基于圖像的噴氣渦流紡紗線捻度測(cè)試方法探討

李 浩， 邢明杰， 孫志豪， 吳 瑤

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 山東 青島 266071)

噴氣渦流紡是日本村田公司基于噴氣紡改進(jìn)的一種高效的紡紗方式。其原理是利用空氣渦流作用，使纖維束開松成單根狀態(tài)的纖維在噴氣渦流管內(nèi)凝聚加捻成紗。這也造成因成紗機(jī)制不同而使噴氣渦流紡的成紗強(qiáng)力要明顯低于環(huán)錠紡。噴氣渦流紡是通過氣流對(duì)纖維進(jìn)行加捻的自由端紡紗方式，所成紗線一般由外層纖維與內(nèi)層纖維2部分組成，內(nèi)層大約有30%的平行纖維并沒有被加捻，由外層被加捻的短纖維包覆成紗[1]。但噴氣渦流紡具有紡紗流程短、生產(chǎn)效率高、設(shè)備自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)。在投入市場(chǎng)使用之后，引起了國(guó)內(nèi)外紡織企業(yè)的廣泛關(guān)注[2]。

由于噴氣渦流紡紗線獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的捻度測(cè)試方式如加捻退捻法已不適用。為此，本文在分析噴氣渦流紡紗線與傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探尋適用于測(cè)試和表征其捻度的有效方法：1)使用電子顯微鏡拍攝噴氣渦流紡紗線的外觀圖像，通過Photoshop圖像處理軟件獲得紗線捻回角，再借助公式計(jì)算出噴氣渦流紡紗線的捻度；2)使用電子顯微鏡拍攝噴氣渦流紡紗線的截面圖像，通過Onion指數(shù)界定紗線的內(nèi)外層，發(fā)現(xiàn)紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比與紗線捻系數(shù)具有相關(guān)性，認(rèn)為可用紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比表征噴氣渦流紡紗線加捻程度。

1 噴氣渦流紡紗線結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的環(huán)錠紡紗線相比，噴氣渦流紡紗線由于加捻方式的不同在紗線結(jié)構(gòu)上也有著較大的差異。環(huán)錠紡紗線是由纖維繞錠子旋轉(zhuǎn)加捻而得，纖維內(nèi)外纏繞聯(lián)結(jié)。而噴氣渦流紡屬于一種自由端紡紗，在加捻的過程中，纖維尾端在空氣渦流的作用下包纏加捻，所以纖維并沒有被完全加捻，而是一部分作為了纖維芯層沒有捻度，而另一部分作為纖維外層將纖維芯層緊緊包纏，由此形成了其獨(dú)特的紗線結(jié)構(gòu)[3]。本文借助Tescan VEGA3鎢絲燈掃描電子顯微鏡(捷克Tescan公司)同時(shí)觀察噴氣渦流紡紗線與環(huán)錠紡紗線外觀(見圖1)。照片上左側(cè)為環(huán)錠紡紗線，右側(cè)為噴氣渦流紡紗線。

圖1 電鏡下紗線外觀照片(×57)Fig.1 Picture of yarn appearance under electron microscope(×57)

基于對(duì)噴氣渦流紡成紗原理的分析及其紗線在電子顯微鏡下外觀形態(tài)的觀察，可構(gòu)建噴氣渦流紡紗線的結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。本文所用的模擬軟件為SolidWorks 2020。通過模型可以較為直觀地看出，由于噴氣渦流紡紗線內(nèi)層平行纖維的存在，若將其退捻，勢(shì)必會(huì)造成內(nèi)外層紗線不斷變換且纖維轉(zhuǎn)移，故傳統(tǒng)的測(cè)捻方式并不適用噴氣渦流紡紗線。本文在分析噴氣渦流紡紗線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出通過圖像來測(cè)定紗線捻度。

圖2 噴氣渦流紡紗線結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of air-jet vortex spinning yarn

2 噴氣渦流紡紗線捻度測(cè)定

實(shí)驗(yàn)樣品：36 tex 滌綸/粘膠(70/30)、 38 tex滌綸/粘膠(85/15)、 40 tex滌綸/粘膠(65/35)噴氣渦流紡紗線(本文實(shí)驗(yàn)所用紗線樣品均來自山東高密元信紡織有限公司)

