金屬纖維及其混紡紗線直徑系數(shù)的計(jì)算及測試

趙領(lǐng)航 蔡普寧 賈哲昆 張 元 李建利

(陜西省紡織科學(xué)研究所，西安，710038)

金屬纖維具有優(yōu)良的導(dǎo)熱、耐高溫、耐磨及強(qiáng)度高等特性。目前已開發(fā)出金屬纖維枕式密封帶、除塵袋、熱工件輸送帶、阻隔熱簾、耐溫緩沖墊等紡織品;同時(shí)采用金屬纖維與其他纖維混紡開發(fā)了電磁屏蔽服、防靜電服、孕婦防護(hù)服及防護(hù)罩等功能性紡織品［1-2］。但由于金屬纖維的密度與傳統(tǒng)紡織纖維的密度差異較大，且有關(guān)金屬纖維及其混紡紗線直徑系數(shù)的研究鮮見，給紡織設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。為了給金屬纖維在機(jī)織物中的應(yīng)用提供技術(shù)參考，本文就金屬纖維及其混紡紗線直徑系數(shù)的計(jì)算及測試進(jìn)行研究。

1 金屬纖維的特點(diǎn)

金屬纖維的生產(chǎn)方法主要有單絲拉拔法、切削法、拉拔法、熔抽法四種。紡織用金屬纖維大多采用金屬線材經(jīng)多次拉拔工藝制成，纖維一般呈長絲條狀，單絲直徑一般為8～24 μm，長度在數(shù)十米到百米之間，制成的金屬纖維長絲束可根據(jù)單絲根數(shù)的不同分成不同規(guī)格，一般采用單絲直徑加單絲根數(shù)的方式來標(biāo)識，如 8 μm 2 000 芯、12 μm 1 000 芯等。金屬纖維在與紡織短纖混紡時(shí)，要對金屬纖維束進(jìn)行牽切，使其長度與混紡纖維長度相適應(yīng)，以保證紡紗工序的順利進(jìn)行。常見金屬纖維和常規(guī)紡織纖維密度見表1，由表1可以看出，金屬纖維的密度比常規(guī)紡織纖維大6～7倍［3］。雖然金屬纖維具有表面粗糙、摩擦因數(shù)大、剛性強(qiáng)、韌性差、無卷曲、彈性差等特性，嚴(yán)重影響紡紗、織造工序的順利進(jìn)行［4-6］，但其優(yōu)良的耐高溫性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性等，使其在電磁屏蔽、高溫?zé)煔膺^濾、隔熱等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

表1 常見金屬纖維和常規(guī)紡織纖維密度

2 金屬纖維及其混紡紗線直徑系數(shù)測試的意義

織物的幾何結(jié)構(gòu)是織物性能風(fēng)格的基礎(chǔ)，紗線屈曲程度與經(jīng)緯紗密度的配合則由紗線直徑?jīng)Q定。在紡紗工序中，紗線直徑?jīng)Q定清紗工藝參數(shù)，而在織造工序中，紗線的直徑更是進(jìn)行機(jī)織物、針織物設(shè)計(jì)和確定編織工藝的重要依據(jù)之一［7］。金屬纖維及其混紡紗線作為特種紗線在紡織產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越多，但有關(guān)它的直徑系數(shù)還未有準(zhǔn)確的數(shù)值，這影響了金屬纖維及其混紡紗線在后續(xù)紡織加工過程中的生產(chǎn)工藝制訂、織物緊度計(jì)算及織物風(fēng)格預(yù)測。因此，計(jì)算和測試金屬纖維及其混紡紗線的直徑系數(shù)十分必要，它將為技術(shù)人員設(shè)計(jì)工藝參數(shù)提供重要依據(jù)。

3 紗線直徑系數(shù)的推導(dǎo)

3.1 紗線直徑的測試方法

紗線直徑的測量主要有顯微鏡法和投影儀法兩種。顯微鏡法是依據(jù)紗線線密度選擇合適的顯微鏡放大倍數(shù)，并對紗線施加適當(dāng)?shù)膹埩⑵渚鶆蛘R地排列在載玻片上，移動(dòng)載玻片測量紗線直徑在目鏡顯微尺上的讀數(shù)，再根據(jù)物鏡和目鏡顯微尺關(guān)系式計(jì)算出紗線直徑。

投影儀法是將紗線試樣一端夾持在投影儀載物臺上的夾持器上，另一端施加適當(dāng)?shù)膹埩ΓD(zhuǎn)動(dòng)投影屏，將試樣的一側(cè)邊緣與投影屏上的橫線重合，轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺上的游標(biāo)尺，使試樣的另一側(cè)邊緣與投影屏上的橫線重合，游標(biāo)尺上兩次讀數(shù)之差即為試樣的直徑。

