加捻金属丝纱线的制备及其弯曲刚度

徐海燕， 陈南梁， 蒋金华， 邵光伟

(1. 泉州师范学院 纺织与服装学院， 福建 泉州 362000； 2. 天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387； 3. 东华大学 纺织学院， 上海 201620)

高性能纱线具有高强、高模、低延伸率的特点，目前被越来越多地运用到针织物中，如可穿戴针织物[1]、针织基布复合材料[2-3]等。一般需要将高性能纱线弯曲成线圈形成针织物，但是成圈针织结构中纱线在较小的半径和锋利的尖角处弯曲形成线圈结构，会导致高性能纱线在此过程中受到一定的损伤[4]。很多学者[5-7]研究发现，针织过程中会对高性能纱线产生较大的损伤，甚至在针织物表面形成织物破洞、纱线断头、大量起毛，从而影响针织物的性能。目前通过优化纱线参数以及设置针织设备最佳运行状态，可顺利实现很多高性能纤维编织[8-10]，其中纱线的弯曲刚度对其是否能顺利编织成针织物具有很大影响[11-13]。SASAKI等[12]明确指出纱线的弯矩越大，即弯曲刚度越大，纱线的可编织性下降，因此，对用于针织的金属丝纱线的弯曲刚度进行研究具有重要意义。

镀金钼丝是航空天线中发射网面的主要材料，该材料可根据不同的反射频率编织成不同网孔大小的经编网状结构。本文以镀金钼丝为研究对象，对不同线密度的镀金钼丝单丝分别采用转杯纺和管绞机进行加捻，比较了2种加捻工艺对金属丝纱线外观形态的影响，并测试了单丝和加捻纱线的弯曲刚度，进而分析降低金属丝纱线刚度的方法，以期为金属网的顺利编织提供参考。

1 实验部分

1.1 材 料

镀金钼丝单丝：1#镀金钼丝的单丝直径为17 μm，线密度为2.6 tex，断裂伸长率为2.89%；2#镀金钼丝的单丝直径为27 μm，线密度为5.6 tex，断裂伸长率为3.76%。2种镀金钼丝均为西北有色金属研究院生产的未退火长丝，表面镀金。

1.2 加捻金属丝纱线的制备

1.2.1环锭纺加捻工艺

利用传统的环锭纺方法对多根金属单丝进行加捻获得金属丝复丝，加捻设备采用东华大学研制的X-01型环锭纺细纱实验机。纺制2种规格的金属纱线，编号为3#、4#：其中3#金属丝纱线由4根1#金属丝单丝加捻而成，4#金属丝纱线由3根2#金属丝单丝加捻而成。纺纱机转速为3 500 r/min，钢丝圈质量为0.027 5 g，单纱捻度设置为40捻/(10 cm)。

1.2.2管绞机加捻工艺

对镀金钼丝采用管绞机进行加捻并线，如图1所示。本文实验采用HTU-25-4型新型超细金属丝管绞机(常州市苏云电气有限公司)进行钼丝的并线实验。绞线速度为4 r/min，放线盘张力为0.1 N，纱线的绞合节距均为2.5 mm，单纱捻度设置为40捻/(10 cm)，纺制2种规格的金属纱线，编号为5#、6#，其中：5#金属丝纱线由4根1#金属丝单丝并线而成，其线密度为10.5 tex，捻系数为129.6；6#金属丝纱线由3根2#金属丝单丝并线而成，其线密度为16.7 tex，捻系数为163.5。

1—管状筒体； 2—放线盘； 3—单丝； 4—模具；5—牵引装置； 6—导轮； 7—摆杆； 8—滑轮； 9—收线盘。图1 管绞机并线示意图Fig.1 Sketch map of twisting processing in tubular strander

