不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱的弹性与电学性能

赵亚茹， 肖 红， 陈剑英

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 军事科学院系统工程研究院 军需工程技术研究所， 北京 100010；3. 武汉纺织大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430000)

相比于金属和其他刚性屏蔽材料[1]以及导电橡胶[2]和薄膜类[3-4]等柔性屏蔽材料，含不锈钢纤维的纱线及织物[5]具有质量轻且柔软、价格便宜、导电和导磁、环境稳定性等优良性能，在电磁兼容和屏蔽方面得到广泛应用，如电磁屏蔽织物[6]、雷达散射织物[7]、超洁净抗静电工作服等[8]。但是，不锈钢纤维依然较为刚挺，和棉或其他纤维混纺时手感硬挺且不易变形[9]，难以满足尺寸适应性要求较高的应用场合，如曲面以及形状复杂的电子器件等。通过对纱线结构设计，将不锈钢短纤维混纺纱与弹性纤维结合，赋予纱线良好的弹性，制备兼具弹性和电磁屏蔽性能的面料，实现对曲面等复杂形状的适应性。

目前，弹性导电纱线多用于纱线传感器[10]，如通过在橡筋丝表面镀覆聚苯胺类导电高分子，在粗旦氨纶上涂敷导电类物质[11]，将粗旦氨纶和导电纤维并合等方法构成纱线传感器。对弹性导电纱线的研究多聚焦于应变下电学性能的变化，而未关注其力学性能，一般不能用于织造[12]。可用于工业化织造的弹性导电纱线有以下几种：以单一弹性长丝为芯纱[13]或弹性长丝和金属长丝同时作为芯纱[14]，以金属长丝、金属长丝复合纱、金属短纤维混纺纱为外层包覆纱的包芯纱。金属长丝刚性大且不易变形，其作为外包纱或芯纱时无法随弹性纤维的伸长而伸长，使纱线弹性受到限制，此类弹性导电纤维的应变与电阻相关性的研究较少。

为了开发性价比高、适用于批量工业化织造的弹性导电纱线，进一步开发弹性电磁屏蔽织物，本文以氨纶长丝作为芯丝、外包不锈钢短纤维/棉混纺纱线，开发具有弹性的氨纶长丝包覆纱线，研究其弹性、应变和电阻的相关性，为开发兼具弹性和电学性能的纱线及织物提供技术参考。

1 实验样品

实验样品规格见表1。可以看出，除纱线3#、4#之外，其余9种纱线均含线密度为4.4 tex的氨纶长丝；纺纱时，氨纶丝作为芯纱牵伸3倍，外部包覆不锈钢短纤维/棉混纺纱条，得到2种不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱，纱线1#和2#中的不锈钢纤维含量分别为30%、20%(不锈钢纤维的含量是指作为外包纱的不锈钢短纤维/棉混纺纱中不锈钢短纤维的含量)。为提升纱线弹性，将2根不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱合股、2根不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱与1根氨纶长丝合股、1根不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱与1根棉/氨包覆纱合股，制备了系列弹性纱线。同时以不锈钢短纤维/棉混纺纱、棉/氨纶包覆纱作为对照组，进行系列实验。

在测试前，纱线1#、2#、5#、6#、…、11#均含氨纶长丝，在沸水中煮10 min，使纱线得到充分的松弛，晾干后进行测试。

表1 实验样品规格Tab.1 Sample specifications and related data

2 测试方法

2.1 纱线弹性回复率和塑性变形率测试

根据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)》进行参数设置：Instron 5566型万能试验机的传感器量程为100 N，夹持隔距为200 mm，拉伸速度为200 mm/min；定伸长值为夹持长度的50%，即100 mm。

