應(yīng)用灰色聚類方法評(píng)價(jià)特種動(dòng)物纖維綜合物理性能

邢麗娟， 劉新金， 蘇旭中， 曹秀明

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 江蘇陽(yáng)光股份有限公司， 江蘇 江陰 214426)

特種動(dòng)物纖維具有優(yōu)雅靚麗的光澤，柔軟細(xì)膩的手感，其制品因吸濕性強(qiáng)，透氣性高，彈性好，保暖性強(qiáng)等多種優(yōu)良性能已作為高檔綠色紡織原料進(jìn)行開發(fā)研究[1]，但是動(dòng)物纖維長(zhǎng)度短，短絨率較高，長(zhǎng)度及細(xì)度離散率大，開發(fā)高支紗仍存在很多的困難[2]，目前對(duì)特種動(dòng)物纖維高支紗的開發(fā)仍是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)心的課題。

侯秀良等[3]對(duì)山羊絨的拉伸性能進(jìn)行了研究；楊鎖廷等[4]研究了牦牛絨拉伸細(xì)化后的產(chǎn)品性能；劉嬋等[5-6]采用氧化脫色工藝對(duì)牦牛絨實(shí)現(xiàn)脫色。目前對(duì)駝絨纖維的研究主要集中在結(jié)構(gòu)與性能，而對(duì)特種動(dòng)物纖維物理性能指標(biāo)的綜合分析研究較少。本文以駱駝絨、山羊絨、牦牛絨為研究對(duì)象，測(cè)試表征纖維物理性能的各分項(xiàng)指標(biāo)，利用灰色聚類方法對(duì)特種動(dòng)物纖維物理性能指標(biāo)作了綜合分析，以期為特種動(dòng)物纖維的開發(fā)提供參考。

1 纖維性能測(cè)試與對(duì)比分析

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：牦牛絨、山羊絨、駱駝絨均由江蘇中孚達(dá)紡織科技有限公司提供。

實(shí)驗(yàn)儀器：BEION F10型全自動(dòng)纖維細(xì)度儀(上海北昂醫(yī)療技術(shù)有限公司)，YG004型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)(常州紡織儀器廠)，Y151SM 型纖維摩擦系數(shù)儀(常州第二紡織機(jī)械有限公司)，XCP-1 A型纖維卷曲彈性儀(上海新纖儀器有限公司)。

1.2 纖維性能測(cè)試

1.2.1纖維長(zhǎng)度測(cè)試

采用纖維長(zhǎng)度排圖法測(cè)試毛絨散纖維的平均長(zhǎng)度，從所取樣品中抽取0.2～0.3 g毛絨纖維，剔除較粗、較長(zhǎng)、易纏結(jié)纖維，右手捏緊纖維束平齊的一端，左手將纖維束最外端露出的纖維貼在黑絨板的左側(cè)，從左到右輕輕拉出纖維，并將纖維平行于黑絨板的上側(cè)貼服在黑絨板上，纖維束在黑色絨板上經(jīng)過(guò)多次排列，使得纖維成為一端平齊，另一端從長(zhǎng)到短的有序排列。纖維在排列過(guò)程中要求厚薄均勻，圖形底邊長(zhǎng)25 cm左右[7]。

1.2.2纖維細(xì)度測(cè)試

使用纖維細(xì)度儀測(cè)試?yán)w維的平均直徑，每次測(cè)試?yán)w維根數(shù)為1 800根，測(cè)試5次，取其平均值，線密度換算公式為

(1)

式中：d為纖維直徑，μm；Ndt為線密度，detx；δ為纖維密度(取δ=1.32 g/cm3)。

1.2.3單纖維強(qiáng)力測(cè)試

采用電子單纖維強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行單纖維強(qiáng)力測(cè)試。試樣夾持長(zhǎng)度為10 mm，拉伸速度為10 mm/min，測(cè)試30次,取其平均值。

1.2.4纖維卷曲性能測(cè)試

使用纖維卷曲彈性儀測(cè)試?yán)w維卷曲數(shù)、卷曲率和卷曲彈性率等性能。試樣夾持長(zhǎng)度為20 mm，加輕負(fù)荷為0.002 cN/dtex，重負(fù)荷為0.05 cN/dtex，測(cè)試20次，取其平均值。

