捻度配置對雙向包覆紗性能的影響及優化

王 勇 喬啟凡 王宗乾 李長龍 王 煒

（1.東華大學，上海，201620；2.安徽工程大學，安徽蕪湖，241000；3.三元控股集團有限公司，浙江杭州，311221）

柔性可穿戴技術是一種多學科交叉融合的新興技術，近年來在健康醫療、運動娛樂、教育、軍事等領域表現出較高的研究價值和應用潛力［1-5］?？衫祀娂訜崞骷O計融合紡織工程、電子工程等學科，是柔性可穿戴技術領域的一個重要分支。兼具力學柔彈和高電導性的復合材料是構建可拉伸柔性電加熱器件的核心，且材料的電/熱敏感度、彈性形變、響應速率及循環穩定性是關鍵影響因素。目前，應用于電熱紡織品的加熱元件主要有金屬噴鍍紗線、碳纖維材料、導電高聚物、金屬微絲等［6］。其中，金屬噴鍍紗線形成過程復雜，紗體表面導電組分承受機械外力作用易脫落而引起電導性能的波動，對電熱效果產生不利影響；碳纖維材料具有優良的熱性能，但加工成本偏高；導電高聚物能夠涂覆在柔性基體表面，但在承受機械外力作用時易產生裂紋等缺陷，使電阻難以精準控制，造成電加熱性能出現較大波動甚至失效。相比而言，金屬微絲具有熱穩定性好、額定功率高和機械強度大等優點，且含金屬微絲紗線易于集成到織物服裝中，可滿足人體特定部位的加熱需求。與目前市售的片層狀電熱產品相比，兼具優良拉伸回復功能的一維結構材料（纖維、紗線等）可拉伸電熱器件具有輕質柔軟、易編織加工、貼膚性好等優點，可適應人體三維扭曲等各類復雜形變，符合未來可穿戴紡織產品的基本需求［7］，可突破當前柔性可穿戴電加熱紡織品發展瓶頸［8］。

空心錠包纏紡紗本質上屬于紗線再加工構筑設計技術，分為芯層和外包覆層。通過各層原料的搭配組合來發揮原料各自的優良特性，實現優勢互補，改善成紗品質。尤其在性能差異較大紗線的復合層面有其技術的不可替代性［9-11］。對于空心錠包纏紡而言，包纏捻度是可調控的關鍵參數之一［12-15］。相比于單包覆而言，雙包覆加工的第一和第二外包覆層的包纏方向（同向、雙向）和捻度配置是成紗工藝參數調控需重點考慮的因素，會對相應紗線結構和性能產生明顯影響［16-20］。因此，本研究以氨綸、不銹鋼絲、棉股線為原料，紡制雙向包覆紗，重點探討捻度配置（包纏捻度、外內捻度比）對雙向包覆紗（以下簡稱包覆紗）強伸性能、回彈性能的影響。采用主成分分析法對實測結果進行評判與優化。進一步探究包覆紗在柔性可拉伸導線和柔彈電加熱器件領域的初步應用，以期拓展其在智能可穿戴電子紡織品領域的應用范疇。

1 試驗

1.1 紡紗原材料

選用氨綸（124.4 tex）、不銹鋼絲（30 μm）和棉股線（18.5 tex×2）3種原料，其強伸性能曲線如圖1所示。由圖1可知，氨綸表現出很高的可拉伸性（≈850%）；不銹鋼絲從開始拉伸至應變2.5%左右時，應力應變呈正比。伴隨著拉伸的持續進行，材料產生一定的塑性變形直至最終斷裂；棉股線則具有顯著的黏彈力學特性。

1.2 包覆紗的紡制

采用LB-192型全電腦包覆絲機（新昌縣萬久精工機械有限公司）紡制包覆紗，紡紗工藝原理如圖2所示。

圖2 雙向包覆紗的制備成形原理

由圖2可知，將芯層氨綸經過積極喂入羅拉喂入，賦予其一定倍數的預牽伸；喂入空心錠包覆絲機的下層空心錠中心管并從其上端引出；將嵌套在下層空心錠管上的第一外包覆層不銹鋼絲退繞，并與預牽伸氨綸并合，形成“S捻”不銹鋼絲包纏氨綸的預結構紗段；隨后，將嵌套在上層空心錠管上的第二外包覆層棉股線退繞，并與上述預結構紗段并合，形成“Z捻”。至此，一種兼具回彈性和導電性的包覆紗紡制而成。

