全包覆包芯紗的紡制及工藝研究

王建坤，郭 晶，鄭 幗，張 昊

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

0 前言

包芯紗是一種兼具皮紗和芯紗性能的復(fù)合紗線，廣泛應(yīng)用于機(jī)織和針織面料，織物舒適，易于洗滌，美觀大方，頗受消費者喜愛。開發(fā)一種細(xì)絨棉包覆滌綸長絲的包芯紗，發(fā)揮利用滌綸長絲強(qiáng)力好、硬挺爽滑快干，不易產(chǎn)生褶皺，抗拉伸、撕裂性和抗收縮性的特點，和棉纖維吸濕快干性能，可應(yīng)用于增強(qiáng)帆布領(lǐng)域。但包芯紗短纖維包覆長絲的獨特結(jié)構(gòu)，使包芯紗具有復(fù)合性能的同時，也存在包覆不嚴(yán)、露芯等問題，嚴(yán)重影響包芯紗織物的服用性能，現(xiàn)在仍存在實現(xiàn)包芯紗全包覆的技術(shù)難題。

目前，關(guān)于包芯紗紡制的研究比較少，研究角度分散。楊元從包芯紗包覆效果表征的角度，采用普通生物顯微鏡法、紡紗前染色法、成紗后染色法和視頻變焦顯微鏡測試法，得出視頻變焦顯微鏡法準(zhǔn)確地定量測試包芯紗包覆量，但未對包芯紗包覆效果的影響因素進(jìn)行研究[1]。閆海江對比普通環(huán)錠紡和賽絡(luò)紡的成紗機(jī)理和成紗效果，得出賽絡(luò)紡包芯紗的包覆效果更佳，但未對噴氣渦流紡進(jìn)行比較[2]。楊志清探究如何在棉紡設(shè)備上紡制包芯紗，采用普通環(huán)錠紡紡紗方法，對細(xì)紗機(jī)進(jìn)行改裝，在前羅拉皮輥前加裝導(dǎo)絲輪工藝采取皮紗/芯紗包覆比在60/40 以上，捻系數(shù)在304～333左右紡制出包芯紗。但未對成紗方法和工藝因素對包芯紗包覆效果的具體影響進(jìn)行研究。

對細(xì)紗紡制方法和工藝進(jìn)行實驗探究，采用單因素實驗法對比普通環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡、噴氣渦流紡，得出最佳紡制方法。同樣采用單因素實驗法分別對長絲退繞張力、捻系數(shù)、皮/芯包覆比進(jìn)行單因素研究，分別得出較優(yōu)范圍。然后采取正交實驗法，取三因素三水平，實驗探究各因素對包芯紗包覆效果的影響順序及最佳工藝。實驗通過對紡制出的包芯紗進(jìn)行染色，觀察橫向、縱向截面以及對包芯紗織物進(jìn)行染色，摩擦測試的方法表征包芯紗的包覆效果。

1 實驗部分

1.1 不同紡紗方法紡制包芯紗

1.1.1 包芯紗芯絲選擇

芯紗從芯絲原料種類和芯絲纖度兩方面進(jìn)行選擇。從芯絲原料種類角度選擇，包芯紗的芯紗多采用強(qiáng)力和彈性較好的長絲，如滌綸長絲、氨綸長絲等。滌綸長絲具有較高強(qiáng)力近為棉的 2 倍，在合成纖維中具備優(yōu)良的抗皺、耐磨性，富有彈性近似羊毛，同時具有較佳的耐熱性和熱穩(wěn)定性。從芯絲纖度角度選擇，應(yīng)考慮芯絲的芯度值和單絲的根數(shù)，并針對織物的不同用途和所紡包芯紗的不同細(xì)度進(jìn)行選擇。同纖度的芯絲，單絲越細(xì)，根數(shù)越多，織物表現(xiàn)出柔軟滑爽；反之織物表現(xiàn)剛性挺括的風(fēng)格[3]。在芯絲的光澤度選擇上，分為有光、半消光和消光三種類型，選用有光芯絲可降低生產(chǎn)成本，但包芯紗包覆不嚴(yán)的問題會使有光芯絲裸露感更加明顯，適用于實驗試紡，表征包芯紗包覆效果時容易對比和分析。實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量選用消光和半消光長絲，減少“星光”現(xiàn)象。本文選用 70D 有光滌綸長絲作為包芯紗芯絲。