1.2.5纖維摩擦性能測(cè)試

1.3 測(cè)試結(jié)果與分析

在相同環(huán)境下對(duì)9種纖維進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 纖維的物理性能指標(biāo)Tab.1 Fiber physical performance indicators

由表1數(shù)據(jù)可得到：1)纖維長(zhǎng)度排序(從長(zhǎng)至短)為：黃駱駝絨、白駱駝絨、白山羊絨、青山羊絨、紫山羊絨、白羊羔絨、黑牦牛絨、青牦牛絨、脫色牦牛絨。纖維的長(zhǎng)度直接影響纖維的加工性能和使用價(jià)值，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，短絨含量越少，所紡紗品質(zhì)好。2)纖維細(xì)度排序(從細(xì)至粗)為：白山羊絨、紫山羊絨、青山羊絨、白羊羔絨、黃駱駝絨、白駱駝絨、脫色牦牛絨、青牦牛絨、黑牦牛絨。25 μm以上纖維含量為：青山羊絨1.24%、白山羊絨1.34%、紫山羊絨1.66%、白羊羔絨3.52%、脫色牦牛絨3.6%、黃駱駝絨4.27%、青牦牛絨6.45%、白駱駝絨6.82%、黑牦牛絨7.37%。毛絨纖維的細(xì)度不僅決定了成紗的細(xì)度、強(qiáng)力，還決定了織物的手感和性能，即在毛纖維相同長(zhǎng)度下，纖維越細(xì)所紡的紗線支數(shù)越高，條干好，強(qiáng)力高，相應(yīng)織物的各種特性也越好[8]。白羊絨最細(xì)，故可開發(fā)高支紗，且制成的織物柔軟、輕薄。特種動(dòng)物纖維需要分梳加工提取，可以更好地控制含粗率，提高紗線質(zhì)量。牦牛絨和駝絨由于部分含有髓質(zhì)層，含粗率高，羊絨纖維含粗較少。細(xì)度不勻率越大，成紗條干均勻度越差，駝絨纖維細(xì)度不勻率較其他纖維高，因?yàn)轳劷q纖維沿生長(zhǎng)方向兩端粗細(xì)不勻，且駝絨纖維含有不同程度髓質(zhì)層，致使細(xì)度不勻率增加。3)纖維強(qiáng)力排序(從高到低)為：黑牦牛絨、青牦牛絨、白羊羔絨、黃駱駝絨、白駱駝絨、紫山羊絨、白山羊絨、青山羊絨、脫色牦牛絨。強(qiáng)度是評(píng)定毛絨纖維的首要性質(zhì)，影響著紡紗工藝配置。強(qiáng)度低，不宜作精紡用毛，且生產(chǎn)出的織物品質(zhì)較低檔。黑牦牛絨和青牦牛絨的強(qiáng)力較高，且單纖維強(qiáng)力是羊絨和駱駝絨的1.5倍左右，脫色牦牛絨的單纖維強(qiáng)力最低，主要是因?yàn)槊撋幚磉^(guò)程中纖維受到一定程度的損傷使得強(qiáng)力降低。4)纖維卷曲性：纖維的卷曲使得纖維間的抱合力大大增加，因此，成紗強(qiáng)力提高，且卷曲性能好的纖維，織物的彈性也隨之提高，織物的抗皺性和保暖性得以改善。一般纖維的卷曲數(shù)在25 mm長(zhǎng)度內(nèi)6～9個(gè)為宜；適當(dāng)?shù)木砬士商岣呃w維的可紡性，一般卷曲率在10%～15%之間為宜，卷曲率小于10%時(shí)則越大越好；此外，纖維的卷曲回復(fù)率較高，纖維受力后卷曲恢復(fù)能力好，因而其紡織品的彈性恢復(fù)性能優(yōu)異[9]。脫色牦牛絨卷曲數(shù)最多，紫山羊絨最少，黑牦牛絨的卷曲率最大，紫山羊絨最少，故在紡紗加工中，紫山羊絨抱合性較差。5)纖維摩擦性能：纖維的摩擦性能與紗線的抱合力及織物的柔軟度有關(guān)，纖維的摩擦因數(shù)越大，纖維之間的抱合力越大，利于紡紗的順利進(jìn)行。9種纖維中白山羊絨的摩擦因數(shù)最小，故紡紗過(guò)程中紗線抱合力較差，但制成的織物手感柔軟、滑糯。

2 運(yùn)用灰色聚類法的纖維性能評(píng)價(jià)

