基于粗紗工序的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗影響因素研究

顧銀華 郭明瑞 高衛(wèi)東

（江南大學(xué)，江蘇無錫，214122）

隨著人們對牛仔服飾個性化和多元化的追求，牛仔用紗線的紡紗工藝和品種也向多樣化發(fā)展［1-2］。目前，市場上見到的包芯紗、色紡紗和新型紗線用于牛仔布，深受消費者的青睞［3］。色紡紗線色彩豐富，織物色澤飽滿柔和，是紗線市場的緊俏產(chǎn)品［4］。因此，開發(fā)一種低成本且具有獨特風(fēng)格的新型牛仔用色紡紗成為生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的焦點。短纖包短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗線是在經(jīng)技術(shù)改造的粗紗機(jī)上，采用兩種不同原料的芯紗和鞘紗經(jīng)牽伸加捻紡制皮芯結(jié)構(gòu)粗紗，再喂入環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡制而成，是一種具有特殊外觀效果的新型牛仔用色紡紗［5］。但是，目前市場上出現(xiàn)的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗多為皮芯異質(zhì)，缺少對皮芯同質(zhì)紗線的研究。

本文旨在開發(fā)一種皮芯同質(zhì)的皮芯結(jié)構(gòu)紗（以下簡稱皮芯紗），通過在粗紗工序同時喂入兩根同質(zhì)、異色的棉條和粗紗，配合一定的喂入形式紡制出皮芯粗紗，再經(jīng)細(xì)紗工序獲得皮芯細(xì)紗。研究棉條與粗紗的喂入形式、芯纖維比例和皮芯粗紗定量對皮芯紗結(jié)構(gòu)的影響，利用圖像法連續(xù)采集紗線表面圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理測得皮芯紗的芯纖維外露比例及其CV值，對皮芯紗的外觀效果進(jìn)行定量分析，并探究皮芯粗紗橫截面中芯纖維分布與皮芯紗芯纖維外露比例的相關(guān)性。

1 短纖皮芯紗紡紗原理

為使加捻過程中芯纖維不易外露，芯纖維需在前羅拉輸出須條中間，包覆效果較好［6-8］。首先設(shè)計粗紗機(jī)用棉條與粗紗組合喂入的后喇叭口，使芯纖維粗紗和鞘纖維棉條上下重疊喂入，并控制粗紗位于棉條橫向中間位置，以使芯纖維位于輸出鉗口的加捻三角區(qū)橫向中間位置，進(jìn)而在加捻過程中被兩側(cè)纖維包覆，形成皮芯粗紗。

設(shè)計了A、B兩種粗紗機(jī)用后喇叭口。A喇叭口為上下結(jié)構(gòu)的雙眼喇叭口，上下喇叭口出口口徑寬度×厚度分別為5 mm×2 mm、15 mm×4 mm，如圖1所示。B喇叭口為上下連通喇叭口，上方孔徑直徑為4.5 mm，下方棉條出口口徑寬度×厚度為15 mm×4 mm，如圖2所示。

圖1 A喇叭口

圖2 B喇叭口

為了充分體現(xiàn)芯鞘纖維的區(qū)分度，本文選用黑色棉纖維作為鞘纖維，即黑色棉條；本色棉纖維作為芯纖維，即本色粗紗。粗紗和棉條上下重疊同時喂入B喇叭口，如圖3（a）所示。粗紗與棉條經(jīng)牽伸后出前羅拉鉗口，芯纖維位于加捻三角區(qū)橫向中間，通過加捻作用，使輸出的芯纖維包覆于鞘纖維中，粗紗機(jī)的加捻三角區(qū)如圖3（b）所示。

圖3 粗紗喇叭口喂入?yún)^(qū)和加捻三角區(qū)

2 基于圖像處理的紗線表面皮芯纖維分布表征

2.1 皮芯細(xì)紗圖像采集

圖像采集裝置由數(shù)碼顯微鏡和導(dǎo)紗裝置組成，如圖4所示。采用KEYENCE VHX-5000型數(shù)碼顯微鏡對皮芯細(xì)紗進(jìn)行連續(xù)的圖像采集。單張圖片采集紗線長度3.4 mm，紗線采樣間距1.3 mm，紗線采樣長度為50 m。

