轉杯紡混色棉紗的纖維混合均勻度

鄧茜茜, 楊瑞華, 徐亞亞, 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)

混色紗中有色纖維的混合方式包括纖維混、條子混和粗紗混等。多色散纖維混合一般在開清棉工序進行，混合比較充分；條子混色是先將各色纖維制成生條，按照設計的混色比例將不同顏色的條子，在并條工序進行并和混色；粗紗混合是按照混色比例將不同顏色的粗紗按設定的速度喂入，達到預期的顏色效果[1]。轉杯紡生產混色紗時可使用條混法對有色纖維進行混合，即將不同顏色的散纖維或條子按照一定比例搭配并混合成條或者混合成粗紗，再通過轉杯紡紗機紡制成細紗；也可使用粗紗混合方法進行混色，即不同顏色的纖維條由轉杯紡紗機的喂入機構喂入，通過控制喂入速度實現(xiàn)混紡比例的控制，纖維須叢經分梳輥梳理混合后在高速回轉的轉杯內并合加捻成紗[2-3]。混色紗中有色纖維的均勻混合是生產混色紗的技術難點之一，目前，轉杯紡混色紗中色纖維的混合均勻程度均存在部分問題，有必要對不同混色方式所生產混色紗中有色纖維的混合均勻程度進行詳細研究。

本文以紅、黃、藍3種顏色的棉纖維為原料，采用條子混色(1道并條和3道并條)和粗紗混合方式通過轉杯紡紗機進行紡紗，在保持成紗線密度一定的條件下，改變紗線中紅色、黃色和藍色纖維的配比，生產不同顏色的紗線，并計算轉杯混紡紗中各組分纖維的漢密爾頓轉移指數(shù)，分析混紡紗橫截面中纖維徑向分布和不同混合方式對紗線中纖維混合均勻程度的影響。

1 纖維混合方法

1.1 條混法

條混法是將多根有色條子在并條工序實現(xiàn)纖維的混合。在批量生產時，將各種色纖維先分別經清梳工序制成有色生條后在并條機上按混色比例進行混條，以確保混紡比與混色比正確。

1.2 粗紗混合法

采用三通道轉杯紡成紗方法實現(xiàn)粗紗的混合。三通道轉杯紡是柔性化生產的伺服數(shù)控紡紗與混合性良好并成紗快速的轉杯紡紗的結合體，其紡紗機制如圖1所示[4]。

1、5、6—喂給羅拉對應傳動齒輪組合；2和7，3和8，4和9—喂給羅拉/膠輥組合； 10—集棉裝置；11/12—集合喂給羅拉/膠輥組合；13—分梳輥；14—輸纖通道；15—轉杯； 16—引紗管；17—引紗羅拉；18—紗線；19—筒子。 圖1 轉杯紡成紗系統(tǒng)

Fig.1 Forming system of three-channel rotor spinning yarn

將3種不同顏色纖維條喂入，先經集棉裝置對纖維須條進行集聚，再由喂給羅拉12喂入分梳輥，纖維須條經過分梳輥的再次分梳混合形成纖維流，纖維流在前方負壓及分梳輥產生的離心力的作用下，由輸纖通道進入轉杯，在轉杯的凝聚槽凝聚合成纖維環(huán)，并由轉杯加捻成紗，經引紗羅拉引出形成紗線。

圖1中傳動齒輪組合1、5、6將喂給羅拉組合2、3、4分別通過皮帶連接3個伺服電動機。伺服電動機分別由可編程控制器(PLC)獨立控制，使得3個羅拉具有各自的速度，可紡出各種混紡比及線密度的數(shù)碼轉杯紗。喂給羅拉2、3、4與膠輥7、8、9組成3個獨立喂入通道。集棉器使得3根纖維條在穿過各自通道后經集合喂給羅拉11和集合給棉膠輥12喂入分梳輥。纖維經分梳輥的梳理與轉杯的集聚加捻后由引紗羅拉卷繞成筒子紗。

三通道轉杯紡與傳統(tǒng)轉杯紡的區(qū)別主要在于喂入機構。喂入機構的組合羅拉由伺服電動機獨立驅動的3個羅拉構成?？梢允?種或3種不同顏色的粗紗以相同或不同的速度分別喂入3個羅拉，經過集棉裝置匯集后由喂給羅拉喂入分梳輥，也可以是單根條子直接由喂給羅拉喂入集棉裝置，再經由分梳輥分梳的纖維沿輸纖通道進入轉杯，在轉杯內凝聚合成纖維環(huán)并加捻成紗線。這種獨立驅動的喂入機構組合是三通道轉杯紡實現(xiàn)柔性化生產的主要組成機構，可以生產混色紗、漸變色紗、段彩紗及彩節(jié)紗等[5]。

