趙亞茹， 肖 紅， 陳劍英

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所， 北京 100010；3. 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430000)

相比于金屬和其他剛性屏蔽材料[1]以及導(dǎo)電橡膠[2]和薄膜類[3-4]等柔性屏蔽材料，含不銹鋼纖維的紗線及織物[5]具有質(zhì)量輕且柔軟、價(jià)格便宜、導(dǎo)電和導(dǎo)磁、環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，在電磁兼容和屏蔽方面得到廣泛應(yīng)用，如電磁屏蔽織物[6]、雷達(dá)散射織物[7]、超潔凈抗靜電工作服等[8]。但是，不銹鋼纖維依然較為剛挺，和棉或其他纖維混紡時(shí)手感硬挺且不易變形[9]，難以滿足尺寸適應(yīng)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，如曲面以及形狀復(fù)雜的電子器件等。通過(guò)對(duì)紗線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將不銹鋼短纖維混紡紗與彈性纖維結(jié)合，賦予紗線良好的彈性，制備兼具彈性和電磁屏蔽性能的面料，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面等復(fù)雜形狀的適應(yīng)性。

目前，彈性導(dǎo)電紗線多用于紗線傳感器[10]，如通過(guò)在橡筋絲表面鍍覆聚苯胺類導(dǎo)電高分子，在粗旦氨綸上涂敷導(dǎo)電類物質(zhì)[11]，將粗旦氨綸和導(dǎo)電纖維并合等方法構(gòu)成紗線傳感器。對(duì)彈性導(dǎo)電紗線的研究多聚焦于應(yīng)變下電學(xué)性能的變化，而未關(guān)注其力學(xué)性能，一般不能用于織造[12]?？捎糜诠I(yè)化織造的彈性導(dǎo)電紗線有以下幾種：以單一彈性長(zhǎng)絲為芯紗[13]或彈性長(zhǎng)絲和金屬長(zhǎng)絲同時(shí)作為芯紗[14]，以金屬長(zhǎng)絲、金屬長(zhǎng)絲復(fù)合紗、金屬短纖維混紡紗為外層包覆紗的包芯紗。金屬長(zhǎng)絲剛性大且不易變形，其作為外包紗或芯紗時(shí)無(wú)法隨彈性纖維的伸長(zhǎng)而伸長(zhǎng)，使紗線彈性受到限制，此類彈性導(dǎo)電纖維的應(yīng)變與電阻相關(guān)性的研究較少。

為了開(kāi)發(fā)性價(jià)比高、適用于批量工業(yè)化織造的彈性導(dǎo)電紗線，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)彈性電磁屏蔽織物，本文以氨綸長(zhǎng)絲作為芯絲、外包不銹鋼短纖維/棉混紡紗線，開(kāi)發(fā)具有彈性的氨綸長(zhǎng)絲包覆紗線，研究其彈性、應(yīng)變和電阻的相關(guān)性，為開(kāi)發(fā)兼具彈性和電學(xué)性能的紗線及織物提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品規(guī)格見(jiàn)表1。可以看出，除紗線3#、4#之外，其余9種紗線均含線密度為4.4 tex的氨綸長(zhǎng)絲；紡紗時(shí)，氨綸絲作為芯紗牽伸3倍，外部包覆不銹鋼短纖維/棉混紡紗條，得到2種不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗，紗線1#和2#中的不銹鋼纖維含量分別為30%、20%(不銹鋼纖維的含量是指作為外包紗的不銹鋼短纖維/棉混紡紗中不銹鋼短纖維的含量)。為提升紗線彈性，將2根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗合股、2根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗與1根氨綸長(zhǎng)絲合股、1根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗與1根棉/氨包覆紗合股，制備了系列彈性紗線。同時(shí)以不銹鋼短纖維/棉混紡紗、棉/氨綸包覆紗作為對(duì)照組，進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)。

在測(cè)試前，紗線1#、2#、5#、6#、…、11#均含氨綸長(zhǎng)絲，在沸水中煮10 min，使紗線得到充分的松弛，晾干后進(jìn)行測(cè)試。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品規(guī)格Tab.1 Sample specifications and related data

