張 巖， 裴澤光， 陳 革

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

電子智能服裝將電子產(chǎn)品融入服裝之中，集電子器件的功能與紡織品的舒適性于一體，是可穿戴設(shè)備的一大類，在生理特征檢測、健康管理、生活輔助、體育、娛樂與軍事等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用前景[1]。織物導(dǎo)電線路將各主要電子功能器件連接起來，是智能服裝的重要組成部分?？椢飳?dǎo)電線路需具備電導(dǎo)率高、力學(xué)性能好、可靠性高、質(zhì)輕、人機(jī)友好等特點(diǎn)。目前，制備織物導(dǎo)電線路的方法主要有2種：一是利用濺射、化學(xué)氣相沉積、電鍍、絲網(wǎng)印刷、噴墨打印等方法在織物表面沉積導(dǎo)電材料[2]，利用這類方法得到的導(dǎo)電線路易剝落，脆度高，通常需要進(jìn)行后道封裝以提高其力學(xué)性能，使制得的導(dǎo)電織物透氣性和延展性下降[3]；二是將導(dǎo)電紗線利用刺繡、縫編、機(jī)織、針織等方法植入織物中以形成導(dǎo)電線路[4-6]，這種方法制得的導(dǎo)電織物具有透氣性與耐用性好等優(yōu)點(diǎn)。將金屬絲(如不銹鋼絲、銅絲等)利用上述方法植入織物中，得到的導(dǎo)電線路具有較高的電導(dǎo)率和優(yōu)良的力學(xué)性能，缺點(diǎn)是形成的導(dǎo)電織物質(zhì)感硬，舒適性較差。

為改善金屬絲作為織物導(dǎo)電線路所存在的上述缺點(diǎn)，有研究者利用可規(guī)?；a(chǎn)的紡紗技術(shù)如環(huán)錠紡紗方法[7-8]、摩擦紡紗方法[9-10]分別制備了以金屬絲為芯紗、外包短纖維的包芯紗作為導(dǎo)電紗線。環(huán)錠紡紗方法難于形成良好的包芯紗結(jié)構(gòu)，且生產(chǎn)率低，流程長；而摩擦紡紗方法雖然可形成良好的包芯紗結(jié)構(gòu)，但通常僅適用于紡制中、粗支紗。噴氣渦流紡是一種借助高速旋轉(zhuǎn)氣流對纖維須條進(jìn)行加捻成紗的新型紡紗方法，其制成的紗線呈包纏結(jié)構(gòu)，即外層為有捻的包纏纖維，內(nèi)層為無捻、近似平行的芯纖維[11]。這種特殊結(jié)構(gòu)使得噴氣渦流紡工藝非常適合紡制包芯紗，即外包纖維均勻包纏在作為芯紗的長絲的外側(cè)，長絲不易偏離紗體中心和外露，保證其不受磨損；此外，由噴氣渦流紗制成的織物具有良好的耐磨性[12]。

本文在已獲得的專利技術(shù)[13]基礎(chǔ)上，利用噴氣渦流紡紗方法制備出以超細(xì)金屬絲為芯紗、外包短纖維、具有芯鞘結(jié)構(gòu)的包芯紗。所采用的金屬絲為直徑等于50 μm、外部涂敷聚氨酯涂層(厚度約為3 μm)的銅絲。在此基礎(chǔ)上對包芯紗的結(jié)構(gòu)與電學(xué)、力學(xué)性能進(jìn)行了研究與分析。

1 紡紗裝置

1.1 金屬絲喂入裝置

由于所采用的金屬絲直徑很細(xì)，彈性很低，而前羅拉表面具有梯形斜紋，金屬絲經(jīng)過前羅拉鉗口時(shí)將會被軋成波紋狀，其結(jié)構(gòu)受到破壞，因此，設(shè)計(jì)了如圖1所示的金屬絲喂入裝置與方法。金屬絲經(jīng)導(dǎo)引鉤被夾線器夾持并施加一定張力(該張力可調(diào))，隨后通過導(dǎo)引輪進(jìn)入張力傳感器以獲得金屬絲的實(shí)時(shí)張力值，再通過導(dǎo)引鉤進(jìn)入前羅拉開槽膠輥的槽隙中，隨后進(jìn)入位于前羅拉鉗口下游的紡紗噴嘴。