根據控制變量原則，探討捻度配置對包覆紗性能的影響，故調控氨綸預牽伸倍數恒定4.0倍，錠速5 000 r/min。在此條件下，為了分析包纏捻度對紗線性能的影響，固定外內捻度比恒定為1（即第一外包覆層和第二外包覆層捻度相等），設定包纏捻度分別為400捻/m、800捻/m、1 200捻/m、1 600捻/m；為了分析內外捻度比對紗線性能的影響，固定第一外覆層不銹鋼絲包纏捻度恒定1 200捻/m，調節第二外包覆層棉股線的包纏捻度，使其分別為480捻/m、720捻/m、960捻/m、1 200捻/m，以達到外內捻度比分別為0.4、0.6、0.8、1.0。

以包纏捻度800捻/m、外內捻度比1.0、氨綸預牽伸倍數4.0倍為工藝條件紡制包覆紗。采用數字式顯微鏡對包覆紗形貌進行觀察，如圖3所示。從圖中可以看出，包覆紗外側被棉股線均勻包覆，未見不銹鋼絲和氨綸組分，說明包覆效果良好。通過對包覆紗進行手工解捻，可清晰看出，第二外包覆層棉紗為股線形態，第一外包覆層不銹鋼絲均勻螺旋卷繞在氨綸芯絲表面。

圖3 包覆紗的成紗結構及外貌特征

進一步直觀考察所紡包覆紗的可拉伸性，如圖4所示。

圖4 包覆紗的表觀可拉伸性及不同拉伸狀態下微觀形貌

由圖4可知，包覆紗可由初始2.0 cm拉伸至7.9 cm，伸長率約300%，說明其具有高度可拉伸性。初始狀態下包覆紗呈三維螺旋彈簧狀，紗線整體結構緊密。伴隨著拉伸進行，紗體逐漸被拉伸，明顯看到第二外包覆層螺距不斷增大至幾近消失，紗線表觀直徑亦逐漸變小。此外，經循環拉伸25次后，紗線僅產生很小程度的蠕變。間接說明包覆紗具有穩定的拉伸回彈特性。

1.3 測試與表征

為綜合評判成紗質量，測試不同工藝參數下包覆紗的強伸性和回彈性。所有測試均在標準大氣 壓 下 執 行［溫 度（20±2）℃，相 對 濕 度（65±3）%］。

強伸性能測試：參照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定（CRE法）》和FZ/T 12010—2011《棉氨綸包芯本色紗》相關規定執行。采用YG（B）021DL型電子單紗強力儀，隔距50 mm，拉伸速度500 mm/min，預加張力0.5 cN/tex，測試10次取平均值。

回彈性能測試：采用定重法測試包覆紗的彈性伸長率和彈性回復率［21］，測試原理如圖5所示。選取包覆紗平均斷裂強力的50%作為負載載荷，在預加張力作用下截取初始紗長25 cm，標記為OA，在紗線上逐漸施加載荷，持續60 s后記錄紗長OB，然后卸載載荷，停置120 s后記錄紗長OC。測試10次取平均值。

圖5 包覆紗回彈性能測試原理圖

導電性測試：將包覆紗水平放置在絕緣臺面上，用鑷子去除紗體表面棉纖維而露出不銹鋼絲，再將其用導電銅膠帶包裹。用DAQ6510型吉時利數字式萬用表測試紗線電阻。

電加熱測試：將4 cm初始長度包覆紗兩端剝離露出不銹鋼絲，用導電膠帶包裹紗體兩端與可調控直流電源連接。調節不同外電壓，利用FLIR E5XT型紅外熱成像儀每隔5 s獲取紗線表面溫度，繪制溫度-時間曲線。亦對不同拉伸應變下包覆紗表面溫度進行監測。

