紗線斷裂功對經(jīng)編織造性能的影響

張靈婕， 繆旭紅

(江南大學 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

經(jīng)編織物具有獨特的風格和性能，其身骨、彈性、尺寸穩(wěn)定性、保形性、懸垂性等介于機織和緯編織物之間，不易脫散。目前棉紗在機織及緯編織物上已有廣泛應用，而經(jīng)編對紗線的強力要求較高，以往大都采用合成纖維長絲，棉紗應用較少，限制了經(jīng)編產(chǎn)品類型及應用。經(jīng)編裝備、控制系統(tǒng)[1-2]和新型紡紗技術(shù)[3]的發(fā)展，為棉紗在經(jīng)編機上的高速生產(chǎn)提供了可能。近年來，消費者越來越追求天然纖維制品，因而棉經(jīng)編織物生產(chǎn)及開發(fā)引來越來越多的關(guān)注及探索。雖然經(jīng)編裝備以及紗線質(zhì)量有所提高，但相比滌綸而言，棉紗在經(jīng)編機上生產(chǎn)難度仍較大。很多人針對此問題進行相關(guān)研究：如國外很多學者對經(jīng)紗動態(tài)運動進行研究[4]，并對其運動過程進行模擬[5-6]；胡瑜等[7]研究經(jīng)紗織造對紗線損傷情況的影響；張靈婕等[8]針對經(jīng)編機張力補償裝置進行了研究。另外相關(guān)學者也針對棉紗在經(jīng)編機上的織造工藝[9]、紗線性能[10]等進行探討：劉行等[11]針對紗線張力測試方法進行探索，并提出相關(guān)的評價方法[12]。從以往研究結(jié)果來看，棉紗以及滌綸在經(jīng)編織造中的張力遠小于紗線斷裂強力。目前還沒有學者對棉紗與滌綸的經(jīng)編張力進行對比研究，也沒有結(jié)合紗線斷裂功[13]進行紗線張力的研究。本文通過對棉紗及滌綸進行經(jīng)編織造張力以及紗線斷裂性能測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算紗線張力做功以及紗線斷裂功。在經(jīng)編織造過程中除張力作用外，紗線還受到與機器部件以及紗線間的摩擦及空氣阻力等作用，與張力值相比相差較大，且受力較為復雜。為簡化分析，忽略摩擦作用，通過實驗對棉紗與滌綸的織造張力、張力做功及斷裂功的關(guān)系進行研究，探討斷裂功對經(jīng)編織造性能的影響，為棉紗的經(jīng)編織造提供一定的理論參考。

1 實驗部分

1.1 儀器和原料

儀器：TM4-EL型高速特里科經(jīng)編機(E28)，江蘇潤源控股集團有限公司；TS1-200-A2-CE1型張力儀，德國Schmidt有限公司；SCM01型四通道聲振分析儀、LMS Test.Lab軟件，比利時LMS公司；YG061-1500型電子單紗強力測試儀，北京北信科儀分析儀器有限公司。

原料： 原料1為14.58 tex 長絨棉集聚紡棉紗；原料2為9.72 tex 集聚賽絡紡棉紗；原料3為 8.33 tex(72 f)滌綸；原料4為6.11 tex(24 f) 滌綸高彈絲(PBT)，僅用于后梳織造。

1.2 實驗方法

1.2.1張力測試

選用張力儀、四通道聲振分析儀同步采集張力和主軸信號，再用LMS Test.Lab軟件配套進行信號處理分析，搭建完整的動態(tài)張力測試系統(tǒng)。實驗時以高達 1 kHz 的采樣頻率進行張力采集，采集時間為30 s，目的是測試棉紗以及滌綸的織造張力。為避免機器、梳櫛位置等因素造成的數(shù)據(jù)差異，選擇在同一臺機器上進行測試。實驗時，盡量選擇在相同位置對紗線進行數(shù)據(jù)采集。張力儀使用配套支架固定如圖1 所示，按儀器標注的纏繞方向固定紗線。調(diào)整張力儀傾角與紗路保持一致。