圖4 紗線圖像采集裝置

2.2 皮芯細(xì)紗圖像處理

試驗所用纖維為黑色和本色兩種顏色棉纖維，兩種顏色的灰度值差異較大，可以選用灰度值來區(qū)分。由于紗線圖像包括背景，先對紗線圖像進(jìn)行截取獲得紗體部分，如圖5所示。采用MATLAB軟件處理紗線圖像，選用不同灰度值作為閾值對紗線圖像進(jìn)行分割，通過人工比對所獲得閾值分割圖像與原圖像［9］，先選取不同的灰度值對一張具有代表性的圖片進(jìn)行二值化，選取最優(yōu)閾值（Gray＝60），閾值分割圖像如圖6所示。認(rèn)為灰度值大于閾值的像素點為紗線表面本色纖維，灰度值小于閾值的像素點為紗線表面黑色纖維。定義芯纖維外露比例表征紗線表面芯纖維分布數(shù)量，芯纖維外露比例變異系數(shù)表征芯纖維在紗線表面沿長度方向的分布情況，進(jìn)而對紗線的包覆效果進(jìn)行定量分析。芯纖維外露比例和芯纖維外露比例變異系數(shù)的計算見式（1）、式（2）。

式中：P表示芯纖維外露比例；a表示本色纖維像素點；b表示黑色纖維像素點；CV（P）表示芯纖維外露比例變異系數(shù)；σ(P)表示芯纖維外露比標(biāo)準(zhǔn)差；-P表示芯纖維外露比例平均值。

圖5 皮芯紗線原圖

圖6 皮芯紗線二值化圖

3 試驗

3.1 紡紗工藝

粗紗工序包括兩個步驟。一是芯纖維粗紗制備：根據(jù)芯纖維比例及鞘纖維棉條定量計算出3種不同芯纖維比例所需本色芯纖維粗紗的定量，采用21.9 g/5 m的本色棉條紡制所述3種定量的芯纖維粗紗分別為7.5 g/10 m、10 g/10 m、12 g/10 m，其捻系數(shù)分別為104、110、114。二是皮芯粗紗制備：將所紡芯纖維粗紗分別與定量為16 g/5 m的鞘纖維黑色棉條同時喂入粗紗機(jī)，紡制不同粗紗工藝參數(shù)的皮芯粗紗。

為了比較兩種喇叭口、不同芯纖維比例及皮芯粗紗定量對細(xì)紗結(jié)構(gòu)的影響，分別選用A、B兩種喇叭口，紡制9種不同芯纖維比例和不同定量的皮芯粗紗，具體參數(shù)見表1。再經(jīng)FA507B型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡制號數(shù)為36.4 tex、19.4 tex的皮芯細(xì)紗，兩種號數(shù)對應(yīng)的捻系數(shù)分別為320、330；后區(qū)牽伸分別取1.15倍、1.19倍。

表1 短纖皮芯粗紗工藝參數(shù)

3.2 紗線性能測試

影響短纖皮芯紗成紗質(zhì)量的主要指標(biāo)有條干均勻度、拉伸斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率等［10］。將所紡制不同規(guī)格參數(shù)的36種短纖皮芯紗，采用USTER TESTER 5型條干均勻度測試儀測試紗線條干CV值，測試速度400 m/min，測試長度400 m。采用YG063型全自動單紗強(qiáng)力儀測試單紗拉伸斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率，試樣夾距500 mm，取 樣 間 隔500 mm，拉 伸 速 度500 mm/min，預(yù)加張力0.5 cN，每管紗測試20次取平均值。

3.3 皮芯粗紗橫截面芯纖維和鞘纖維分布

根據(jù)粗紗在細(xì)紗機(jī)牽伸區(qū)中的運動規(guī)律，以及加捻三角區(qū)纖維須條在加捻過程中的纖維轉(zhuǎn)移規(guī)律，可以推測皮芯粗紗中芯纖維在粗紗橫截面中的分布對所紡皮芯細(xì)紗表面芯纖維外露程度有影響。為了探究皮芯粗紗橫截面中芯纖維分布與皮芯紗芯纖維外露比例的相關(guān)性，本文參考表達(dá)纖維在紗中徑向分布的經(jīng)典方法——漢密爾頓指數(shù)［11］。皮芯粗紗橫截面形態(tài)如圖7所示。采用圓心距（芯纖維所處外接圓圓心與皮芯粗紗外接圓圓心的距離）平均值和皮芯粗紗外接圓半徑平均值的比值來表征芯纖維在皮芯粗紗橫截面中的位置情況。首先用捻度儀對皮芯粗紗再加捻，獲取纖維排列緊密、截面接近圓形的粗紗，用火棉膠浸透該粗紗使其固化，待干燥硬化后，用刀片均勻切取粗紗截面切片，在數(shù)碼顯微鏡下觀察截面形態(tài)，并得到清晰的紗線截面圖像，利用測量軟件測得芯纖維所處外接圓和皮芯粗紗外接圓的半徑以及兩者圓心的距離，每種規(guī)格的紗線各測量30個切片。

