環(huán)錠紡及轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡混色紗的纖維混合效果研究

楊瑞華， 潘 博， 郭 霞， 王利軍， 李健偉

(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. 德州華源生態(tài)科技有限公司， 山東 德州 253000； 3. 蘇州多道自動(dòng)化科技有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

混色紗是由不同顏色的纖維混合而成的一種新型花色紗線[1]。混色紗兼具紡紗技術(shù)與色彩藝術(shù)，用混色紗紡制的織物表面色彩柔和，艷麗美觀，富有層次感和立體感，有較高的產(chǎn)品附加值[2-4]。

混色紗可以由環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡這3種成紗方法紡制。環(huán)錠紡憑借其原料適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品多樣的優(yōu)勢(shì)在紡紗行業(yè)中占據(jù)主體地位[5-6]，轉(zhuǎn)杯紡、噴氣渦流紡等新型成紗方法因其生產(chǎn)效率高、用工少等優(yōu)勢(shì)也得到迅速的發(fā)展[7]?；焐喌男阅芎推焚|(zhì)在很大程度上受紗線橫截面上不同顏色纖維分布規(guī)律的影響?，F(xiàn)有對(duì)混色紗混合效果的研究多是針對(duì)某種單一成紗方法的研究[8-9]，鮮有對(duì)不同成紗方法紡制混色紗混合效果的對(duì)比分析。為充分了解和預(yù)測(cè)不同成紗方法紡制紗線的性能和混合效果，有必要對(duì)混色紗中不同顏色纖維的徑向分布情況進(jìn)行探究。

條混法是將多根有色條子在并條工序?qū)崿F(xiàn)纖維混合的方法[10]，也是生產(chǎn)混色紗常用的混色方法。本文以紅、白、藍(lán)粘膠纖維為原料，使用條混法分別紡制1道熟條和3道熟條，采用環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡這3種成紗方法將2種熟條紡制成線密度為27.7 tex的6種混色紗，通過計(jì)算混色紗中各色纖維的漢密爾頓指數(shù),測(cè)試成紗結(jié)構(gòu)和紗線性能，研究不同成紗方法對(duì)混色紗混色均勻程度和成紗質(zhì)量的影響。

1 成紗機(jī)制分析

成紗方法不同，混色紗中纖維的混合效果和成紗性能也不同。

環(huán)錠紡的成紗過程為粗紗經(jīng)過牽伸區(qū)被抽長(zhǎng)拉細(xì)成一定細(xì)度的須條，須條從前羅拉鉗口輸出后，經(jīng)過高速錠子和鋼絲圈加捻和卷繞成管紗。環(huán)錠紡混色紗中各色纖維呈螺旋線周期性排列，紗線的徑向結(jié)構(gòu)清晰、緊密，紗線徑向結(jié)構(gòu)上纖維捻合在一起，邊緣纖維聚集，其使用原料范圍廣、成紗強(qiáng)力高，但生產(chǎn)效率不如新型成紗方法[11]。

轉(zhuǎn)杯紡的成紗過程為纖維須條由給棉羅拉喂入分梳輥并分離成單纖維，纖維在分梳輥的離心力和紡杯內(nèi)負(fù)壓氣流的作用下脫離分梳輥，經(jīng)過輸棉管道進(jìn)入紡杯, 在凝聚槽中形成一個(gè)完整的纖維環(huán), 纖維環(huán)隨紡杯高速旋轉(zhuǎn), 在引紗的作用下, 隨捻度不斷地傳遞和連續(xù)剝離的纖維束成紗[12]。轉(zhuǎn)杯紡成紗過程中，分梳輥和轉(zhuǎn)杯配合完成對(duì)須條的抽長(zhǎng)拉細(xì)及纖維并合作用，有利于各色纖維均勻分布。轉(zhuǎn)杯紡生產(chǎn)效率高、加工成本低，使用轉(zhuǎn)杯紡生產(chǎn)的混色紗具有獨(dú)特的色彩風(fēng)格和廣闊的市場(chǎng)空間。

噴氣渦流紡的成紗過程為纖維須條經(jīng)過羅拉機(jī)構(gòu)超大牽伸后，由前羅拉輸出進(jìn)入噴嘴，在高速渦流作用下，纖維須條的頭端被引導(dǎo)進(jìn)入空心管，纖維須條的尾端被高速氣流吹散并在空心管頂端旋轉(zhuǎn)，給纖維須條加捻，紗線由空心管引出后卷繞成筒子紗。噴氣渦流紡生產(chǎn)流程短、生產(chǎn)效率高，但對(duì)原料要求較高，存在使用局限[13-14]，開發(fā)混色紗對(duì)噴氣渦流紡發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)、拓展生產(chǎn)領(lǐng)域具有重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