2 結果與分析

2.1 不同包纏捻度對包覆紗強伸性能的影響

在保持外內捻度比1.0、氨綸預牽伸4.0倍的條件下，不同包纏捻度下包覆紗結構如圖6所示。包纏捻度對包覆紗強伸性能的影響如圖7所示。

圖6 不同包纏捻度下包覆紗成紗結構示意圖

由圖7可知，包纏捻度對紗線強伸性能影響顯著。在設定范圍內，包覆紗斷裂強力隨著捻度增加而增加，捻度1 200捻/m時達到極值。繼續增大捻度，強力反而有所下降。主要原因為：一方面，加捻使包覆紗產生致密堆砌效應。紗線外包覆層對芯紗的螺旋狀纏繞，形成對芯紗的有效徑向向心壓力。隨著拉伸的進行，包覆紗的外層向內層逐步擠壓，向心壓力作用更為有效，使得包覆紗整體結構更為緊密，使其受拉伸時不易發生斷裂，顯著改善紗線的強伸性能；另一方面，當包纏捻度超過1 200捻/m后，隨著包纏捻度的增加，包覆紗表層螺旋捻回角顯著增大，外包覆層強力在包覆紗整體軸向上的分力減小，對包覆紗斷裂強力的實際貢獻率降低，從而造成強力下降。

在設定范圍內，包覆紗斷裂伸長率隨著捻度增加而逐漸降低，尤其當捻度超過1 200捻/m后斷裂伸長率產生驟降。在不考慮非同時斷裂性時，包纏對包覆紗斷裂伸長的影響主要源于包纏作用的致密效應，緊密包纏有利于包覆紗斷裂伸長率的增加。但由于本試驗中氨綸預牽伸倍數較高（4.0倍），包纏捻度對包覆紗的斷裂伸長率起消極負面影響。隨著包纏捻度的增加，包覆紗受拉時各組分紗體非同時斷裂概率減少，從400捻/m的100%非同時斷裂百分比轉變為1 600 捻/m的0非同時斷裂百分比。此外，較高包纏捻度會對包覆紗中各組分紗體的相對運動產生一定的束縛，因此，斷裂伸長率隨著包纏捻度增大逐漸降低。

不同包纏捻度下包覆紗典型的強伸性能曲線如圖8所示。

圖8 不同包纏捻度下包覆紗典型的強伸性能曲線

由圖8可知，不同包纏捻度下包覆紗拉伸曲線呈現“初始下凹-隨后上凸”的非線性力學性質，并且不同包纏捻度下包覆紗的起始曲線均較為平緩，說明其在低應力下具有較大的可形變特征。需要指出的是，此處僅給出不同包纏捻度下所紡包覆紗的代表性強伸性能曲線圖。包纏捻度對包覆紗回彈性能的影響如圖9所示。

圖9 包纏捻度下對包覆紗回彈性能的影響

由圖9可知，包纏捻度對包覆紗的彈性伸長率和彈性回復率均有顯著影響。隨著包纏捻度的增加，彈性伸長率呈先上升后下降的趨勢，而彈性回復率則呈逐步下降的趨勢。究其原因可能是：當包纏捻度較低（如400捻/m）時，包覆紗各組分紗體間的抱合力和摩擦力等相對較小，包覆紗各紗體在拉伸過程中相對運動較為容易，當外力去除后可恢復至初始狀態；包纏捻度過高則使包覆紗堆砌過于密實，一定程度上對包覆紗各紗體的相對運動產生“束縛”，造成高捻狀態下包覆紗的彈性伸長率和彈性回復率降低。因此，隨著包纏捻度的增加，包覆紗整體回彈性能呈逐漸惡化的趨勢。與400捻/m相比，800捻/m包覆紗的彈性伸長率反有所增加這一現象，可能原因為：包纏捻度為400捻/m時包覆紗外側紗體螺旋包纏長度相對較短，受拉時包覆紗受外側包纏層紗體的影響而導致彈性伸長相對較少。綜上，包纏捻度對包覆紗回彈性能的影響是外側螺旋長度和組分紗體“限位”兩方面對立統一的結果。此外，包覆紗在經受10次循環測試后的彈性回復率變化較小，說明包覆紗具有較好的回彈力學魯棒性。

