閆鑫鑫 謝春萍 劉新金 蘇旭中

摘要： 為了研究不銹鋼纖維紗的結(jié)構(gòu)對織物電磁屏蔽性能及力學(xué)性能的影響，采用新型Sirospun、Sirofil-spun和全聚紡，分別紡制相同線密度的滌綸/不銹鋼長絲包芯紗、滌綸/不銹鋼長絲包纏紗及T/S 80/20全聚混紡紗，并采用上述紗線織制了3種平紋機(jī)織物和一上三下斜紋織物。測試織物在0～1500MHz低頻段上的電磁屏蔽效能，并對其拉伸、斷裂、頂破性能進(jìn)行測試，同時(shí)在測試的基礎(chǔ)上，分析四種織物對紗線的利用率。結(jié)果表明：在低頻時(shí)，織物對電磁波的屏蔽以反射為主，吸收為輔；賽絡(luò)菲爾紗織物和賽絡(luò)包芯紗織物屏蔽效能相當(dāng)，全聚混紡紗織物屏蔽效能較差；綜合織物的屏蔽效能和力學(xué)性能，賽絡(luò)菲爾紗織物性能最佳。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼短纖；不銹鋼長絲；紗線結(jié)構(gòu)；電磁屏蔽；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TS106.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-7003（2018）08-0029-06引用頁碼： 081106

Abstract： In order to study the influence of stainless steel fiber yarn structure on the electromagnetic shielding performance and mechanical properties of the fabric， polyester / stainless steel filament core-spun yarns， polyester / stainless steel filament spun yarns and T/S 80/20 blended yarns of the same yarn linear density were spun by using Sirospun， Sirofil spun and complete condensing spinning. Electromagnetic shielding effect of the fabrics under 0～1500MHz low frequency band was tested. Besides， the tensile strength， breaking and bursting properties of the fabrics were tested. At the same time， the utilization rate of the four kinds of fabrics on the yarns was analyzed based on the test. The results show that the shielding of electromagnetic wave is mainly reflection and absorption little by the fabrics at low frequency. The shielding effectiveness of the Sirofil spun yarns fabric and the Siros core-spun yarns fabric is equivalent， and the shielding effectiveness of the complete condensing spinning fabric is poor. Considering the shielding effectiveness and mechanical properties of fabrics， the Sirofil spun yarns fabric performance is the best.

Key words： stainless steel short fiber； stainless steel filament； yarn structure； electromagnetic shielding； mechanical properties

電磁屏蔽織物的發(fā)展趨于多元化，人們在注重屏蔽性能的同時(shí)更加關(guān)注織物的耐久性、多功能性、舒適性及綠色環(huán)保性等。如莫斯科紡織材料研究院制作的鎳合金絲交織針織物穿著舒適且多次洗滌不影響織物的屏蔽性能[1]；上海華天公司開發(fā)的HTCU纖維制作的電磁屏蔽材料不僅具有良好的電磁屏蔽性能，還具有抗靜電、抗菌和防臭性能[2]；王煒等[3]對化學(xué)鍍銅的織物進(jìn)行了鍍錫，減少了材料制備過程中的污染，使屏蔽織物的生產(chǎn)更加綠色環(huán)保。為了減少電磁輻射，提高織物的服用性和環(huán)保性，相比金屬涂層織物，人們更多使用金屬纖維與普通纖維混紡、包纏、交織等方法制成織物，其耐用性和屏蔽性能的持久性相對較好[4]。其中，不銹鋼金屬纖維織物因其屏蔽效能持久而更多地受到人們的青睞[5]，因此對不銹鋼金屬纖維織物的深入研究尤為重要。對于機(jī)織物來說，不銹鋼含量越多，紗線排列越緊密，其電磁屏蔽性能越好，但同時(shí)力學(xué)性能和服用性能也越差[6]。為了進(jìn)一步探究不銹鋼織物的物理機(jī)械性能，本文采用三種不同結(jié)構(gòu)的不銹鋼紗線并制成織物，對比分析其電磁屏蔽及力學(xué)性能，并為防輻射紡織品的開發(fā)提供參考。

