雙色變換段彩紗成紗原理及其共混段長度與強度的影響因素

郭明瑞， 李沛贏， 孫豐鑫， 高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學), 江蘇 無錫 214122)

花式紗線以其獨特的結(jié)構(gòu)、外觀特點，被廣泛應用于服裝、裝飾領域。傳統(tǒng)花式紗線主要依靠花式捻線機等專用設備生產(chǎn)，隨著紡紗方法的創(chuàng)新、紡紗機的智能化，基于環(huán)錠紡的花式紗開發(fā)取得顯著成果。其中，段彩紗是比較成功的案例之一，文獻[1-2]對段彩紗的工藝流程和紗線風格進行了總結(jié)。目前，生產(chǎn)段彩紗的主要方法是在傳統(tǒng)細紗機上加裝一些配件，同時改變后羅拉的驅(qū)動方式，在中羅拉連續(xù)喂入基紗，后羅拉間歇喂入色紗，紡制段彩竹節(jié)紗，生產(chǎn)此類段彩紗的裝置以CCZ系列花式紗裝置為代表[3]。針對此類段彩紗性能的研究已經(jīng)比較全面，改善純棉段彩紗條干的方法[4]，滌棉段彩紗的工藝優(yōu)化[5]，棉粘段彩紗的配棉要求，以及控制段彩紗質(zhì)量的關鍵技術[6-7]。此外，采用伺服電動機分別驅(qū)動中、后羅拉，在中羅拉連續(xù)喂入基紗，后羅拉間歇喂入色紗，但基紗的牽伸倍數(shù)跟隨色紗的喂入進行相應的變化，來生產(chǎn)線密度恒定的段彩紗[7-8]。不同于上述2種方法，一種采用同軸雙后羅拉的紡紗方法被用來紡制段彩紗，此方法通過改變2根喂入粗紗的牽伸比來調(diào)整不同片段紗線的混紡比，進而形成不同色彩效果的紗線片段[9]。目前，基于環(huán)錠紡具有3個獨立牽伸通道的數(shù)碼紡紗技術將段彩紗的色紗數(shù)量進一步拓展，可以紡制三色段彩紗[10]。前2種方法從原理上就不能紡制純色變換段彩紗，后2種方法只是從基本原理上提出了紡制此類段彩紗的方法，并沒有對純色變換段彩紗的紡紗機理進行深入分析。

本文基于雙通道環(huán)錠紡技術，對紡制雙色變換段彩紗的紡紗裝置及工藝進行研究，分析了雙色變換段彩紗共混段成紗原理，研究了后區(qū)牽伸倍數(shù)與粗紗喂入提前量對共混段長度和強度的影響。

1 雙色變換段彩紗紡制原理

1.1 紡紗方法

雙色變換段彩紗包括2種純色片段，以及2種純色片段交替形成的兩色共混段。外觀模型如圖1所示。

圖1 雙色變換段彩紗外觀示意圖Fig.1 Diagram of two color transformation segment yarn

本文采用的雙通道環(huán)錠紡紗裝置如圖2所示。粗紗牽伸過程如圖3所示。后羅拉1和后羅拉2同軸嵌套，通過觸摸屏、PLC(可編程控制器)和伺服系統(tǒng)分別驅(qū)動，實現(xiàn)2根粗紗獨立喂入、牽伸。后區(qū)集合器的作用是將后羅拉輸出粗紗間距收縮到合適的寬度，并對停止喂入而懸停在后區(qū)的粗紗起托持作用，以便該粗紗再次喂入時，可順利進入中羅拉鉗口。2根纖維須條以一定間距從前羅拉鉗口輸出，通過配有等腰三角形吸風槽的集聚紡裝置匯聚成單根須條加捻成紗。目前，工廠常用的單斜槽和賽絡紡雙槽在紡制雙色變換段彩紗時有一定局限性，單斜槽形成的負壓集聚區(qū)寬度較小，2根纖維須條容易超出集聚范圍而產(chǎn)生斷頭，需要通過增大吸風負壓來擴大集聚范圍；賽絡紡雙槽中2根纖維須條在輸出點保持一定間距，不利于2根粗紗頭尾端銜接。