2.2 不同外內捻度比對包覆紗強伸性能的影響

不同外內捻度比下包覆紗結構如圖10所示。

圖10 不同外內捻度比下包覆紗成紗結構示意圖

由圖10可知，本研究保持第一外包覆層不銹鋼絲包纏捻度（1 200捻/m）恒定不變，通過改變第二外包覆層棉股線的捻度來獲取不同外內捻度比。外內捻度比對包覆紗強伸性能的影響如圖11所示。

圖11 外內捻度比對包覆紗強伸性能指標的影響

由圖11可知，外內捻度比對包覆紗斷裂強力影響顯著，對斷裂伸長率影響相對較小。在試驗范圍內，包覆紗斷裂強力隨著外內捻度比的增加而增加，當外內捻度比1.0時，包覆紗斷裂強力最大達到1 565.5 cN。結合圖9可知，當包纏捻度超過1 200捻/m時，包覆紗的斷裂強力反下降，故在探討外內捻度比影響時，包纏捻度恒定1 200捻/m，無需考慮過捻造成包覆紗的軸向有效分力減小這一因素。增加包纏捻度可顯著增強包覆紗各組分間的抱合力和摩擦力，且外包覆層可對芯紗形成有效的徑向向心壓力。致使包覆紗受拉時不易發生斷裂，改善紗線強力。在設定捻度范圍內，隨著外內捻度比從0.4增加至1.0時，包覆紗斷裂伸長率由原先的432.8%下降至417.2%。

不同外內捻度比下包覆紗典型的強伸性能曲線如圖12所示?？梢钥闯?，不同外內捻度比下包覆紗拉伸曲線呈現“初始下凹-隨后上凸”的非線性力學性質。隨著外內捻度比的增加，強伸性能曲線發生多峰向單一峰的轉變。此外，隨著外內捻度比的增加，包覆紗受拉時各組分發生非同時斷裂概率從100%降低至0。

圖12 不同外內捻度比下包覆紗典型的強伸性能曲線

圖13為不同外內捻度比下包覆紗彈性伸長率和彈性回復率測試結果。

圖13 外內捻度比下對包覆紗回彈性能指標的影響

由圖13可知，外內捻度比對包覆紗的彈性伸長率和彈性回復率均具有顯著影響。隨著外內捻度比的增加，包覆紗的彈性伸長率和彈性回復率均呈現先上升后下降的趨勢。鑒于此處僅增加棉股線包纏捻度來達到增加外內捻度比的效果，故分析產生上述變化的原因與包纏捻度具有類似的解釋，此處不再贅述。此外，包覆紗在經受10次循環測試后的彈性回復率變化幅度較小，說明包覆紗具有較好的回彈力學魯棒性。

2.3 基于主成分分析法的包覆紗工藝參數優化

主成分分析可有效將原始數據之間的冗余信息剔除，從而更合理有效地對包覆紗成紗質量進行綜合評判。外內捻度比1.0時，不同包纏捻度對包覆紗的強伸性能和回彈性能的影響如表1所示。

表1 不同包纏捻度下包覆紗主要指標測試結果

基于主成分分析，對不同包纏捻度下包覆紗的測試指標進行標準化處理（標記為S）。

基于MATLAB數學工具，計算相關系數矩陣R：

矩陣R中的數值代表變量間的相互關聯程度，絕對值越大，則相關性越強?？梢钥闯?，各指標間存在大量的信息重疊現象，由此，對其進行主成分分析有助于冗余信息的剔除。

由相關系數矩陣R計算的特征值、貢獻率和累計貢獻率如表2所示。

表2 相關系數矩陣特征提取分析

一般來說，提取主成分累積貢獻率需達85%以上。表2中前2個主成分的累計貢獻率已達95.25%，為此使用前2個主成分表征紗線的綜合品質。前2個主成分的特征向量α分別為：