1紗線及織物的制備

1.1不銹鋼短纖及長絲的選用

不銹鋼長絲和不銹鋼短纖分別采用直徑為30μm、8μm的316L奧氏體不銹鋼（上海普盛金銀絲紡織品有限公司）。316L奧氏體不銹鋼含有少量的碳元素，使其不易生銹，符合紡織品的要求。另外，其導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性都比一般紡織材料高并且具有較高的熔點(diǎn)和良好的耐酸堿耐腐蝕性[7]。因此采用316L奧氏體不銹鋼制成的功能性紡織品可延長其使用壽命。不銹鋼長絲的制備是單絲拉伸法，不銹鋼短纖則采用集束拉伸法，因此兩者具有不同的表面特征。圖1為不銹鋼長絲和不銹鋼短纖放大2000倍的縱向電鏡圖。由圖1可以看出，不銹鋼長絲縱向表面平整光滑，而不銹鋼短纖縱向呈現(xiàn)凹凸不平。這種結(jié)構(gòu)上的不同在紡紗上表現(xiàn)為長絲與纖維之間抱合力差、成紗結(jié)構(gòu)松散，外包纖維易滑脫；而短纖之間的溝槽增大了纖維之間的摩擦力，使其抱合緊密，易于成紗。

1.2紗線的紡制及織物的織造

全聚賽絡(luò)紡是緊密賽絡(luò)紡的一種，是由江南大學(xué)自主研發(fā)的一種新型紡紗方法。其原理是：在普通三羅拉牽伸皮圈基礎(chǔ)上，將前羅拉設(shè)計(jì)成直徑為50mm表面帶窄槽的空心羅拉[8]。本實(shí)驗(yàn)采用QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)（無錫第七紡織企業(yè)有限公司）紡制28tex T/S 80/20混紡紗；在細(xì)紗機(jī)上將兩根混合均勻的滌綸/不銹鋼粗紗條平行喂入牽伸區(qū)，進(jìn)行紡紗。為了盡可能控制單一變量，需要對QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)進(jìn)行改造，然后紡制賽絡(luò)包芯紗和賽絡(luò)菲爾紗。細(xì)紗機(jī)的改造：在QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)上加裝單槽導(dǎo)絲輪裝置、長絲退繞裝置和張力盤裝置，單槽導(dǎo)絲輪可以在搖架上左右移動(dòng)，控制長絲喂入前羅拉位置[9]。賽絡(luò)包芯紗設(shè)置外包紗線為滌綸，線密度為28tex，不銹鋼長絲直徑為30μm。將兩根滌綸粗紗平行喂入雙喇叭口并控制喇叭口間距，長絲經(jīng)過導(dǎo)絲輪和張力裝置在前鉗口處和滌綸粗紗混合成紗。賽絡(luò)菲爾紗的紡制：將一根滌綸粗紗喂入喇叭口并在前鉗口處與經(jīng)過張力裝置的長絲匯合成紗。長絲采用徑向退繞，消極喂入，紗線捻系數(shù)均為390。

紗線的結(jié)構(gòu)對織物的后道加工有著重要影響，圖2為上述三種紗的成紗表面結(jié)構(gòu)。由圖2可以看出，賽絡(luò)菲爾紗中不銹鋼均勻纏繞在滌綸短纖的表面，成紗結(jié)構(gòu)緊密；賽絡(luò)包芯紗中不銹鋼長絲位于紗線中間且無彎曲、扭轉(zhuǎn)、漏芯，其表面被滌綸短纖包覆；全聚賽絡(luò)紗中不銹鋼短纖和滌綸短纖直徑相差不大且不銹鋼短纖的含量較少，因此在高倍顯微鏡下觀察兩者區(qū)別不明顯。分別測試三種紗的成紗強(qiáng)力、伸長和毛羽，如表1所示。由表1可以看出，三種紗線的成紗性能較好，均能達(dá)到織造要求。根據(jù)表2所示的工藝參數(shù)，采用全自動(dòng)劍桿小樣織機(jī)織制平紋和斜紋織物，并使用YG141D織物厚度儀、SZT-2A四探針電阻測試儀測量織物厚度和織物表面電阻。

