自捻紗的拉伸力學性能

崔 紅， 高秀麗， 張 偉， 呂立斌

(1. 鹽城工學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224000； 2. 河南工程學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007)

自捻紗的拉伸力學性能

崔 紅1， 高秀麗2， 張 偉1， 呂立斌1

(1. 鹽城工學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224000； 2. 河南工程學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007)

針對自捻紗斷裂強力和斷裂伸長率較低的問題，通過對同種原料自捻紡紗線和環(huán)錠紡紗線的拉伸力學性能進行對比，討論了適合自捻紡紗的纖維和必須經(jīng)過復合才能進行自捻紡紗的纖維以及對纖維配比的要求。與環(huán)錠紡紗線相比，羊毛、腈綸、滌綸自捻紗的斷裂強力依次降低81.25%、49.33%、31.39%。滌綸、腈綸等纖維能直接采用自捻紡加工方式，而羊毛和苧麻不能直接采用自捻紡紗，必須和其他原料復合自捻。分別對毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸雙組分復合自捻紗進行拉伸力學性能分析，結(jié)果表明，要使紗線拉伸性能符合要求，2種原料的組分中滌綸纖維含量需滿足：毛/滌綸紗中占60%以上，麻/滌綸紗中占71%以上，但腈綸/滌綸紗的纖維配比不受限制。

自捻紗； 結(jié)構(gòu)特征； 斷裂強力； 斷裂伸長率； 纖維配比

紗線的拉伸性能是紗線主要質(zhì)量指標之一，不僅會影響紗線的使用和產(chǎn)品的風格，而且會對紡織加工工藝以及生產(chǎn)效率有很大的影響[1]。目前對傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗中的純紡紗拉伸性能的研究較少，而集中于2種組分或3種組分復合或混紡紗拉伸性能的研究較多[2]。文獻[3]不僅對雙組分混紡紗的理論強力[4]進行了預測，而且對雙組分混紡紗的伸長率和組分纖維本身的伸長性能、混紡比之間的關(guān)系進行了理論研究，得出了重要的關(guān)系式，并進行了實驗驗證。在對雙組分混紡紗理論結(jié)果進行實踐研究中，有對苧麻長纖維與棉的混紡研究[5-6]，還有對棉混紡紗強伸性能的研究[7]。除混紡紗外，通過研究雙組分復合紗的拉伸性能,不僅建立了雙組分復合紗力學模型[8]，而且建立了三組分復合紗力學模型[9]，研究了轉(zhuǎn)杯復合紗的拉伸性能[10]?；旒徎蛘邚秃霞徏唽嵸|(zhì)上都是從纖維性能優(yōu)勢互補的角度出發(fā)，獲得具有良好紗線性能的途徑。

由于自捻紗的結(jié)構(gòu)特性，紗線中存在弱捻區(qū)，自捻紗的斷裂強力和伸長率都比較低。本文將從自捻紗與環(huán)錠紗不同的拉伸性能特點入手，通過討論不同組分纖維復合自捻紗的拉伸性能來研究自捻紗的力學性能。

1 實驗方案

采用腈綸、滌綸、羊毛分別紡制50 tex的自捻紗和環(huán)錠紗。苧麻由于纖維長度的關(guān)系只紡制50 tex自捻紗。苧麻、羊毛、腈綸、滌綸的線密度分別為10 000、 6 000、4 000、2 600 tex。纖維的基本物理性能如表1所示。由不同纖維紡制成相同線密度的自捻紗和環(huán)錠紗，其相應的力學性能見表2。環(huán)錠紗的捻度和自捻紗的自捻捻度相同。自捻紗在S300型自捻紡紗機上紡制，環(huán)錠紗在小型細紗機上紡制。表3示出計算出的自捻紗和環(huán)錠紗的纖維強力利用率。分別用不同的纖維與滌綸進行雙組分復合，得到毛/滌綸、腈綸/滌綸和麻/滌綸自捻紗。表4示出雙組分復合自捻紗的纖維比例及力學性能。

表1 不同纖維組分的性能Tab.1 Properties of different fibers

表2 自捻紗與環(huán)錠紗的力學性能對比Tab.2 Comparison in mechanical properties between self-twist yarn and ring spun yarn

表3 自捻紗及相應環(huán)錠紗的強力利用率Tab.3 Strength utilization ratio of self-twist yarn and ring spun yarn

表4 自捻紡復合紗纖維比例及力學性能Tab.4 Fiber ratio and mechanical properties of self-twist composite yarns

注：自捻紗線密度均為50 tex；紡紗速度為200 m/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 自捻紗與環(huán)錠紗的力學性能比較

