氨纶预牵伸倍数对棉/氨纶/不锈钢丝包覆纱性能的影响

王勇 乔启凡 王宗乾 李长龙 王炜

摘 要：针对面向个体防护装备的涂层类电磁屏蔽材料存在无弹性、保形性差、不耐洗涤、舒适性差等不足，基于空心锭包缠纺纱机，以氨纶为纱芯、不锈钢丝和棉股线为第一和第二外包覆层，纺制兼具优良弹性和电磁屏蔽功效的棉/氨纶/不锈钢丝包覆纱。探究氨纶预牵伸倍数对包覆纱强伸性能、回弹性能的影响，利用模糊综合评判法优化工艺参数，实现纬向弹性电磁屏蔽机织物的设计构筑。结果表明：氨纶预牵伸倍数对包覆纱性能影响显著。在设定范围内，氨纶预牵伸倍数为2.5时，包覆纱综合质量较优，且在拉伸应变下具有稳健的导电特征。此外，基于包覆纱制备的纬向弹性机织物具有优良的可拉伸性，电磁屏蔽效能与织物放置方向、拉伸应变程度等密切相关。相关研究结果可为开发电磁屏蔽耐久性好、高度可拉伸且服用性能优良的电磁屏蔽织物提供新思路。

关键词：含不锈钢丝弹力包覆纱；氨纶预牵伸倍数；模糊综合评判；可拉伸电磁屏蔽织物; 屏蔽效能

中图分类号：TS114 文献标志码：A 文章编号：

1009-265X（2024）05-0032-09

收稿日期：20230917 网络出版日期：20231122

基金项目：芜湖市重点研发项目（2022yf59）；安徽工程大学校级科研项目（Xjky2022074）；安徽工程大学科研项目促进纺织服装类本科拔尖人才培养项目（FFBK202221， FFBK202336）

作者简介：王勇（1987—），男，江苏盐城人，副教授，博士，主要从事功能复合纱构筑及表征方面的研究。

通信作者：李长龙，E-mail：licl@ahpu.edu.cn

随着科技的迅猛发展，电磁技术逐渐广泛应用于通信、国防军工、检测等领域；然而在给社会和人类带来便利的同时，过量电磁干扰给生物体和国家安全带来危害。电磁波污染源具有多样性及不可避免性，高功效柔性电磁屏蔽纺织材料是控制污染、降低辐射行之有效的途径之一，研发具有高效屏蔽耐久性且服用性能优良的电磁屏蔽纺织材料已成为大势所趋^[1-2]。

穿着具有电磁屏蔽功效的服装是人们抵御辐射最常见的选择^[3]。电磁屏蔽织物以织物作为载体，引入一定的导电或导磁性成分，通过对电磁波进行反射、吸收及多次反射，使电磁波能量发生较大幅度衰减，从而达到电磁屏蔽的功效^[4-6]。目前，电磁屏蔽织物根据制备技术可分为两类^[7-8]：其一，将本征导电金属纤维（如不锈钢、银、铜等）或非金属导电纤维（如碳纤维等）与常规纺织纤维混纺、并线等工序制备成纺织纱线，然后加工成织物。此类织物存在一定的缺点，如回弹性和保形性较差等，国内外对此均有研究，例如：肖红等^[5-6]制备了含金属纤维的机织物，并对织物多尺度结构等效模型及其电磁响应机理进行了探究；Peng等^[9]基于环锭细纱机纺制了金属丝/莫代尔包芯纱，使用该纱线加工成机织物，并对电磁屏蔽性能进行了测试分析；陈玉娜等^[10]指出未充满系数是影响电磁屏蔽针织物屏蔽效能的关键因素之一；Li等^[11]对镀银织物、铜镍复合涂层织物、不锈钢混纺织物的屏蔽效能进行探究，指出织物放置方式和织物折皱回复性对屏蔽效能均有较大的影响；Cheng等^[12]指出测试频率波段、金属含量及其排列方式等对不锈钢纤维混纺织物的屏蔽效能有显著影响；Tezel等^[13]指出针织物结构、金属丝种类及其含量、入射波段频率等是影响织物电磁屏蔽效能的关键因素。其二，通过化学镀、原位聚合、真空镀、磁控溅射等手段将导电组分整理到常规织物表面制备电磁屏蔽织物^[14-19]，然而，存在导电组分在承受循环机械外力作用时易脱落而引起屏蔽效能的波动甚至失效、织物贴附舒适性较差等不足。目前，本征弹性电磁屏蔽织物的研究报道较少^[20-21]。