2 實驗方案

2.1 紡紗工藝設計

轉杯紡色紡紗纖維細度與紗線橫截面內纖維根數(shù)有關，為獲得良好的可紡性，紗線橫截面的纖維數(shù)量應該大于100根[6]。為保持染色原棉的彈性并減少強度損失，要選擇細度好、成熟度好、雜質含量低的原棉[7]。本文實驗以紅、黃、藍3色棉粗紗和紅、黃、藍3色棉條為原料，原料定量如表1所示。

表1 原料定量

Tab.1 Raw material rationg/(5 m)

原料紅黃藍粗紗1.672.202.13條子22.6421.5021.32

按照2色搭配和3色搭配，以相同的紡紗工藝紡制線密度為44.85 tex、捻系數(shù)為400的二組分混色棉紗和三組分混色棉紗。條混配色方案如表2、3所示。粗紗混合采用三通道轉杯紡的方式，實現(xiàn)多色粗紗不同喂給速度進行給棉以達到多色纖維混合，纖維給棉速度如表4、5所示。

表2 二組分混色棉紗的條混配色方案

Tab.2 Color mixing scheme of two-componentblending cotton yarn

編號條子配比纖維占比/%n(黃)∶n(藍) 黃藍混合方式1#1∶516.78 83.22 一并2#1∶516.78 83.22 三并3#2∶433.52 66.48 一并4#2∶433.52 66.48 三并5#3∶350.21 49.79 一并6#3∶350.21 49.79 三并7#4∶266.85 33.15 一并8#5∶183.45 16.55 一并

注：n(黃)∶n(藍)表示黃色條子與藍色條子根數(shù)之比。

圖2 二組分條混混色棉紗切片樣本

Fig.2 Slice samples of two-component colored cotton yarn

表3 三組分混色棉紗的條混配色方案Tab.3 Color mixing scheme of three-componentblending cotton yarn

編號條子配比纖維占比/%n(紅)∶n(黃)∶n(藍)紅黃藍混合方式14#1∶1∶416.9116.3766.72一并15#1∶1∶416.9116.3766.72三并16#1∶2∶316.9632.8550.19一并17#1∶2∶316.9632.8550.19三并18#1∶3∶217.0149.4233.57一并19#1∶3∶217.0149.4233.57三并20#1∶4∶117.0766.116.83一并21#1∶4∶117.0766.116.83三并22#2∶1∶333.7416.3349.93一并23#2∶2∶233.8532.7733.38一并24#2∶3∶133.9549.3116.74一并25#3∶1∶250.5016.3033.20一并26#3∶2∶150.5632.6916.65一并27#4∶1∶167.9016.1215.98一并

注：n(紅)∶n(黃)∶n(藍)表示紅色條子、黃色條子與藍色條子根數(shù)之比。

表4 粗紗混合的二組分混色棉紗生產工藝

Tab.4 Spinning parameters of two-component mixedcolor cotton yarn blending by two rovings

編號纖維占比/%喂入速度/(m·min-1)黃藍黃藍9#16.7883.220.511.4110#33.5266.481.032.1011#50.2149.791.541.5712#66.8533.152.041.0513#83.4516.552.550.52

表5 粗紗混合的三組分混色棉紗生產工藝

Tab.5 Spinning parameters of three-component mixedcolor cotton yarn blending by three rovings

編號纖維占比/%喂入速度/(m·min-1)紅黃藍紅黃藍28#16.9116.3766.720.520.502.1129#16.9632.8550.190.531.001.5930#17.0149.4233.570.531.511.0631#17.0766.1016.830.532.020.5332#33.7416.3349.931.050.501.5833#33.8532.7733.381.051.001.0534#33.9549.3116.741.051.510.5335#50.5016.3033.201.570.501.0536#50.5632.6916.651.571.000.5337#67.9016.1215.982.110.490.50

2.2 切片樣本制作

以37種混色棉紗為研究對象，每種紗線選取5張清晰的切片樣本，共185個切片樣本來計算每種紗線橫截面中纖維的漢密爾頓轉移指數(shù)M，分析各色纖維的徑向分布情況。二組分混色棉紗切片樣本如圖2、3所示，三組分混色棉紗的切片樣本如圖4、5所示。

