芳纶长丝/不锈钢微丝的并捻工艺参数实验研究

康明明，陈梦洁，陈柏旭，李 强,2，李永贵,2，庄建国

(1.闽江学院服装与艺术工程学院，福建 福州 350108；2.福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室，福建 福州 350108；3.可隆(南京)特种纺织品有限公司，江苏 南京 210046)

电子产品在提供便利的同时，也带来了不可忽视的电磁辐射问题，长期活动在电磁辐射较强的环境里，轻者导致人体情绪波动，情形严重会引起电磁辐射超敏综合症，如头疼、耳鸣、无力、疲劳，极度危害人体健康。此外，电子设备产生的电磁干扰也会影响设备的使用和测量的精准性[1-2]。在某些特殊制造工业领域，如国防军事、化工生产等领域，服装常需兼具防辐射与阻燃性能来满足日常工作需要。所以，需深入研究兼具电磁屏蔽与阻燃性能的织物，以便更好地满足市场需求。

目前，制作电磁屏蔽织物的方法有：涂层法、镀金属法、金属纤维混纺法等[3-5]。本实验将采用倍捻法，将细达0.035 mm的不锈钢微丝(长丝)和芳纶长丝复合成纱。因不锈钢微丝本身具有导电和电磁屏蔽的功能，对电磁波有良好的反射和吸收作用；而芳纶长丝，则具有阻燃、超高强度、高模量和优异的耐酸耐碱性能，两者倍捻可制得兼具阻燃和电磁屏蔽性能的复合纱。

本文研究不锈钢微丝与芳纶长丝的纱线并捻工艺，得到不锈钢微丝与芳纶长丝的最优复合工艺参数，为开发新型电磁屏蔽材料提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

芳纶1313(纤度为200 D，断裂强度为4.1 cN·dtex-1，含油率为1.5%，断裂伸长率为20%)，烟台泰和新材料股份有限公司生产。

316L型不锈钢微丝(直径为0.035 mm，断裂强力为91 cN，断裂伸长率为21.3%)，强纶新材料有限公司公司生产。

1.2 仪器与设备

数字式小样并纱机DSDw-01-2、数字式小样并捻机DSDt-01(天津市嘉诚机电设备有限公司)，全自动单纱强力仪YG063(泉州市美邦仪器有限公司)，台式电子扫描显微镜TM4000Plus(日本日立有限公司)。

1.3 实验方法

采用并纱机将一根芳纶长丝和一根不锈钢长丝进行并线，再将其在倍捻机进行加捻合成纱线，研究其捻度、卷绕张力补偿、并捻机锭速等主要工艺参数对复合纱的结构和性能的影响。

1.3.1 捻度单因子实验

经过初步验证发现：当捻度大于120 T·(10 cm)-1时，倍捻机的下皮带会脱离圆盘轨道，并且磨损设备的同时，机器冒出白烟伴随有烧焦味道，继而皮带便脱落，产生严重的皮带自退绕现象，不利于正常生产，而且纱线质量也较差，易拉断；当捻度小于20 T·(10 cm)-1时，加捻复合纱抱合力太差，单纱容易脱落滑动。由此得出，选择捻度的范围为20～120 T·(10 cm)-1，样品对应编号见表1。

表1 捻度单因子实验设计

1.3.2 卷绕张力补偿单因子实验

经过初步试验发现：当卷绕张力补偿过大时，筒子卷绕的纱线拉力就越大，容易造成纱线的弹性损失，织造断头增加；而补偿张力过小，则会引起筒子成型不良，造成筒子疵点[6]。所以，卷绕张力补偿采用0.5～1.5 N之间，样品对应编号见表2。

表2 卷绕张力补偿单因子实验设计

1.3.3 锭速单因子实验

验证数值区间的过程中，倍捻机调整锭速一旦达到8 000 r·min-1以上，机器运转飞快，对机器皮带、卷绕筒子都有严重磨损且不利于长时间工作；倍捻机调整锭速到4 000 r·min-1以下的时候，机器运转太慢，加捻效率也不高。所以基于织造的全因素考虑，选用锭速在4 000～8 000 r·min-1，样品对应编号见表3。

表3 锭速单因子实验设计

1.4 纱线性能表征

1.4.1 力学性能

按GB/T 3916-2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定(CRE法)》进行测试，利用单纱强力仪测定纱线的拉伸断裂性能。

1.4.2 纱线结构

利用台式电子扫描显微镜进行扫描拍摄，分析纱线结构以及单纱和长丝之间的包缠情况。

2 结果与讨论

2.1 捻度对复合纱断裂强度的影响

采用1.4.1所述方法测得复合纱的断裂强度，得到纱线的捻度对断裂强度的影响关系(图1)。

图1 捻度对纱线断裂强度的影响Fig.1 Effect of twist on yarn breaking tenacity

由图1(a)可知，随着捻度增大，纱线的断裂强度先增大，而后逐渐减小，说明在纱线并捻的过程中存在一个临界的捻度数值，使得纱线的强度最佳。这是因为复合纱在刚开始加捻时，捻度较低且各根单丝之间的关联度小，而随着捻度逐步增加，经过倍捻工艺的两股纱线相互包裹与缠绕，有效地防止了断裂伸长率较小的纱线的脱落与滑移断裂，相比各单丝的强度，并捻复合纱的断裂强度有效增加[7]。但是，当并捻复合纱的捻度到达一定的数值后，复合纱在拉伸断裂时，各根单丝的断裂不同时性增加，整个断裂破坏过程在一个较长的伸长区间完成，由此导致断裂强度随捻度的增加而下降，并在开始断裂以后，拉伸曲线出现一个较长的延伸部分[8]。一般随着捻度的增加，纱线的耐磨性会有所增加，可以有助于后续织造的开展。