空心锭包缠纺纱技术本质上属于纱线再加工设计技术，通过各层原料的搭配组合，可实现优势互补，改善包覆纱综合品质。关键成纱工艺参数的调控对成纱结构的优化设计和成纱性能至关重要。本文基于空心锭包缠纺纱机，以氨纶丝为纱芯、不锈钢丝和棉股线为第一和第二外包覆层，纺制棉/氨纶/不锈钢丝包覆纱。重点探讨了氨纶预牵伸倍数对包覆纱强伸性能、回弹性能的影响，并利用模糊综合评判法优化成纱工艺参数。同时，基于包覆纱构筑一种纬向弹性电磁屏蔽机织物，并对织物的电磁屏蔽性能进行测试分析，以期为开发设计具有持久电磁屏蔽效能、高度可拉伸且服用性能优良的电磁屏蔽机织物提供一定的参考。

1 实验

1.1 纺纱原料

选用氨纶（124.4 tex）、不锈钢丝（30 μm）和棉股线（18.22 tex×2）3种原料，纺制棉/氨纶/不锈钢丝包覆纱，原料的强伸性能曲线如图1所示。由图1（a）可知，氨纶丝表现出高度可拉伸性（≈850%）；由图1（b）可知，不锈钢丝从受力拉伸至约2.5%时，应力应变成正比。隨着拉应变的增加，产生一定的塑性变形直至最终断裂；由图1（c）可知，棉股线具有典型的黏弹力学性质。

1.2 棉/氨纶/不锈钢丝覆纱的纺制

采用LB-192型全电脑成型包覆丝机纺制棉/氨纶/不锈钢丝包覆纱，其纺纱工艺原理如图2所示。在纺纱工艺中，芯层氨纶经过积极喂入罗拉赋予其一定倍数的预牵伸，随后喂入下层空心锭的中心管并从其上端引出；卷绕在下层锭管上的第一外包覆层不锈钢丝从锭管上退绕，并与上述预牵伸氨纶复合，形成不锈钢丝包缠氨纶的预结构纱段，喂入上层中心管并从其上端引出；随后，卷绕在上层锭管上的第二外包覆层棉股线从锭管上退绕，并与上述预结构纱段复合，得到棉/氨纶/不锈钢丝包覆纱。影响此纱力学性能的纺纱工艺参数主要有捻度配置（即包缠捻度、内外捻度比）和氨纶预牵伸倍数等。采取单一变量原则，保持捻度配置不变（即包缠捻度1200 T/m、内外捻度比1.0），控制锭速5000 r/min，氨纶预牵伸倍数选取2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，纺制5种规格包覆纱。

以包缠捻度1200 T/m、内外捻度比1.0、氨纶预牵伸倍数2.5纺制的包覆纱为例，考察其可拉伸性。由图3可知，该包覆纱具有高度可拉伸性（最大应变约150%）。初始状态下包覆纱外侧被棉股线均匀包覆。随着拉伸的进行，纱体内部的氨纶和不锈钢丝组分显现。

将该纱作为柔性可拉伸导线连接到一个简易电路中，考查其在不同拉应变下电路中两个串联LED灯泡能否正常工作及其发光强度变化。包覆纱在不同拉伸应变下的导电行为如图4所示，LED灯泡能正常工作，且发光强度未见明显变化。该包覆纱在逐步拉伸过程中的相对电阻变化较小，具有良好的电学行为稳健性。从而证明其作为柔性可拉伸导线具有较好的实用性和可靠性。

1.3 含不锈钢丝弹力包覆纱产品的性能评价

对不同氨纶预牵伸倍数下所纺包覆纱的强伸性和回弹性、纱线基可拉伸电磁屏蔽机织物的屏蔽效能进行测试分析。所以测试均在标准大气压下执行（温度（20±2）℃，相对湿度（65±3）%）。