1.1.2 包芯紗芯外包纖維的選擇

包芯紗的外包纖維多采用棉、毛、粘膠以及錦綸等短纖維。棉纖維具有吸濕快干的特點，以及良好的舒適性。細(xì)紗紡制過程中，應(yīng)盡量選用長度長、支數(shù)高、成熟度好的原棉纖維，但用作爛花織物的包芯紗的外包棉，要求棉結(jié)雜質(zhì)要少。本文選用細(xì)絨棉作為包芯紗的外包纖維，制成 4.5g/10m 純棉粗紗用于細(xì)紗紡制。

1.1.3 紗線規(guī)格設(shè)計

選用 4.5g/10m 純棉粗紗作皮紗，50D 有光滌綸長絲作芯紗，擬采用控制變量法，對普通環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡、渦流紡三種紡紗方法進(jìn)行探究，紡制細(xì)度為 18 支，細(xì)紗工藝參數(shù)相同的包芯紗。然后將紡制出的紗線進(jìn)行染色，用透反射偏光顯微鏡觀察包芯紗縱向，用 TM3030 電子顯微鏡觀察包芯紗橫截面，比較三種紡紗方法成紗包覆效果，從而判定三種紡紗方法的優(yōu)劣，選出最佳紡紗方法，應(yīng)用于后文紡紗工藝因素的探討中。

在包芯紗的工藝設(shè)計中涉及皮紗/芯紗包覆比、外包纖維牽伸倍數(shù)、細(xì)紗號數(shù)等參數(shù)。皮紗/芯紗的包覆比指單位長度包芯紗中皮紗的重量和芯紗重量的比值，這里單位長度取 1000 米包芯紗，皮紗與芯紗細(xì)度之比即為包覆比。滌綸選用 70D，根據(jù)設(shè)定包覆比即可計算出皮紗細(xì)度。在包芯紗紡制過程中，牽伸倍數(shù)指皮紗牽伸倍數(shù)，因為芯紗幾乎不參與牽伸，牽伸倍數(shù)的計算為粗紗細(xì)度與皮紗細(xì)度的比值，但賽絡(luò)紡紡制包芯紗應(yīng)特別注意，計算牽伸倍數(shù)時，由于皮紗由兩根粗紗牽伸而來，因此牽伸倍數(shù)應(yīng)為粗紗細(xì)度的兩倍與皮紗細(xì)度的比值。細(xì)紗工藝中的細(xì)紗號數(shù)指包芯紗號數(shù)，是皮紗細(xì)度與芯紗細(xì)度之和，通過固定細(xì)度的芯絲和包覆比參數(shù)計算得出皮紗號數(shù)，從而得出包芯紗的紡紗號數(shù)即為細(xì)紗號數(shù)。

1.1.4 上機(jī)試紡

在上機(jī)試紡過程中，探討普通環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡和渦流紡紡紗方法對包芯紗的包覆效果應(yīng)注意采用控制變量法，控制細(xì)紗上機(jī)工藝參數(shù)完全一致。

表1 通環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡、渦流紡包芯紗上機(jī)參數(shù)

1.2 工藝參數(shù)對賽絡(luò)紡包芯紗品質(zhì)的影響

1.2.1 長絲退繞張力對包芯紗包覆效果的影響

包芯紗皮紗選用 4.5g/10m 純棉粗紗，芯紗選用 70D 有光滌綸長絲，紡制細(xì)度為 18 支的包芯紗，具體參數(shù)如下表2。

表2 改變張力因素細(xì)紗上機(jī)工藝

1.2.2 捻系數(shù)對包芯紗包覆效果的影響

通過調(diào)節(jié)細(xì)紗機(jī)紡制的工藝設(shè)定，控制捻系數(shù)分別為 250、275、300、325、350、375、400 進(jìn)行細(xì)紗紡制，具體參數(shù)如下表3。

表3 改變捻系數(shù)因素細(xì)紗上機(jī)工藝

1.2.3 外包纖維與芯絲包覆比對包芯紗包覆效果的影響

改變皮紗與芯紗包覆比，由于芯絲細(xì)度固定，根據(jù)不同包覆比可計算出皮紗細(xì)度，皮、芯細(xì)度之和即為上機(jī)試紡的紗線號數(shù)，并且根據(jù)皮紗號數(shù)可以計算出粗紗牽伸倍數(shù)，即通過改變牽伸倍數(shù)改變細(xì)紗號數(shù)，從而控制不同皮/芯包覆比，具體參數(shù)如下表4。

