全聚赛络纺双芯纱及其弹性电磁屏蔽针织物的制备

曲华洋， 谢春萍， 徐伯俊， 刘新金

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学), 江苏 无锡 214122)

目前，电磁屏蔽织物的发展趋于多元化，尤其是民用电磁屏蔽纺织品需求量越来越多，人们更加注重产品的耐久性、功能性、舒适性及环保性等，高附加值电磁屏蔽产品市场前景可观。现阶段市场上的电磁屏蔽服装大都以化学镀[1]、表面涂层[2]等方法以及使用金属纤维进行混纺、交织、非织造等方法[3]制备，但服用性较差，性价比较低。而不锈钢长丝作为电磁屏蔽织物的主要原料来源，因其优于短纤维的力学性能,且具有加工流程短和生产成本低的优势，逐渐进入人们的视野。在不锈钢长丝织物方面学者们已有较多研究，比如：不锈钢长丝包芯纱的力学及毛羽性能[4]；影响屏蔽性能的关键因素[5-6]等，但是鲜有从不锈钢长丝织物的舒适性、多功能性的角度来研究这种织物，这就局限了不锈钢长丝在电磁屏蔽服装上的应用。

本文通过全聚赛络纺纱方式纺制棉/不锈钢/氨纶双芯纱，在此基础上设计并开发弹性电磁屏蔽织物，通过与棉/不锈钢包芯纱织物性能进行对比，模拟其在织物中的实际应用情况，探究利用双芯纱装置开发弹性电磁屏蔽织物的可行性，以实现改善产品性能、开发高附加值产品的目标，为挖掘全聚纺设备的生产潜能提供参考。

1 全聚赛络双芯纱生产原理

全聚纺装置如图1所示。将前罗拉改装成直径为50 mm的窄槽式空心罗拉，前罗拉1内部装有吸风插件4，在罗拉表面由输出阻捻胶辊5和前胶辊4所控制的圆弧区域共同构成集聚区，纺纱过程中，在负压作用下，集聚区内须条运动速度与前罗拉保持一致，且须条中的纤维由边缘向中心集聚使须条保持紧密从而有效改善成纱结构，提高成纱质量[7]。

1—前罗拉；2—中罗拉；3—后罗拉；4—吸风插件；5—阻捻胶辊；6—气流导向装置；7—前胶辊；8、9—导丝轮；10—送丝辊；11—棉粗纱；12—氨纶丝；13—引丝胶辊；14—导丝罗拉；15—导丝辊；16—不锈钢长丝。图1 全聚纺纺制双丝包芯纱装置示意图Fig.1 Spinning process of double-core yarn in complete condensed spinning

在QFA1528型全聚纺细纱机原有的氨纶包芯纱装置[8]上，加装一套数控双芯纱装置(见图1)，根据牵伸工艺设定及前罗拉测速编码器的信号，通过伺服电动机带动导丝辊15同步输出不锈钢长丝，从而有效控制长丝的预牵伸张力。不锈钢长丝16与送丝辊10控制的氨纶长丝分别由前胶辊7与前罗拉1之间的2个导丝轮喂入细纱机，与牵伸后的2股鞘纱分别汇合，经过前罗拉表面集聚区之后加捻形成双芯纱。

刚性长丝(不锈钢长丝)和弹性长丝(氨纶长丝)因其预牵伸张力不同且表面均很光滑，在成纱过程中纱线结构极难控制，因此，普通环锭纺纺成的棉/不锈钢/氨纶双芯纱成纱质量很差，在纺纱实验中断头现象也时有发生。利用嵌入式纺纱系统与全聚纺集聚系统相结合，能有效减少纺纱断头，改善纱线毛羽，提高纤维利用率[9]，生产具有多花色、多结构品种的复合纱线。长丝喂入位置及其稳定性在很大程度上影响芯丝包覆效果，实验中2个导丝轮分别控制2根长丝的位置，如图2中所示(图中数字含义与图1相同)。针对纺制的Z捻纱，这种纺纱三角区结构对于左右任何一侧而言，长丝位于棉纤维束中间偏左的位置时短纤维极易处于长丝表层，再经过集聚区的聚集之后，对纱线的强力改善有极大帮助，很大程度上减少了断头现象的发生。并且2股纤维束夹裹着长丝在出钳口前先各自弱捻聚集接着合并强捻成纱，每束须条中的纤维在各自弱捻时有少量内外层转移。在卷捻成纱过程中，2根棉纱条仍有外层纤维被卷入中心长丝周围的可能，产生纤维再次转移现象，使纱条中纤维的内应力均衡，稳定纱线结构。