圖3 二組分粗紗混色棉紗切片樣本

Fig.3 Slice samples of two-component roving blended cotton yarn

圖4 三組分條混混色棉紗切片樣本

Fig.4 Slice samples of three-component colored cotton yarn

圖5 三組分粗紗混色棉紗切片樣本

Fig.5 Slice samples of three-component roving blended cotton yarn

2.3 計算與分析

根據(jù)得到的切片樣本觀察混色棉紗各組分纖維在紗線徑向的分布，計算各組分纖維漢密爾頓轉移指數(shù)M。

漢密爾頓轉移指數(shù)M是測定混紡紗中纖維徑向分布的重要指標。一般M值在-100%～100%范圍內。M為0時表示各組分纖維均勻分布；M為負表示該組分纖維優(yōu)先向內轉移；M為正表示該組分纖維優(yōu)先向外轉移；M為±100%時，表示纖維在紗線內完全分離；M為100%時，纖維集中分布在紗線外層；M為-100%時，纖維集中分布在紗線內層[8-10]。

本文實驗中每種紗各制做5個切片樣本，按照漢密爾頓轉移指數(shù)的計算方法，首先對紗線切片樣本采用半徑5等分法作外接圓，然后分割此圓或橢圓半徑成5等分。作5個同心圓，將紗的橫截面分成5層，由里向外將紗截面依次編為1、2、3、4、5個纖維層。分別統(tǒng)計每層圓環(huán)中各色纖維的根數(shù)，對樣品進行分析后計算出各色纖維的漢密爾頓轉移指數(shù)M，取平均值為該紗線的漢密爾頓轉移指數(shù)。

以二組分混色棉紗為例，漢密爾頓轉移指數(shù)計算步驟如下。

1)制作紗線橫截面切片，在電子顯微鏡下進行圖像采集，根據(jù)圖像確定紗線外輪廓的圓邊界，然后確定紗線中心，將半徑5等分，作外輪廓同心圓或同心橢圓，將橫截面分成5個纖維層，按照由紗心向外依次計為第 1 層，第 2 層，，第 5層。圖6示出二組分紗線切片樣本等分同心圓的示意圖。

圖6 二組分混色棉紗切片樣本等分同心圓

Fig.6 Two-component mixed-color cotton yarn slice sample divided into concentric circles

2)計數(shù)各層各色纖維的數(shù)量，計算每種顏色纖維的實際占用橫截面積。在計數(shù)纖維時，一些纖維會分布在纖維層的邊界上，當纖維橫截面積大于1/2時，則認為纖維分布在面積較大的那層，計數(shù)1根纖維，當1根纖維在相鄰2層分布相等時，計數(shù)為0.5個。計算纖維的實際橫截面積時，需要對纖維的數(shù)量和纖維的平均橫截面積進行求積。由于實驗中纖維試樣均為棉纖維，其平均橫截面積相等，設定棉纖維平均截面積為1，則每種有色纖維的實際占有截面積為纖維根數(shù)。

3)根據(jù)式(1)計算纖維的實際面積分布一次矩。

FA=-2A1-A2+2A4+A5

(1)

式中：A表示1種顏色的纖維根數(shù)；Ai表示第i層該顏色纖維根數(shù)。

4)計算纖維的均勻分布一次矩

(2)

式中：A表示5層1種顏色纖維的總根數(shù)；ti表示第i層所有顏色纖維的總根數(shù)；T為紗線截面所有纖維總根數(shù)。

5)比較步驟3)、4)，若FU-FA>0，則纖維優(yōu)先分布在內層，依次填充第1層，第2層直到這種纖維全部填充完，依照纖維新的分布情況，計算該纖維的最大向內分布一次矩FI；若FU-FA<0，則纖維優(yōu)先分布在外層，依次填充第5層，第4層直到所有的該纖維填充完，依照該纖維新的分布情況，計算最大向外分布一次矩FO[11]。

6)計算纖維的漢密爾頓轉移指數(shù)M。若FU-FA>0，按式(3)計算；若FU-FA<0，按式(4)計算。

(3)

(4)

三組分混色棉紗各色纖維漢密爾頓轉移指數(shù)計算方法與二組分混色棉紗各色纖維漢密爾頓轉移指數(shù)計算方法相同。

3 實驗結果與討論

經過計算，分別得出3種不同混合方式(一并條混、三并條混和粗紗混合)所制得二色和三色混紡紗線的纖維轉移指數(shù)，如表6、7所示，其平均值分別如圖7、8所示。

表6 二組分混色棉紗各樣本漢密爾頓轉移指數(shù)