表4 改變包覆比因素細(xì)紗上機(jī)工藝

1.2.4 正交實驗設(shè)計

擬采用正交實驗法，進(jìn)行三因素三水平正交實驗。在單因素探究中，已找到各項單因素的最佳工藝范圍，但各因素間存在互相制約關(guān)系，因此擬采用正交實驗法對長絲退繞張力、捻系數(shù)、棉/滌包覆比對包覆效果的綜合影響進(jìn)行探討。利用正交實驗助手軟件設(shè)計正交實驗表，填入三因素三水平數(shù)據(jù)，選取張力為25cN、30cN、35cN，包覆比為 275、300、325，棉/滌包覆比為 70/30、75/25、80/20制定實驗方案。根據(jù)正交實驗表的工藝參數(shù)進(jìn)行紡紗，將紡制出的紗線進(jìn)行染色，利用透反射偏光顯微鏡觀察包芯紗縱向，用 TM3030 電子顯微鏡觀察包芯紗橫截面，并進(jìn)行單紗摩擦實驗表征包芯紗的抗脫散程度，將 9 組實驗結(jié)果進(jìn)行露芯程度和抗脫散程度兩個角度進(jìn)行評級，包覆效果越好，級別越高，將露芯程度和抗脫散程度的綜合評級結(jié)果輸入正交表進(jìn)行極差分析，得出芯絲退繞張力、捻系數(shù)、棉/滌包覆比對包芯紗包覆效果影響主次順序，得出優(yōu)水平和最優(yōu)參數(shù)組合。最終分析得出最佳、最差包覆效果下的張力、捻系數(shù)、包覆比組合參數(shù)。

在正交實驗中，增加單紗脫散實驗多角度，全方位地表征包芯紗的包覆效果。單紗脫散實驗利用單紗耐磨儀，摩擦50次，觀察包芯紗的露芯情況，若摩擦50次包芯紗已出現(xiàn)露芯，則比較露芯的多少和露芯面積；若摩擦50次還未出現(xiàn)露芯情況的包芯紗，則繼續(xù)進(jìn)行摩擦，記錄剛出現(xiàn)露芯時的摩擦次數(shù)，對9組包芯紗摩擦實驗進(jìn)行評級，抗脫散效果最佳的紗線評為最高級9級，抗脫散效果最差的紗線評為最低級1級。最終將包芯紗的染色表征評級與抗脫散表征評級線性相加即為每組正交實驗的最終結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行極差分析。

表5 改變包覆比因素細(xì)紗上機(jī)工藝

根據(jù)正交實驗列表中的參數(shù)，設(shè)定紡紗上機(jī)工藝參數(shù)，分別進(jìn)行紡制。

表6 正交實驗上機(jī)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 紡紗方法的確定

通過實驗，三種紡紗方法紡制出的包芯紗包覆效果最好的是賽絡(luò)紡，其次是渦流紡，普通環(huán)錠紡效果最不理想，因此后文探究細(xì)紗工藝對包芯紗包覆效果的影響實驗中將采用賽絡(luò)紡紡紗方法。

普通環(huán)錠紡包芯紗的包覆效果較差，染色觀察露芯嚴(yán)重。普通環(huán)錠紡紡制包芯紗存在較大的弊端，難以控制長絲積極退繞,導(dǎo)絲輪跑偏導(dǎo)致中間纖維張力松弛導(dǎo)致纖維間空隙較多，導(dǎo)致無法保證芯絲在前羅拉鉗口處處于外包纖維須條中心，且由于普通環(huán)錠紡中存在內(nèi)外層纖維轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致外包纖維以單纖維的形式呈螺旋線纏繞在芯絲表面從而發(fā)生成紗中芯紗外露的現(xiàn)象[4]。

賽絡(luò)紡包芯紗的包覆效果在三種紡紗方法中最佳，染色觀察露芯最少。賽絡(luò)紡中的外包纖維由兩根粗紗牽伸而成，在牽伸過程中自弱捻聚集,經(jīng)后區(qū)牽伸形成兩條平行順直的須條，雖存在有少量纖維從內(nèi)向外層轉(zhuǎn)移，但由于兩根平行粗紗在喇叭口喂入時存在一定的間距,使纖維轉(zhuǎn)移受到阻礙，從而在卷捻芯絲過程中達(dá)到降低露芯，紗線表面光滑的效果。賽絡(luò)紡包芯紗中兩根棉粗紗牽伸后的纖維的平行伸直度要優(yōu)于普通環(huán)錠牽伸出的單根棉須條中的纖維，因此賽絡(luò)紡包芯紗斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長明顯優(yōu)于普通環(huán)錠紡包芯紗。