在管绞机并线的过程中，管状筒体1按照一定速度转动，单丝放线盘2垂直放置在摇篮架上，摇篮架固定在筒体的中心线位置，在筒体旋转的过程中，放线盘始终保持垂直位置。在管绞机的内部最多可放置7个放线盘，即最多可进行7根单丝的并线。单丝由放线盘引出后经筒体中心引向筒体壁，沿管壁前进后经固定的模具4(加捻区域)，由筒体的转动将各根单丝在加捻区域加捻并线，然后经牵引装置5、导轮6、摆杆7和滑轮8将并线后的纱线绕到收线盘9上。

1.3 纱线的弯曲刚度测试

采用KES-FB2型纯弯曲试验仪(日本加多技术有限公司)测试纱线的弯曲性能，在纸板内裁剪出尺寸为11 mm×60 mm的长方形，将纱线均匀平行地排列在纸板中镂空的长方形中，共排列60根。将长方形上下两端的纸板去除后夹在夹头内进行纱线的纯弯曲实验，如图2所示[14]。本文分别测试了2种单丝(1#、2#)和并线后2种复丝(5#、6#)的弯曲刚度。

图2 纱线弯曲实验试样Fig.2 Sample of yarn for bending stiffness test

1.4 纱线外观形态观察

利用kh-1000型三维视频显微镜(美国科视达公司)观察并线前后纱线的外观形态。

2 结果与讨论

2.1 加捻金属丝纱线的外观形态

2.1.1环锭纺法

图3示出利用环锭纺加捻后金属丝纱线的外观形态。对多根镀金钼单丝进行环锭纺时发现，镀金钼丝经过加捻并线后，在自然松弛状态下呈现出类似螺旋线的外观形态(见图3(a))，此时具有这种外观形态的多根镀金钼丝复丝在相互接近的情况下很容易扭结在一起(见图3(b))，使得纱线的条干及外观恶化。镀金钼丝纱线发生扭结的主要原因是纱线存在较大的残余扭矩[15-16]。在采用环锭纺工艺纺纱时：一方面在单丝退绕过程中给单丝加上了一定的捻度，另一方面单丝在加捻过程中由于退绕时处于自由状态，而没有始终处于伸直状态。这两方面原因导致金属丝难以用传统的纺纱工艺进行加工，容易产生较大的残余扭矩。金属丝纱线在加捻过程中会产生较大的内应力，且无法通过轴向空间位置的变化来释放，使得纱线具有较大的残余扭矩。同时由于金属丝高刚度、高模量、低延伸率等特点使得残余扭矩对纱线外观的影响较为显著，也影响着后续编织工艺的顺利进行，用该法纺得纱线无法进行针织加工，未进行下一步弯曲刚度的分析。

图3 镀金钼丝股线的扭结现象Fig.3 Kinking of metal plied yarn. (a) Monofilament (b) Multifilaments

2.1.2管绞机并线法

采用管绞机进行加捻并线的镀金钼丝纱线外观如图4所示。可知：其结构紧密均匀，外观平直光洁，没有明显的残余扭矩，相邻纱线间不易发生相互缠结，纱线本身自向扭结的现象较少，大大提高了镀金钼丝纱线的可编织性。

图4 管绞机并线获得的镀金钼丝外观Fig.4 Metallic plied yarn twisted by tubular strander

由图1可知，当筒体1旋转时，放线盘2固定在摇篮架上始终保持垂直位置，起单丝退扭作用，因此，在并线时，单丝只受挠曲作用，而不发生扭转，即单丝不绕自身的轴线转动，在绞合过程中没有出现自扭变形，没有扭转内应力，纱线并线结构可保持稳定。同时单丝在达到加捻区域前，一直处于伸直状态，该工艺可尽可能地降低各单丝在加捻过程中产生的内应力。