從表1可看出，9種特種動(dòng)物纖維的物理性能在各指標(biāo)下的表征不相同，很難根據(jù)單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)纖維物理性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，因此，需要采用數(shù)據(jù)分析的方法對(duì)纖維的物理性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，而灰色聚類分析可以較好地研究“小樣本， 貧信息”的不確定性，因此，采用灰色聚類分析法對(duì)特種動(dòng)物纖維的物理性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是比較合理的[10]。

記9種特種動(dòng)物纖維為聚類對(duì)象i，以測(cè)試結(jié)果中的平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)度不勻率、15 mm以下短絨率、線密度、細(xì)度不勻率、強(qiáng)力、卷曲數(shù)、卷曲率、卷曲回復(fù)率、摩擦因數(shù)為聚類指標(biāo)j，將纖維的物理綜合性能分為好、中、差三檔，記為k1、k2、k3，即聚類灰數(shù)為S=3[11]。

2.1 矩陣的構(gòu)建

聚類計(jì)算中所有數(shù)據(jù)均以正相關(guān)計(jì)入[12]，因此，以100/長(zhǎng)度不勻率，100/短絨率，100/線密度，100/細(xì)度不勻率作為參數(shù)計(jì)入，行為聚類對(duì)象編號(hào)，列為相對(duì)應(yīng)的纖維測(cè)試性能的指標(biāo)測(cè)試值，將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化無(wú)量綱處理，構(gòu)成聚類白化矩陣xij9×13，結(jié)果見(jiàn)下式：

(2)

2.2 灰類白化函數(shù)的確定

定義j指標(biāo)對(duì)k個(gè)灰類(k=k1，k2，k3)的區(qū)間，方法定義[13]如下：

表2 灰數(shù)白化區(qū)間表Tab.2 Interval of whiting of grey number

定義λjk為j聚類指標(biāo)k子類的邊界值，見(jiàn)式(3)。

(3)

2.3 標(biāo)準(zhǔn)權(quán)系數(shù)的確定

(4)

2.4 灰色聚類權(quán)系數(shù)的確定

聚類系數(shù)σik的確定是根據(jù)白化權(quán)函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)權(quán)系數(shù)確定，根據(jù)j指標(biāo)k子類的白化函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)權(quán)系數(shù)處理聚類白化矩陣xij9×13，按式(5)計(jì)算i對(duì)象屬于k灰類的灰色聚類系數(shù)σik，從而確定研究對(duì)象處于好、中、差類別的概率，聚類原則是擇取每個(gè)行向量中值最大者，以此對(duì)應(yīng)的灰類為所屬類。σik值越大，對(duì)象處于某個(gè)類別的概率就越大。根據(jù)計(jì)算出的灰色聚類權(quán)系數(shù)構(gòu)造聚類系數(shù)矩陣σik9×3。

(5)

(6)

從式(6)可看出，特種動(dòng)物纖維物理性能綜合評(píng)價(jià)處于好這檔的纖維有：4#、7#、8#、9#，但4#纖維的灰色聚類系數(shù)比7#、8#、9#大，說(shuō)明4#纖維落在第一檔的概率比較大，即白山羊絨的性能好于白羊羔絨、白駝絨和黃駝絨。特種動(dòng)物纖維物理性能綜合評(píng)價(jià)處于中檔的纖維有：5#、6#，即紫山羊絨和青山羊絨的物理性能在9種纖維中屬于中等。特種動(dòng)物纖維物理性能綜合評(píng)價(jià)處于差這檔的纖維有：1#，2#，3#即黑牦牛絨、青牦牛絨、脫色牦牛絨，但脫色牦牛絨纖維性能最差。

3 紡紗工藝實(shí)驗(yàn)

紗線性能取決于紡紗工藝的配置及纖維物理性能的好壞，采用四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡分別紡制線密度分別為14.29 tex和20.83 tex的白山羊絨、黃駱駝絨和黑牦牛絨紗，對(duì)灰色聚類分析所評(píng)價(jià)的特種動(dòng)物纖維綜合物理性能的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.1 紗線基本性能測(cè)試

3.1.1紗線拉伸性能測(cè)試

采用YG020 A型電子強(qiáng)力機(jī)測(cè)試紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率等性能指標(biāo)，測(cè)試30次，取其平均值。