圖2 雙通道環(huán)錠紡紗機實物圖Fig.2 Image of double-channel ring spinning machine

圖3 雙通道環(huán)錠紡牽伸過程示意圖Fig.3 Diagram of double-channel ring spinning

1.2 共混段粗紗首尾搭接原理

紡制雙色變換段彩紗的難點是2根粗紗頭、尾端在動態(tài)牽伸過程中均勻牽伸、穩(wěn)定搭接。在2根粗紗交替過程中，當粗紗停止喂入，會在靠近中羅拉鉗口處斷裂，由于纖維具有一定長度L，并在粗紗中隨機分布，斷裂的2根粗紗頭、尾端呈楔形。圖4示出紡制雙色變換段彩紗過程中后牽伸區(qū)理想粗紗頭、尾端狀態(tài)示意圖。假設2根粗紗的頭、尾端楔形長度相等，都為L，2根粗紗的斷裂位置相同，則前粗紗尾端與后粗紗頭端間距L0=L，此時，理論共混段長度Ly計算公式如下：

Ly=L0×E

式中：Ly為紗線共混段長度；L0為前粗紗尾端與后粗紗頭端間距；E為總牽伸倍數(shù)。

圖4 理想后牽伸區(qū)粗紗斷裂頭尾端示意圖Fig.4 Diagram of ideal head and end of roving in break draft zone

實際紡紗過程中，粗紗每次斷裂位置有一定隨機性，會在一定范圍內(nèi)波動，這樣就會導致前粗紗尾端與后粗紗頭端的間距L0與粗紗楔形長度L的大小關系不確定。當L0

圖5 實際后牽伸區(qū)粗紗斷裂頭尾端示意圖Fig.5 Diagram of actual head and end of roving in break draft zone

1.3 前后區(qū)牽伸分配

紡制雙色變換段彩紗，后區(qū)斷裂粗紗的頭、尾端需要經(jīng)過前區(qū)一定倍數(shù)的牽伸，粗紗頭、尾端的均勻牽伸對共混段強力起決定作用。本文對細紗機羅拉皮圈牽伸原理深入分析，借鑒文獻[11-13]中細紗后區(qū)牽伸力與牽伸倍數(shù)關系。后區(qū)粗紗牽伸力在一定范圍內(nèi)隨著牽伸倍數(shù)增大而增大，達到峰值后，牽伸力隨著牽伸倍數(shù)增大極速減小。對于普通環(huán)錠紡單紗，后區(qū)牽伸力峰值一般出現(xiàn)在牽伸倍數(shù)為1.4～1.7倍時，后區(qū)牽伸倍數(shù)要控制在峰值之前，采用較小的后區(qū)牽伸有利于保證粗紗穩(wěn)定牽伸、細紗條干均勻。

但是，采用小后區(qū)牽伸紡制雙色變換段彩紗，前粗紗尾端在皮圈牽伸區(qū)中不能穩(wěn)定、均勻牽伸，尾端纖維容易出大肚，在紗線上產(chǎn)生明顯粗節(jié)和細節(jié)，紡紗斷頭多。分析認為后區(qū)小牽伸在傳統(tǒng)單粗紗連續(xù)紡紗過程中，有利于纖維之間抱合，提供穩(wěn)定的牽伸力。但是，紡制雙色變換段彩紗時，粗紗斷裂，粗紗尾端進入皮圈牽伸區(qū)后，纖維不再接受后面粗紗的束縛，后區(qū)小牽伸工藝下，進入皮圈牽伸區(qū)中的粗紗定量較大，粗紗截面中纖維根數(shù)較多，纖維相互間抱合力大，在牽伸過程中，尾端纖維受到快速纖維的拉帶作用，而后端沒有纖維的約束，整體被前鉗口牽出，形成大肚。為解決此問題，本文提出后區(qū)大牽伸工藝，粗紗經(jīng)過后區(qū)較大倍數(shù)牽伸，進入皮圈牽伸區(qū)的粗紗截面中纖維根數(shù)減少，纖維之間的抱合力減弱，這樣當粗紗斷裂，紗尾進入皮圈牽伸區(qū)，快速纖維對慢速纖維的拉帶作用不強，慢速纖維仍然受到皮圈的有效控制，紗尾均勻牽伸，有利于2根粗紗頭、尾端順利搭接。