2.1 基于紗線外觀圖像的測(cè)試方法

基于紗線外觀圖像測(cè)捻度原理：先利用掃描電子顯微鏡拍攝噴氣渦流紡紗線外觀照片，再采用Photoshop圖像處理軟件對(duì)拍攝的電子顯微鏡圖像進(jìn)行處理，測(cè)量出紗線的捻回角，之后通過公式計(jì)算出捻系數(shù)。

取上述不同線密度的3種紗線樣品各20組保證其成紗加捻狀態(tài)，在恒溫恒濕室內(nèi)放置48 h，減少外部條件帶來的誤差，然后對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，增加其導(dǎo)電性，便于電鏡觀察。借助掃描電鏡獲得噴氣渦流紡紗線外觀照片。再用Photoshop軟件對(duì)外觀照片進(jìn)行處理：將紗線表面纖維的加捻方向用實(shí)線標(biāo)出，選擇整根紗線的軸向方向作為水平方向放置量角器，則水平方向與實(shí)線所標(biāo)出的纖維方向二者所呈的夾角即紗線的捻回角，如圖3所示。

圖3 用圖像法測(cè)試紗線捻度(×200)Fig.3 Test of yarn twist by image(×200)

β—捻回角；d—直徑(mm)；T—捻度(捻/(10 cm))。圖4 紗表面理想模型以及捻回角的示意圖Fig.4 Ideal model of yarn surface and schematic diagram of twist angle

再通過紗線表面理想模型[3](見圖4)與式(1)可計(jì)算出紗線樣品的體積質(zhì)量δ， 然后用測(cè)得的紗線捻回角β和紗線直徑d，用式(2)計(jì)算紗線的捻系數(shù)[3]，測(cè)試結(jié)果見表1。

(1)

(2)

式中：α為捻系數(shù)；β為捻回角；δ為體積質(zhì)量；d為纖維直徑，mm；Tt為線密度，tex。

為驗(yàn)證用圖像法測(cè)捻度的準(zhǔn)確性和可行性，本文采用原始直觀計(jì)數(shù)法測(cè)試了相同樣品的捻度，即截取10 cm長(zhǎng)度的紗線通過放大鏡觀察，數(shù)出10 cm長(zhǎng)度內(nèi)紗線的捻回?cái)?shù)，然后通過式(3)計(jì)算出紗線的捻系數(shù)[3]，測(cè)試結(jié)果見表1。

(3)

式中：T為捻度，10 cm紗線的捻回?cái)?shù),捻/(10 cm)。

表1 圖像法與計(jì)數(shù)法測(cè)試噴氣渦流紡紗線捻度結(jié)果Tab.1 Image method and counting method to test twist of air-jet vortex yarn

由表1所示測(cè)試結(jié)果可知，依照捻系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)，借助掃描電子顯微鏡拍攝紗線外觀圖像再用相關(guān)軟件處理可獲得紗線捻回角，用紗線直徑及捻回角計(jì)算出的噴氣渦流紡紗線捻系數(shù)與傳統(tǒng)直觀計(jì)數(shù)法測(cè)試結(jié)果較為接近，故認(rèn)為用圖像法測(cè)定噴氣渦流紡紗線捻度是可行性，但實(shí)驗(yàn)過程中也反映出圖像法測(cè)試存在的不足：測(cè)試工具要用到電子顯微鏡等儀器，測(cè)試成本較高；同時(shí)對(duì)測(cè)試試樣的要求較高，若試樣存在較多毛羽，條干不勻等問題，則無法保證成像的清晰度和測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2.2 基于紗線截面圖像的測(cè)試方法

由于噴氣渦流紡紗線的特殊結(jié)構(gòu)，噴氣渦流紡紗線的加捻程度基本由外層紗線所決定。噴氣渦流紡紗線中外層纖維所占比例越高，則紗線的加捻程度越大，捻度越大[4]。