因此，需继续实验找出捻度20～60 T·(10 cm)-1之间，纱线的最佳捻度。由图1(b)得出，在区间内由于芳纶和不锈钢微丝都是长丝形态，将其加微捻时，强度即可达到高点，故捻度为30 T·(10 cm)-1时复合纱强度最佳。

2.2 卷绕张力补偿对复合纱断裂强度的影响

采用1.4.1所述方法测得复合纱的断裂强度，得到纱线的卷绕张力补偿对断裂强度的影响关系(图2)。

图2 卷绕张力补偿对纱线断裂强度的影响Fig.2 Effect of winding tension compensation on yarn breaking tenacity

由图2可知，纱线的卷绕张力补偿对复合纱的强度也存在较大的影响。一般在织造实践中认为卷绕张力补偿仅影响纱线的卷装成型。但是，实验结果表明：在并捻的工艺中，卷绕张力补偿对复合纱的拉伸断裂强度也存在影响。因此，在生产实践环节，当纱线种类或生产的条件改变时，必须通过定量的实验和定量的试纺才能选择出更好的卷绕张力补偿参数。当卷绕张力补偿设置过大时，筒子卷绕的纱线拉力就愈大，继而造成纱线的弹性损失，出现织造断头的增加；而张力过小，则会引起筒子成型不良，造成筒子疵点，继而影响纱线的条干均匀度[9-11]。通过实验发现，当卷绕张力补偿选用在0.5～1.5 N时，并捻过程比较稳定，纱线条干比较均匀，成纱质量较好。当卷绕张力补偿为1 N时，纱线强度性能最好，故选用该值。

2.3 锭速对复合纱断裂强度与结构的影响

2.3.1 锭速对复合纱断裂强度的影响

采用1.4.1所述方法测得复合纱的断裂强度，得到纱线锭速对复合纱断裂强度的影响关系(图3)。

图3 锭速对纱线断裂强度的影响Fig.3 Effect of spindle speed on yarn breaking tenacity

由图3可知，随着锭速的增加，复合纱的断裂强度增加趋势不明显，大多数位于3.2 cN·dtex-1左右。这主要是因为在1.3.3中选用的区间，充分考虑了机器运转、纱线成型规律等因素，选用锭速在4 000～8 000 r·min-1之间。但是，在考虑最优复合纱强度的同时，还需考虑纱线的外观均匀程度。若是纱线加捻后出现“小辫子纱”或者“断头”现象，则充分说明在一定的锭速下，复合纱中的两种长丝的张力不匹配。其中，过大的纱线包围角、过大的纱线气圈张力或纱线气圈触碰储纱罐上沿等原因会造成上述情况产生。所以，要经过综合的分析之后才能确定纱线合适的锭速[7]。

2.3.2 锭速对纱线结构和断裂强度的影响

不同锭速条件下纱线的结构如图4所示。

图4 锭速对纱线结构的影响Fig.4 Effect of spindle speed on yarn structure

由图4可以看出：经过并捻机纺制的复合纱结构类似于包缠纱，即以一种长丝为纱芯，另一种长丝螺旋包覆纱芯的纱线结构。当锭速为4 000 r·min-1时，复合纱结构如图4(a)，芳纶长丝纤维束并未有效加捻，纤维与纤维之间抱合力还较小，纱线不适合进一步织造。当锭速为6 000 r·min-1时，明显看出纱线不匀率减少，条干均匀，加捻后的纱线径向转移、内外转移都较少，疵点也明显减少，且不锈钢微丝均匀缠绕，纱线适合进一步织造。当锭速为8 000 r·min-1时，虽说对于提高单位时间产量而言，锭速越高越好，但是从图4(c)中间段明显看到加捻的不匀率有增加迹象，而且捻不匀的增加会大大增加断头率，继而造成人工接头数量增加，使得弱捻机会加大，影响成纱质量[12]。

最理想的纱线结构应该是图4(b)所示，即锭速为6 000 r·min-1时，不锈钢微丝均匀旋转包覆在外层，有利于消除静电，以防止静电造成的危害。

3 结语

1)捻度和卷绕张力补偿对芳纶与不锈钢微丝的复合纱的影响规律与短纤纱的加捻规律一致，即复合纱也存在临界捻度与临界补偿张力的情况，复合纱线的断裂强度随着捻度和卷绕张力补偿的增大先达到一定数值而后减小。

2)不同的锭速在一定程度上影响复合纱线的成纱形态。当锭速为6 000 r·min-1时，复合纱均匀无疵点，不锈钢微丝均匀贴附。在实际的织造生产过程中，也应尽可能控制好锭速以兼顾纱线的不匀率，避免纱线径向转移、内外转移带来的退捻、弱捻、断头率、毛羽、疵点等。

3)结合实验，得出芳纶与不锈钢微丝并捻的最佳工艺参数：捻度为30 T·(10 cm)-1，卷绕张力补偿为1 N，锭速为6 000 r·min-1时，复合纱性能良好。