1.4 雙色變換段彩紗織物外觀

圖6示出黑/白段彩紗緯編針織物。該織物由14 G電腦橫機編織而成，黑色片段長為1 030 mm，白色片段長為1 033 mm，共混段長度為381 mm。織物組織為1+1羅紋，針數(shù)為262，平均線圈長度為0.56 mm。利用織物幅寬和段彩紗周期的疊加效應，形成特殊圖案的段彩紗針織物，圖中雙色片段和共混段的疊加，形成橫向鋸齒狀交錯圖案。

圖6 黑/白變換段彩紗緯編針織物Fig.6 Weft knitted fabric of segment color yarn

2 段彩紗外觀測試方法及裝置

2.1 段彩紗外觀測試方法

由于段彩紗顏色種類繁多，目前市場上還未出現(xiàn)針對段彩紗的外觀測量設備。本文利用相機連續(xù)采集紗線，將采集的單張圖像中紗線的長度進行標定，通過人工判斷圖像中紗線片段屬于黑色片段、白色片段或共混段，測得共混段長度。

2.2 圖像采集裝置

本文采用的圖像采集裝置如圖7所示，包括相機(帶鏡頭)、光源、電腦，2個紗線張力盤和自動卷繞裝置。為使采集的圖像背景灰度盡量一致，位于圖像采集區(qū)的紗線距離背景30 mm，以使背景虛化。紗線卷繞裝置的2個卷繞輥采用定速交流電機驅(qū)動，繞紗輥置于卷繞輥上，利用摩擦作用驅(qū)動繞紗輥勻速轉(zhuǎn)動，保持圖像采集過程中紗線運行速度恒定。

圖7 圖像采集裝置Fig.7 Image acquisition unit

圖8示出黑/白變換段彩紗中黑色段、白色段和共混段典型圖像，可以通過人眼辨別圖像中黑/白色纖維的含量來判斷紗線所屬片段。

圖8 典型紗線片段圖像Fig.8 Image of typical yarn fragments. (a) White segment; (b) Blend segment; (c) Black segment

3 實驗部分

紡紗實驗在HFXA4-2S型雙通道環(huán)錠數(shù)碼紡紗機上進行，采用定量400 g/(10 m)的黑、白兩色精梳純棉粗紗，紡制Z捻19.4 tex的黑/白變換段彩紗，捻系數(shù)為340，錠速為8 000 r/min，前羅拉線速度為10.3 m/min。每個品種紡制5管。黑/白變換段彩紗的紡制過程為：先喂入黑色粗紗8 s，然后同時喂入黑色粗紗和白色粗紗Ms，黑色粗紗停止喂入，再喂入白色粗紗8 s，然后同時喂入黑色粗紗和白色粗紗Ms，這樣循環(huán)紡紗。兩色粗紗共同喂入時間Ms在4個方案中分別為0.0、0.3、0.6和0.9 s。每個兩色粗紗共同喂入時間下，對應5個后區(qū)牽伸倍數(shù)，分別為1.1、1.4、1.7、2.0和2.3。

采用YG020 A 型電子單紗強力儀測試共混段成紗強度，預加張力為0.5 cN/tex，測試片段長度為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，每管測試30次。

4 結(jié)果分析

4.1 共混段長度

雙色變換段彩紗2種純色片段周期性交替變換，與織物幅寬周期疊加，在織物上形成圖案，共混段的長短對其織物的圖案效果有重要影響，當共混段較短時，圖案中兩色區(qū)域邊緣清晰度好；當共混段較長時，圖案中兩色區(qū)域邊緣較為模糊。