從而得到前2個主成分的表達式分別為：

通過Y1、Y2得到前2個主成分的綜合得分表達式為：

將標準化矩陣S代入式（1）和式（2），得到第一主成分得分Y1和第一主成分得分Y2，然后將Y1、Y2代入式（3）得到綜合得分Y，如表3所示。由表可知，在設定范圍內，當包纏捻度為800捻/m時，包覆紗的綜合質量較優。

表3 包纏捻度工藝參數主成分綜合得分統計

采用相同的數學算法，基于主成分分析優化不同外內捻度比下包覆紗試驗結果，得知：在試驗設定范圍內，當外內捻度比為1.0時，包覆紗的綜合質量較優。

綜上，在試驗設定條件范圍內，基于主成分分析得出較優紡紗工藝參數為：包纏捻度800捻/m、外內捻度比1.0。

2.4 較優工藝參數所紡包覆紗的應用演示

2.4.1 包覆紗作為柔性可拉伸導線的應用

將較優工藝參數所紡包覆紗（包纏捻度800捻/m、外內捻度比1.0、氨綸預牽伸4.0倍）作為柔性可拉伸導線連接到一個簡易電路中，如圖14所示。通過絲桿導軌裝置精準調控包覆紗拉伸程度，直觀觀察拉伸條件下電路中LED燈是否正常工作及其燈光強度。得知，包覆紗在100%拉伸應變下仍能作為導線使LED燈正常工作。與初始態相比，燈光強度未發生明顯變化。因此，包覆紗作為柔性可拉伸導線具有很好的實用性和可靠性。

圖14 包覆紗點亮LED燈泡

2.4.2 包覆紗作為柔彈電加熱器件的應用

探究包覆紗在柔彈電加熱器件領域的應用。如圖15所示，包覆紗在一個“拉伸-釋放”循環過程中的相對電阻變化較?。ㄗ畲蠹s為10%），表明其具有良好的電阻回復能力和穩健的導電特性。

圖15 包覆紗在拉伸釋放循環作用下的相對電阻變化

截取初始長度4 cm包覆紗，探究不同電壓下紗體溫度與通電時間的變化關系，如圖16所示。

圖16 不同電壓條件下包覆紗表面溫度變化趨勢

結果表明，電壓不變的情況下，隨著時間延長，包覆紗表面溫度先升高后降低。而隨著電壓的增大，包覆紗表面溫度明顯升高。因此，包覆紗溫度與外電壓大小正相關，改變電壓大小即可對紗體溫度實施有效調控。紗線在不同電壓下均能較快地達到表面飽和溫度（<20 s）。

此外，在外電壓為6 V的條件下，探討包覆紗在不同拉伸應變下的溫度變化，如圖17所示。由圖17可知，伴隨著拉伸的進行，紗體溫度逐漸下降；而在釋放過程中，紗體溫度則實現可逆性回升。

圖17 包覆紗在不同拉伸狀態下的表面溫度分布

3 結論

本研究以氨綸、不銹鋼絲、棉股線為原材料，紡制了兼具回彈性和導電性的雙向包覆紗。研究表明，所紡包覆紗具有高度可拉伸性（≈300%）和循環使用耐久性。包覆紗強伸性、回彈性等均與捻度配置（包纏捻度、外內捻度比）密切相關。隨著包纏捻度和外內捻度比的增加，包覆紗的拉伸斷裂模式發生從不同時斷裂（多峰形態）向同時斷裂（單峰形態）的明顯轉變。整體而言，捻度配置與包覆紗回彈性指標負相關。主成分分析可較為全面地評判成紗品質。當包纏捻度800捻/m、外內捻度比1.0時，包覆紗綜合質量較優。此外，所紡包覆紗具有出色的應變不敏感行為（在300%拉伸應變下的電阻變化滯后?。?、未拉伸和拉伸態下優良的電熱性能，可為開發新型智能可穿戴紡織品提供一定的理論和實踐依據。