的钳口长度a由开槽前的27 mm(前罗拉胶辊长度)缩短为f=15 mm，短纤维束在钳口处宽度g通常小于5 mm[14]，且短纤维束在钳口处受到摇架加压力的控制，在钳口处的横向偏移[15-16]很小，故可忽略，因此开槽对短纤维束的牵伸并未产生明显影响。喷嘴入口处由于涡流管内部的高速旋转气流作用而产生局部负压，负压区域从入口处以一定锥角β向外延伸，该区域的垂直作用距离约可延伸至距喷嘴入口端面30 mm处，而试验中喷嘴入口端面至前罗拉钳口距离b满足8 mm

设b=8 mm(最小安装距离)，β≈ 140°(上机试验所测值)，c=5 mm，则有：h=24.48 mm>(f+p)=19 mm。

由此可知，短纤维束仍在负压气流作用范围内，纤维束的吸入不受胶辊开槽的影响。

1.2 喷气涡流纺纱喷嘴装置

研究所采用的喷气涡流纺纱喷嘴装置如图4所示。经前罗拉钳口输出的金属丝通过位于喷嘴入口处的导引体中心的芯丝导引通孔进入涡流管内，而短纤维束仍通过喷嘴入口进入喷嘴。压缩空气沿喷孔高速射入涡流管内，在其中形成高速旋转气流。短纤维在旋转气流作用下包缠在金属丝外部，制成包芯纱，随后通过空心锭内部的引纱通道引离喷嘴，经引纱罗拉后卷绕到纱筒上形成卷装。

1—金属丝导引体； 2—金属丝； 3—纤维束； 4—导引体保持器；5—涡流管； 6—压缩气室罩； 7—空心锭； 8—排气罩；9—上空心锭保持体； 10—排气罩底盖； 11—调节旋钮；12—下空心锭保持体； 13—包芯纱； 14—O型密封圈；15—压缩空气气室； 16—O型密封圈。图4 喷嘴主体结构简图Fig.4 Schematic diagram of nozzle structure

2 包芯纱制备

采用DHU-P02型喷气涡流纺纱实验机制备包芯纱。短纤维束采用粘胶粗纱喂入，纤维平均长度为38 mm，纤维线密度为1.5 dtex，粗纱线密度为680 tex。 部分实验参数见表1，环境温度为(20±1) ℃，相对湿度为(65±1)%。纺纱速度设为130、160、190、220、250 m/min。

表1 实验参数Tab.1 Parameters for experiments

3 包芯纱结构分析

3.1 表观结构分析

图5示出喷气涡流纺金属丝包芯纱结构，其中图5(b)示出利用Hitachi S-4800型扫描电子显微镜观测到的喷气涡流纺金属丝包芯纱的表观结构。可看出，所制得的包芯纱具备喷气涡流纱类似的结构，即具有平行无捻的芯纤维和呈一定螺旋角包缠的包缠纤维，且金属丝位于包芯纱内部，被平行芯纤维周向包围，因此喷气涡流纺金属丝包芯纱由3部分结构组成，从内到外依次为：金属丝、平行无捻芯纤维、包缠纤维。

采用VHX-1000E型光学显微镜分析了在不同纺纱速度下得到的包芯纱的平均直径及其露芯情况，结果如表2所示。

从表2中可看出，随着纺纱速度的增加，包芯纱的线密度变化不明显。在190 m/min时纱线线密度有一定幅度的增加，这与金属丝输送速度与短纤维的喂入量的配合有关，具体工艺影响有待进一步研究。包芯纱的平均直径在220 m/min时突然变小，在线密度一定情况下，平均直径越小，表明外包短纤维的包缠紧密度越好，通过对其横截面的分析也说明了这点。这个结果与该纺纱速度下短纤维的牵伸比与金属丝的输送速度有关。牵伸良好的短纤维与适当输送速度下的金属丝在涡流的作用下更易使短纤维包缠于金属丝的外表面，形成包缠紧密的包芯纱。对工艺参数具体如何影响包缠紧密度还有待进一步研究。在包缠质量方面，包芯纱虽存在一定程度的露芯，但露芯数量较少，平均露芯率低于1点/cm。

图5 喷气涡流纺金属丝包芯纱Fig.5 Vortex core-spun yarn containing metal wire.(a) Core-spun yarn and its untwisted structure; (b) SEM image of longitudinal structure of core-spun yarn(×100)

纺纱速度/(m·min-1)包芯纱平均直径/μm包芯纱线密度/tex包芯纱露芯情况/(点数·m-1)130201.4133.0072160207.0132.6567190207.5836.3554220186.3632.1561250207.3433.6567