强伸性：参照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）》和FZ/T 12010—2011《棉氨纶包芯本色纱》相关规定执行。采用YG（B）021DL型电子单纱强力仪测试纱线强伸性。隔距50 mm，拉伸速度500 mm/min，预加张力0.5 cN/tex，测试10次求均值。

回弹性：采用定重法测试包覆纱的回弹性能，如图5所示。在预加张力[（芯纱特数/牵伸倍数+第一外包缠纱特数+第二外包缠纱特数）×0.88 cN/tex]作用下截取初始纱长25 cm，标记为l₀；以包覆纱平均断裂强力的50%作为牵伸载荷，将其施加在纱线上，持续60 s后记录纱长，标记为l₁；卸去载荷使纱线恢复，停置120 s后记录纱长，标记为l₂。计算包覆纱的弹性伸长率ε和回复率R，具体计算详见式（1）—（2）：

测试10次求均值。

电磁屏蔽性能：以较优工艺参数所纺包覆纱为纬纱、棉股线为经纱，选用2/2右斜纹组织，织制纬向弹性电磁屏蔽机织物。使用Keysight-P5004A型矢量网络分析仪，将织物裁剪成矩形试样，测试波段为8.2～12.4 GHz，探究其在不同放置方式（水平和垂直放置）、不同拉伸程度（0%、20%、40%）下的屏蔽效能。

2 结果与分析

2.1 不同氨纶预牵伸倍数对包覆纱强伸性能的影响

不同氨纶预牵伸倍数对包覆纱强伸性能的影响如图6所示。由图6（a）可知，包覆纱的断裂强力随着氨纶预牵伸倍数的增加而逐渐增加。究其原因主要为：相对于较低氨纶预牵伸倍数，较大的氨纶预牵伸倍数可使包覆纱体中芯层氨纶弹力丝发生更大的预伸长值，受拉变形时能够承受较大的外力作用，显著降低氨纶丝与纱体中其余两组分的相关力学性能差异性。对成纱强力产生积极的贡献；当氨纶预牵伸倍数较小时，其产生的预伸长有限。此时包覆纱受拉时，纱体中氨纶丝的受力状态类似于其初始阶段的力学曲线形态，故对包覆纱体整体强力贡献率较小。包覆纱断裂伸长率随着氨纶预牵伸倍数的增加而逐渐降低。当氨纶预牵伸倍数较小时，拉伸力学曲线呈现经典的多段式模式。螺旋状包缠在芯层氨纶弹力丝上的外包缠层发生明显的多次断裂现象，导致拉伸载荷出现锯齿形波动。伴随着拉伸的持续进行，氨纶丝不断伸长直至最终断裂，导致断裂峰值出现骤降；而当氨纶预牵伸倍数较大时，高度张紧的氨纶芯层和外包缠层之间的模量差异性显著降低，导致包覆纱各层几乎同时断裂，相关结果如图6（b）所示。因此，包覆纱断裂伸长率与氨纶预牵伸倍数负相关。并且，随着氨纶预牵伸倍数的增加，包覆纱受拉发生不同时断裂的概率逐渐降低。

由图6（c）可知，不同氨纶预牵伸倍数下包覆纱断裂强力中位数值逐渐上升。在一定牵伸范围内（2.0～3.0），强力上升速率随牵伸倍数的增大而缓慢上升；当预牵伸倍数超过3.0时，上升趋势顯著。就箱式图分布而言，不同牵伸倍数下包覆纱断裂强力呈偏态分布。随着牵伸倍数的增加，强力分布整体呈现“右偏-近似对称-左偏”分布趋势。

选取氨纶预牵伸倍数2.5工艺条件所纺包覆纱为例，探究其在定伸长（拉应变100%）循环拉伸作用下的力学性能稳定性。由图6（d）可知，随着循环作用次数的增加，包覆纱的最大受拉峰值小幅度下降，出现“应力软化”现象。此外，包覆纱经1次循环作用后产生了较大的应力滞后圈，第2—5次循环作用下的应力曲线几乎重合且具有相对较小的滞后圈。上述测试结果充分说明所纺包覆纱具有较好的力学鲁棒性。

