捻度对棉/氨纶/银丝包芯纱性能的影响

李 龙，吴 磊，林思伶

(西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048)

导电纱线在柔性智能可穿戴装置中起着重要作用，已经受到研究者广泛关注[1]。织物导电线路将各种主要电子功能器件连接起来，是智能服装的重要组成部分[2]。在织物中形成导电线路，其中导电线不仅要具有导电性，还要具有普通纱线的特性，如柔性、弹性、耐用等，以满足穿着舒适性要求。

制备导电纱线的方法主要有导电材料浸涂普通纱线工艺法与纺纱工艺法。纺纱工艺法是将导电纤维与普通纺织纤维材料在纺纱设备上通过包芯、包缠或混纺等方法，使导电纤维与普通纺织纤维有机结合而形成导电纱。Amir等[3]在环锭纺纱机上纺制涤纶/不锈钢短纤维混纺纱，研究了纱线捻度、线密度、混纺比对其电阻的影响。对于金属长丝与纺织短纤维形成的纱线，通常采用包芯纱加工方式。如：魏赛男等[4]利用环锭纺纱机制备了竹浆纤维/不锈钢长丝包芯纱，测试了纱线的毛羽和拉伸性能；
杜玲玲等[5]采用不锈钢长丝、短芳纶纤维在花式捻线机上制备包芯纱，测试其织物的防刺性能；
Pei等[6]利用粘胶短纤维与超细铜丝在改进的涡流纺纱机上加工包芯纱，分析了纺纱参数对纱线电阻的影响。此外，Guo等[7]用锦纶长丝/氨纶混合纱、金属导电长丝在捻线机上直接加捻制备包缠纱，分析了捻度对纱线导电性的影响；
Wang等[8-9]用粘胶、不锈钢长丝、氨纶长丝纺制三组分导电复合纱，测试了纱线的电力学性能及其织物的电加热性能。Ma等[10]利用空芯锭花式捻线机纺制全纤维阻燃单电极纳米发电纱，其中聚酰亚胺纱包缠在导电镀银纱表面，分析了纺纱参数对纱线包缠效果的影响。赵亚茹等[11]以氨纶长丝、不锈钢短纤维与棉纤维制备皮芯结构导电纱，分析了拉伸过程中导电纱电阻的变化规律。

弹性导电纱兼具弹性与导电性，其具备良好的穿着适形性与舒适性，是纺织柔性智能可穿戴电子装置的研究方向之一。捻度是影响环锭纱结构与性能的重要参数之一。本文在环锭纺纱机前罗拉与导纱钩之间附加定位装置以控制前钳口输出的氨纶所产生的偏移，制备了棉/氨纶/银丝弹性导电包芯纱，分析了纺纱捻度对包芯纱弹性与电阻等性能的影响，为弹性导电包芯纱的纺制提供了参考。

1.1 原 料

氨纶(线密度为40 dtex(3 f))，江苏丹毛纺织股份有限公司；
棉粗纱(线密度为440 tex)、银丝(直径为0.018 mm)，实验科研金属材料有限公司。

1.2 包芯纱的纺制

要实现一定长度的导电纱线在一定应变范围内电阻不变，要求纱线具有一定弹性，且在弹性伸长范围内导电材料的截面积、长度不发生变化。本文实验以银丝为导电材料，氨纶为弹性材料，棉纤维为外包纤维，在环锭纺纱机上纺制弹性导电包芯纱。通过实验获得理想结构纱线的合理工艺方法：氨纶经过张力轮从环锭细纱机的前钳口喂入，银丝从环锭细纱机的前钳口喂入并与棉粗纱牵伸后的须条在前钳口并合由前罗拉输出，其中氨纶与棉须条/银丝在前钳口间距为6 mm，氨纶预牵伸倍数为1.6。在前罗拉与导纱钩之间附加一个定位装置，以确保从前罗拉钳口输出的氨纶在纺纱过程中保持直线运动，实现棉纤维与银丝以氨纶为纱芯进行包缠，如图1所示。

图1 包芯纱纺纱示意图

由图1可知，纺纱捻度不仅影响氨纶弹性变化，而且影响银丝绕氨纶纱芯的包缠螺距、包缠半径，因此纺纱捻度将影响包芯纱弹性与导电性。实验设计纺纱捻度分别为65、70、75、80、85、90捻/(10 cm)，包芯纱线密度为75 tex。

1.3 包芯纱的性能测试

耐磨性[12]测试：使用Y731抱合力测试仪(常州纺织仪器厂)测试纱线的耐磨性，测试时以纱线外包棉纤维层磨断时金属片对纱线摩擦的次数来表征纱线耐磨性。每种纱线测试30个试样，取平均值。

定伸长伸长弹性率[13]测试：在包芯纱上随机截取长度为50 mm的试样30个，夹持长度为30 mm，采用Y391纱线弹力仪(常州第二纺织仪器有限公司)设置定伸长值为10 mm，每个试样拉伸5次，测试每次残留伸长值，根据式(1)计算包芯纱定伸长弹性率。