11—棉粗纱；12—氨纶丝； 16—不锈钢长丝。图2 嵌入式纺纱三角区示意图Fig.2 Schematic diagram of yarn formation zone of embedding & system locating spinning

2 实验部分

2.1 实验原料

选用精梳棉粗纱经牵伸之后做鞘纱，选用氨纶长丝和316 L型不锈钢长丝(上海普盛金银丝纺织品有限公司)作为芯丝。实验所用的不锈钢长丝直径为30 μm，最大断裂伸长率为35%，氨纶长丝线密度为44.4 dtex，精梳棉粗纱的定量为5.0 g/(10 m)。

2.2 纺纱实验方案

在QFA1528型全聚纺细纱机上分别纺制棉/不锈钢/氨纶(36.4 tex/30 μm/44.4 dtex)、棉/不锈钢包芯纱(36.4 tex/30 μm)、棉/不锈钢/氨纶双芯纱(36.4 tex/35 μm/ 44.4 dtex)，将其分别编号为1*、2*、7*；分别纺制棉/不锈钢/氨纶(29.2 tex/ 30 μm/44.4 dtex)、棉/不锈钢包芯纱(29.2 tex/30 μm)、棉/不锈钢/氨纶双芯纱(29.2 tex/35 μm/44.4 dtex)，将其分别编号为3*、4*、8*；分别纺制 24.3 tex/30 μm/44.4 dtex棉/不锈钢/氨纶、24.3 tex/30 μm棉/不锈钢包芯纱、24.3 tex/35 μm/44.4 dtex棉/不锈钢/氨纶双芯纱将其编号为5*、6*、9*。参考相关纺纱实践[10-11]进行实验，对比分析加入氨纶前后时纱线和织物性能，从而确定弹性电磁屏蔽织物的可行性。细纱工艺参数如表1所示。

表1 纺纱工艺参数Tab.1 Spinning parameters of yarn

注：E后为后区牵伸倍数；E总为总牵伸倍数；2、4、6号纱线中无氨纶芯丝用“-”来表示。

2.3 织物试织方案

使用GSJX-1-44型电脑针织横机进行双芯纱的编织，机号为12针/(25.4 mm)，起针300针，横列数为270。本文选用1+1罗纹组织，将已纺的纱线编织成织物，依照纱线编号将织物依次编号为1#～9#号。为减少实验误差，编织过程中所有织物的工艺参数尽可能相同，织物的基本参数见表2所示。

表2 织物的基本参数Tab.2 Basic parameters of fabrics

2.4 性能测试

为减少实验误差，本实验测试条件均为：温度(23±2) ℃、相对湿度(65±3)%。并且测试之前将纱线样品和织物样品在该条件下平衡24 h以上。

2.4.1纱线性能测试

依据GB/T 4743—1995《纱线线密度的测定 绞纱法》，使用YG086缕纱测长机、JA2003型电子天平测试纱线线密度；依据FZ/T01057.3—2007《纺织纤维鉴别试验方法第3部分：显微镜法》，使用 Y172型纤维切片器结合MOTTC B1型显微镜进行纱线截面实验；依据GB/T 3916—1997《纺织品 卷装纱单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》，使用YG086C全自动单纱强力仪测试纱线强力等性能。

通过分析SAGD采油过程中的余热，结合AHP技术的特点并基于热力学分析方法，同时考虑经济性和可操作性的前提下，给出了几种利用通过AHP技术利用SAGD余热的方案，以期能够为提高SAGD采油工艺过程能源利用效率提供开发策略。

2.4.2织物性能测试

依据GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，使用YG141D型厚度仪测试织物厚度；依据GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》，使用HD026N+型电子织物强力仪测试针织物顶破强力性能；依据FZ/T 70006—2004《针织物拉伸弹性回复率试验方法》，使用YG026C型电子织物强力机测试织物弹性回复性能；依据 GBJ 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法》，使用Agilent E5 061 A型矢量网络分析仪、法兰同轴装置及TS0210A1型10 dB网络衰减器对织物的电磁屏蔽性能进行测试；依据美国AATCC TM202—2012《纺织品服装 相对手感值得评定：仪器法》，采用PhabrOmeter织物手感评价系统测试织物柔软度、硬挺度等织物风格性能。