2.2 不同氨纶预牵伸倍数对包覆纱回弹性能的影响

不同氨纶预牵伸倍数下包覆纱的回弹性能测试结果汇总如图7（a）所示。由图7（a）可知，氨纶预牵伸倍数对包覆纱的弹性伸长率和弹性回复率均有较为显著的影响。伴随着氨纶预牵伸倍数的增加，包覆纱的回弹性能呈现先上升后下降的趋势，并且在2.5～3.0间的回弹性能综合较优。弹性伸长率可达240.5%，弹性回复率高达86.77%。究其原因主要为：在一定的预牵伸倍数范围内，较大氨纶预牵伸意味着氨纶获得了较大的预伸长值，使得氨纶丝产生较大的内应力作用，进而赋予包覆纱良好的弹性伸长率和回复率。当预牵伸倍数继续增加时，

理论上包覆纱应具有更大的回弹特性，但是由于过大的预牵伸倍数使氨纶丝在外力卸载后（自由状态），氨纶丝外侧螺旋缠绕的不锈钢丝相互紧密排列，会对此时的氨纶芯丝的受拉伸长行为产生一定程度“限制和束缚”作用，反而不利于包覆纱的弹性伸长和弹性回复，因而造成包覆纱的表征回弹性的两个关键指标随氨纶预牵伸倍数呈现“上升-下降”的变化趋势，存在一个合适的临界氨纶预牵伸倍数范围。

图7（b）所示为一定工艺参数下所纺包覆纱在经受10次循环回弹性能测试后的弹性回复率变化趋势，由图可知变化幅度较小，说明所纺包覆纱具有较好的回弹力学鲁棒性。

2.3 基于模糊综合评判法的包覆纱关键工艺参数优化

模糊综合评判法基于模糊数学原理，能够行之有效地解决多评价指标之间的模糊性问题。运用模糊綜合评判法在包覆纱性能测试制备与工艺参数之间建立定量关系，可实现关键成纱工艺参数的优化。选取包覆纱的强伸性能和回弹性能4项指标为对象，模糊综合评判法主要步骤如下：

2.3.1 建立模糊关系矩阵R

确定评价指标集合U={A：断裂强力；B：断裂伸长率；C：弹性伸长率；D：弹性回复率}。进一步地，对各测试数据矩阵进行归一化处理可得到R = （r_ij）_5×4，以消除评价指标的量纲效应。对于上述指标而言，数值越大越优。故归一化公式为：

基于式（3），可得模糊关系矩阵R为：

2.3.2 确定权重分配集M

权重系数表示评价指标对包覆纱性能影响的重要程度，其值越大，说明该指标对纱线性能影响越大。确定评价指标的权重系数M_j（ j =1， 2， …， k），∑kj=1M_j=1，k为评价指标的总项数。对于包覆纱而言，纱线回弹性能较为重要，故其所占权重较大。故确立先后顺序为：断裂强度、断裂伸长率、弹性伸长率、弹性回复率，与集合U相对应的M取值依次为：

2.3.3 确定综合评价矩阵B

不同纺纱工艺参数下的综合评价矩阵B值越大，表观成纱工艺越优。综合评价矩阵B计算如下：

由综合评价矩阵B可知，当氨纶预牵伸倍数为2.5时，B值最大为0.7282。因此，在包缠捻度1200 T/m和内外捻度比1.0的前提下，氨纶预牵伸倍数2.5时所纺制的包覆纱的综合性能较佳。该较优成纱工艺参数可在一定程度上指导该类型包覆纱的生产实践。

2.4 基于包覆纱的纬弹机织物的构筑及功效表征

以上述模糊综合评判法得出的较优工艺参数（氨纶预牵伸倍数2.5、包缠捻度1200 T/m、内外捻度比1.0）纺制的包覆纱作为纬纱、棉股线（32 s/2）作为经纱，选用2/2右斜纹组织，经纬密30根/英寸×40根/英寸，在SGA598型半自动小样织布机上织制纬向弹性电磁屏蔽机织物。基于包覆纱的纬向弹性机织物的构筑及其电磁屏蔽效能表征如图8所示。由图8（a）可知，该机织物具有良好的纬向可拉伸性，手动拉伸可达原长的1.48倍（拉应变为48%），外力去除后又可回复至初始态，具有良好的回弹特征。