(1)

式中：Re为纱线定伸长伸长弹性率，%；
∑L2为恢复2 min(初张力下)各次残留伸长值总和，mm；
n为实验次数；
Lk为定伸长值，mm。

定负荷伸长弹性率[13]测试：在包芯纱上随机截取长度为50 mm的试样30个，夹持长度为30 mm，采用Y391纱线弹性仪设置定负荷0.049 N，每个试样定负重伸长5次，测试每次伸长值与残留伸长值。根据式(2)计算包芯纱定负荷伸长弹性率。

(2)

式中：Rwe为定负荷伸长弹性率，%；
∑L3为定负荷3 min各次伸长值总和，mm。

强力[14]测试：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)》，在HD021N电子单纱强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)上测试包芯纱的拉伸强力，夹持距离为500 mm，拉伸速度为500 mm/min，每个试样测30次。

导电性测试：将包芯纱放在带有刻度的平板上，一端固定，另一端在一定拉力下使纱伸直或伸长，然后用镊子去除纱表面棉纤维而露出银丝，用UT39A数字万用表(优利德科技有限公司)测试纱线的电阻。

外观形貌观察：采用VHX-500超景深三维显微系统(基恩施(中国)有限公司)观察包芯纱与解捻包芯纱的外观形貌图。

2.1 理论分析

根据图1(b)示出的包芯纱中氨纶与银丝形态模型，假如银丝紧贴氨纶表面螺旋包缠(如图2所示)，设银丝在氨纶表面包缠螺旋角为β(°)，氨纶直径为D1(cm)，银丝直径为D2(cm)，纱线捻度为Tt(捻/(10 cm))，1个捻回银丝长度为L(cm)，根据纺纱原理[15]，则有：

图2 银丝紧贴氨纶表面包缠示意图

(3)

(4)

式中：D1=0.077 25 cm，D2= 0.001 8 cm。

由式(3)、(4)计算得到实验设计的不同纺纱捻度下银丝紧贴氨纶表面包缠螺旋角β与1个捻回下银丝长度L的理论值，见表1。根据捻度与捻回之间的关系，得到不同纺纱捻度下1 cm包芯纱中紧贴氨纶表面包缠的银丝长度的理论值Lt，其中Lt=LTt/10。

表1 不同捻度下的β, L与Lt值

2.2 纱线耐磨性分析

不同捻度包芯纱耐磨次数的测试结果见图3。当捻度为75捻/(10 cm)时，纱线的耐磨次数较高，耐磨性好。当捻度过小时，纱线包缠较松，纤维之间的抱合力较小，纱线在摩擦作用下纤维易脱落，耐磨次数较少。当捻度过大时，纱线中纤维的扭矩大、纤维应力增加，造成外包纤维容易被磨断，纱线耐磨性降低。当捻度为75捻/(10 cm)时，纱线外包纤维与纱线轴向的夹角适中，纱线沿轴向摩擦时外包纤维不易磨断，包芯纱的耐磨性较好。

图3 不同捻度包芯纱的耐磨次数

2.3 纱线弹性率分析

不同捻度包芯纱的定伸长伸长弹性率、定负荷伸长弹性率的结果见图4。在捻度增加初期，包芯纱的定伸长伸长弹性率与定负荷伸长弹性率随着捻度的增加而增加；
当捻度达到70捻/(10 cm)后，包芯纱弹性率随着捻度增加而减小。这是因为捻度增加，包芯纱中氨纶捻回角也随之增大，氨纶伸长变形增大；
同时棉纤维对氨纶束缚增加，造成氨纶弹性减小，包芯纱弹性率下降。

图4 不同捻度包芯纱的弹性率

2.4 纱线断裂强力分析

不同捻度包芯纱的断裂强力见图5。随着捻度增加，纱线断裂强力增加，但当捻度为80 捻/(10 cm)时，纱线断裂强力达到最大。因为随着捻度增加，外包棉纤维/银丝与氨纶芯之间的结合程度增强，纱线强力增加；
纱线捻度继续增加，氨纶芯和外包纤维与纱线轴向夹角增大、内应力增加，这些纤维可承受纱线轴向拉伸作用的有效分力减少，纱线断裂强力降低。

图5 不同捻度纱线的断裂强力

2.5 纱线电阻分析

包芯纱的线性电阻与银丝在纱线中的实际长度有关，而银丝在包芯纱中的螺旋形态直接影响一定长度纱线中银丝的实际长度。对于实验纺制的包芯纱，捻度影响银丝在纱线中的螺旋形态。对于不同捻度的包芯纱，在一定张力下使包芯纱伸直不伸长，然后在伸直的100 cm长的包芯纱中随机取10段长度为1 cm的纱线，分别测试其电阻值，计算实测电阻的平均值Ry，结果见表2。