渦流紡紡制包芯紗受張力影響較大，導(dǎo)致包芯紗質(zhì)量穩(wěn)定性較差。若張力控制較小芯絲沒有充分伸直則易造成芯絲外露現(xiàn)象，若張力控制較小則易出現(xiàn)回縮打皺現(xiàn)象。渦流紡紡包芯紗需注意選擇合適的紡紗速度、前羅拉鉗口到錠子前端的距離、噴嘴壓力、紡錠直徑和喂入比等工藝參數(shù)。目前采用渦流紡紡制包芯紗技術(shù)仍不是十分成熟。

2.2 工藝參數(shù)對賽絡(luò)紡包芯紗品質(zhì)影響的分析

2.2.1 長絲退繞張力對包芯紗包覆效果影響的分析

包芯紗的包覆效果采用評級法表征，包芯紗露芯越少，包覆效果等級越高，包覆效果越好。通過控制變量法探討長絲退繞張力為15cN、20cN、25cN、30cN、35cN 工藝對包芯紗包覆效果的影響進(jìn)行實驗探討，根據(jù)定性觀察法，將紡制出的紗線染色后進(jìn)行對比和顯微鏡觀察，得出長絲退繞張力在15cN～30cN范圍內(nèi)，隨著張力增大，包覆效果逐漸變好，張力為30cN時包芯紗包覆效果最好，張力大于30cN時包芯紗的包覆效果隨張力的增大逐漸變差。

長絲退繞張力對包芯紗的包覆效果起著關(guān)鍵性作用，張力合理而恒定的控制對改善包芯紗包覆不良和張力不勻十分重要。若張力過小，芯絲在前羅拉鉗口處受到的向心壓力會導(dǎo)致芯絲無法處于紗芯之中，從而產(chǎn)生包覆不嚴(yán)露芯現(xiàn)象[5]；若張力過大，芯絲進(jìn)入前羅拉時會出現(xiàn)卡頓，從而產(chǎn)生短纖維屈曲形成疵點的現(xiàn)象。因此張力穩(wěn)定控制在 30cN 左右，紡制出的包芯紗包覆效果較佳。在后文的控制單因素變量的工藝實驗探討中，將控制長絲退繞張力為 30cN，在正交實驗探討中將選取較優(yōu)張力25cN、30cN、35cN三個水平。

圖1 張力對包芯紗包覆效果的影響

2.2.2 捻系數(shù)對包芯紗包覆效果影響的分析

通過上機(jī)試紡，并對紗線進(jìn)行染色和顯微鏡觀察得出，在捻系數(shù)為 250～400 范圍內(nèi)，包芯紗的抗剝離性能隨捻系數(shù)的增大而增強(qiáng)，但露芯程度隨捻系數(shù)的增大露芯增多，包覆效果變差。捻系數(shù)為 250 時，包芯紗的包覆效果最佳，但由于捻系數(shù)越小紗線強(qiáng)力越小，綜合考慮捻系數(shù)對紗線強(qiáng)力的影響，捻系數(shù)取 300 較佳，用于后文控制變量單因素工藝實驗探討，在正交實驗中將選取較優(yōu)捻系數(shù) 275、300、325 三個水平。

捻系數(shù)對包芯紗包覆效果的影響主要由于：在鋼絲圈攜帶紗線繞鋼領(lǐng)高速回轉(zhuǎn)加捻的作用下，紗線中纖維間受到向心壓力,產(chǎn)生纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致纖維間的抱合力增大,外包纖維對芯絲包覆得更加緊密,使包芯紗的抗剝離性及抗脫散能力增強(qiáng)[6]。但隨著捻系數(shù)減小，外包纖維較為松散，將芯絲覆蓋范圍更大，因此露芯更少，包覆效果越好。

圖2 捻系數(shù)對包芯紗包覆效果的影響

2.2.3 捻系數(shù)對包芯紗包覆效果影響的分析

通過上機(jī)試紡，并對紗線進(jìn)行染色和顯微鏡觀察得出，皮/芯包覆比比值越大，包芯紗包覆效果越好，當(dāng)包覆比為 80/20 時，包覆效果最好，在后文正交實驗中將選取較優(yōu)包覆比 70/30、75/25、80/20 三個水平。