6種混色紗線密度均為27.7 tex(1#為1道并條的環(huán)錠紡，2#為3道并條的環(huán)錠紡，3#為1道并條的轉(zhuǎn)杯紡，4#為3道并條的轉(zhuǎn)杯紡，5#為1道并條的噴氣渦流紡，6#為3道并條的噴氣渦流紡)，火棉膠、羊毛纖維，市售；紗線分別在TH578環(huán)錠紡紗機(jī)和DS66轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)上紡制。

2.2 性能測(cè)試

2.2.1 紗線縱向結(jié)構(gòu)

使用VHX-5000型超景深三維顯微鏡(日本基恩士公司)，將紗線縱向放大40倍，觀察紗線形貌。

2.2.2 紗線強(qiáng)伸性能

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 單根紗線斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》，使用YG068C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)測(cè)試紗線的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。拉伸速度為500 m/min，取樣長(zhǎng)度為500 mm，預(yù)張力系數(shù)為0.5 cN/tex，取樣間隔為2 m，測(cè)試30次。

2.2.3 紗線條干均勻度

根據(jù)GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗(yàn)方法 第1部分：電容法》，使用USTER TESTER 5型條干測(cè)試儀(瑞士烏斯特公司)測(cè)試紗線的條干均勻度。測(cè)試速度為100 m/min，測(cè)試時(shí)間為1 min，測(cè)試2次。

2.2.4 紗線毛羽

根據(jù)FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測(cè)定方法投影計(jì)數(shù)法》，使用YG172型紗線毛羽測(cè)試儀(陜西長(zhǎng)嶺紡織機(jī)電科技有限公司)測(cè)試紗線的毛羽。測(cè)試速度為30 m/min，片段長(zhǎng)度為10 m，測(cè)試10次。

2.2.5 漢密爾頓指數(shù)

用羊毛纖維包埋紗線，使用Y172型哈氏切片器(常州德普紡織科技有限公司)制備紗線橫截面切片，在SSC-DC4889型光學(xué)顯微鏡(日本索尼公司)下放大100倍，保存其清晰的截面圖像，計(jì)算漢密爾頓指數(shù)。每種混色紗選取5處不同位置進(jìn)行切片及觀察。

漢密爾頓指數(shù)(M)可通過表達(dá)纖維在紗線中徑向分布情況，定量研究纖維混合效果。漢密爾頓指數(shù)以計(jì)算纖維在紗線中的徑向分布矩為基礎(chǔ), 求得某種纖維向內(nèi)或向外的轉(zhuǎn)移分布參數(shù)。M值一般介于-100%～100%之間。當(dāng)M=0時(shí)，表示纖維混合均勻；當(dāng)M>0時(shí), 表示纖維有向外轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)；當(dāng)M<0時(shí), 則表示纖維有向內(nèi)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。M絕對(duì)值的大小, 表示纖維發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移的程度。M的絕對(duì)值越小, 纖維混合效果越好；M的絕對(duì)值越大, 纖維混合效果越差[15-16]。

本文以紅、白、藍(lán)3種顏色粘膠纖維紡制的混色紗為例, 介紹紅色纖維(A)的漢密爾頓指數(shù)計(jì)算方法。

1) 制作混色紗截面等分同心圓。使用繪圖軟件(PS)確定混色紗橫截面切片圖像的圓形外邊界和紗心，接著將圓形外邊界的半徑5等分，作5個(gè)同心圓。這樣使混色紗橫截面切片圖像被分割成5個(gè)纖維層, 從紗心到圓形外邊界依次計(jì)為第1層、第2層、第3層、第4層、第5層?；焐喦衅瑯颖镜确滞膱A如圖1所示。

圖1 混色紗切片樣本等分同心圓Fig.1 Color blended yarn slice sample divided into concentric circles

2) 統(tǒng)計(jì)各層各色纖維根數(shù)ai、bi、ci(ai表示第i層紅色纖維根數(shù)；bi表示第i層白色纖維根數(shù)；ci表示第i層藍(lán)色纖維根數(shù)) , 計(jì)算各色纖維的實(shí)際占有橫截面積Ai、Bi、Ci(Ai表示第i層紅色纖維的實(shí)際占有截面積；Bi表示第i層白色纖維的實(shí)際占有截面積；Ci表示第i層藍(lán)色纖維的實(shí)際占有截面積)。