圖1 張力儀固定位置Fig.1 Position of tension sensor

工藝參數(shù)的設置盡量保證各紗線一致。在送經(jīng)量設置上針對織造情況稍作調(diào)整，整體上保證織造情況以及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，即調(diào)整為適合生產(chǎn)的狀態(tài)進行實驗。待機器運行穩(wěn)定后開始張力測試。織造時選擇2把梳櫛對稱墊紗，前梳GB3分別使用原 料1～3，后梳GB4使用原料4進行織造。實驗條件及參數(shù)設置如表1所示。實驗在溫度為25 ℃，相對濕度為65%條件下進行。

表1 織造參數(shù)Tab.1 Parameters of knitting

注：機上縱密為21橫列/cm；測試機速為1 000 r/min。

1.2.2紗線拉伸性能測試

采用電子單紗強力測試儀對紗線進行拉伸斷裂實驗。依據(jù)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)》，設置測試溫度為(25±2)℃，濕度為(65±2)%，紗線夾持距離為250 mm，拉伸速度為 500 mm/min，預加張力為0.5 cN/tex，分別對原料1～3進行10次拉伸斷裂測試，得到紗線的伸長與強力關(guān)系曲線，根據(jù)測試得到的伸長與強力值計算紗線斷裂功。

1.2.3紗線張力做功量計算

經(jīng)編織造過程中，紗線從經(jīng)軸1退繞，依次經(jīng)過導紗桿2，分紗筘3，張力桿4，導紗梳5，具體路徑如圖2所示。

圖2 經(jīng)紗紗路圖Fig.2 Route of warp yarn

紗線從經(jīng)軸1上退繞到編織成圈一直受到張力作用，在張力作用下紗線產(chǎn)生伸長，因此可以認為，張力對紗線做功。由于經(jīng)編機張力桿4的作用，紗線經(jīng)過張力桿4前后張力大小會有較大差異，所以單循環(huán)內(nèi)質(zhì)點受張力作用可看成2個階段：第1個階段是從經(jīng)軸1退繞經(jīng)過導紗桿2，分紗筘3到達張力桿4，簡稱x段；第2階段是從張力桿4到導紗梳5，簡稱y段。則從經(jīng)軸1到導紗梳5，簡稱z段。分別對x和y段的紗線進行張力測試。紗線張力累積做功計算公式為：

Δl=FE,l=L480,n=Sl

w=∫Fdl,W=nw

式中：Δl為紗線伸長量，mm；F為紗線張力，cN；E為紗線模量，cN/mm；L為紗線送經(jīng)量，mm/臘克；n為指定紗段內(nèi)成圈循環(huán)數(shù)；S為紗段長度，mm；l為單個線圈長度，mm；w為指定紗段單循環(huán)張力做功，cN·mm；W為指定紗段紗線張力累積做功，cN·mm。

則本文實驗條件下紗線張力做功計算公式可表示為:

Wx=Sxlwx，Wy=Sylwy

Wz=Wx+Wy

式中：Sx為x段紗線長度；Sy為y段紗線長度；Wx、Wy分別為x段和y段內(nèi)紗線張力累積做功， cN·mm；wx、wy分別為x段和y段單循環(huán)張力做功，cN·mm；Wz為z段內(nèi)紗線張力累積做功，cN·mm。

1.2.4紗線斷裂功計算

紗線在拉伸力作用下不斷伸長最終斷裂，這個過程中拉伸力對紗線所做的功叫紗線斷裂功，其計算公式為

Wd=∫fdls

式中：Wd為紗線斷裂功，cN·mm；f為紗線所受拉伸力，cN；ls為紗線受拉伸力作用下的伸長量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 張力測試結(jié)果