Tab.6 Hamilton transfer indexes for various samples oftwo-component blending cotton yarn

樣本編號漢密爾頓轉移指數(shù)/%黃色纖維藍色纖維1#-3.443.442#4.41-4.413#-2.462.464#-2.702.705#1.39-1.396#1.81-1.817#-4.484.488#11.47-11.479#8.24-8.2410#-5.665.6611#-0.850.8512#-2.302.3013#-5.435.43

表7 三組分混色棉紗各樣本漢密爾頓轉移指數(shù)

Tab.7 Hamilton transfer index for various samples ofthree-component blending cotton yarn

樣本編號漢密爾頓轉移指數(shù)/% 黃色纖維藍色纖維紅色纖維14#1.194.613.5015#-0.385.68-9.5016#0.780.69-2.0717#-6.16-2.49-6.6018#-5.09-1.627.3519#-3.26-1.691.2320#-6.475.882.9321#1.11-2.730.6422#-5.644.09-0.0823#-6.733.693.7724#6.030.12-7.1325#0.26.78-5.0826#-3.65-7.166.0927#8.97-2.99-3.0628#5.47-5.749.5729#0.61-2.662.9930#11.85-3.04-7.8631#-8.3314.24-2.9232#6.62-3.47-0.7333#4.030.60-4.4634#12.103.84-14.6335#2.33-4.431.9636#-5.79-11.033.0137#8.98-9.310.12

圖7 三組分轉杯紡混色棉紗漢密爾頓轉移指數(shù)

Fig.7 Hamilton transfer index of three-component colored cotton yarn

圖8 二組分轉杯紡混色棉紗漢密爾頓轉移指數(shù)

Fig.8 Hamilton transfer index of two-component colored cotton yarn

由圖7可知：三組分轉杯紡混色棉紗中，粗紗混色棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉移指數(shù)絕對值之和為7.18%，一并條混棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉移指數(shù)絕對值之和為3%，三并條混棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉移指數(shù)絕對值之和為5.03%，所以三組分混色棉紗各混合方式中一并條混優(yōu)于三并條混，三并條混優(yōu)于粗紗混色；3種混合方式紡制的三組分混色棉紗各組分纖維轉移指數(shù)均在±4%范圍內，說明混色棉紗中纖維分布均勻。

由圖8可知：二組分轉杯紡混色棉紗中，粗紗混色棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉移指數(shù)絕對值之和為2.4%，一并條混棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉移指數(shù)絕對值之和為1%，三并條混棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉移指數(shù)絕對值之和為2.34%；一并條混的二組分混色棉紗均勻度最好，三并條混的二組分混色棉紗均勻度略優(yōu)于粗紗混色；3種混合方式紡制的二組分混色棉紗各組分纖維轉移指數(shù)均在±2%范圍內波動，表示二組分混色棉紗中纖維徑向分布均勻。

綜合可知，采用3種混合方式得到紗線的漢密爾頓轉移指數(shù)均低于±25%，且均在±5%的范圍內，說明混合方式對轉杯紡混色棉紗的徑向分布沒有明顯影響。轉杯紡紗系統(tǒng)成紗中纖維束通過分梳輥的梳理和混合，在轉杯內離心力作用下再次混合并凝聚成須條，經加捻后成紗，再由引紗羅拉導出形成紗線。所以無論以何種混合方式得到的纖維束再次通過轉杯紡紗機紡紗，分梳輥和轉杯的再次梳理混合都能使紗線中的纖維分布均勻。

4 結 論

本文采用3種混合方式對轉杯紡細紗的纖維徑向分布特征進行了研究，結果表明，3種混合方式得到棉紗的漢密爾頓轉移指數(shù)均在±5%的范圍內，低于±25%，說明混合方式對轉杯紡混色棉紗的均勻度沒有明顯影響。轉杯紡是一種可實現(xiàn)纖維均勻混合的成紗方法，成紗過程中通過分梳輥的纖維在轉杯內重新混合、集聚、加捻，各色纖維都會出現(xiàn)由外向內、再由內向外反復變換多次位置的情況，所以切片中各色纖維會有時向內轉移，有時向外轉移，表現(xiàn)為各色纖維的漢密爾頓轉移指數(shù)的實驗數(shù)據(jù)有正有負，但紗線中纖維總體分布均勻。在轉杯紡混色棉紗的生產實踐中可根據(jù)實際情況，選擇最有利的混色方式，以達到效益最大化。