2 測(cè)試方法

2.1 紗線彈性回復(fù)率和塑性變形率測(cè)試

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：Instron 5566型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的傳感器量程為100 N，夾持隔距為200 mm，拉伸速度為200 mm/min；定伸長(zhǎng)值為夾持長(zhǎng)度的50%，即100 mm。

非彈性紗線預(yù)加張力為0.5 cN/tex；彈性紗線參考FZ/T 50007—2012《氨綸絲彈性試驗(yàn)方法》的預(yù)加張力選擇表，根據(jù)試樣的線密度選擇合適的預(yù)加張力。

測(cè)試步驟：取伸直而不伸長(zhǎng)的紗線[15-16]，夾持在Instron5566萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，夾持隔距即試樣原長(zhǎng)200 mm，加上預(yù)加張力，以200 m/min的速度拉伸，拉伸100 mm后，再回復(fù)至原長(zhǎng)，如此往復(fù)拉伸5次，第6次拉伸至定伸長(zhǎng)值后，停頓松弛5 s，然后等速回復(fù)至原位，停置松弛10 s，再一次拉伸試樣至其應(yīng)力等于預(yù)加張力，此時(shí)試樣長(zhǎng)度為L(zhǎng)2。

彈性回復(fù)率和塑性變形率的計(jì)算公式為：

式中：R為彈性回復(fù)率，%；σ為塑性變形率，%；L0為試樣原始長(zhǎng)度，mm；L1為試樣拉伸后長(zhǎng)度，mm；L2為試樣復(fù)位且松弛10 s后施加預(yù)加張力時(shí)的長(zhǎng)度，mm。

2.2 紗線應(yīng)變-電阻測(cè)試

預(yù)加張力選擇和設(shè)置同2.1節(jié)。對(duì)于非彈性紗線，在伸直而不伸長(zhǎng)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于彈性紗線，根據(jù)預(yù)加張力選擇表選取相應(yīng)的預(yù)加張力。

具體操作過(guò)程：用膠帶對(duì)Instron 5566萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)夾頭進(jìn)行絕緣處理，將萬(wàn)用表夾頭固定在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整萬(wàn)用表夾頭的間距為10 cm，儀器上下夾頭的距離為15 cm；依次用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上夾頭、萬(wàn)用表上夾頭夾住紗線，然后在萬(wàn)用表上夾頭處纏繞幾圈(防止拉伸過(guò)程中滑移)，用對(duì)應(yīng)預(yù)加張力的鋁箔夾在紗線上，調(diào)節(jié)鋁箔至下夾頭處，再纏繞固定紗線，用萬(wàn)用表下夾頭、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)下夾頭夾住紗線，讀取此時(shí)萬(wàn)用表的數(shù)據(jù)，此后，以100 mm/min的速度拉伸試樣，每拉伸10 mm記錄1次電阻、強(qiáng)力和伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)，直至紗線斷裂。

2.3 形貌觀察

用NCL-2光學(xué)顯微鏡(德國(guó)Union儀表公司)，觀察纖維的微觀形態(tài)。操作過(guò)程：將紗線的兩端用透明膠帶黏到載玻片上，使紗線保持自然卷曲狀態(tài)，蓋上蓋玻片，將玻片放在載物臺(tái)上，用壓片固定，調(diào)整到合適位置及放大倍數(shù)，進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果與分析

3.1 紗線的彈性

不銹鋼短纖維含量不同時(shí)紗線的彈性回復(fù)率和塑性變形率見(jiàn)圖1。

圖1 不銹鋼短纖維含量不同時(shí)紗線的彈性回復(fù)率和塑性變形率Fig.1 Elastic recovery rate and plastic deformation rate of yarns with different stainless steel short fiber content

由圖1看出，紗線1#、2#、5#的彈性回復(fù)率分別為70.68%、75.45%、90.11%，塑性變形率分別為14.66%、12.28%、4.95%?？梢?jiàn)，不銹鋼短纖維含量越高，外包紗的剛性越大，限制了氨綸長(zhǎng)絲的伸長(zhǎng)和回復(fù)，紗線彈性回復(fù)率越小，塑性變形率越大，紗線彈性越差。