3.1.2捻度測(cè)試

采用YG155 A型紗線捻度儀測(cè)試單紗捻度，設(shè)置實(shí)驗(yàn)方式為一次退捻加捻法，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，試樣長(zhǎng)度為250 mm，測(cè)試30次，求其平均值。

3.1.3條干測(cè)試

采用YG133 B/M型條干均勻度測(cè)試儀測(cè)試單紗的條干均勻度。測(cè)試速度為200 m/min，測(cè)試時(shí)間為1 min，測(cè)試30次，求其平均值。

3.2 紡紗原理

四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡是在環(huán)錠紡的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，即在前羅拉和前膠輥前面加裝異形管和引出羅拉及網(wǎng)格圈，形成吸風(fēng)集聚裝置，使纖維軸向集聚，減少加捻三角區(qū)，紡紗系統(tǒng)如圖1所示。

1—引出膠輥； 2—異形管； 3—前膠輥； 4—中膠輥；5—后膠輥； 6—引出羅拉； 7—網(wǎng)格圈； 8—撐桿；9—過(guò)橋齒輪； 10—前羅拉； 11—中羅拉； 12—后羅拉。圖1 四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡裝置Fig.1 Four-roller lattice apron compact spinning system

須條受到負(fù)壓氣流的作用，吸附到網(wǎng)格圈對(duì)應(yīng)的吸風(fēng)口處，并在傾斜于其運(yùn)動(dòng)方向的氣流綜合作用下，繞其自身軸向旋轉(zhuǎn)，從而使纖維全部卷入紗體中，極大地降低了成紗毛羽，且強(qiáng)力得到提高[14]。對(duì)細(xì)紗機(jī)中膠輥開槽1 mm，形成滑溜牽伸，當(dāng)纖維通過(guò)時(shí)，中羅拉與膠輥之間形成彈性握持，摩擦力界均勻分布，保證成紗條干。

3.3 紡紗工藝及紗線測(cè)試結(jié)果

紡紗方式采用四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡，細(xì)紗機(jī)型號(hào)為JWF2506，根據(jù)特種動(dòng)物纖維的物理性能，合理設(shè)置紡紗工藝參數(shù)，紡紗工藝設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。紡制的紗線性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 紡紗工藝設(shè)計(jì)Tab.3 Spinning process design

表4 紗線條干和拉伸性能Tab.4 Evenness and tensile performances of yarn

由表4可知：采用四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡紡制的2種線密度的白山羊絨、黃駝絨、黑牦牛絨紗線，紡紗過(guò)程中合理設(shè)置工藝，紡制的2種線密度紗均是白山羊絨紗的強(qiáng)力、伸長(zhǎng)率最高，條干均勻度最好，粗、細(xì)節(jié)及毛粒最少，黃駝絨紗的強(qiáng)力、條干僅次于白山羊絨，黑牦牛絨紗線的強(qiáng)力最低，條干最差。紗線的性能取決于纖維的綜合物理性能和紡紗工藝的合理配置，由于白山羊絨纖維綜合物理性能最好，纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)，細(xì)度不勻率低，因此所紡紗線的性能最好。黃駝絨纖維內(nèi)部含有髓質(zhì)層結(jié)構(gòu)，細(xì)度不勻率較高，纖維的綜合物理性能僅次于山羊絨，因此在選擇最優(yōu)紡紗工藝的前提下，黃駝絨紗線性能次于白山羊絨，黑牦牛絨纖維的綜合物理性能最差，黑牦牛絨纖維所紡紗線性能較差。

4 結(jié) 論

利用灰色聚類分析對(duì)9種特種動(dòng)物纖維物理性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可比較有效地協(xié)調(diào)各項(xiàng)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)特種動(dòng)物纖維物理性能。結(jié)果表明：白山羊絨纖維和駝絨纖維的物理性能優(yōu)于其他動(dòng)物纖維，脫色牦牛絨由于脫色過(guò)程中纖維受到損傷，因此綜合物理性能最差；纖維的物理性能直接決定了紗線的物理性能，9種動(dòng)物纖維的綜合物理性能評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)江蘇省中孚達(dá)紡織科技股份有限公司紡紗實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了灰色聚類分析對(duì)特種動(dòng)物纖維綜合物理性能評(píng)價(jià)的正確性。白山羊絨纖維紡制的紗線性能最好，黃駝絨紗線次之，黑牦牛紗線性能最差，灰色聚類分析結(jié)果為特種動(dòng)物纖維的開發(fā)提供了參考。

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