1.3測試儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器見表3。

1.4測試方法

溫度為20℃，相對濕度為（65±2）%。屏蔽效能測試：采用法蘭同軸法，Agilent E5061A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、TS0210A1型網(wǎng)絡(luò)衰減器測試織物的屏蔽性能。為了提高測試的準(zhǔn)確性、減少誤差，采用多次實(shí)驗(yàn)并取平均值。由于樣布的限制，本實(shí)驗(yàn)采用每塊樣布取5個(gè)不同位置的試樣，分別測試5次，取平均值。參考標(biāo)準(zhǔn)：ASTM D4935—2010《測量平面材料的電磁屏蔽效應(yīng)的試驗(yàn)方法》及QJ2809—1996《平面材料屏蔽效能的測試方法》。

拉伸性能測試：采用HD026N+型織物電子強(qiáng)力儀測試織物的拉伸斷裂強(qiáng)力。測試時(shí)，在織物的經(jīng)緯向不同位置分別取5塊樣品進(jìn)行測試，并取平均值作為測試結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第一部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定 （條樣法）》。

織物撕裂性能測試：YG033A落錘式撕裂儀進(jìn)行測試，每種織物經(jīng)緯向各測試5次，讀取測量結(jié)果并取平均值。

頂破性能測試：采用HD026N+型電子式織物頂破強(qiáng)力試驗(yàn)儀，夾布圓環(huán)的內(nèi)徑為2.5cm，彈子直徑為2cm，設(shè)置下降速度為100mm/min。每種織物經(jīng)緯向各測試5次，記錄頂破強(qiáng)力并取平均值。

2織物性能分析

2.1織物的電磁屏蔽效能

2.1.1頻率對織物電磁屏蔽效能的影響

手機(jī)、電視等家用電子產(chǎn)品的頻率一般在0～1500MHz，故本實(shí)驗(yàn)以200、400、600、800、1000、1200、1400MHz為測試頻點(diǎn)，對四種織物的電磁屏蔽效能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3所示。

對比圖3中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著電磁波頻率的增加，四種織物的電磁屏蔽效能均呈上升趨勢，且趨勢較為明顯；1#織物在200～600MHz時(shí)，其屏蔽效能只有5dB左右，處在較低的水平；而在800MHz時(shí)，四種織物屏蔽效均達(dá)到10dB以上，屏蔽效率大于67%，滿足屏蔽織物日常需求。在低頻時(shí)，織物的電磁屏蔽主要以反射為主，吸收為輔[10]。以1#織物為例，為了便于計(jì)算，把1#電磁屏蔽機(jī)織物看成金屬屏蔽網(wǎng)，由金屬絲網(wǎng)屏蔽理論可求得織物在400MHz和1200MHz的理論反射損耗和理論吸收損耗。反射損耗與電磁波頻率有關(guān)，吸收損耗與織物形成的孔徑大小有關(guān)。

式中：S表示理論電磁屏蔽效能，dB；A表示吸收損耗，dB；d表示孔的深度（織物的厚度），cm；w表示矩形孔的寬邊長度，cm；R表示織物的反射損耗，dB；K=6.69×10-3fw；f表示電磁波的頻率，MHz。

矩形孔的寬邊長度可以通過緯密和紗線密度求出。通過計(jì)算可得，當(dāng)電磁波頻率為400MHz時(shí)，1#織物的理論吸收損耗為9.1dB，反射損耗為9.24dB；當(dāng)電磁波頻率為1200MHz時(shí)，1#織物的理論吸收損耗為9.1dB，反射損耗為18.01dB。由圖3可以看出，在1200MHz時(shí)，織物的電磁屏蔽效能有所提高，但理論計(jì)算值高于實(shí)際測量值。這是因?yàn)榧僭O(shè)的金屬網(wǎng)是均勻的，而織物中不銹鋼短纖分布較為分散，形成的金屬網(wǎng)格比理論值大且不均勻。由孔隙導(dǎo)磁理論可知，單位面積內(nèi)，孔隙越大，屏蔽效能越差。