非弹性纱线预加张力为0.5 cN/tex；弹性纱线参考FZ/T 50007—2012《氨纶丝弹性试验方法》的预加张力选择表，根据试样的线密度选择合适的预加张力。

测试步骤：取伸直而不伸长的纱线[15-16]，夹持在Instron5566万能试验机上，夹持隔距即试样原长200 mm，加上预加张力，以200 m/min的速度拉伸，拉伸100 mm后，再回复至原长，如此往复拉伸5次，第6次拉伸至定伸长值后，停顿松弛5 s，然后等速回复至原位，停置松弛10 s，再一次拉伸试样至其应力等于预加张力，此时试样长度为L2。

弹性回复率和塑性变形率的计算公式为：

式中：R为弹性回复率，%；σ为塑性变形率，%；L0为试样原始长度，mm；L1为试样拉伸后长度，mm；L2为试样复位且松弛10 s后施加预加张力时的长度，mm。

2.2 纱线应变-电阻测试

预加张力选择和设置同2.1节。对于非弹性纱线，在伸直而不伸长状态下进行测量；对于弹性纱线，根据预加张力选择表选取相应的预加张力。

具体操作过程：用胶带对Instron 5566万能试验机夹头进行绝缘处理，将万用表夹头固定在万能试验机上，调整万用表夹头的间距为10 cm，仪器上下夹头的距离为15 cm；依次用万能试验机上夹头、万用表上夹头夹住纱线，然后在万用表上夹头处缠绕几圈(防止拉伸过程中滑移)，用对应预加张力的铝箔夹在纱线上，调节铝箔至下夹头处，再缠绕固定纱线，用万用表下夹头、万能试验机下夹头夹住纱线，读取此时万用表的数据，此后，以100 mm/min的速度拉伸试样，每拉伸10 mm记录1次电阻、强力和伸长数据，直至纱线断裂。

2.3 形貌观察

用NCL-2光学显微镜(德国Union仪表公司)，观察纤维的微观形态。操作过程：将纱线的两端用透明胶带黏到载玻片上，使纱线保持自然卷曲状态，盖上盖玻片，将玻片放在载物台上，用压片固定，调整到合适位置及放大倍数，进行观察。

3 结果与分析

3.1 纱线的弹性

不锈钢短纤维含量不同时纱线的弹性回复率和塑性变形率见图1。

图1 不锈钢短纤维含量不同时纱线的弹性回复率和塑性变形率Fig.1 Elastic recovery rate and plastic deformation rate of yarns with different stainless steel short fiber content

由图1看出，纱线1#、2#、5#的弹性回复率分别为70.68%、75.45%、90.11%，塑性变形率分别为14.66%、12.28%、4.95%。可见，不锈钢短纤维含量越高，外包纱的刚性越大，限制了氨纶长丝的伸长和回复，纱线弹性回复率越小，塑性变形率越大，纱线弹性越差。

纱线1#、3#分别是不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱、不锈钢短纤维/棉混纺纱，均含30%不锈钢短纤维。纱线1#的弹性回复率为70.68%，塑性变形率为14.66%；定伸长反复拉伸时，纱线3#断裂。可见，加入氨纶长丝，使纱线弹性大大提高。纱线2#和4#有相同现象：纱线2#的弹性回复率为75.45%，塑性变形率为12.28%；4#纱线在相同定伸长反复拉伸时断裂。

加入氨纶长丝提高了纱线的弹性；含不锈钢短纤维越多，外包纱刚性越大，限制氨纶长丝的弹性伸长，纱线弹性性能越差。

3.2 纱线的电学性能

3.2.1 典型的应变-电阻曲线图

弹性纱线拉伸过程中形貌变化示意图见图2，弹性纱线典型的应力-应变和应变-电阻曲线见图3。

图2 弹性纱线拉伸过程中形貌变化示意图Fig.2 Schematic diagram of yarn shape change during stretching

图3 弹性纱线典型的应力-应变和应变-电阻曲线Fig.3 Typical stress-strain and strain-resistance curves

对不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱施加应力，纱线在拉伸过程中共分为4个阶段，对应不同的形貌变化、应力-应变和应变-电阻特征。