表2 实测电阻与理论电阻的计算结果

按照式(5)计算得到1 cm长的伸直银丝的理论电阻值为0.629 1 Ω。

(5)

式中：Rt为理论电阻，Ω；
L为银丝长度，cm；
S为银丝横截面积，cm2；
ρ为银丝电阻率，其值为1.6×10-6Ω·cm；
r为银丝半径，其值为0.009 mm。

假如包芯纱中银丝紧贴氨纶表面包缠，根据表1中长度理论值Lt以及1 cm长的银丝的理论电阻值0.629 1 Ω，计算得到不同捻度下1 cm长的伸直包芯纱的理论电阻值Rt，结果见表2。

由图1(b)可以得出：增加捻度，一方面单位长度包芯纱的捻回数增多，银丝包缠螺距Y减小，造成单位长度包芯纱中银丝长度增加；
另一方面，银丝对氨纶的包紧程度增加，银丝包缠半径X变小，又会造成单位长度包芯纱中银丝长度减小。

由表2可知，捻度增加，包芯纱的Ry变大。这表明增加捻度造成银丝包缠纱芯氨纶的螺距减小，单位长度包芯纱中银丝长度增加。表2中不同捻度下1 cm长的包芯纱的Ry大于1 cm长的伸直银丝的Rt(0.629 1 Ω)，这是因为包芯纱中银丝呈螺旋状围绕纱芯氨纶包缠，1 cm长的伸直包芯纱中银丝实际长度大于1 cm,因此不同捻度包芯纱在伸直(不伸长)状态下的Ry大于0.629 1 Ω。

由表2还可看出，不同捻度包芯纱的Ry大于Rt。这是因为包芯纱中银丝没有紧贴氨纶表面进行螺旋包缠，在银丝与氨纶之间存在棉纤维，使包芯纱中银丝螺旋包缠直径大于图2状态的银丝螺旋包缠直径，造成银丝长度增大，所以包芯纱的Ry大于Rt。

图6为包芯纱与解捻包芯纱的外观形貌图。从图6(a)可以看到弹性导电包芯纱外层由棉纤维覆盖，说明棉纤维起到了外包纤维的作用。从图6(b)可以看到，氨纶位于包芯纱的纱芯，银丝与棉纤维呈螺旋状围绕氨纶包缠，氨纶与银丝之间有棉纤维。

图6 包芯纱的外观形貌

对于不同捻度的包芯纱，在一定张力下使包芯纱伸直10%，然后在100 cm长的伸长包芯纱中随机取10段长度为1 cm的纱线，分别测试纱线实际电阻，计算其平均值Rs，结果见表3。由表2、3可得，包芯纱伸长10%之后，1 cm长的包芯纱的实测电阻值(Rs)小于伸直(不伸长)1 cm长的包芯纱的实测电阻值(Ry)。在伸直(不伸长)状态与伸长(10%)状态下1 cm长的包芯纱实测电阻值之差随捻度发生变化，其中在捻度为75 捻/(10 cm)时，2种状态下的实测电阻值之差较小。

表3 伸长10%后包芯纱的实测电阻值

包芯纱伸长10%后，其1 cm长的Rs大于1 cm长的伸直银丝的Rt(0.629 1 Ω)。这表明包芯纱伸长10%后，其中的银丝没有达到完全伸直状态，纱线伸长造成包芯纱中银丝的包缠螺距(Y)变大、单位长度包芯纱中银丝的实际长度变小。表3中不同捻度包芯纱的Rs值小于表2中的Rt值，这是由于纱线伸长使包芯纱中氨纶纱芯直径变小、银丝包缠半径减小，造成银丝长度减小，电阻值变小。

本文制备了棉/氨纶/银丝包芯纱，其弹性、单位长度的电阻值等性能与捻度密切相关。根据弹性导电包芯纱结构，分析了不同捻度下导电纯银丝沿着单位长度包芯纱的包缠长度。在实际纺制的包芯纱中，银丝没有紧贴氨纶芯纱表面进行包缠，在氨纶与银丝之间存在棉纤维，因此单位长度包芯纱的理论电阻值小于实测电阻值。且捻度增加，银丝的包缠螺距减小，单位长度包芯纱中银丝长度增加，包芯纱实测电阻值变大。纱线捻度影响氨纶、棉纤维的顺直度以及棉/银丝对氨纶芯的包覆程度，引起包芯纱的弹性、强力、耐磨性也随纺纱捻度而变化。当捻度小于75捻/(10 cm)时，包芯纱的耐磨性随捻度的增大而增加，包芯纱的弹性也随捻度的增大而增加；
当捻度为80捻/(10 cm)时，包芯纱的断裂强力最大。在弹性导电包芯纱伸直(不伸长)与伸长10%状态下，单位长度包芯纱的实测电阻值都随纺纱捻度的增大而增加。