圖7 皮芯粗紗橫截面形態(tài)

4 結(jié)果與討論

4.1 粗紗芯纖維位置分析

不同規(guī)格皮芯粗紗圓心距與外接圓半徑的比例見表2。皮芯粗紗圓心距與外接圓半徑的比例越小，說明芯纖維和鞘纖維外接圓越接近同心圓。從紡紗原理可知：芯纖維位置越接近紗線中間，皮芯粗紗芯纖維外露就會越小，紗線包覆效果越好。試驗結(jié)果表明：皮芯粗紗定量恒定，芯纖維比例減少時，皮芯粗紗圓心距與外接圓半徑比例會減小；芯纖維比例恒定，皮芯粗紗定量增加時，皮芯粗紗圓心距與外接圓半徑比例也會減小。

表2 皮芯粗紗圓心距與外接圓半徑的比例

4.2 短纖皮芯紗包覆效果分析

36.4 tex短纖皮芯紗采用兩種喇叭口，改變芯纖維比例時，隨著皮芯粗紗定量的增大，所采集紗線圖像的芯纖維外露比例的變化規(guī)律如圖8表示。

圖8 短纖皮芯紗芯纖維外露比例變化規(guī)律

試驗結(jié)果表明：喇叭口形式及芯纖維比例一定時，隨著皮芯粗紗定量的增加，芯纖維外露比例有減小的趨勢，原因可能為粗紗定量增大，皮圈鉗口中握持的粗紗纖維厚度較大，位于中心的芯纖維在牽伸過程中仍然傾向于分布在輸出須條的厚度方向的中心，在加捻卷繞過程中，較多的分布在紗線芯層。喇叭口形式及皮芯粗紗定量一定時，芯纖維比例增加，芯纖維外露比例增加，這是由于芯纖維比例增加會導(dǎo)致外包纖維層變薄，粗紗在牽伸過程中，芯纖維向外層轉(zhuǎn)移變得容易。不同紡紗工藝參數(shù)紡制短纖皮芯紗，選用B喇叭口時所采集紗線圖像的芯纖維外露比例均比選用A喇叭口小，說明選用B喇叭口時，在短纖皮芯紗表面本色芯纖維分布較少，紗線包覆效果較好，相比于A喇叭口，采用B喇叭口，芯纖維粗紗與棉條匯聚點下移，在喇叭口出口之前匯聚，芯纖維在棉條中的橫向位置更精確，進(jìn)而所紡皮芯粗紗中芯纖維更傾向位于粗紗中心，所紡細(xì)紗芯纖維外露比例較低。

為比較紡制不同號數(shù)細(xì)紗，紗線的外觀效果，選用B喇叭口，芯纖維比例為19.0%時，不同皮芯粗紗定量紡制19.4 tex和36.4 tex的紗線，所采集芯纖維外露比例的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可以看出，紡制36.4 tex短纖皮芯紗的芯纖維外露比例均比19.4 tex的小。結(jié)果表明：在粗紗定量一定的條件下，較小的牽伸更有利于減少芯纖維向外轉(zhuǎn)移的幾率。

圖9 短纖皮芯紗芯纖維外露比例變化規(guī)律

4.3 紗線性能對比

皮芯粗紗定量為6.8 g/10 m紡制號數(shù)為36.4 tex的短纖皮芯紗與普通環(huán)錠紗的條干及拉伸性能的測試結(jié)果見表3。試驗結(jié)果表明，不同工藝參數(shù)紡制的短纖皮芯紗與同規(guī)格的普通環(huán)錠紗的成紗質(zhì)量差異不明顯。

表3 短纖皮芯紗成紗質(zhì)量對比

5 結(jié)論

通過對短纖皮芯紗的結(jié)構(gòu)影響因素探討，得出以下結(jié)論。

（1）皮芯粗紗定量恒定，芯纖維比例減少時，皮芯粗紗中芯纖維和鞘纖維外接圓越接近同心圓，芯纖維越接近皮芯粗紗的中間位置，所紡皮芯細(xì)紗芯纖維外露比例有減小的趨勢。

（2）芯纖維比例恒定，皮芯粗紗定量增加，皮芯粗紗圓心距與外接圓半徑比例會減小，所紡皮芯細(xì)紗芯纖維外露比例減小。

（3）同一皮芯粗紗所紡細(xì)紗號數(shù)越大，芯纖維外露比例越低。同規(guī)格的短纖皮芯紗與普通環(huán)錠紗的成紗質(zhì)量無明顯差異。