在噴氣渦流紗成紗過程中，纖維的加捻程度主要是由渦流管中錐面體周圍的氣流作用所決定。而外層纖維的形成并不是一個(gè)瞬間完成的過程，在纖維頭端進(jìn)入引紗管的過程中，如果渦流較大，則在纖維尾端脫離引導(dǎo)針的瞬間，還未進(jìn)入引紗管的部分纖維則會(huì)以較快的速度分散到錐面體四周，隨著渦流的流向回轉(zhuǎn)而獲得一定捻度，完成纖維束的凝聚，此時(shí)，紗線的加捻程度較高；如果氣流作用較弱，在纖維尾端脫離引導(dǎo)針后，纖維在分散到錐面體四周的同時(shí)，會(huì)有較多的纖維繼續(xù)進(jìn)入引紗管成為芯紗部分，此時(shí)紗線的加捻程度較低[5-6]，所以，如果作為芯紗的纖維數(shù)量多而外層紗的纖維少，此時(shí)外層紗的卷繞程度較低，紗線捻度較弱；反之，作為外層紗的纖維量多，則加捻程度高[7-8]。根據(jù)這一成紗原理，可作出推測(cè)，是否可用內(nèi)外層纖維數(shù)量來表征噴氣渦流紡紗線的加捻程度。本文通過實(shí)驗(yàn)及相關(guān)性檢驗(yàn)等手段論證這一推測(cè)。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)材料為不同混紡比的噴氣渦流紡紗線：1#試樣為36 tex滌綸/粘膠(85/15)混紡紗；2#試樣為36 tex滌綸/粘膠(70/30)混紡紗；3#試樣為36 tex滌綸/粘膠(65/35)混紡紗。

將3種紗線試樣放置于恒溫恒濕室內(nèi)48 h，采用Y172型哈氏切片器(常州德普紡織有限公司)制備紗線切片，借助Tescan VEGA3鎢絲燈掃描電鏡獲得紗線橫截面照片。由于紗線的內(nèi)層與外層不好界定，本文采用了Onion指數(shù)判定法來區(qū)分紗線內(nèi)層與紗線外層。

Onion指數(shù)是用來表征混合紗線表層纖維混合比的。當(dāng)混紡紗線包含2種組分時(shí)，如a纖維與b纖維混紡，混紡比為x：y，且x+y=1。如果實(shí)際測(cè)得紗線表層a纖維為p根，b纖維為q根，則紗線的Onion指數(shù)[9]為

(4)

式中：O為紗線Onion指數(shù)；x為a纖維占紗線的百分比，%；y為b纖維占紗線的百分比，%；p為紗線外層a纖維根數(shù)；q為紗線外層b纖維所占根數(shù)。當(dāng)O>1時(shí)，表明a纖維在紗線表層分布較多，反之，b纖維在紗線表層分布較多。

Onion指數(shù)可以綜合表達(dá)纖維在紗線中的徑向分布。本文實(shí)驗(yàn)中由于滌綸/粘膠混紡紗線中2種纖維在紗線外層與紗線內(nèi)層數(shù)量分布不同，所以O(shè)nion指數(shù)可用作區(qū)分紗線內(nèi)外層的標(biāo)準(zhǔn)。具體區(qū)分方法為：選取3種紗線橫截面電鏡照片各1張，作為參照試樣。運(yùn)用Photoshop軟件將外層松散纖維與內(nèi)層較密集的纖維以圓形區(qū)分，見圖5。觀察外層纖維，數(shù)出確定的紗線外層中滌綸與粘膠的根數(shù)(截面呈圓形為滌綸，截面呈不規(guī)則形狀為粘膠)，然后根據(jù)3種紗線的混紡比計(jì)算3種紗線的Onion指數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，參照試樣中1#試樣的Onion指數(shù)為0.83，2#試樣的Onion指數(shù)為0.85，3#試樣的Onion指數(shù)為0.76。

圖5 電鏡下噴氣渦流紗橫截面圖片(×350)Fig.5 Cross section of air-jet vortex yarn under electron microscope(×350)