對實驗采集的張力數(shù)據(jù)進行處理，得到相應的最大值、最小值、均值、標準差及CV值如表2所示?？芍?，x段3種紗線張力水平較小且較為接近，對經(jīng)編織造影響較小，因此，重點對y段張力進行分析。此前的研究理論認為，由于棉紗與滌綸之間因強力以及伸長性能的差異，導致棉紗在織造過程中紗線張力波動大，承受能力低，進而影響棉紗織造，在此階段發(fā)生斷紗。從表2所示結(jié)果可以看出，棉紗張力平均值及最大值大于滌綸，但也遠遠小于紗線斷裂強力。從標準差結(jié)果來看，3種紗線結(jié)果差距較小，理論上意味著3種紗線張力基于平均值的浮動值接近；從CV值來看，滌綸相比其他2種棉紗更大，也就是說滌綸張力整體上相較平均值的波動程度反而比棉紗大。

表2 紗線張力Tab.2 Tension of yarn

紗線y段直接反映紗線張力隨成圈運動的變化，因此，對此段紗線進行角度域轉(zhuǎn)化，對單循環(huán)張力數(shù)據(jù)作圖，得到棉紗與滌綸隨主軸角度變化的張力曲線，如圖3所示。比較棉紗和滌綸的張力曲線發(fā)現(xiàn)，紗線張力隨主軸角度變化趨勢一致，說明紗線張力單循環(huán)內(nèi)主要受成圈動作影響。從單循環(huán)張力曲線難以得出棉紗張力與滌綸張力波動存在較大差異這一結(jié)論。

圖3 紗線張力隨主軸角度變化曲線Fig.3 Curve of yarn tension change with spindle angle

2.2 紗線斷裂功測試結(jié)果

圖4示出紗線張力與伸長曲線?？梢钥闯觯x用的棉紗與滌綸的斷裂強力差別較小，而斷裂伸長相差很大：14.58 tex棉紗(原料1)斷裂強力為 259 cN，斷裂伸長約為16.48 mm，初始模量約為 16.21 cN/mm，斷裂功為2 150.41 cN·mm； 9.72 tex棉紗(原料2)斷裂強力為255 cN，斷裂伸長約為 16.57 mm，初始模量約為15.36 cN/mm，斷裂功為 1 972.69 cN·mm； 8.33 tex滌綸(原料3)斷裂強力約為250 cN，斷裂伸長約為 35.34 mm，初始模量約為25.98 cN/mm，斷裂功約為 7 151.28 cN·mm。

圖4 紗線伸長與強力曲線Fig.4 Elongation-strength curve of yarn

2.3 張力做功計算結(jié)果與分析

無論棉紗還是滌綸，紗線張力均未超過其初始模量對應的紗線強力值，因而紗線模量選用其初始模量進行計算。通過實際測量得到，Sx長度約為 1 154 mm，Sy長度約為700 mm。

表3示出紗線張力做功及斷裂功。從結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種紗線張力做功總和小于紗線斷裂功，因此，紗線可用于經(jīng)編織造。棉紗張力做功值雖小于其斷裂功，但二者差值和滌綸張力做功與斷裂功之間的差值相比要小很多。綜合摩擦力、空氣阻力等其他影響經(jīng)編織造性能的因素后，棉紗整體上表現(xiàn)為處于即將斷裂的邊緣。

表3 紗線張力做功及斷裂功Tab.3 Tension and rupture work of yarn cN·mm

3 結(jié) 論

為更深入認識經(jīng)編織造對紗線力學性能的要求，本文從紗線張力做功以及紗線斷裂功角度進行實驗研究。結(jié)果表明，紗線張力從經(jīng)軸退繞到導紗梳階段累積做功小于紗線斷裂功，認為這可以作為紗線是否符合經(jīng)編織造要求的初步判定指標。與滌綸相比，棉紗張力做功與其斷裂功差值要小很多，由此認為紗線斷裂功與其織造張力做功差值大小可用來衡量紗線經(jīng)編織造能力的大小，差值越大紗線經(jīng)編織造適應能力越強。

在經(jīng)編織造過程中紗線除受到張力外，還受到摩擦力、空氣阻力等作用，但認為與紗線張力相比其作用力較小且受力復雜，因而本文忽略摩擦力、空氣阻力等其他因素對紗線經(jīng)編織造性能的影響。下一步將對本文研究結(jié)果進行驗證，并考慮摩擦力、空氣阻力等因素對經(jīng)編織造性能的影響做進一步研究。

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