2.1.2紗線結(jié)構(gòu)對織物屏蔽效能的影響

根據(jù)波導(dǎo)理論可知，屏蔽纖維的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及纖維的連續(xù)性等均影響織物的屏蔽效能[11]。屏蔽纖維連續(xù)性越好，織物屏蔽效能越高。同時(shí)，經(jīng)緯向均有不銹鋼纖維的織物其屏蔽效能高于單向含有不銹鋼纖維的織物。屏蔽織物屏蔽性能的好壞通常用屏蔽效能SE表示，即在相同檢測環(huán)境下，未屏蔽時(shí)的電場強(qiáng)度E0與屏蔽后的電場強(qiáng)度E的比值的分貝值，表示為SE=10lg（E0/E）。

由圖3可以看出，2#織物和3#織物屏蔽效能相差不大，而1#織物在600～1500MHz頻段內(nèi)，相比2#和3#織物屏蔽效能低10dB左右。這主要有兩個(gè)方面的原因：其一，全聚混紡紗中，不銹鋼以非連續(xù)的形式存在于紗體中，電阻率高、質(zhì)量不勻率大、纖維分布不均勻，使得紗線沿軸向方向缺乏有效的電連續(xù)，因此在一定頻段內(nèi)，全聚混紡紗的導(dǎo)電纖維利用率較低，導(dǎo)致屏蔽效能較低。其二，當(dāng)把織物看做有孔的屏蔽體時(shí)，此時(shí)織物就相當(dāng)于有孔的金屬板，金屬板上的每一個(gè)孔或縫都相當(dāng)于一個(gè)波導(dǎo)。根據(jù)波導(dǎo)理論可知：線徑越大，波導(dǎo)截止頻率越小，當(dāng)達(dá)到截止頻率時(shí)，則無屏蔽性能[12]。賽絡(luò)菲爾紗織物中不銹鋼長絲纏繞在滌綸纖維的外側(cè)，形成的孔隙大于賽絡(luò)包芯紗織物，所以賽絡(luò)菲爾紗織物的屏蔽效能更容易衰減。

2.2織物的力學(xué)性能

四種織物的拉伸斷裂性能測試結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，2#織物的強(qiáng)力最高，3#、4#織物強(qiáng)力相差不大，1#織物強(qiáng)力最低。

影響織物強(qiáng)力的主要因素有纖維的原料、成紗結(jié)構(gòu)和織造的方式。由于1#、2#、3#織物原料相同、織造工藝相同，故本實(shí)驗(yàn)中影響拉伸性能的主要因素為成紗結(jié)構(gòu)。A紗線中不銹鋼短纖分布不均勻，且與滌綸纖維的抱合力差，導(dǎo)致織物經(jīng)緯向薄弱環(huán)節(jié)較多，在拉伸時(shí)纖維間易產(chǎn)生滑移；B紗線，不銹鋼絲以螺旋的形式包纏在滌綸纖維表面，其強(qiáng)力利用系數(shù)達(dá)到最大；C紗線，不銹鋼長絲的加入會(huì)破壞纖維之間的抱合力，使紗線強(qiáng)力稍有降低，但幅度不大。2#和3#、4#織物的斷裂伸長率相差不大。由拉伸理論可知，在拉伸時(shí)位于織物邊緣的紗線首先由屈曲變?yōu)樯扉L，隨著拉伸力的增加，此時(shí)織物的伸長主要是紗線和纖維的伸長與變細(xì)。對于1#織物原料為不銹鋼短纖和滌綸短纖，當(dāng)織物受到拉伸時(shí)，邊緣紗線首先被拉斷，纖維抽拔滑移，織物再次伸長，不銹鋼短纖的加入，使得紗線間的抱合力降低，伸長增加，而不銹鋼長絲的加入對2#和3#織物的拉伸影響不大。