紗線1#、3#分別是不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗、不銹鋼短纖維/棉混紡紗，均含30%不銹鋼短纖維。紗線1#的彈性回復(fù)率為70.68%，塑性變形率為14.66%；定伸長(zhǎng)反復(fù)拉伸時(shí)，紗線3#斷裂?？梢?jiàn)，加入氨綸長(zhǎng)絲，使紗線彈性大大提高。紗線2#和4#有相同現(xiàn)象：紗線2#的彈性回復(fù)率為75.45%，塑性變形率為12.28%；4#紗線在相同定伸長(zhǎng)反復(fù)拉伸時(shí)斷裂。

加入氨綸長(zhǎng)絲提高了紗線的彈性；含不銹鋼短纖維越多，外包紗剛性越大，限制氨綸長(zhǎng)絲的彈性伸長(zhǎng)，紗線彈性性能越差。

3.2 紗線的電學(xué)性能

3.2.1 典型的應(yīng)變-電阻曲線圖

彈性紗線拉伸過(guò)程中形貌變化示意圖見(jiàn)圖2，彈性紗線典型的應(yīng)力-應(yīng)變和應(yīng)變-電阻曲線見(jiàn)圖3。

圖2 彈性紗線拉伸過(guò)程中形貌變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of yarn shape change during stretching

圖3 彈性紗線典型的應(yīng)力-應(yīng)變和應(yīng)變-電阻曲線Fig.3 Typical stress-strain and strain-resistance curves

對(duì)不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗施加應(yīng)力，紗線在拉伸過(guò)程中共分為4個(gè)階段，對(duì)應(yīng)不同的形貌變化、應(yīng)力-應(yīng)變和應(yīng)變-電阻特征。

1)未受力階段。紗線應(yīng)力、電阻對(duì)應(yīng)圖3中A′、A點(diǎn)。紡紗時(shí)，氨綸長(zhǎng)絲作為芯紗，牽伸3倍后，外包不銹鋼短纖維/棉混紡紗；外力撤去后，氨綸長(zhǎng)絲回縮，帶動(dòng)外層包覆紗發(fā)生屈曲，紗線形貌如圖2中a所示。

2)氨綸長(zhǎng)絲發(fā)生彈性形變階段。受外力作用時(shí)，氨綸長(zhǎng)絲的初始模量較小，先受力被拉伸，直到氨綸長(zhǎng)絲彈性形變消失，外包紗開(kāi)始受力，此時(shí)外包紗處于伸直不伸長(zhǎng)狀態(tài)，紗線整體形貌如圖2中b所示，應(yīng)力如圖3中B′所示，整個(gè)拉伸過(guò)程應(yīng)力無(wú)明顯變化。

拉伸過(guò)程中，氨綸長(zhǎng)絲逐漸變細(xì)，外包紗屈曲減小，逐漸伸直，但粗細(xì)不變。外包紗屈曲時(shí)，不銹鋼短纖維發(fā)生彎曲、折疊等，具有較多的有效搭接，電阻較??；外包紗逐漸被拉直，不銹鋼短纖維也逐漸伸直，纖維間接觸減少，電阻增加；當(dāng)外包紗處于伸直不伸長(zhǎng)狀態(tài)，電阻最大，對(duì)應(yīng)圖3中應(yīng)變-電阻曲線的B點(diǎn)。

3)外包纖維部分受力直到斷裂階段。氨綸長(zhǎng)絲和外包紗同時(shí)受力，模量迅速增加，隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力大幅度提高，直到紗線斷裂，應(yīng)力變化如圖3中B′C′；紗線逐漸變細(xì)，紗線形貌如圖2中c所示。拉伸過(guò)程中，外包紗變細(xì)，不銹鋼短纖維間接觸概率增加，紗線電阻逐漸減小，直到斷裂前，達(dá)到最小值，對(duì)應(yīng)應(yīng)變-電阻曲線BC段。