由于单丝在加捻前始终处于伸直状态且未受到扭力作用，仅在加捻区域与其他单丝加捻并线，纱线中的残余扭矩较少。图5示出金属单丝在管绞机加捻区域之间的走向。若放线盘随着筒体旋转(见图5(a))，当筒体旋转过一定的角度，在单丝进入加捻区域前，由于筒体的转动而给单丝加上一定的旋转，使得单丝受到力的作用而发生扭转，筒体旋转1周即给单丝增加1个捻回。而在管绞机上，放线盘固定在摇篮架上，摇篮架保证处于筒体中心的放线盘始终处于垂直位置，并未沿着筒体旋转(见图5(b))：因此，在加捻区域前单丝并未受到扭力的作用，也未给自身增加捻回数，因此可获得残余扭矩较少的加捻纱线。

图5 金属单丝在管绞机加捻区域之前的走向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 单丝线密度对纱线弯曲刚度的影响

金属丝单丝和纱线的弯曲刚度测试结果如表1所示。为进一步比较在相同线密度下纱线的弯曲刚度，分别将金属丝单丝，即纤维的弯曲刚度和金属丝纱线的弯曲刚度换算成相对弯曲刚度。纤维的弯曲刚度计算公式[17]为

(1)

式中：Bf为纤维的弯曲刚度，cN·cm2；E为纤维的弹性模量，cN/tex；ηf为截面形状系数，其值小于1；Ntf为纤维的线密度，tex；ρ为纤维的密度，g/cm3。

表1 金属丝纱线的弯曲刚度Tab.1 Bending rigidity of metal yarn

纤维的相对弯曲刚度计算公式[17]为

(2)

式中：Bfr为纤维的相对弯曲刚度，cN·cm2/tex2。

对于1#和2#单丝，将测得的纤维弯曲刚度转化为相对纤维弯曲刚度，如表1所示。可知， 2种单丝的相对弯曲刚度较接近，这是由于2种单丝的原材料是相同的，因此，也证明了本文方法测试纤维和纱线弯曲刚度的准确性。

纱线的弯曲刚度的计算公式[17]为

(3)

式中：By为纱线的弯曲刚度，cN·cm2；Nty为纱线的线密度，tex；α为表层纤维的倾斜角，(°)；N为纤维弯曲刚度和纤维扭转刚度的比值。

则，纱线的相对弯曲刚度为

(4)

式中：Byr为纱线的相对弯曲刚度，cN·cm2/tex。

由表1可知，根据式(4)计算得出6#纱线的相对弯曲刚度比5#纱线高，即纱线中单丝线密度越小，相同线密度下纱线的弯曲刚度越小。

(5)

由于只考虑单丝线密度对纱线弯曲刚度的影响，纤维材料是相同的，因此，N为常数。即纱线的相对弯曲刚度与纱线中单丝的线密度成正比，同时与α成反比关系。

6#纱线和5#纱线的相对弯曲刚度之比为2.45，二者的单丝线密度之比为2.15，即纱线的弯曲刚度与单丝线密度成正比关系；但二者之间的比值还存在一定误差，这是由于相同捻度下，6#纱线中的α角比5#纱线中大，一定程度上削弱了单丝线密度对弯曲刚度的影响。

3 结 论

本文对不同线密度的镀金钼丝单丝进行加捻并线形成金属丝纱线，并研究了单丝的线密度对纱线弯曲刚度的影响，得出以下结论。

1)利用传统加捻方法对高刚度、高模量、低延伸率的镀金钼丝进行加捻后，金属丝纱线具有大量残余扭矩，使得纱线外观形态出现扭结，妨碍纱线进一步加工形成针织物；利用管绞机进行加捻并线后，金属丝纱线具有良好的外观形态，残余扭矩较少。

2)对金属丝单丝和利用管绞机加捻并线后的金属丝纱线进行弯曲刚度的测试，并将纱线的弯曲刚度测试结果换算为相对弯曲刚度，即纱线相同线密度下的弯曲刚度，结果表明纱线的相对弯曲刚度与纱线中纤维的线密度成正比关系。在纱线的线密度、纤维材料、捻度等条件不变的情况下，可通过降低纱线中纤维的线密度来降低刚性纱线的弯曲刚度，以利于后期织物的编织和生产。

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