1)未受力阶段。纱线应力、电阻对应图3中A′、A点。纺纱时，氨纶长丝作为芯纱，牵伸3倍后，外包不锈钢短纤维/棉混纺纱；外力撤去后，氨纶长丝回缩，带动外层包覆纱发生屈曲，纱线形貌如图2中a所示。

2)氨纶长丝发生弹性形变阶段。受外力作用时，氨纶长丝的初始模量较小，先受力被拉伸，直到氨纶长丝弹性形变消失，外包纱开始受力，此时外包纱处于伸直不伸长状态，纱线整体形貌如图2中b所示，应力如图3中B′所示，整个拉伸过程应力无明显变化。

拉伸过程中，氨纶长丝逐渐变细，外包纱屈曲减小，逐渐伸直，但粗细不变。外包纱屈曲时，不锈钢短纤维发生弯曲、折叠等，具有较多的有效搭接，电阻较小；外包纱逐渐被拉直，不锈钢短纤维也逐渐伸直，纤维间接触减少，电阻增加；当外包纱处于伸直不伸长状态，电阻最大，对应图3中应变-电阻曲线的B点。

3)外包纤维部分受力直到断裂阶段。氨纶长丝和外包纱同时受力，模量迅速增加，随着应变增加，应力大幅度提高，直到纱线断裂，应力变化如图3中B′C′；纱线逐渐变细，纱线形貌如图2中c所示。拉伸过程中，外包纱变细，不锈钢短纤维间接触概率增加，纱线电阻逐渐减小，直到断裂前，达到最小值，对应应变-电阻曲线BC段。

4)纱线断裂。如图3中虚线箭头所示，应力骤降，电阻骤升，不可测量。

3.2.2 纱线中不锈钢短纤维含量对电阻的影响

不同不锈钢短纤维含量的纱线的应变-电阻曲线见图4。可以看出：纱线1#中不锈钢短纤维含量高于纱线2#，无论处于哪个拉伸应变阶段，纱线1#的电阻均小于纱线2#；随着应变增加，电阻呈先升高后降低的趋势，直至纱线断裂，和前述典型的应变-电阻曲线一致。拉伸过程中，不锈钢短纤维的接触状态直接影响电阻，电阻发生数量级的变化，纱线1#的电阻从2 927 Ω降低到625 Ω，远高于不锈钢短纤维含量对电阻的影响。

图4 不同不锈钢短纤维含量纱线的应变-电阻曲线Fig.4 Strain-resistance curves of yarns with different stainless steel short fiber content

3.2.3 弹性对电阻的影响

不同弹性纱线的应变-电阻曲线见图5。纱线1#、2#分别是以纱线3#、4#为外包纱，氨纶长丝为芯纱制成的不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱。氨纶丝的加入，对纱线的电阻影响较为复杂，大致分为3个阶段。

图5 不同弹性纱线的应变-电阻曲线Fig.5 Strain-resistance curves of different elastic yarns

1)未受力阶段。纱线3#、4#的电阻分别为5 160、3 296 Ω，纱线1#、2#的电阻分别为934、1 077 Ω，可知含氨纶长丝的纱线电阻较低。由3.2.1节纱线未受力阶段可知，含氨纶长丝的纱线，外包纱屈曲，单位长度内不锈钢短纤维数量增加，不锈钢短纤维之间发生搭接，使电阻降低。

2)拉伸阶段。由3.2.1节可知，随着拉伸，纱线1#、2#中氨纶长丝先受力，外包纱伸长，不锈钢短纤维间接触减少，电阻增加；继续拉伸，纱线整体受力，外包纱变细，不锈钢短纤维间接触紧密，纱线电阻降低。纱线3#、4#中不含氨纶长丝，在外力作用下，纱线受力变细，不锈钢短纤维间接触增加，在2%的形变下，电阻发生数量级降低，从5 160 Ω降低到490 Ω。纱线拉伸至断裂前，不锈钢短纤维接触十分紧密，而氨纶长丝的存在，会影响部分不锈钢短纤维的接触，因此纱线1#、2#电阻略大于纱线3#、4#。