3.2 横截面纤维分布分析

为分析包芯纱的纺制效果、纤维与金属丝的组分占比和金属丝的居中程度，对短纤维与金属丝在包芯纱横截面内的分布情况进行了分析。采用树脂包埋法制作包芯纱横截断面样品：在常温环境下将包芯纱样品两端固定并使其处于微张力伸直状态静置24 h，然后把固定好的包芯纱样品置于硬质塑料管的中心，并使硬质塑料管下端封闭，上端保持敞开，把调配好的环氧树脂胶液灌入硬质塑料管内使其液面与硬质塑料管上端平齐，在常温环境下静置24 h使环氧树脂充分硬化。硬化后将柱状环氧树脂样品切成若干0.5 mm厚的切片并打磨抛光水洗，即制得包芯纱横截断面切片。将切片样品置于自制的光源上方，并放于VHX-1000E型光学显微镜下观察并拍照，采用图像处理软件Photoshop对获得的断面照片进行结构分析。图6分别示出5种纺纱速度下的金属丝包芯纱的横截面，其中每种速度下的横截断面样本为随机选取，并根据变形最小的原则制备断面样品。从图中可看出包芯纱为典型芯鞘结构，其芯丝与短纤维的分布密度和位置具有随机性。

纤维与金属丝的组分占比采用等面积法统计[17]，如图7所示。在包芯纱的横截断面几何中心以金属丝的断面面积为基准面积值画不等距圆使每个圆环的面积相等，然后通过金属丝与短纤维分别所占圆环面积与整个包芯纱横截断面所占圆环面积的比值表示短纤维与金属丝在包芯纱中的组分占比情况。金属丝在横截断面内的位置分布可划分为4类[18]：中心类型(Ⅰ型)、中心至距中心三分之一区间(Ⅱ型)、距中心三分之一至三分之二位置区间(Ⅲ型)、外围型(Ⅳ型)。通过对每种纺纱速度下得到的100个包芯纱横截断面进行分析，结果如表3所示。

表3 包芯纱横截面内纤维分布Tab.3 Fiber distribution in cross-section of core-spun yarn

图6 不同纺纱速度下的包芯纱横截断面照片Fig.6 Cross-sections of core-spun yarns produced at different speeds

图7 等面积法计算纤维与金属丝在包芯纱中的组分占比Fig.7 Equal-area method for calculating ratio of different components in core-spun yarn. (a) Equal-area method; (b) Analysis on yarn cross-section

从表3中包芯纱组分占比数据中看出，纺纱速度对纤维与金属丝的组分占比没有明显的影响，这是因为实验采用的喷气涡流纺纱实验机的金属丝输送速度(即引纱罗拉速度)与牵伸装置输出的短纤维速度(即前罗拉线速度或纺纱速度)间的比值(即喂入比)为定值，因此金属丝输送速度提高(降低)的同时，短纤维的喂入速度也将随之提高(降低)。从表3中还可看出，包芯纱中金属丝的位置分布以Ⅱ型和Ⅲ型为主，Ⅳ型比例较低，表明本文所采用的喷气涡流纺纱方法可较好地保证芯丝位于包芯纱的芯部。Ⅰ型也占有一定的比例，但较Ⅱ型和Ⅲ型低，这是由于金属丝在成纱过程中在旋转气流的驱动下回转，在离心力的作用下相对纱的轴线产生了一定程度的偏离，同时还与金属丝在输送过程中存在张力波动有关。

3.3 纺纱过程对金属丝的损伤分析

在纺制包芯纱的过程中，作为芯丝的金属丝与机件间存在着一定的摩擦，可能会造成其表面包覆的聚氨酯涂层的脱落，甚至金属丝主体材料的磨损，如图8所示。对制得的金属丝包芯纱外围的短纤维进行剥离，通过分析一定长度的芯丝上损伤点的累积长度在芯丝中的占比，对5种不同纺纱速度下制备的包芯纱的芯丝的磨损情况进行了分析，结果如表4所示。

图8 金属丝表面损伤(×200)Fig.8 Surface damage of enameled copper wire(×200)