4)紗線斷裂。如圖3中虛線箭頭所示，應(yīng)力驟降，電阻驟升，不可測(cè)量。

3.2.2 紗線中不銹鋼短纖維含量對(duì)電阻的影響

不同不銹鋼短纖維含量的紗線的應(yīng)變-電阻曲線見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯杭喚€1#中不銹鋼短纖維含量高于紗線2#，無(wú)論處于哪個(gè)拉伸應(yīng)變階段，紗線1#的電阻均小于紗線2#；隨著應(yīng)變?cè)黾?，電阻呈先升高后降低的趨?shì)，直至紗線斷裂，和前述典型的應(yīng)變-電阻曲線一致。拉伸過(guò)程中，不銹鋼短纖維的接觸狀態(tài)直接影響電阻，電阻發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化，紗線1#的電阻從2 927 Ω降低到625 Ω，遠(yuǎn)高于不銹鋼短纖維含量對(duì)電阻的影響。

圖4 不同不銹鋼短纖維含量紗線的應(yīng)變-電阻曲線Fig.4 Strain-resistance curves of yarns with different stainless steel short fiber content

3.2.3 彈性對(duì)電阻的影響

不同彈性紗線的應(yīng)變-電阻曲線見(jiàn)圖5。紗線1#、2#分別是以紗線3#、4#為外包紗，氨綸長(zhǎng)絲為芯紗制成的不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗。氨綸絲的加入，對(duì)紗線的電阻影響較為復(fù)雜，大致分為3個(gè)階段。

圖5 不同彈性紗線的應(yīng)變-電阻曲線Fig.5 Strain-resistance curves of different elastic yarns

1)未受力階段。紗線3#、4#的電阻分別為5 160、3 296 Ω，紗線1#、2#的電阻分別為934、1 077 Ω，可知含氨綸長(zhǎng)絲的紗線電阻較低。由3.2.1節(jié)紗線未受力階段可知，含氨綸長(zhǎng)絲的紗線，外包紗屈曲，單位長(zhǎng)度內(nèi)不銹鋼短纖維數(shù)量增加，不銹鋼短纖維之間發(fā)生搭接，使電阻降低。

2)拉伸階段。由3.2.1節(jié)可知，隨著拉伸，紗線1#、2#中氨綸長(zhǎng)絲先受力，外包紗伸長(zhǎng)，不銹鋼短纖維間接觸減少，電阻增加；繼續(xù)拉伸，紗線整體受力，外包紗變細(xì)，不銹鋼短纖維間接觸緊密，紗線電阻降低。紗線3#、4#中不含氨綸長(zhǎng)絲，在外力作用下，紗線受力變細(xì)，不銹鋼短纖維間接觸增加，在2%的形變下，電阻發(fā)生數(shù)量級(jí)降低，從5 160 Ω降低到490 Ω。紗線拉伸至斷裂前，不銹鋼短纖維接觸十分緊密，而氨綸長(zhǎng)絲的存在，會(huì)影響部分不銹鋼短纖維的接觸，因此紗線1#、2#電阻略大于紗線3#、4#。

3)斷裂階段。紗線斷裂后，電阻驟升，不可測(cè)量。

3.2.4 合股方式對(duì)電阻的影響

3.2.4.1 不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗合股 紗線1#、2#、6#、7#的應(yīng)變-電阻曲線見(jiàn)圖6。2根紗線1#合股組成紗線6#，初始階段，合股后紗線彈性大，屈曲大，單紗內(nèi)部的不銹鋼短纖維之間、單紗之間均接觸不緊密，紗線6#的電阻大于紗線1#；隨著拉伸，單紗內(nèi)部不銹鋼短纖維接觸緊密，并且單紗間不銹鋼短纖維發(fā)生搭接，電阻降低，紗線6#電阻小于紗線1#。同理，2#和7#紗線呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。由此可知，單紗合股并線可降低紗線的電阻。