1—金屬絲； 2—金屬絲導(dǎo)引鉤； 3—金屬絲夾線器；4—金屬絲導(dǎo)引輪； 5—張力傳感器； 6—金屬絲導(dǎo)引鉤；7—粗紗； 8—后羅拉； 9—中羅拉； 10—前羅拉；11—噴嘴； 12—包芯紗導(dǎo)引軸； 13—卷裝。圖1 金屬絲喂入裝置Fig.1 Device of feeding copper wire

前羅拉開槽膠輥如圖2所示。金屬絲通過開槽膠輥與前羅拉間的槽隙進(jìn)入噴嘴內(nèi)部。噴嘴幾何中心與膠輥槽的中心處在同一直線上，如圖3所示噴嘴入口負(fù)壓區(qū)作用簡圖。

圖2 前羅拉開槽膠輥Fig.2 Front rubber roller with groove

1—纖維束， 2—前羅拉鉗口， 3—噴嘴入口負(fù)壓區(qū)，4—金屬絲， 5—導(dǎo)引體保持器； a為短纖維束被夾持的鉗口長度(開槽前)， b為噴嘴入口端面至鉗口距離， c為噴嘴入口內(nèi)徑，f為短纖維束被夾持的鉗口長度(開槽后)，g為短纖維束在鉗口處寬度， h為圓錐形負(fù)壓區(qū)在鉗口處半徑，p為槽寬， β為圓錐形負(fù)壓區(qū)錐角。圖3 噴嘴入口負(fù)壓區(qū)作用簡圖Fig.3 Schematic of negative pressure zone near nozzle inlet

這種方式可保證金屬絲不受前羅拉表面梯形斜紋的擠軋而變成波紋狀。膠輥上的槽寬p為4 mm，徑向槽深為1 mm，保證金屬絲完整地通過前羅拉鉗口且有一定的偏移調(diào)節(jié)空間。

膠輥開槽后，短纖維束被夾持的鉗口長度a由開槽前的27 mm(前羅拉膠輥長度)縮短為f=15 mm，短纖維束在鉗口處寬度g通常小于5 mm[14]，且短纖維束在鉗口處受到搖架加壓力的控制，在鉗口處的橫向偏移[15-16]很小，故可忽略，因此開槽對短纖維束的牽伸并未產(chǎn)生明顯影響。噴嘴入口處由于渦流管內(nèi)部的高速旋轉(zhuǎn)氣流作用而產(chǎn)生局部負(fù)壓，負(fù)壓區(qū)域從入口處以一定錐角β向外延伸，該區(qū)域的垂直作用距離約可延伸至距噴嘴入口端面30 mm處，而試驗(yàn)中噴嘴入口端面至前羅拉鉗口距離b滿足8 mm

設(shè)b=8 mm(最小安裝距離)，β≈ 140°(上機(jī)試驗(yàn)所測值)，c=5 mm，則有：h=24.48 mm>(f+p)=19 mm。

由此可知，短纖維束仍在負(fù)壓氣流作用范圍內(nèi)，纖維束的吸入不受膠輥開槽的影響。

1.2 噴氣渦流紡紗噴嘴裝置

研究所采用的噴氣渦流紡紗噴嘴裝置如圖4所示。經(jīng)前羅拉鉗口輸出的金屬絲通過位于噴嘴入口處的導(dǎo)引體中心的芯絲導(dǎo)引通孔進(jìn)入渦流管內(nèi)，而短纖維束仍通過噴嘴入口進(jìn)入噴嘴。壓縮空氣沿噴孔高速射入渦流管內(nèi)，在其中形成高速旋轉(zhuǎn)氣流。短纖維在旋轉(zhuǎn)氣流作用下包纏在金屬絲外部，制成包芯紗，隨后通過空心錠內(nèi)部的引紗通道引離噴嘴，經(jīng)引紗羅拉后卷繞到紗筒上形成卷裝。

1—金屬絲導(dǎo)引體； 2—金屬絲； 3—纖維束； 4—導(dǎo)引體保持器；5—渦流管； 6—壓縮氣室罩； 7—空心錠； 8—排氣罩；9—上空心錠保持體； 10—排氣罩底蓋； 11—調(diào)節(jié)旋鈕；12—下空心錠保持體； 13—包芯紗； 14—O型密封圈；15—壓縮空氣氣室； 16—O型密封圈。圖4 噴嘴主體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic diagram of nozzle structure