本文研究了后區(qū)牽伸倍數(shù)和粗紗喂入提前量對兩色變換段彩紗共混段長度的影響規(guī)律。圖9示出不同后區(qū)牽伸倍數(shù)與粗紗喂入提前量條件下，所紡段彩紗的共混段長度。從圖中可以看出，在后區(qū)牽伸倍數(shù)一定的情況下，隨著粗紗喂入提前量增大，共混段長度增加。這是由于粗紗喂入提前量增大，后粗紗頭端與前粗紗尾端的重疊片段增大，重疊段經(jīng)過牽伸在紗線上形成共混段的長度隨之變長。同時，實驗結(jié)果還表明：在總牽伸不變的條件下，前、后區(qū)前伸分配對成紗共混段長度也有一定影響，后區(qū)牽伸增大對縮短共混段長度有一定作用。在粗紗喂入提前量一定的情況下，后區(qū)牽伸倍數(shù)由1.1增至2.3，所紡段彩紗共混段長度呈減小趨勢。原因是纖維在前區(qū)皮圈牽伸區(qū)中變速點位置不穩(wěn)定，斷裂的粗紗尾端在前區(qū)牽伸較大時，纖維拖尾情況更嚴重，共混段長度變長，在總牽伸倍數(shù)不變的情況下，增大后區(qū)牽伸倍數(shù)有利于改善粗紗尾端牽伸過程中的拖尾現(xiàn)象。

圖9 共混段長度Fig.9 Length of blends fragment

4.2 共混段紗線斷裂強度

紗線強度作為紗線的重要指標之一，對后續(xù)織造有重要影響。紗線強度主要取決于紗線片段中強度最弱的位置，雙色變換段彩紗中兩色纖維共混段容易出現(xiàn)纖維分布不勻，產(chǎn)生紗線細節(jié)，成為紗線強度的弱環(huán)，影響紗線整體強度。

本文研究了一定范圍牽伸分配和粗紗喂入提前量對兩色變換段彩紗共混段拉伸斷裂強度的影響規(guī)律，如圖10所示。在粗紗沒有喂入提前量時，各后區(qū)牽伸分配所紡制的段彩紗共混段強度都較低，并且具有較大的變異系數(shù)，強度波動幅度較大。這是由于粗紗斷裂位置波動，導致的兩色粗紗頭、尾端出現(xiàn)搭接長度偏短的情況，而產(chǎn)生的紗線弱環(huán)，使得共混段平均強度較低，且強度波動較大。在后區(qū)牽伸倍數(shù)一定的情況下，共混段強度隨著粗紗喂入提前量的增大而增大，喂入提前量增大則兩色粗紗頭、尾端重疊長度增大，有效避免了粗紗頭、尾端重疊長度偏短所導致的紗線弱環(huán)。本文中，在粗紗喂入提前量一定的情況下，共混段強度的最大值出現(xiàn)在后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.7時，這是由于后區(qū)牽伸倍數(shù)較小時，粗紗尾端容易牽伸不勻，在共混段形成大肚紗，同時，在緊鄰大肚紗后面形成一個明顯細節(jié)，使得紗線強度大幅度下降。相反，隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)從1.7增大至2.3，共混段紗線強度略有減小，這是因為后區(qū)牽伸倍數(shù)的增大有助于減少大肚紗的產(chǎn)生，但是，后區(qū)牽伸倍數(shù)對須條尾端牽伸均勻度有明顯影響，后區(qū)是簡單羅拉牽伸區(qū)，較大的牽伸倍數(shù)盡管可對粗紗起到牽伸作用，但會形成明顯的短片段不勻，這些不勻經(jīng)過前區(qū)放大，會使共混段紗線強度下降。

圖10 共混段紗線斷裂強度Fig.10 Tensile breaking tenacity of blends fragment

5 結(jié) 論

本文研究了后區(qū)牽伸倍數(shù)從1.1增大至2.3時，粗紗喂入提前量對雙色變換段彩紗共混段長度和拉伸斷裂強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：共混段長度隨粗紗喂入提前量增大而增大，隨后區(qū)牽伸倍數(shù)的增大而略有減小。在后區(qū)牽伸一定時，共混段強度隨著粗紗喂入提前量增大而增大。在粗紗喂入提前量一定時，后區(qū)牽伸倍數(shù)從1.1增大至1.7，共混段強度增大，后區(qū)牽伸倍數(shù)從1.7增大至2.3，共混段強度減小，本文實驗條件下，共混段強度最大值出現(xiàn)在后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.7時。

采用雙通道環(huán)錠紡技術紡制雙色變換段彩紗，可增加粗紗喂入提前量提高紗線共混段強度，合理配置前、后區(qū)牽伸倍數(shù)改善紗線結(jié)構(gòu)和性能。在實際紡紗生產(chǎn)中，需要權(quán)衡織物外觀與紗線性能的關系，制定合理的紡紗工藝。

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