圖6 紗線1#、2#、6#、7#的應(yīng)變-電阻曲線Fig.6 Strain-resistance curves of 1#、2#、6#、7# yarn

3.2.4.2 2種彈性紗合股 紗線8#和9#由不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗和棉/氨包覆紗合股而成，紗線彈性較好，屈曲較大，測(cè)試時(shí)，萬(wàn)用表夾頭夾持的可能是不同股紗線，所以無(wú)法測(cè)出數(shù)據(jù)。

圖10 紗線1#的狀態(tài)Fig.10 Status of 1# ammonia covered yarn. (a) Entire state of yarn(×70); (b) Spandex yarn broken portion in yarn(×130); (c) Spandex yarn unbroken portion in yarn(×130)

3.2.4.3 彈性紗和氨綸絲合股 紗線1#與10#的應(yīng)變-電阻曲線見(jiàn)圖7，紗線2#與11#的應(yīng)變-電阻曲線見(jiàn)圖8。可以看出，包覆紗和股線變化趨勢(shì)相同，紗線合股進(jìn)一步提高了紗線的彈性，但是沒(méi)有改變紗線電學(xué)性能的變化趨勢(shì)，它們的電阻在同樣的應(yīng)變點(diǎn)達(dá)到最大。

圖7 紗線1#與10#的應(yīng)變-電阻曲線Fig.7 Strain-resistance curves of 1# and 10# yarn

2根紗線1#和1根氨綸絲合股形成紗線10#。初始階段，股線中的紗線1#均產(chǎn)生較大的屈曲，不銹鋼短纖維的接觸減小，紗線10#電阻大于紗線1#；隨著拉伸，股線中單紗內(nèi)部不銹鋼短纖維接觸緊密，同時(shí)單紗間不銹鋼短纖維發(fā)生搭接，股線電阻小于紗線1#；繼續(xù)拉伸，股線中單紗抱合緊密，但氨綸長(zhǎng)絲影響不銹鋼短纖維的接觸，同時(shí)，股線整體的不銹鋼短纖維的含量要低于單紗，綜合因素，在應(yīng)變30%～40%之間，股線電阻大于單紗。同理，紗線11#呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。

3.2.5 氨綸芯絲的斷裂現(xiàn)象

紗線1#、2#、5#、6#、7#的表觀形態(tài)見(jiàn)圖9，紗線1#的狀態(tài)見(jiàn)圖10。

由圖9看出，紗線1#、2#、6#、7#沿長(zhǎng)度方向出現(xiàn)交替伸直(圓形區(qū)域)和屈曲2種狀態(tài)，而紗線5#棉/氨包紗，沿長(zhǎng)度方向一直呈現(xiàn)屈曲狀態(tài)。對(duì)紗線1#進(jìn)行單獨(dú)觀察，如圖10所示，紗線經(jīng)過(guò)沸水處理發(fā)生應(yīng)力松弛，芯紗氨綸長(zhǎng)絲發(fā)生回縮，外包纖維隨之收縮，在芯絲外面形成屈曲狀態(tài)，氨綸絲斷裂時(shí)，無(wú)法帶動(dòng)外包紗回縮，因此紗線是伸直狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以氨綸長(zhǎng)絲為芯紗，不銹鋼短纖維/棉混紡紗為外包紗，制備不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗。為提高紗線的彈性，將2根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗合股、2根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗與氨綸長(zhǎng)絲合股、1根不銹鋼短纖維/棉包覆氨綸紗與1根棉/氨包覆紗合股，制備一系列兼具彈性和導(dǎo)電性能的紗線。測(cè)試分析了所制備彈性紗線的應(yīng)變-電阻曲線、彈性、紗線形態(tài)等指標(biāo)。結(jié)果表明：不銹鋼短纖維的含量增加，紗線導(dǎo)電性能增加，彈性回復(fù)率降低，塑性變形增大；單紗合股增加了紗線的彈性，未改變紗線電學(xué)性能變化規(guī)律；1#、2#、5#等彈性紗線的彈性回復(fù)率均大于70%，塑性變形率均小于15%；隨著拉伸，電阻先增加后降低，存在顯著變化，因此需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)隨著拉伸電阻保持恒定的彈性導(dǎo)電紗線。