2 包芯紗制備

采用DHU-P02型噴氣渦流紡紗實(shí)驗(yàn)機(jī)制備包芯紗。短纖維束采用粘膠粗紗喂入，纖維平均長度為38 mm，纖維線密度為1.5 dtex，粗紗線密度為680 tex。 部分實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1，環(huán)境溫度為(20±1) ℃，相對濕度為(65±1)%。紡紗速度設(shè)為130、160、190、220、250 m/min。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters for experiments

3 包芯紗結(jié)構(gòu)分析

3.1 表觀結(jié)構(gòu)分析

圖5示出噴氣渦流紡金屬絲包芯紗結(jié)構(gòu)，其中圖5(b)示出利用Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡觀測到的噴氣渦流紡金屬絲包芯紗的表觀結(jié)構(gòu)?？煽闯?，所制得的包芯紗具備噴氣渦流紗類似的結(jié)構(gòu)，即具有平行無捻的芯纖維和呈一定螺旋角包纏的包纏纖維，且金屬絲位于包芯紗內(nèi)部，被平行芯纖維周向包圍，因此噴氣渦流紡金屬絲包芯紗由3部分結(jié)構(gòu)組成，從內(nèi)到外依次為：金屬絲、平行無捻芯纖維、包纏纖維。

采用VHX-1000E型光學(xué)顯微鏡分析了在不同紡紗速度下得到的包芯紗的平均直徑及其露芯情況，結(jié)果如表2所示。

從表2中可看出，隨著紡紗速度的增加，包芯紗的線密度變化不明顯。在190 m/min時(shí)紗線線密度有一定幅度的增加，這與金屬絲輸送速度與短纖維的喂入量的配合有關(guān)，具體工藝影響有待進(jìn)一步研究。包芯紗的平均直徑在220 m/min時(shí)突然變小，在線密度一定情況下，平均直徑越小，表明外包短纖維的包纏緊密度越好，通過對其橫截面的分析也說明了這點(diǎn)。這個結(jié)果與該紡紗速度下短纖維的牽伸比與金屬絲的輸送速度有關(guān)。牽伸良好的短纖維與適當(dāng)輸送速度下的金屬絲在渦流的作用下更易使短纖維包纏于金屬絲的外表面，形成包纏緊密的包芯紗。對工藝參數(shù)具體如何影響包纏緊密度還有待進(jìn)一步研究。在包纏質(zhì)量方面，包芯紗雖存在一定程度的露芯，但露芯數(shù)量較少，平均露芯率低于1點(diǎn)/cm。

圖5 噴氣渦流紡金屬絲包芯紗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)

紡紗速度/(m·min-1)包芯紗平均直徑/μm包芯紗線密度/tex包芯紗露芯情況/(點(diǎn)數(shù)·m-1)130201.4133.0072160207.0132.6567190207.5836.3554220186.3632.1561250207.3433.6567

3.2 橫截面纖維分布分析

為分析包芯紗的紡制效果、纖維與金屬絲的組分占比和金屬絲的居中程度，對短纖維與金屬絲在包芯紗橫截面內(nèi)的分布情況進(jìn)行了分析。采用樹脂包埋法制作包芯紗橫截?cái)嗝鏄悠罚涸诔丨h(huán)境下將包芯紗樣品兩端固定并使其處于微張力伸直狀態(tài)靜置24 h，然后把固定好的包芯紗樣品置于硬質(zhì)塑料管的中心，并使硬質(zhì)塑料管下端封閉，上端保持敞開，把調(diào)配好的環(huán)氧樹脂膠液灌入硬質(zhì)塑料管內(nèi)使其液面與硬質(zhì)塑料管上端平齊，在常溫環(huán)境下靜置24 h使環(huán)氧樹脂充分硬化。硬化后將柱狀環(huán)氧樹脂樣品切成若干0.5 mm厚的切片并打磨拋光水洗，即制得包芯紗橫截?cái)嗝媲衅?。將切片樣品置于自制的光源上方，并放于VHX-1000E型光學(xué)顯微鏡下觀察并拍照，采用圖像處理軟件Photoshop對獲得的斷面照片進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。圖6分別示出5種紡紗速度下的金屬絲包芯紗的橫截面，其中每種速度下的橫截?cái)嗝鏄颖緸殡S機(jī)選取，并根據(jù)變形最小的原則制備斷面樣品。從圖中可看出包芯紗為典型芯鞘結(jié)構(gòu)，其芯絲與短纖維的分布密度和位置具有隨機(jī)性。