以參照試樣的Onion指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分紗線的內(nèi)外層，即運(yùn)用Photoshop軟件將測(cè)試樣品的電鏡照片以圓形劃分紗線內(nèi)外層，計(jì)算測(cè)試樣品的Onion系數(shù)，不斷調(diào)整圓的大小，直至紗線內(nèi)外層劃分符合參照試樣的Onion系數(shù)，此時(shí)，圓內(nèi)就是紗線內(nèi)層，圓外就是紗線外層。同時(shí)對(duì)紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算紗線的內(nèi)外層纖維數(shù)量比，結(jié)果見表2。

表2 樣本紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of internal and external fiber ratio of sample yarn

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過Onion指數(shù)劃分紗線內(nèi)外層的方法得到的3種不同混紡比紗線的內(nèi)外層纖維數(shù)量比較為接近，且每組樣本數(shù)據(jù)方差較小，數(shù)據(jù)離散程度較小。說明本方法可較穩(wěn)定地區(qū)分紗線的內(nèi)外層纖維。

采用Onion指數(shù)劃分紗線內(nèi)外層可得到紗線的內(nèi)外層纖維數(shù)量比，從而可分析噴氣渦流紡紗線捻系數(shù)與紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比以及紗線線密度之間的相關(guān)性。本文采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行三者之間兩兩的相關(guān)性檢驗(yàn)[10]，以及三者的相關(guān)性，即內(nèi)外層纖維數(shù)量比和捻系數(shù)與線密度比值的關(guān)系。

由于相關(guān)性檢驗(yàn)的變量為3個(gè)，本軟件進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)樣本個(gè)數(shù)需要9個(gè)，所以本次測(cè)試采用實(shí)驗(yàn)樣本為36 tex 滌綸/粘膠(70/30)、 38 tex滌綸/粘膠(85/15)、 40 tex滌綸/粘膠(65/35)噴氣渦流紡紗線各3組，根據(jù)2.1節(jié)中的用紗線外觀圖像測(cè)捻度法及Onion指數(shù)劃分紗線內(nèi)外層的方法分別測(cè)試其捻系數(shù)與內(nèi)外層纖維數(shù)量比，結(jié)果見表3。

表3 試樣紗線捻系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of twist coefficient of sample yarn

2.2.2 相關(guān)性分析

將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS中進(jìn)行相關(guān)性分析，使用Pearson相關(guān)系數(shù)表示噴氣渦流紡紗線線密度、捻系數(shù)、內(nèi)外層纖維數(shù)量比三者之間相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱情況，結(jié)果見表4。

表4 Pearson相關(guān)系數(shù)結(jié)果Tab.4 Pearson correlation coefficient results

根據(jù)表中數(shù)據(jù)結(jié)果可知，紗線線密度與捻系數(shù)之間的顯著系數(shù)為0.800，表示二者之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，為正相關(guān)。線密度與內(nèi)外層纖維數(shù)量比、 捻系數(shù)與線密度比之間無顯著相關(guān)關(guān)系。捻系數(shù)與線密度比與內(nèi)外纖維數(shù)量比之間呈現(xiàn)出顯著性，相關(guān)系數(shù)值為-0.750，全部均小于0，意味著二者之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 論

噴氣渦流紡紗線由于其獨(dú)特的紗線結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的捻度測(cè)試方法退捻法并不能達(dá)到理想的測(cè)試效果，本文探討了2種基于紗線圖像的捻度測(cè)試方法。

一種是利用紗線外觀圖像，即采用紗線外觀圖像測(cè)量噴氣渦流紡紗線捻回角后，再通過公式計(jì)算得到捻系數(shù)，其結(jié)果與傳統(tǒng)直接計(jì)數(shù)法所測(cè)得的紗線捻系數(shù)結(jié)果非常相似，所以利用紗線外觀圖像測(cè)試噴氣渦流紡紗線捻度是可行的。

另一種是基于紗線橫截面圖像。結(jié)合紗線截面圖和Onion指數(shù)，可以界定紗線內(nèi)外層并得到紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比。本文研究發(fā)現(xiàn)，相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示噴氣渦流紡紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比與紗線捻系數(shù)存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即噴氣渦流紡紗線的內(nèi)外層纖維數(shù)量比的比值越大，其捻系數(shù)越小，紗線的加捻程度越低，故可以用紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比來表征噴氣渦流紡紗線的加捻程度。