從表1、2數(shù)據(jù)可知，自捻紗斷裂強力均小于環(huán)錠紗，羊毛、腈綸、滌綸與相同原料相同線密度環(huán)錠紗相比分別降低81.25%、49.33%、31.39%。羊毛纖維自捻紗斷裂強力和環(huán)錠紗相比降低幅度最大，這是由于羊毛纖維長度最短。環(huán)錠紗的強力CV值小于自捻紗，原因是環(huán)錠紗加捻是單向螺旋排列，而自捻紗加捻為Z捻向和S捻向交替加捻，2個加捻區(qū)由于捻向變換存在弱捻區(qū)且存在捻度不勻的情況。由表2可知，自捻紗斷裂伸長率均小于環(huán)錠紗，斷裂伸長率羊毛、腈綸、滌綸與相同原料相同線密度環(huán)錠紗相比分別降低276%、349%、113%。下降幅度很大，且伸長率CV值有較大增加。

根據(jù)表1、2中纖維、自捻紗、環(huán)錠紗的斷裂強力，可計算出紗線的纖維強力利用率I[2]。纖維強力利用率是指紗線斷裂強力與紗線橫截面單纖維強力之和的比值，用百分率來表示，是衡量不同結(jié)構(gòu)紗線中單纖維強力利用程度的指標。紡紗方法不同，所形成的紗線結(jié)構(gòu)不同，則紗線中纖維強力利用率也會不同。I的計算公式為

(1)

式中：Qy為紗線斷裂強力；Qf為纖維斷裂強力；n為紗線截面內(nèi)纖維根數(shù)，等于紗線線密度與纖維線密度的比值。

如表3中所示，自捻紗的I值均低于傳統(tǒng)環(huán)錠紗，環(huán)錠紗的I值一般都達到40%以上，羊毛、腈綸、滌綸自捻紗與環(huán)錠紗相比，強力利用率分別降低了165.6%、80%和31.7%。其中羊毛自捻紗I值下降最多，原因是羊毛平均長度較短和斷裂強力較低。幾種自捻紗的強力利用率中較大的為滌綸自捻紗和腈綸自捻紗，分別達到了32.5%和24%，較小的為羊毛自捻紗和苧麻自捻紗，僅為16.0%和15.4%。

綜上，自捻紗的力學性能明顯低于環(huán)錠紗，加上較低的纖維強力利用率I僅為15%～35%，故自捻紗僅在針織上有所使用。根據(jù)Uster2007公報，線密度為50 tex精梳毛紗的95%水平公報值，斷裂強力≥283 cN，斷裂伸長率≥6.4%。由表2可知，腈綸和滌綸自捻紗斷裂伸長率>6.4%，羊毛和苧麻自捻紗有很低的斷裂伸長率，分別為1.33%、1.85%，故只有腈綸和滌綸適合自捻純紡，羊毛和苧麻僅能和其他纖維復合自捻紡紗。分別選擇毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸復合自捻來研究雙組分復合自捻紗的力學性能。

2.2 雙組分復合自捻紗的力學性能

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)，各組分纖維純紡自捻紗的SA、SB、εA、εB(2種組分的斷裂強力和斷裂伸長率，A為斷裂伸長較小的組分，B為斷裂伸長較大的組分)可由表中數(shù)據(jù)得出。根據(jù)HAMBUREGER[3]的研究結(jié)果，雙組分復合自捻紗的拉伸性能符合其特征，即：S=max{S1，S2}。當雙組分復合自捻紗拉伸到A組分斷裂、伸長到εA時對紗線貢獻一部分強力，據(jù)此強力值可計算毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸雙組分自捻紗的SB′分別為83.11、115.61、408.7 cN，則由HAMBUREGER的公式得到3個品種的臨界復合比bC分別為：

(2)

(3)

(4)

以上所求數(shù)值為紗線強力最低時對應的雙組分復合自捻紗中的滌綸含量。在紡制復合自捻紗時，應避開此比例紡紗。根據(jù)文獻[4]中雙組分混紡紗斷裂伸長率ε的計算公式：

(5)

式中b為B組分的混紡比?？筛鶕?jù)式(2)～(4)所求的臨界復合比和式(5)計算雙組分復合自捻紗的理論伸長值。毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸復合自捻紗斷裂強力實驗點、擬合曲線和理論曲線見圖1。毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸復合自捻紗斷裂伸長率實驗點、擬合曲線和理論曲線見圖2。

圖1 復合紗的斷裂強力實驗點、擬合曲線與理論曲線Fig.1 Test points, theoretical curves and fitting curves of breaking strength of composite yarns.(a)Wool/polyester; (b)Ramie/polyester; (c)Acrylic/polyester

圖2 復合紗的斷裂伸長率實驗點、擬合曲線與理論曲線Fig.2 Test points, theoretical curve and fitting curves of breaking elongation of composite yarn.(a)Wool/ polyester; (b)Ramie/polyester; (c)Acrylic/polyester