3 结果与分析

3.1 纱线性能分析

3.1.1纱线横截面形貌

将利用Y172型纤维切片器制作的纱线横截面切片放在MOTTC B1型显微镜下观察，并用与之对应的CU-6型纤维横截面取样软件进行拍照采集，其图像如图3所示。纱线外羊毛纤维的横截面呈现直径较大的圆形，构成纱线鞘纱的棉纤维是有中腔的腰圆形结构，作为芯丝的不锈钢长丝直径略小于羊毛的圆形结构，图中用“钢”来标识，氨纶长丝较为柔软、易变形，切片时极易被挤压，故氨纶形状不稳定，图中用“氨纶”来标识。

由图3可观察出，对比同时包覆2根长丝的纱线线密度不同的1*、3*、5*双芯纱产品，纱线较粗的1*、3*试样中长丝包覆效果良好，2根长丝基本位于纱线中心位置，结构稳定，而线密度为 24.3 tex的5*纱线中芯线比较高，2根长丝位置相对分散，但没有露丝现象。2*、4*、6*纱线横截面图显示出，只包覆1根不锈钢长丝的纱线没有露丝现象，长丝基本位于纱线中心位置。纱线包覆性能良好，无露丝现象，为织物服用性能的提高和多彩功能性新产品的创造提供可能。

图3 纱线横截面结构(×200)Fig.3 Cross sections of yarn(×200).(a) Sample 1*;(b) Sample 2*;(c) Sample 3*;(d) Sample 4*;(e) Sample 5*;(f) Sample 6*

3.1.2成纱质量

表3 纱线的力学性能Tab.3 Mechanical properties of yarns

由表3可知，试样2*强力值最大，试样5*强力值最小。对比试样1*和2*、试样3*和4*、试样5*和6*，纱线细度相同时内包2根长丝的双芯纱强力均稍弱于不锈钢长丝包芯纱，伸长率优于不锈钢长丝包芯纱。分析其原因为，相比较不锈钢长丝包芯纱，内包不锈钢长丝和氨纶长丝的纱线结构较为松散，2根长丝与棉纤维间的抱合力较小，外包棉纤维与长丝之间不能更好地集聚在一起，受到拉伸时纤维整体的强力利用率低。这就需要在纺纱过程中更稳定地控制长丝位置和长丝预牵伸倍数。

3.2 织物性能分析

3.2.1织物强力及弹性回复性能

表4示出织物顶破强力及弹性回复性能。可知，对比试样1#和2#、3#和4#、5#和6#，外包棉线密度相同时双芯纱织物和不锈钢长丝包芯纱织物的顶破强力基本相差不大。由于织物强力主要由棉纤维来承担，且与织物线圈密度和厚度有关，因此纱线较粗的1#和2#试样顶破强力最大，较细的5#和6#试样顶破强力相对最小。

表4 织物强力及弹性回复性能Tab.4 Bursting and elastic recovery ratio of fabrics

6种织物线圈纵行方向上的弹性回复性能均优于横列方向上；相同纱线线密度下，双芯纱做成的织物在线圈横列和纵行方向上的弹性回复性能都很明显地优于不锈钢长丝包芯纱织物。成纱过程中的氨纶长丝由于预牵伸作用被拉伸，拉伸后的氨纶和预牵伸倍数极小的不锈钢长丝被同时包覆进棉纤维束中，因此成纱之后纱线结构中的氨纶在织物的弹性回复性能上发挥了极大作用。另外，纵向拉伸时，拉力引起的线圈圈柱定向的改变很大，比之线圈中纱线转移，氨纶丝本身的弹性起了很大的作用，因此不锈钢长丝/氨纶双芯纱做成织物的纵向弹性回复性能比横向大。