綜上，2#織物的斷裂強(qiáng)力、撕裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力均為四種織物之最，說明其耐用性最好；斷裂伸長與織物的彈性、風(fēng)格、抗皺性、懸垂性等服用性能都有一定的關(guān)系，2#織物的斷裂伸長在四種織物中居于中間，則在一定程度上表明其在同類織物中可能不易變形折皺。

2.3紗線強(qiáng)力利用率

紗線強(qiáng)力利用率是影響紗線及其織物強(qiáng)度的重要因素。名義纖維強(qiáng)度是指商品上標(biāo)簽標(biāo)注的纖維斷裂強(qiáng)度，假設(shè)紗線斷裂時(shí)，紗中的每根纖維同時(shí)達(dá)到斷裂極限，此時(shí)的斷裂強(qiáng)力為紗線或織物的名義斷裂強(qiáng)力[13]。已知不銹鋼短纖的密度為7.9g/cm3，滌綸纖維的密度為1.38g/cm3，分別測得三種紗線A、B、C的強(qiáng)力為572.71、792.42、708.15cN?？煞謩e求得紗線的斷裂強(qiáng)度P0和橫截面積S：

式中：F表示紗線強(qiáng)力，N；m表示紗線或織物的質(zhì)量，g；ρ表示纖維密度，g/cm3；l表示紗線或織物的長度，cm；S1表示織物的橫截面積，mm2；γ表示紗線強(qiáng)力利用率；F實(shí)表示織物的實(shí)測斷裂強(qiáng)力，N；F名表示織物的名義斷裂強(qiáng)力，N。γ反映了織物在承受拉力斷裂時(shí)，織物中紗線斷裂的同時(shí)性[10]。

表5歸納出四種織物中紗線強(qiáng)力利用率。其中γ值越大，表示織物在拉斷時(shí)，同時(shí)斷裂的紗線越多，γ值越小，表示同時(shí)斷裂的紗線數(shù)越少。

由表5可以清晰地看出，織物對紗線的利用率情況，2#織物紗線利用率最高，為89%，故相同原料和織造情況下2#織物強(qiáng)力最高。對2#織物分析，不銹鋼長絲均勻地纏繞在滌綸纖維的外部，使得成紗更加緊密，纖維之間接觸面積大摩擦力增加，拉伸時(shí)纖維之間不易滑移，故強(qiáng)力利用率偏高。對比3#織物和4#織物，可以看出平紋織物紗線利用率比斜紋織物高，這是因?yàn)槠郊y織物交織點(diǎn)多浮長短，紗線間的摩擦力大，在經(jīng)向拉斷時(shí)，紗線斷裂的同時(shí)性有所提高，而斜紋織物浮長長，經(jīng)緯紗線間的摩擦相對較小，故紗線利用率低。

3結(jié)論

1）在QFA1528型全聚紡細(xì)紗機(jī)上紡制三種紗線，其中賽絡(luò)菲爾紗因其獨(dú)特的成紗結(jié)構(gòu)即長絲包纏在短纖紗的外面，使得紗線毛羽最少，強(qiáng)力最高，但三種紗線性能均能滿足織造要求。四種織物中，賽絡(luò)菲爾紗織物的拉伸強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力、撕裂強(qiáng)力居四種織物之最，并理論分析得出賽絡(luò)菲爾紗織物對紗線的利用率最高。

2）在0～1500MHz內(nèi)，織物的電磁屏蔽以反射為主，吸收為輔。賽絡(luò)菲爾紗織物在400MHz時(shí)，電磁波的理論吸收損耗為9.1dB，理論反射損耗為9.24dB；1200MHz時(shí)，理論吸收損耗為9.1dB，反射損耗為18.01dB。全聚紗織物由于紗中不銹鋼纖維的不連續(xù)使得其織物的屏蔽效能較賽絡(luò)菲爾紗織物和賽絡(luò)包芯紗織物屏蔽性能稍低。

3）綜合考慮織物的力學(xué)性能和屏蔽性能，賽絡(luò)菲爾紗織物最好，賽絡(luò)包芯紗織物次之，全聚混紡紗織物最差。

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