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1、不銹鋼短纖研製複合功能性毛羽紗之技術 The Technology of Functional Hairiness Ply Yarn Produced with Stainless Steel Roving NSC 91-2216-E-035-016- 雷澄環 逢甲大學纖維與複合材料學系 一、 中文摘要一、 中文摘要 由於電子、電機等高科技產業快速發達,伴隨而來許 多嚴重的環境問題,如靜電危害與電磁波干擾等,不但造 成許多工業災害,也影響了人們的身心健康與生活品質。 為了解決這些問題,我們計畫以創新的紡紗法紡製導電性 複合紗,並將其製成具電磁遮蔽效果的織物。本研究擬於 環錠精紡機上加裝一組自行
2、研發設計之開纖電極器,利用 新式的靜電開纖紡紗機構紡製不銹鋼多毛羽複合紗,再將 此複合紗線以劍桅式織機織成功能性不銹鋼複合織物,最 後分別測試織物的機械性質、電氣性質以及電磁波遮蔽效 率,以藉此評估其用途與應用性。本研究的製程具創新性, 由於是利用靜電力來開散人造長絲,並將開散的長絲與不 銹鋼短纖粗紗均勻混紡,因此其開纖效果與混紡均勻性的 控制,具有很高的技術指標。而所生產的不銹鋼多毛羽複 合紗及其織物,由於其表面毛羽的不規則分布,使入射的 電磁波產生多方向性的反射與繞射,進而使入射波的能量 互相抵消,再加上空氣與織物間的交界阻抗不同所產生的 衰減,預期將有良好的遮蔽效果。研究結果顯示,不銹鋼
3、 多毛羽複合紗確實可由我們自行組裝之靜電開纖機構紡製 出來,然而其混紡均勻度仍有改善與修正的空間。由強伸 度試驗機測試複合紗之拉伸性質,可得其最大斷裂強度為 4.5 cN/tex,最大斷裂伸度為 14.9 %。值得注意的是,雖然 最大斷裂強度的變異係數為 3.5 %,然而最大斷裂伸度的變 異係數卻高達 70 %,這也顯示複合紗之均勻性仍未十分完 善,可作為未來機台修正或製程參數設定上之參考指標。 關鍵詞關鍵詞:紡紗,不銹鋼多毛羽複合紗,開纖電極器,環錠 精紡機 ABSTRACT With the growth of the high-tech industries, such as the e
4、lectronics and the electrical machinery industry, there are many serious problems around our environment, for instance, the electrostatic and the electromagnetic interference. It not only causes a lot of industrial disaster, but also influences the quality of life and the health of our human beings.
5、 In order to solve these problems, we are planning to use an innovative spinning method to produce the conductive hairiness ply yarn. Then, we will weave them into fabrics which can shield the electromagnetic wave. In this research, we plan to add a spreading electrode on the ring spinning frame, an
6、d spin the stainless steel hairiness ply yarn with this new mechanism. Then, we will weave them into functional fabrics with the rapier loom. Finally, we will evaluate the uses and applications by measuring the mechanical properties, electrical properties and the efficiency of the electromagnetic sh