3)断裂阶段。纱线断裂后，电阻骤升，不可测量。

3.2.4 合股方式对电阻的影响

3.2.4.1 不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱合股 纱线1#、2#、6#、7#的应变-电阻曲线见图6。2根纱线1#合股组成纱线6#，初始阶段，合股后纱线弹性大，屈曲大，单纱内部的不锈钢短纤维之间、单纱之间均接触不紧密，纱线6#的电阻大于纱线1#；随着拉伸，单纱内部不锈钢短纤维接触紧密，并且单纱间不锈钢短纤维发生搭接，电阻降低，纱线6#电阻小于纱线1#。同理，2#和7#纱线呈现出同样的规律。由此可知，单纱合股并线可降低纱线的电阻。

图6 纱线1#、2#、6#、7#的应变-电阻曲线Fig.6 Strain-resistance curves of 1#、2#、6#、7# yarn

3.2.4.2 2种弹性纱合股 纱线8#和9#由不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱和棉/氨包覆纱合股而成，纱线弹性较好，屈曲较大，测试时，万用表夹头夹持的可能是不同股纱线，所以无法测出数据。

图10 纱线1#的状态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 弹性纱和氨纶丝合股 纱线1#与10#的应变-电阻曲线见图7，纱线2#与11#的应变-电阻曲线见图8。可以看出，包覆纱和股线变化趋势相同，纱线合股进一步提高了纱线的弹性，但是没有改变纱线电学性能的变化趋势，它们的电阻在同样的应变点达到最大。

图7 纱线1#与10#的应变-电阻曲线Fig.7 Strain-resistance curves of 1# and 10# yarn

2根纱线1#和1根氨纶丝合股形成纱线10#。初始阶段，股线中的纱线1#均产生较大的屈曲，不锈钢短纤维的接触减小，纱线10#电阻大于纱线1#；随着拉伸，股线中单纱内部不锈钢短纤维接触紧密，同时单纱间不锈钢短纤维发生搭接，股线电阻小于纱线1#；继续拉伸，股线中单纱抱合紧密，但氨纶长丝影响不锈钢短纤维的接触，同时，股线整体的不锈钢短纤维的含量要低于单纱，综合因素，在应变30%～40%之间，股线电阻大于单纱。同理，纱线11#呈现出相同的变化趋势。

3.2.5 氨纶芯丝的断裂现象

纱线1#、2#、5#、6#、7#的表观形态见图9，纱线1#的状态见图10。

由图9看出，纱线1#、2#、6#、7#沿长度方向出现交替伸直(圆形区域)和屈曲2种状态，而纱线5#棉/氨包纱，沿长度方向一直呈现屈曲状态。对纱线1#进行单独观察，如图10所示，纱线经过沸水处理发生应力松弛，芯纱氨纶长丝发生回缩，外包纤维随之收缩，在芯丝外面形成屈曲状态，氨纶丝断裂时，无法带动外包纱回缩，因此纱线是伸直状态。

4 结束语

以氨纶长丝为芯纱，不锈钢短纤维/棉混纺纱为外包纱，制备不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱。为提高纱线的弹性，将2根不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱合股、2根不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱与氨纶长丝合股、1根不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱与1根棉/氨包覆纱合股，制备一系列兼具弹性和导电性能的纱线。测试分析了所制备弹性纱线的应变-电阻曲线、弹性、纱线形态等指标。结果表明：不锈钢短纤维的含量增加，纱线导电性能增加，弹性回复率降低，塑性变形增大；单纱合股增加了纱线的弹性，未改变纱线电学性能变化规律；1#、2#、5#等弹性纱线的弹性回复率均大于70%，塑性变形率均小于15%；随着拉伸，电阻先增加后降低，存在显著变化，因此需要进一步开发随着拉伸电阻保持恒定的弹性导电纱线。