图8（b）所示为织物电磁屏蔽效能测试示意。将裁剪好的矩形样品夹持在WR90波导管中，探究织物放置方式和拉伸应变程度对相应屏蔽效能的影响。图8（c）所示为织物不同放置方式（水平和垂直）对其屏蔽效能的影响。织物放置方式会对电磁波入射角度产生影响。当织物水平放置时，电场方向和织物中所含金属丝包覆纱排列方向平行、磁场方向则与之垂直。根据电磁场感应定律，金属纤维内部有感生电流并产生一个和原磁场抵消的感生磁场^[22-24]，此时织物具有优良的屏蔽效能（18～25 dB，符合FTTS-FA-003标准中民生用途用电磁辐射纺织品规定的15～20 dB低限要求）；当织物垂直放置时，电场方向和含金属丝包覆纱垂直、磁场方向则与之平行，金属纤维内部无感生电流^[22-24]，此时织物几乎无屏蔽效果（最高值小于2.5 dB，未达到电磁屏蔽纺织品要求的最低限域）。图8（d）所示为织物不同拉伸程度对屏蔽效能的影响。随着织物纬向拉伸应变的增加，织物屏蔽效能有所增加，峰值从0%拉伸应变时的23.8 dB增至40%拉伸应变时的36.1 dB，且峰值出现的位置由低频向高频段偏移。伴随着拉伸应变的增大，织物纬向相邻包覆纱（或包覆纱中不锈钢丝）的排列密度增大，从而导致织物受拉时屏蔽效能明显提升。

通过使用特斯拉线圈装置，可更加清晰且直观地演示织物的电磁屏蔽高效性。如图8（e）所示，给特斯拉线圈装置通电，当手持LED灯泡靠近时，灯泡会被点亮；当将纯棉机织物放置在LED灯泡和线圈装置之间，LED灯泡仍正常发光，即电磁波能够穿透该织物（织物对电磁波无阻隔作用）；当将含不锈钢丝的纬向弹性机织物放置在LED灯泡和线圈装置之间，LED灯泡无法被点亮，说明本文所制备的纬向弹性机织物阻碍了电磁波的传输，具有一定的屏蔽效能。

3 结论

本文以氨纶为纱芯、不锈钢丝和棉股线分别为第一和第二外包覆层，采用2组串联使用的空心锭机构，实现棉/氨纶/不锈钢丝包覆纱的可控制备，在此基础上构筑纬向弹性电磁屏蔽机织物，主要结论如下：

a）通过空心锭包缠纺纱技术，可实现刚性不锈钢丝在成纱中的弹性化。所纺包覆纱具有高度可拉伸性，且其最大表观伸长与氨纶预牵伸倍数正相关。包覆纱电阻变化对拉伸应变不敏感。

b）氨纶预牵伸倍数对包覆纱强伸性、回弹性均有显著影响。随着氨纶预牵伸倍数的增加，包覆纱断裂强力逐步上升，断裂伸长率逐渐下降；拉伸断裂模式从非同时转变为同时断裂；包覆纱回弹性能随预牵伸倍数的增大先上升后下降，在2.5～3.0时较优。基于模糊综合评判法优化成纱工艺参数。当氨纶预牵伸倍数2.5时，包覆纱综合品质较佳。

c）基于该包覆纱织制纬向弹性机织物，该织物具有优良的可拉伸性，且电磁屏蔽效能与织物放置方向、拉伸应变程度等密切相关。

基于本文研究既可成功纺制棉/氨纶/不锈钢丝包覆纱，实现刚性不锈钢丝弹性化表现，为高品质、多功能化纺纱加工提供技术基础；又可为电磁屏蔽耐久性、高度可拉伸且服用性能优良的电磁屏蔽织物的研发提供一定的新思路。