纖維與金屬絲的組分占比采用等面積法統(tǒng)計(jì)[17]，如圖7所示。在包芯紗的橫截?cái)嗝鎺缀沃行囊越饘俳z的斷面面積為基準(zhǔn)面積值畫不等距圓使每個圓環(huán)的面積相等，然后通過金屬絲與短纖維分別所占圓環(huán)面積與整個包芯紗橫截?cái)嗝嫠紙A環(huán)面積的比值表示短纖維與金屬絲在包芯紗中的組分占比情況。金屬絲在橫截?cái)嗝鎯?nèi)的位置分布可劃分為4類[18]：中心類型(Ⅰ型)、中心至距中心三分之一區(qū)間(Ⅱ型)、距中心三分之一至三分之二位置區(qū)間(Ⅲ型)、外圍型(Ⅳ型)。通過對每種紡紗速度下得到的100個包芯紗橫截?cái)嗝孢M(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 包芯紗橫截面內(nèi)纖維分布Tab.3 Fiber distribution in cross-section of core-spun yarn

圖6 不同紡紗速度下的包芯紗橫截?cái)嗝嬲掌現(xiàn)ig.6 Cross-sections of core-spun yarns produced at different speeds

圖7 等面積法計(jì)算纖維與金屬絲在包芯紗中的組分占比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

從表3中包芯紗組分占比數(shù)據(jù)中看出，紡紗速度對纖維與金屬絲的組分占比沒有明顯的影響，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用的噴氣渦流紡紗實(shí)驗(yàn)機(jī)的金屬絲輸送速度(即引紗羅拉速度)與牽伸裝置輸出的短纖維速度(即前羅拉線速度或紡紗速度)間的比值(即喂入比)為定值，因此金屬絲輸送速度提高(降低)的同時(shí)，短纖維的喂入速度也將隨之提高(降低)。從表3中還可看出，包芯紗中金屬絲的位置分布以Ⅱ型和Ⅲ型為主，Ⅳ型比例較低，表明本文所采用的噴氣渦流紡紗方法可較好地保證芯絲位于包芯紗的芯部。Ⅰ型也占有一定的比例，但較Ⅱ型和Ⅲ型低，這是由于金屬絲在成紗過程中在旋轉(zhuǎn)氣流的驅(qū)動下回轉(zhuǎn)，在離心力的作用下相對紗的軸線產(chǎn)生了一定程度的偏離，同時(shí)還與金屬絲在輸送過程中存在張力波動有關(guān)。

3.3 紡紗過程對金屬絲的損傷分析

在紡制包芯紗的過程中，作為芯絲的金屬絲與機(jī)件間存在著一定的摩擦，可能會造成其表面包覆的聚氨酯涂層的脫落，甚至金屬絲主體材料的磨損，如圖8所示。對制得的金屬絲包芯紗外圍的短纖維進(jìn)行剝離，通過分析一定長度的芯絲上損傷點(diǎn)的累積長度在芯絲中的占比，對5種不同紡紗速度下制備的包芯紗的芯絲的磨損情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如表4所示。

圖8 金屬絲表面損傷(×200)Fig.8 Surface damage of enameled copper wire(×200)

紡紗速度/(m·min-1)130160190220250磨損率/%7.249.378.406.349.53

從圖8可見，紡紗后，金屬絲產(chǎn)生了一定程度的損傷，損傷形式以金屬絲表皮絕緣涂層刮傷為主，但損傷比例不高，而絕緣涂層下的金屬絲主體損傷比例很小而可忽略。由表4可看出，紡紗速度對磨損率的影響不明顯，其磨損率值在8%左右波動，分析原因是與紡紗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。由于導(dǎo)引體中心的芯絲導(dǎo)引通孔為不銹鋼材料制成，兩端面邊緣較鋒利，易導(dǎo)致金屬絲的刮傷，因此產(chǎn)生摩擦刮傷最為嚴(yán)重的區(qū)域是該通孔的2個端面。通過對紡紗裝置的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的完善可降低此處造成的金屬絲磨損程度。