7、ielding. Our plan will be enormous, including the spinning engineering, weaving engineering and the evaluation of the effect. Therefore, we plan to accomplish this project in three years. In the first year, the spreading electrode has been designed and assembled on the ring spinning frame. In the se
8、cond year, we will produce our samples with this new spinning mechanism, and measure their basic mechanical properties. Some of the ply yarn will also be woven after our measuring. The weaving process will be finished in the last year. Eventually, we will measure the relative physical properties to
9、estimate their effect. Key words:spinning, stainless steel hairiness ply yarn, spreading electrode, ring spinning frame 二、 研究目的二、 研究目的 為減少導電性複合材料之製造成本,增加其導電性、 導磁性、機械與化學性質,紡織物補強導電性複合材料已 成為重要的研究主題。本研究擬以不同種類的長絲,利用 靜電開纖的原理將長絲纖維束分散後,再利用環錠精紡機 使之與不銹鋼粗紗混紡,最後將此複合紗經摩擦輪摩擦 後,製成多毛羽複合紗。再運用手動橫編織機或劍桅式織 機織製成不同結構組織的針
10、織物或梭織物。 在電磁波遮蔽(Electro-magnetic Shielding)原理中, 電磁波遇到物體會產生反射、吸收及多重反射三種損耗。 所以要達到遮蔽的效果,必須同時從材料與遮蔽物的結構 著手。本研究計畫所採用之不銹鋼纖維為導電材料,以多 毛羽複合紗的型態作為遮蔽物的主要結構,使織物的表面 佈滿不規則排列的不銹鋼毛羽,如此不但能大幅增加電磁 波能量的損失,亦能防止靜電荷的聚集;而混紡的方式, 更可以有效控制不銹鋼纖維成分的比例與分佈密度的均勻 性。 本研究擬以上述新式的方法,並與各種人造纖維進行 混紡,研發出品質更佳的導電性複合織物,進而對其抗靜 電與電磁波遮蔽效果作深入的研究與探討
11、,以期能得到高 效率、低成本、易回收分解、富撓曲性及適合第二次加工 之多用途的導電性複合材料。 三、 研究內容三、 研究內容 4.1 實驗原料 在不銹鋼短纖粗紗中,不銹鋼纖維的直徑為 8m,長 度為 51 mm,線性密度為 2 g/m,相當於 2000 tex,或 222D。 聚酯複絲的規格為 160 D/64 f。 4.2 複合紗之拉伸試驗 參照 CNS-11263 使用紗線強伸度試驗機(西德製 Textechno Statimate)對不銹鋼毛羽複合紗進行最大斷裂強 度(cN/tex)與最大斷裂伸度(%)之測試。試驗機之測試 條件設定如下: a. 夾頭隔距:250 mm b. 夾頭拉伸速度
12、:300 mm/min c. 預荷重:0.5 cN/tex d. 測試樣本數:20 個 4.2 靜電開纖之紡紗機構 圖 1 是本研究的機台機構圖,當長絲經開纖電極裝置 時,由於受到高壓電所形成電場之作用而帶同性電荷,根 據同性電相斥之原理,使長絲中原本集束的纖維會受靜電 力作用而彼此互相排斥,分開成鬆散的單纖,並於前羅拉 正後方喂入,與不銹鋼纖維束均勻混合。而不銹鋼粗紗在 經過後羅拉與中羅拉牽伸後,會與單纖狀的長絲混紡,再 經前羅拉牽伸後,成為複合紗,然後由前羅拉輸出,進入 加撚機構。 在加撚的過程中,由於楊氏模數與比重的不同,使得 不銹鋼纖維所受的離心力大於長絲所受的離心力,再加上 長絲撚迴
13、時會有收束的效果,所以在複合紗的表面會產生 不銹鋼毛羽,最後再由錠子捲繞成管紗。 在複合紗的製造過程中,我們擬於前羅拉與導紗鉤之 間加入摩擦輪,藉由摩擦輪的摩擦作用,來增加複合紗上 不銹鋼毛羽的數量,並藉此討論摩擦輪的作用,對複合紗 的機械性質、導電性質、遮蔽效果與毛羽數量之影響。 四、 結果與討論四、 結果與討論 圖 2 為聚酯長絲被開纖電極器開散之情形,由圖中可觀 察到部分的聚酯長絲受靜電力的作用而被開散,但大多數的 聚酯長絲仍集束於中央,開散情形並不是十分良好。這是因 為聚酯長絲上抗靜電油劑的作用,導致靜電荷不易聚積於聚 酯長絲上,因而減弱了開纖電極器開散纖維的能力。 由本研究所研製之不