纺纱速度/(m·min-1)130160190220250磨损率/%7.249.378.406.349.53

从图8可见，纺纱后，金属丝产生了一定程度的损伤，损伤形式以金属丝表皮绝缘涂层刮伤为主，但损伤比例不高，而绝缘涂层下的金属丝主体损伤比例很小而可忽略。由表4可看出，纺纱速度对磨损率的影响不明显，其磨损率值在8%左右波动，分析原因是与纺纱装置的结构设计有关。由于导引体中心的芯丝导引通孔为不锈钢材料制成，两端面边缘较锋利，易导致金属丝的刮伤，因此产生摩擦刮伤最为严重的区域是该通孔的2个端面。通过对纺纱装置的结构作进一步的完善可降低此处造成的金属丝磨损程度。

4 包芯纱性能分析

织物导电线路作为智能服装的重要组成部分，将随着人体动作、姿态、受力等的变化而发生并承受拉伸、弯曲、剪切等变形，其电学与力学性能至关重要，因此，对所制备的喷气涡流纺金属丝包芯纱的电学与力学性能进行了测试分析。测试中将包芯纱样品置于YG-061-1500型纱线强力仪夹具中，并在夹具外侧的包芯纱样品两端与Keithley 2000型万用表连接(四探针法)，万用表与计算机连接并通过LabView软件控制，使纱线强力仪与万用表的数据采集时间和频率同步，以同时获得包芯纱强力与电阻值随拉伸长度变化的特性。测试中采用等速拉伸测试法，隔距设为500 mm，拉伸速度为5 000 mm/min，测试在温度为(20±1)℃，相对湿度为(65±1)%的环境下进行。

金属丝(50 μm)电阻测量值为0.087 7 Ω/cm，因包芯纱的导电部分为金属丝(芯丝)，其电阻测量值与金属丝一致。5组不同金属丝输送速度下的包芯纱和原金属丝的的强力、电阻变化率随拉伸长度的变化的测试结果如图9所示。可看出，金属丝经短纤维包缠后的断裂强力比金属丝自身的断裂强力提高了100%～200%，而伸长率降低了1/2～2/3。包芯纱的强力共由4部分提供：金属丝本身的强力、短纤维本身的强力、短纤维与短纤维间的抱合与摩擦提供的强力、短纤维与金属丝表面间的摩擦提供的强力，因此可通过增加短纤维在包芯纱中的组分占比来提高包芯纱的强力。包芯纱是由2种不同伸长率的材料组合在一起的，金属丝的断裂伸长率比短纤维高，因此在拉伸过程中先达到短纤维的拉伸极限，再达到金属丝的拉伸极限。当包芯纱弱环处的外包短纤维被拉断时，弱环处的金属丝被进一步拉伸，而其两侧的纱段仍为芯鞘结构，因而大量纤维对金属丝的摩擦力被加至弱环处金属丝的两端，使其两端拉力骤增，导致金属丝被迅速拉断；这是金属丝包芯纱的断裂伸长率低于金属丝的根本原因。将制得的金属丝包芯纱用于具有线圈结构的针织物将能够有效弥补其断裂伸长率较低的不足。还可看出，纤维的包缠形式与包缠量对包芯纱内部金属芯丝的电阻值变化率随伸长率的变化没有显著影响，说明外包短纤维仅起到绝缘与保护的作用。这表明纺制的喷气涡流纺金属丝包芯纱具有与原金属丝相接近的电学性能。

图9 金属丝与包芯纱的强力和电阻变化率随伸长率的变化规律Fig.9 Load-extension curves and resistance variations of vortex core-spun yarns and enameled copper wire.(a) Resistance variations of enameled copper wire (50 μm); (c) Resistance variations of vortex core-spun yarns; (c) Load-extension curves of enameled copper wire (50 μm);(d) Load-extension curves of vortex core-spun yarns

5 结 论

1) 设计了一种可纺制包芯纱的喷气涡流纺纱装置，以最高250 m/min的纺纱速度实现了对芯丝为超细金属丝(直径为50 μm)、外包短纤维的包芯纱的连续制备。

2) 制备的喷气涡流纱金属丝包芯纱结构从内到外依次为金属丝、平行无捻的芯纤维及包缠纤维。其中包缠纤维呈一定螺旋角包缠在平行无捻的芯纤维外部，而金属丝包覆于芯纤维的内部；金属丝在包芯纱横截面中的位置分布以位于中心至距中心三分之一位置区间和距中心三分之一至三分之二位置区间类型为主。表明本文所提出的喷气涡流纺包芯纱制备方法与装置可获得包覆效果良好的包芯纱。

3) 包芯纱的断裂强力比超细金属丝提高100%～200%，纤维的包缠形式与包缠量对包芯纱内部金属芯丝的电阻值变化率随伸长率的变化没有显著的影响，表明喷气涡流纺金属丝包芯纱具有与原金属丝相接近的电学性能。

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