根據(jù)復合自捻紗斷裂強力、斷裂伸長率擬合曲線，可獲得其曲線擬合方程和相關(guān)系數(shù)平方。

毛/滌綸復合自捻紗的斷裂強力曲線擬合方程為

Y=117.086 7-2.294 5X+0.078 65X2

相關(guān)系數(shù)平方為0.992 1。其斷裂伸長率曲線擬合方程為

Y=1.226 8+0.002 89X+9.533 3×10-4X2

相關(guān)系數(shù)平方為0.994 1。

麻/滌綸復合自捻紗的斷裂強力曲線擬合方程為

相關(guān)系數(shù)平方為0.941 5。其斷裂伸長率曲線擬合方程為

相關(guān)系數(shù)平方為1.00。

腈綸/滌綸復合自捻紗的斷裂強力曲線擬合方程為

相關(guān)系數(shù)平方為0.985 3。其斷裂伸長率曲線擬合方程為

相關(guān)系數(shù)平方為0.999 9。

由以上結(jié)果可知，復合自捻紗擬合相關(guān)系數(shù)平方最小值為0.941 5，斷裂伸長率擬合相關(guān)系數(shù)平方最小值為0.994 1，而最大值接近1.00，曲線擬合表現(xiàn)出很高的相關(guān)程度。但是理論曲線和實際測試值之間存在較大的差異，這是由于自捻紗本身的結(jié)構(gòu)特征所決定的。自捻紗本身存在2種紗段:有捻紗段和弱捻紗段[11]，在拉伸斷裂過程中，其斷裂主要由弱捻紗段之間纖維的滑移來完成，因此其斷裂強度和斷裂伸長率均比較小。

根據(jù)圖1(a)中毛/滌綸斷裂強力理論曲線，計算當紗線斷裂強力為283 cN時，滌綸含量為43.48%；根據(jù)圖2(a)中毛/滌綸斷裂伸長率理論曲線，計算當紗線斷裂伸長率為6.4%時，滌綸含量為59.98%。綜合以上結(jié)果，當羊毛和滌綸這2種纖維復合自捻時，要使自捻紗的拉伸性能達到后續(xù)加工要求，其復合滌綸含量百分率需達到60%或以上。

根據(jù)圖1(b)中麻/滌綸斷裂強力理論曲線計算，當紗線斷裂強力為283 cN時，滌綸含量為58.34%；根據(jù)圖2(b)中麻/滌綸斷裂伸長率理論曲線計算，當紗線斷裂伸長率為6.4%時，滌綸含量為70.52%。綜合以上結(jié)果，當麻和滌綸進行復合自捻紡紗時，要使自捻紗的拉伸性能達到后續(xù)加工要求，其復合滌綸含量需達到71%或以上。

由圖1(c)和圖2(c)中腈綸/滌綸斷裂強力和斷裂伸長率理論曲線來看，腈綸/滌綸最小斷裂強力為348.01 cN，大于283 cN，腈綸/滌綸斷裂伸長率大于6.4%，因此腈綸和滌綸可自捻純紡或者以任何比例復合自捻。

3 結(jié) 論

自捻紗的斷裂強力和斷裂伸長率都遠遠小于同線密度的環(huán)錠紗。由于滌綸和腈綸具有較長的纖維長度和較高的纖維斷裂強力，故這2種纖維可進行自捻純紡。而苧麻和毛纖維必須通過復合自捻成紗方式才能使所紡紗線達到要求。經(jīng)過對毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸復合自捻紗的力學性能進行分析，要使紗線拉伸性能符合要求，2種原料的組分中滌綸纖維含量需滿足：毛/滌綸中60%以上，麻/滌綸中71%以上，腈綸/滌綸中任何比例均可。

FZXB

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Tensile properties of self-twist yarns

CUI Hong1, GAO Xiuli2， ZHANG Wei1， Lü Libin1

(1.CollegeofTextilesandClothing,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng,Jiangsu224000,China;2.CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou,Henan450007,China)

In view of the problem of lower breaking strength and elongation of self-twist yarns, the fibers and those after being combined with other fibers suitable for self-twist spinning and fiber ratio were discussed, by comparing the breaking properties of self-twist yarns with that of ring spun yarns made by the same fibers. In comparison with the ring spun yarns, breaking strength of wool, polyester, acrylic self-twist yarn decreased by 81.25%, 49.33%, 31.39%, respectively. Polyester and acrylic fibers can be used directly for the self-twist spinning, but wool and ramie can′t be used directly and must be compositely twisted with other fibers. Results of mechanical properties of wool/polyester, ramie/polyester, acrylic/polyester composite self-twist yarn show that polyester fiber percentage should reach 60% or above in wool/polyester composite self-twist yarn to meet the processing requirement of afterward procedure, and for ramie/polyester it should reach 71% or more, with no limit for acrylic/polyester.

self-twist yarn；structural characteristic；breaking strength；breaking elongation；fiber composition

2015-11-10

2016-10-10

江蘇省高校自然科學基金面上項目(15KJB430032)

崔紅(1972—)，女，副教授，博士。主要研究方向為紡紗原理及應用。E-mail:cuih72@163.com。

10.13475/j.fzxb.20151102705

TS 134.7

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