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Effect of pre-draft ratio of elastane filaments on the properties of yarns wrapped with cotton/spandex/stainless steel wires

WANG  Yong^1，2，3，  QIAO  Qifan^2b，  WANG  Zongqian^2b，  LI  Changlong^2b，  WANG  Wei^1，3

（1.College of Chemistry and Chemical Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China; 2a.Advanced Fiber Materials Engineering Research Center of Anhui Province; 2b.School of Textile and Garment， Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China; 3.Saintyear Holding Group Co.， Ltd.， Hangzhou 311221， China）

Abstract：  Recently， the demand of protective and comfortable performances of personal protective equipment is gradually increasing. For electromagnetic shielding fabrics， most of the existing surface-coated electromagnetic shielding protective materials have certain disadvantages such as inelasticity， poor shape retention， poor washing resistance， and uncomfortable characteristics. The development of a new material having the characteristics of mechanically stretchability， controllable structure， flexible manufacturing， and electromagnetic shielding durability has become the first choice for the next generation of textile-based electromagnetic shielding materials. To fabricate high-performance yarns with excellent elasticity and shielding capability is a necessary prerequisite for the preparation of intrinsically stretchable electromagnetic shielding textile fabrics. Given this， the intrinsically stretchable electromagnetic shielding fabrics were constructed from the double level of “elastic yarn-elastic fabric” in this study. Specifically， elastic wrapped yarns containing metal wire were fabricated based on a hollow-spindle wrap spinning system with elastane filament （EF） as the core， stainless steel wire as the first wrapping layer and cotton ply yarn as the second wrapping layer. The effect of the pre-draft ratio of EF on the tensile and elastic behaviors of wrapped yarns was systematically investigated， and the processing parameters were optimized by using the fuzzy comprehensive evaluation method. After that， a weft stretch woven fabric having the characteristics of high stretchability and robust electromagnetic shielding effectiveness was produced， and the key factors influencing the shielding efficiency were systematically clarified.

In this work， the flexibility of relatively rigid stainless steel wires can be realized by using two sets of hollow spindle device in series， and the design of yarn structure and the configuration of the components within a wrapped yarn are responsible for the above results. The as-fabricated wrapped yarns are well wrapped by cotton ply yarn， and no stainless steel wire and EF components can be visibly seen. Further， taking the pre-draft ratio of EF 2.5 as an example， the resultant wrapped yarn has a more bulking surface profile compared with the staightened one， which facilitates its elastic elongation rate to 240.5% without distortion. Importantly， the macroscopically observable stretchability is closely related to the pre-draft ratio of EF， and the electrical conductivity of the wrapped yarns can be maintained during the stretching process. The experimental results demonstrate that the pre-draft ratio of EF has significant influence on the related properties of the resultant wrapped yarns. With the increase of the pre-draft ratio of EF， the breaking strength of yarns gradually increases while the extension at break decreases. From the tensile curves of the resultant wrapped yarns with varying pre-draft ratios of EF， we can see that the fracture mode has converted from multiple breaks to single break with the increase of the pre-draft ratio. Also， the superior elastic properties of wrapped yarns can be obtained when the pre-draft ratio of EF is between 2.5 and 3.0. In addition， the optimized process parameter for fabricating such wrapped yarns can be obtained via fuzzy comprehensive evaluation method， that is， the pre-draft ratio of EF 2.5 within the predetermined scope in this work. Finally， a weft stretch woven fabric was manufactured with cotton ply yarn and wrapped yarn with optimized process parameter as warp and weft， respectively. It is found that the effective electromagnetic shielding can be realized when the direction of stainless steel wire within the fabric is consistent with the direction of electric field vibration， and vice versa. The electromagnetic shielding capability of fabrics gradually increases with the increase of tensile strain of fabric in weft direction.

The relevant research of this paper will not only provide technical support and realize the optimization of key process parameters for the fabrication of multifunctional wrapped yarns， but also provide certain theoretical basis and practical guidance for the scientific design of fabric-based electromagnetic shielding materials.

Keywords： elastic wrapped yarn containing metal wire; spandex stretch; fuzzy comprehensive evaluation; elastic electromagnetic shielding textile fabric; shielding effectiveness