若存在分布在纖維層邊界線上的纖維，則以纖維橫截面積的1/2及以上是否在纖維層內(nèi)為判斷依據(jù)，若纖維橫截面積的1/2及以上在纖維層內(nèi)，則計(jì)為1根纖維，否則計(jì)為0根纖維。本文中紅、白、藍(lán)3種顏色纖維均為粘膠纖維，設(shè)定粘膠纖維平均橫截面積為1, 則各色纖維的實(shí)際占有橫截面積為纖維根數(shù)。

3) 根據(jù)漢密爾頓指數(shù)分析法[17]計(jì)算各層纖維的分布矩，如式(1)所示，紅色纖維A的實(shí)際面積分布矩FA為

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

(1)

4) 根據(jù)漢密爾頓指數(shù)分析法計(jì)算纖維均勻分布時(shí)的分布矩，如式(2)所示，計(jì)算紅色纖維A的均勻分布矩:

(2)

式中：A為紅色纖維總根數(shù)；ti為第i層纖維總根數(shù)；T為纖維總根數(shù)。

5) 計(jì)算FU-FA。FU-FA>0，表示紅色纖維A優(yōu)先分布在內(nèi)層，則將所有紅色纖維以第1層為起點(diǎn)向外依次填充至全部填充完，依照紅色纖維新的分布情況，計(jì)算紅色纖維的最大向內(nèi)分布矩FI；FU-FA<0，表示紅色纖維優(yōu)先分布在外層，則將所有紅色纖維以第5層為起點(diǎn)向內(nèi)依次填充至全部填充完，依照紅色纖維新的分布情況，計(jì)算紅色纖維的最大向外分布矩FO。

6) 計(jì)算紅色纖維A的漢密爾頓指數(shù)M。若FU-FA>0，則根據(jù)式(3)計(jì)算；若FU-FA<0，則根據(jù)式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

白色纖維、藍(lán)色纖維的漢密爾頓指數(shù)計(jì)算方法與紅色纖維類同。

3 纖維混合特征

每種混色紗選取5處樣本1～5不同位置進(jìn)行切片及拍攝，6種混色紗的切片樣本如圖2所示。

根據(jù)混色紗切片樣本，按照漢密爾頓指數(shù)分析法的步驟，首先計(jì)算各色纖維相對(duì)截面積及其截面積分布矩，最后得出各個(gè)樣本中各色纖維的漢密爾頓指數(shù)，如表1所示。

分別計(jì)算6種混色紗的5個(gè)樣本的漢密爾頓指數(shù)平均值，得出混色紗中各色纖維的漢密爾頓指數(shù)，如表2所示。

由表2可知：6種混色紗中，1#和2#中各顏色纖維的M絕對(duì)值之和分別為30.15%、11.37%，二者之和為41.52%；3#和4#中各顏色纖維的M絕對(duì)值之和分別為23.48%、12.39%，二者之和為35.87%；5#和6#中各顏色纖維的M絕對(duì)值之和分別為47.63%、22.68%，二者之和為70.31%。

3種成紗方法的成紗機(jī)制不同，纖維在紗線中的排列狀態(tài)也不相同，這導(dǎo)致不同成紗方法所紡紗線的纖維混合效果有很大差異。環(huán)錠紡和噴氣渦流紡都采用羅拉牽伸的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)須條的抽長(zhǎng)拉細(xì)，加捻過程中內(nèi)外層纖維因疊加效應(yīng)而形成混合，在成紗階段整體上混合效果較差，主要依靠并條階段的混合效應(yīng)。轉(zhuǎn)杯紡成紗過程中纖維主要經(jīng)分梳輥的梳理，經(jīng)纖維輸送通道的伸直平行和在轉(zhuǎn)杯內(nèi)并合、集聚及加捻等階段的作用，由高速旋轉(zhuǎn)的分梳輥和轉(zhuǎn)杯共同配合完成對(duì)須條的抽長(zhǎng)拉細(xì)的同時(shí)可以完成纖維的并合效應(yīng)，各色纖維總體分布均勻，呈現(xiàn)的混合效果最好。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，由于轉(zhuǎn)杯紡在并條階段和細(xì)紗階段都有混合效應(yīng)，因此成紗混合效果優(yōu)異，環(huán)錠紡和噴氣渦流紡混合效果次之。

圖2 切片樣本Fig.2 Slice samples

測(cè)試結(jié)果同時(shí)表明，3種成紗方法所采用的2種條混方式中，經(jīng)過3道并條工序的混色紗中各色纖維的M絕對(duì)值基本都低于經(jīng)過1道并條工序，即3道并條工序成紗混合效果優(yōu)于1道并條。纖維條經(jīng)過3道并條工序，各色纖維充分混合，纖維條截面內(nèi)的各色纖維分布更加均勻，所紡混色紗的混合效果更好。