4 包芯紗性能分析

織物導(dǎo)電線路作為智能服裝的重要組成部分，將隨著人體動作、姿態(tài)、受力等的變化而發(fā)生并承受拉伸、彎曲、剪切等變形，其電學(xué)與力學(xué)性能至關(guān)重要，因此，對所制備的噴氣渦流紡金屬絲包芯紗的電學(xué)與力學(xué)性能進(jìn)行了測試分析。測試中將包芯紗樣品置于YG-061-1500型紗線強(qiáng)力儀夾具中，并在夾具外側(cè)的包芯紗樣品兩端與Keithley 2000型萬用表連接(四探針法)，萬用表與計(jì)算機(jī)連接并通過LabView軟件控制，使紗線強(qiáng)力儀與萬用表的數(shù)據(jù)采集時(shí)間和頻率同步，以同時(shí)獲得包芯紗強(qiáng)力與電阻值隨拉伸長度變化的特性。測試中采用等速拉伸測試法，隔距設(shè)為500 mm，拉伸速度為5 000 mm/min，測試在溫度為(20±1)℃，相對濕度為(65±1)%的環(huán)境下進(jìn)行。

金屬絲(50 μm)電阻測量值為0.087 7 Ω/cm，因包芯紗的導(dǎo)電部分為金屬絲(芯絲)，其電阻測量值與金屬絲一致。5組不同金屬絲輸送速度下的包芯紗和原金屬絲的的強(qiáng)力、電阻變化率隨拉伸長度的變化的測試結(jié)果如圖9所示?？煽闯?，金屬絲經(jīng)短纖維包纏后的斷裂強(qiáng)力比金屬絲自身的斷裂強(qiáng)力提高了100%～200%，而伸長率降低了1/2～2/3。包芯紗的強(qiáng)力共由4部分提供：金屬絲本身的強(qiáng)力、短纖維本身的強(qiáng)力、短纖維與短纖維間的抱合與摩擦提供的強(qiáng)力、短纖維與金屬絲表面間的摩擦提供的強(qiáng)力，因此可通過增加短纖維在包芯紗中的組分占比來提高包芯紗的強(qiáng)力。包芯紗是由2種不同伸長率的材料組合在一起的，金屬絲的斷裂伸長率比短纖維高，因此在拉伸過程中先達(dá)到短纖維的拉伸極限，再達(dá)到金屬絲的拉伸極限。當(dāng)包芯紗弱環(huán)處的外包短纖維被拉斷時(shí)，弱環(huán)處的金屬絲被進(jìn)一步拉伸，而其兩側(cè)的紗段仍為芯鞘結(jié)構(gòu)，因而大量纖維對金屬絲的摩擦力被加至弱環(huán)處金屬絲的兩端，使其兩端拉力驟增，導(dǎo)致金屬絲被迅速拉斷；這是金屬絲包芯紗的斷裂伸長率低于金屬絲的根本原因。將制得的金屬絲包芯紗用于具有線圈結(jié)構(gòu)的針織物將能夠有效彌補(bǔ)其斷裂伸長率較低的不足。還可看出，纖維的包纏形式與包纏量對包芯紗內(nèi)部金屬芯絲的電阻值變化率隨伸長率的變化沒有顯著影響，說明外包短纖維僅起到絕緣與保護(hù)的作用。這表明紡制的噴氣渦流紡金屬絲包芯紗具有與原金屬絲相接近的電學(xué)性能。

圖9 金屬絲與包芯紗的強(qiáng)力和電阻變化率隨伸長率的變化規(guī)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 結(jié) 論

1) 設(shè)計(jì)了一種可紡制包芯紗的噴氣渦流紡紗裝置，以最高250 m/min的紡紗速度實(shí)現(xiàn)了對芯絲為超細(xì)金屬絲(直徑為50 μm)、外包短纖維的包芯紗的連續(xù)制備。

2) 制備的噴氣渦流紗金屬絲包芯紗結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為金屬絲、平行無捻的芯纖維及包纏纖維。其中包纏纖維呈一定螺旋角包纏在平行無捻的芯纖維外部，而金屬絲包覆于芯纖維的內(nèi)部；金屬絲在包芯紗橫截面中的位置分布以位于中心至距中心三分之一位置區(qū)間和距中心三分之一至三分之二位置區(qū)間類型為主。表明本文所提出的噴氣渦流紡包芯紗制備方法與裝置可獲得包覆效果良好的包芯紗。

3) 包芯紗的斷裂強(qiáng)力比超細(xì)金屬絲提高100%～200%，纖維的包纏形式與包纏量對包芯紗內(nèi)部金屬芯絲的電阻值變化率隨伸長率的變化沒有顯著的影響，表明噴氣渦流紡金屬絲包芯紗具有與原金屬絲相接近的電學(xué)性能。

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