3.2.2织物电磁屏蔽性能

图4示出1#～6#试样对200～1 400 MHz不同频段电磁波的屏蔽效能。其中试样1#电磁屏蔽性能最佳，试样6#最差。如图所示，平面波频率小于 400 MHz时，各织物的屏蔽性能均大于10 dB，可满足一般性民用电磁屏蔽织物的使用要求，随着测试频率的增加织物屏蔽性能呈现逐渐减弱的趋势，当测试频率到达1 000 MHz及以上，试样屏蔽性能曲线趋于缓和；对比试样1#和2#、3#和4#、5#和6#，相同细度下棉/氨纶/不锈钢长丝双芯纱织物相比于棉/不锈钢长丝包芯纱织物，在不同平面波频率下测试的电磁屏蔽性能均有一定程度的增强。分析其原因为加入氨纶长丝后，由于氨纶丝的回弹作用，针织物结构变得更加紧密，横列和纵行上纱线根数增加，使得相同织物面积里发挥屏蔽电磁作用的不锈钢长丝含量增加从而增强了织物的电磁屏蔽效果。另外，双芯纱织物纱线间的接触点增多也会对织物电磁屏蔽效果起到一定的增强作用。

图4 织物各频段屏蔽性能Fig.4 Shielding performance of fabrics in difference frequency bands

图5示出1#～3#和7#～9#试样对200～1 400 MHz不同频段电磁波的屏蔽效能，对比试样1#和7#、3#和8#、5#和9#，在织物紧密度相差不大的情况下，不锈钢长丝芯丝直径增大，织物的电磁屏蔽性能略有提升。不锈钢长丝包芯纱织物的屏蔽主要以反射为主，当不锈钢长丝直径增加时，相同织物测试面积中导电长丝的投影面积增加，即织物中反射电磁波的有效面积增大，从而使织物整体屏蔽效果有所提升。

图5 不锈钢直径对织物屏蔽性能的影响Fig.5 Shielding performance of fabrics with different filament diameters

3.2.3织物风格

表5示出织物风格测试指标。可知，双芯纱织物硬挺度、悬垂系数高于不锈钢长丝包芯纱织物，这是由于双芯纱线回弹性较好，且纱线直径较大，织物试样厚实紧密，使得纱线弯曲刚度比不锈钢长丝包芯纱大。对比试样1#、3#、5#和试样2#、4#、6#可知纱线直径对织物硬挺度和悬垂性有很大影响，线密度越小，织物硬挺度越低、悬垂系数越小。

表5 织物风格测试结果Tab.5 Test results of fabric style

对比试样1#和2#、3#和4#、5#和6#，双芯纱织物柔软度和相对手感略低于不锈钢长丝包芯纱织物。织物的柔软度与纱线毛羽、线密度、织物密度等因素有关，双芯纱采用的嵌入式纺纱方式能有效改善纱线毛羽，提高纤维利用率，且双芯纱较粗，织物密度大，所以双芯纱织物的柔软度稍差于不锈钢长丝包芯纱织物。

综合考虑，棉/不锈钢/氨纶双芯纱织物的手感及服用性能差于棉/不锈钢长丝包芯纱织物，但相差不大。

4 结 论

选择不锈钢长丝和氨纶长丝作为芯丝，采用嵌入式纺纱方法在QFA1528型细纱机上纺制不同细度双芯纱和不锈钢长丝包芯纱，并织造6种针织物。研究结果表明：1)不锈钢长丝与氨纶长丝作为纱线的芯丝，外包棉纤维进行生产时，纱线包覆效果良好，并且可以有效提高纱线伸长率。实际生产时，可根据外包纤维品种、特性及最终产品的风格特征确定芯丝的喂入比例；2)纱线中加入氨纶芯丝后织物在线圈横列和纵行方向上的弹性回复性能大大提升，顶破强力基本变化不大。棉/不锈钢长丝/氨纶双芯纱织物的手感及综合服用性能差于棉/不锈钢长丝包芯纱织物，但其相差不大；3)相同线密度纱线的双芯纱织物相比于棉/不锈钢长丝包芯纱织物，对 200～1 400 MHz不同频段电磁波频率下测试的电磁屏蔽性能均有一定程度的增强，平面波频率处于较低水平时，各织物的屏蔽性能均大于10 dB，可对生活中大部分电子设备起到防辐射作用，维护人体健康。不锈钢长丝直径增加有利于织物电磁屏蔽性能的提升。

使用全聚纺设备生产以不锈钢长丝和氨纶长丝作为芯丝的双芯纱产品织造弹性电磁屏蔽织物具有可行性，今后可考虑开发高附加值弹性防辐射服装，为织物服用性能的提高和功能性新产品的制造提供可能。

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