3.2 紗線直徑系數(shù)的數(shù)學(xué)建模

根據(jù)各種加捻紗線的外觀情況，發(fā)現(xiàn)其形狀較接近圓柱體。為了更好地進(jìn)行理論推導(dǎo)計(jì)算，假設(shè)紗線為圓柱體，長為L(m)，質(zhì)量為m(g)，截面積為s(mm2)，直徑為d(mm)，紗線密度為δ(g/cm3)，則由此可得紗線密度與直徑的關(guān)系式［8］：

由式(1)可求出紗線直徑：

紗線的粗細(xì)程度即線密度，其定義是1 000 m長的紗線在公定回潮率下的質(zhì)量，稱為紗線的特克斯(tex)。一般棉紗俗稱為號數(shù)，計(jì)算方法如下［7-9］：

式中：Nt——紗線線密度，tex;

m——紗線質(zhì)量，g;

L——紗線長度，m。

由式(2)和式(3)可推導(dǎo)出紗線直徑與紗線線密度的數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中的Φ稱為紗線直徑系數(shù)。

紗線密度主要由所組成紗線的纖維密度和紡紗生產(chǎn)工藝所決定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)有：

式中：γ——紡制紗線所用纖維的密度，g/cm3。

則

由式(8)可知，只要知道所用纖維的密度就可計(jì)算出紗線的直徑系數(shù)。根據(jù)表1中幾種常規(guī)纖維的密度，采用式(8)可計(jì)算出各自純紡紗線的直徑系數(shù)，見表2。與各自常用紗線直徑系數(shù)進(jìn)行對比，可以看出兩者基本一致，說明采用式(8)計(jì)算純紡紗線的直徑系數(shù)是可信的。

表2 幾種常規(guī)純紡紗線的常用直徑系數(shù)與計(jì)算值的對比

4 試樣及測試

本次試驗(yàn)采用鐵鉻鋁長絲紗及短纖紗、不銹鋼長絲紗及短纖紗，以及我單位所紡制的不同配比的不銹鋼混紡紗作為測試試樣，依據(jù)GB/T4743—2009《紡織品 卷裝紗 絞紗法線密度的測定》測定紗線線密度，紗線直徑測試依據(jù) ZB W 04017—1989《紗線直徑測定方法CCD測定儀法》。對金屬纖維純紡紗線分別采用式(6)、式(8)計(jì)算紗線直徑系數(shù)，并測試紗線線密度，結(jié)果見表3;對金屬纖維混紡紗線采用式(6)計(jì)算紗線直徑系數(shù)，并測試紗線線密度，結(jié)果見表4。

表3 金屬纖維純紡紗線測試及計(jì)算結(jié)果

表4 金屬纖維混紡紗線測試及計(jì)算結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3可以看出，在金屬纖維純紡紗線直徑系數(shù)計(jì)算時(shí)，式(6)和式(8)均可應(yīng)用且結(jié)果相近，這為金屬純紡紗線直徑系數(shù)的計(jì)算提供了不同路徑，如在只知道纖維密度時(shí)，可直接采用式(8)計(jì)算;如不知道纖維密度，或紗線是幾種纖維混紡制得的，則可通過測量紗線直徑及線密度采用式(6)計(jì)算紗線直徑系數(shù)。由表3可知，鐵鉻鋁純紡紗線的直徑系數(shù)為0.017 0～0.017 1，不銹鋼純紡紗線的直徑系數(shù)為0.016 5～0.016 7。為了計(jì)算方便，我們可以將密度為7.3～8.0 g/cm3的金屬纖維紗線的直徑系數(shù)均取值0.017。

通過計(jì)算不同配比金屬纖維混紡紗線的直徑系數(shù)(見表4)，可以確定常用混紡比的金屬纖維紗線的直徑系數(shù)范圍，這可為生產(chǎn)工藝計(jì)算提供幫助。由表4可知，隨著紗線中金屬纖維含量的增加，紗線直徑系數(shù)逐漸減小，當(dāng)金屬纖維含量為0～30%時(shí)，直徑系數(shù)變化較慢;而當(dāng)含量為40%～100%時(shí)，直徑系數(shù)變化較快。這主要是由于金屬纖維和普通紡織纖維的密度差異較大，當(dāng)金屬纖維含量為0～30%時(shí)，普通紡織纖維占主體，對紗線直徑系數(shù)的影響較小;而當(dāng)金屬纖維含量為40%～100%時(shí)，金屬纖維占主導(dǎo)地位，對紗線直徑系數(shù)的影響較大。

6 結(jié)語

(2)對比不銹鋼、鐵鉻鋁純紡紗線的直徑系數(shù)，當(dāng)纖維密度為7.3～8.0 g/cm3時(shí)，金屬纖維純紡紗線的直徑系數(shù)可取值0.017。

(3)金屬纖維混紡紗線的直徑系數(shù)與金屬纖維的含量基本呈線性關(guān)系，當(dāng)金屬纖維含量為40%～100%時(shí)，金屬纖維占主導(dǎo)地位，對紗線直徑系數(shù)的影響較大。

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