14、銹鋼複合毛羽紗的外觀如圖 3 所 示,由圖可知本研究所開發之靜電開纖紡紗機構可確實紡製 出不銹鋼毛羽複合紗,由圖中亦可觀察出除了不銹鋼毛羽 外,亦有部份聚酯纖維毛羽產生。由於受到開纖電極器開散 的聚酯長絲,在加撚包繞的過程中來不及收束,再加上複合 紗與精紡機上的鋼絲圈高速摩擦,因此造成部分聚酯毛羽產 生。另外,由強伸度試驗機測試複合紗之拉伸性質,可得其 最大斷裂強度為 4.5 cN/tex,最大斷裂伸度為 14.9 %。值得注 意的是,雖然最大斷裂強度的變異係數為 3.5 %,然而最大斷 裂伸度的變異係數卻高達 70 %,這顯示複合紗之均勻性仍未 十分完善,可作為未來機台修正或製程參數設定上之
15、參考指 標。 在整個研究製程中,我們發現以下的關鍵技術特點: 1. 靜電量對芯紗的賦予靜電,如能克服芯紗在抽絲時的去 除抗靜電油劑的量,將可有效減少集束的現象,並可有 效增加開纖電極器對芯紗的開纖效果。但開纖電極器賦 予芯紗的靜電量,將隨著芯紗線性密度的增加與其複絲 根數的增加而必須相對增加靜電量的給予,如此才能有 效控制靜電對芯紗的開纖效果。 2. 在研究製程中我們明顯發現,環錠精紡機撚度的設定, 實驗中我們目前設定每公分有 15 個撚 ,整個不銹鋼粗紗 在芯紗受靜電開纖的同時,成紗可以獲得不錯的不銹鋼 毛羽複合紗的特徵表觀,但當撚係數降低時,即成紗的 每公分所加的撚數降低時,即使可有效的提
16、升成紗的毛 羽數,但毛羽紗的斷紗率卻明顯的提升,而當將撚係數 提高時,即成紗的每公分的撚數提高時,我們可明顯發 現,不銹鋼毛羽複合紗的毛羽明顯下降,但毛羽紗的機 械性質卻明顯提高,但其撚係數的增加,不可超過飽和 撚係數 6 7 的範圍。 3. 實驗中,原來摩擦輪的加置對於增加成紗的毛羽量提升 實為有限,因為不銹鋼的表面是光滑而且耐摩擦的緣 故。但反而會相對降低不銹鋼毛羽複合紗的機械性質及 表觀毛羽的自然分佈型態,並破壞了毛羽紗自然光澤的 表徵。 4. 另外我們在研究中得知芯紗的粗細及纖維的根數對芯紗 的強力有明顯比例大小的影響,所以當芯紗的強力太小 而外圍的不銹鋼粗紗延伸後仍太粗時,將會造成不
17、銹鋼 短纖因製程加撚時比重大所造成離心力太大,而會將芯 紗扯斷的技術瓶頸。 5. 不銹鋼毛羽複合紗製程中必須有效控制芯紗及不銹鋼短 纖粗紗強力大小的對比,否則環錠精紡機本身的產能轉 速必須有效控制,不銹鋼短纖粗紗比重大,加撚離心力 太大,造成毛羽紗可紡性降低的顧忌而大幅受限,但相 對的無論減少毛羽紗短纖粗紗的基重或增加芯紗丹尼數 (線性密度) ,皆可能影響毛羽在成紗的表徵及機械性 質,所以本研究的最佳技術製程的變因變化的組合,當 以毛羽的表徵和不銹鋼毛羽複合紗的機械性質要求為主 要考慮的主軸。 五、 計畫成果自評五、 計畫成果自評 本研究確實已按照原預定計畫自行設計組裝開纖電極 器,並將組裝好
18、的開纖電極器架於環錠精紡機上紡製不銹鋼 多毛羽複合紗。雖然於複合紗紡製的過程中遭遇到許多問題 與瓶頸,但經過一再調整紡紗參數的設定並適當修改開纖電 極器的位置後,最後終於可順利紡製出不銹鋼多毛羽複合 紗。本計畫所研製之複合紗,其最大斷裂強度為 4.5 cN/tex, 最大斷裂伸度為 14.9 %。值得注意的是,雖然最大斷裂強度 的變異係數為 3.5 %,然而最大斷裂伸度的變異係數卻高達 70 %,這顯示複合紗之均勻性仍未十分完善,並且開纖電極 器對長絲的開散效果亦不顯著,這將作為未來機台修正或製 程參數設定上之參考指標。 本研究之相關成果在紡織工程上極具學術與應用價 值,不僅可開發新式的混紡技
19、術,並可將所製得之產品應 用於電磁波遮蔽與抗靜電織物上。而此靜電開纖紡紗機 構,除可用於紡製本研究之不銹鋼多毛羽複合紗外,亦適 用於紡製一般長短纖維複合紗,因此有助於業界開發新的 紗種以及其他功能性花式紗的紡製。 六、 參考文獻六、 參考文獻 1. 陳柏宏, 電磁干擾與防止對策 ,文笙書局,1996。 2. 染整顧問服務中心, 使用金屬纖維之屏蔽織物與屏蔽 效果的評估 ,染化雜誌,第 126 期,台北,中華民國, pp.40-45,1995。 3. W. Klein, A Practical Guide to Ring Spinning, Short-Staple Spinning Series, Volume 4, The Textile Institute, pp.2-3, 1987. 4. 吳文演, 高科技紡織品之研發企劃與產品設計 ,台 灣區絲織工業同業公會,台北市,1999。 5. 葉中雄、曾衍彰、蔡文發, 電磁干擾與防護 ,徐式 基金會出版,1988。 圖 1 靜電開纖之紡紗機構圖 圖 2 聚酯長絲被開纖電極器開散之情形 圖 3 不銹鋼毛羽複合紗之外觀 2
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