包覆比越大包芯紗的包覆效果越好是由于芯絲比例的減少，使外包纖維的中空程度降低，纖維間的抱合力增強(qiáng)，包裹更加緊密，同時減少芯紗裸露在皮紗表面，因此隨著皮紗/芯紗包覆比的增加，包覆效果越好。

圖3 包覆比對包芯紗包覆效果的影響

2.2.4 正交實驗分析

表7 包芯紗正交實驗綜合影響因素

實驗結(jié)果綜合考慮包芯紗的露芯程度和脫散程度，根據(jù)露芯程度分別對 9組紗線進(jìn)行排序，露芯最少的紗線評為 9 級，露芯最多的紗線評為 1 級；根據(jù)單紗脫散實驗，對 9 組紗線的脫散程度進(jìn)行排序評級，脫散程度最小的紗線評為 9 級，脫散程度最嚴(yán)重的紗線評為 1 級，最終實驗結(jié)果數(shù)據(jù)為露芯程度和脫散程度評級之和的數(shù)值。

從上述實驗結(jié)果認(rèn)為：長絲退繞張力的大小是影響包芯紗包覆效果的主要細(xì)紗工藝因素，其次是捻系數(shù)，末位是棉/滌包覆比。根據(jù)包芯紗賽絡(luò)紡紡制工藝，認(rèn)為影響包芯紗包覆效果的主要因素有芯絲長絲退繞張力、捻系數(shù)、外包纖維與芯絲包覆比三個因素，結(jié)合各因素的較優(yōu)水平，用 L9(33)正交實驗設(shè)計方案，根據(jù)實驗和極差分析，找到包覆效果最佳包芯紗的紡制工藝。由表7可知，因素捻系數(shù)取第一水平(A1，275)為最好，(K1=13)；捻系數(shù)取第二水平(A2，300)為最差，(K2=8.333)。因素長絲退繞張力取第二水平(B2，30cN)為最好，(K2=15)；長絲退繞張力取第三水平(B3，35cN)為最差，(K3=6.333)。

因素棉/滌包覆比取第一水平(C1，70/30)為最好；(K1=12)；棉/滌包覆比取第三水平(C3，80/20)為最差，(K3=7.333)。從極差顯示看，因素 B 的極差為 8.667，最大；因素 C 的極差為 4.667，最小。

通過正交設(shè)計實驗可以認(rèn)為該實驗方法的最佳組合為：長絲退繞張力為30cN，捻系數(shù)為 275 時，棉/滌包覆比為 70/30，最差組合為：長絲退繞張力為35cN，捻系數(shù)為 300，包覆比為 80/20。

3 結(jié)論

本文對細(xì)紗紡制方法、細(xì)紗工藝參數(shù)對包芯紗的包覆效果的影響進(jìn)行實驗探討，并對包芯紗和織物的包覆效果進(jìn)行表征，得出以下結(jié)論：

(1)利用控制變量法保持細(xì)紗參數(shù)一致，探討普通環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡、噴氣渦流紡三種紡紗方法，得出賽絡(luò)紡紡制包芯紗，包覆效果最佳，其次為噴氣渦流紡，普通環(huán)錠紡紡制包芯紗效果最不理想。

(2)影響包芯紗包覆效果的主要細(xì)紗工藝因素為長絲退繞張力、捻系數(shù)、皮紗/芯紗包覆比。通過單因素實驗探討得出長絲退繞張力對包芯紗包覆效果的影響，先隨張力增大包覆效果逐漸變好，包覆效果達(dá)到最佳值后，后隨張力增大而變差，包覆效果最佳張力在30cN左右，張力在25cN～35cN較優(yōu)；捻系數(shù)對包芯紗包覆效果的影響成一次函數(shù)下降態(tài)勢，包覆效果隨捻系數(shù)的增大而變差，包覆效果最佳捻系數(shù)在 250 左右，綜合考慮紗線強(qiáng)度，認(rèn)為捻系數(shù)在275～325較優(yōu)；皮紗/芯紗包覆比對包芯紗包覆效果的影響成一次函數(shù)上升態(tài)勢，包覆效果隨皮紗比例的增加而變差，包覆效果最佳包覆比為 80/20，包覆比為 70/30～80/20 較優(yōu)。

(3)多因素正交實驗得出，對包芯紗露芯程度影響最大的工藝因素是長絲退繞張力，其次是捻系數(shù)，棉/滌包覆比影響最小。包芯紗紡制的最佳工藝為：張力 30cN、包覆比 70/30、捻系數(shù) 275。最差工藝為：張力 35cN、包覆比 80/20、捻系數(shù) 300。

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