4 混色紗縱向結(jié)構(gòu)

混色紗的縱向微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。可以看出：環(huán)錠紡混色紗中纖維呈螺旋線排列；轉(zhuǎn)杯紡依靠高速氣流回轉(zhuǎn)成紗，紗線表面有典型的包纏纖維；噴氣渦流紡混色紗為雙層結(jié)構(gòu)，包括芯層纖維和皮層纖維，芯層纖維平行排列，皮層纖維纏繞于芯層纖維外。從混色紗的縱向微觀結(jié)構(gòu)可以看出：3種成紗方法中，轉(zhuǎn)杯紡混色紗縱向顏色分布最均勻，渦流紡混色紗縱向顏色分布最不均勻。2種條混方式中，3道并條工序紡制的混色紗縱向顏色分布較1道并條工序紡制的混色紗均勻。通過混色紗縱向微觀結(jié)構(gòu)的分析可以側(cè)面印證混色紗橫截面混色效果。

表1 1#～6#各色纖維漢密爾頓指數(shù)Tab.1 Hamilton index of 1#-6#colored fibers

表2 6種混色紗各色纖維的漢密爾頓指數(shù)Tab.2 Hamilton index of 6 kinds of color blended yarn

圖3 紗線縱向結(jié)構(gòu)Fig.3 Longitudinal structure of yarn

5 成紗性能

6種混色紗的成紗性能如表3所示?？梢钥闯觯?種成紗方法中，環(huán)錠紡成紗的強(qiáng)伸性能最好，其次是噴氣渦流紡，轉(zhuǎn)杯紡最低；噴氣渦流紡成紗的毛羽指數(shù)最小，其次是轉(zhuǎn)杯紡，環(huán)錠紡最高；條干均勻度相差較小，其中3道并條的環(huán)錠紡條干最優(yōu)。2種條混方式中，3道并條所成紗的強(qiáng)伸性能和條干均勻度優(yōu)于1道并條；但3道并條成紗的毛羽指數(shù)高于1道并條。

表3 6種混色紗的成紗性能Tab.3 Yarn forming properties of 6 kinds of color blended yarn

3種成紗方法的成紗機(jī)制不同，成紗性能也存在差異。環(huán)錠紡中纖維伸直平行度好，使得成紗的強(qiáng)伸性能最好，但存在的加捻三角區(qū)使邊緣纖維不能完全進(jìn)入紗體，造成較多毛羽；轉(zhuǎn)杯紡中的纖維伸直度受到限制，且分梳輥易造成纖維損傷，使得成紗的強(qiáng)伸性能較低；噴氣渦流紡在壓縮空氣下加捻成紗，毛羽指數(shù)遠(yuǎn)低于另外2種成紗方法。

2種條混方式中，纖維條經(jīng)過3道并條的并合、牽伸和混合，纖維條中的纖維伸直平行度高，內(nèi)在結(jié)構(gòu)得到改善，所紡混色紗的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和條干均勻度優(yōu)于只經(jīng)過1道并條的纖維條；由于3道并條經(jīng)過的并條工藝道數(shù)較多，纖維損傷增多，導(dǎo)致毛羽增多。

6 結(jié) 論

本文對(duì)使用3種不同成紗方法(環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡)、2種條混方式(1道并條、3道并條)所紡制的6種混色紗的混合效果、成紗結(jié)構(gòu)和紗線性能進(jìn)行了研究。

1)3種成紗方法中，轉(zhuǎn)杯紡成紗的漢密爾頓指數(shù)絕對(duì)值最小，各色纖維混合效果最好；2種條混方式中，3道并條工序成紗纖維混合效果優(yōu)于1道并條。

2)3種成紗方法所形成的混色紗結(jié)構(gòu)有明顯的區(qū)分度，其中環(huán)錠紡混色紗中纖維呈螺旋形排列；轉(zhuǎn)杯紡混色紗表面有典型的包纏纖維；噴氣渦流紡混色紗為皮芯層結(jié)構(gòu)。

3)3種成紗方法中，環(huán)錠紡成紗的強(qiáng)伸性能最好；噴氣渦流紡成紗的毛羽指數(shù)最小；條干均勻度相差較小。2種條混方式中，3道并條工序成紗的強(qiáng)伸性能和條干均勻度較好；1道并條工序成紗的毛羽較少。