噴氣渦流紡工藝對粘膠/滌綸包芯紗性能的影響

鄒專勇，繆璐璐，董正梅,2，鄭國全，付 娜

(1.紹興文理學(xué)院 浙江省清潔染整技術(shù)研究重點實驗室，浙江 紹興 312000；2.中紡院(浙江)技術(shù)研究院有限公司，浙江 紹興 312000)

噴氣渦流紡是利用噴嘴和空心錠子構(gòu)建的加捻腔中高速旋轉(zhuǎn)氣流對倒伏在空心錠子入口的開端化自由尾端纖維加捻包纏紗芯而成紗，紗線具有真捻的外觀結(jié)構(gòu)[1]。噴氣渦流紡技術(shù)具有工藝流程短、高速高產(chǎn)和用工少的特點，同時生產(chǎn)的紗線毛羽少、耐磨性好、抗起毛起球，但紗線強(qiáng)力僅為環(huán)錠紡紗線的80%左右。目前國內(nèi)較多紡紗企業(yè)采用噴氣渦流紡技術(shù)紡制粘膠類紗線產(chǎn)品，但噴氣渦流紡粘膠紗強(qiáng)力相對偏低，主要用于針織物生產(chǎn)[2]。為了提高噴氣渦流紡紗線的強(qiáng)力，可引入包芯紗結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，開發(fā)噴氣渦流紡包芯紗，拓寬下游應(yīng)用領(lǐng)域，打破市場產(chǎn)品同質(zhì)化競爭僵局。

噴氣渦流紡?fù)ㄟ^引入長絲喂入裝置，利用高速旋轉(zhuǎn)氣流將短纖維包覆芯絲成紗，形成的包覆結(jié)構(gòu)用于開發(fā)包芯紗產(chǎn)品具有獨(dú)特的優(yōu)勢，形成真正意義上的包芯紗[3]。國內(nèi)德州華源紡織有限公司、杭州奧華紡織有限公司等企業(yè)先后在噴氣渦流紡紗機(jī)上成功研制了不同原料組成、不同規(guī)格的包芯紗。Ortlek等[4]研究了噴氣渦流紡棉/氨綸包芯紗芯絲線密度與紗線線密度變化對紗線性能的影響。劉艷斌等[5]通過優(yōu)選噴氣渦流紡喂入比、芯絲喂入張力等工藝參數(shù)開發(fā)了19.7 tex噴氣渦流紡滌綸包芯紗。Pei等[6]對噴氣渦流紡前羅拉膠輥進(jìn)行開槽處理，生產(chǎn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)良的金屬絲包芯紗，進(jìn)一步通過流場分析[7]證明了改進(jìn)系統(tǒng)的渦流場利于包芯紗的形成，并研究了該系統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對包芯紗質(zhì)量的影響[8]。噴氣渦流紡包芯紗的成紗性能受長絲退繞張力、喂入比、紡紗速度、前羅拉鉗口到紡錠前端距離、噴嘴氣壓[9]等工藝參數(shù)的影響。

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗是以滌綸長絲為芯，充當(dāng)導(dǎo)引針的作用，引導(dǎo)粘膠纖維頭端進(jìn)入紗尾。一方面可降低成紗產(chǎn)生頭端毛羽的概率；另一方面利用滌綸長絲提高紗線強(qiáng)力，減少成紗過程及后道織造或產(chǎn)品開發(fā)中因紗線強(qiáng)力不足引起的斷頭現(xiàn)象，提高生產(chǎn)效率，同時彌補(bǔ)了噴氣渦流紡粘膠紗強(qiáng)力差的缺陷，又保留了粘膠紗柔軟親膚的特性，對改善紗線性能具有現(xiàn)實意義。然而在噴嘴氣壓一定的情況下，芯絲線密度和紡紗速度是決定噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗性能的關(guān)鍵，目前尚未見相關(guān)的研究報道。為此，本文將分析研究噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度變化與紡紗速度變化對成紗質(zhì)量的影響規(guī)律，以期為噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗生產(chǎn)實踐提供參考。

1 試驗部分

1.1 紡紗原料及性能

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗的外包纖維為粘膠，芯絲為不同規(guī)格的滌綸長絲。粘膠：線密度為1.44 dtex、長度為38 mm、斷裂強(qiáng)度為1.91 cN/dtex、斷裂伸長率為18.09%、彈性模量為4.84 cN/dtex。滌綸長絲(拉伸變形絲(DTY))有3.33 tex(72 f)、5.56 tex(36 f)、8.33 tex(36 f)共3種規(guī)格，其性能如表1所示。

1.2 紗線試樣制備

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗采用日本村田公司的VORTEX Ⅲ 870型噴氣渦流紡紗機(jī)紡制。本文以紡制23.62 tex噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗為例，重點研究芯絲線密度和紡紗速度對噴氣渦流紡包芯紗性能的影響。芯絲根數(shù)的變化對長絲斷裂強(qiáng)度幾乎不產(chǎn)生影響，故噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗性能影響因素分析中不考慮芯絲根數(shù)的變化。選取芯絲線密度和紡紗速度為可變因子，進(jìn)行全因子試驗方案設(shè)計，各因子水平如表2所示，對應(yīng)的試驗安排如表3所示。

表2 因子水平表Tab.2 Factor level table

表3 全因子試驗表Tab.3 Full factor test table

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗制備工藝流程：JingLing 8型開清棉聯(lián)合機(jī)→FA1866型梳棉機(jī)→FA389型并條機(jī)(2道)→RSB-D401C型并條機(jī)(帶自調(diào)勻整)→VORTEX Ⅲ 870型噴氣渦流紡紗機(jī)。

紗線試樣制備過程中固定工藝條件如下：喂入紡紗機(jī)的粘膠條子定量為20 g/(5 m)、喂入比為0.98、紡紗張力設(shè)置為120 cN、選用Orient型噴嘴、N1噴嘴氣壓為0.52 MPa、后羅拉起始率為133%、中羅拉與第3羅拉隔距采用隔距塊M-3-D(金屬板厚度為6 mm)進(jìn)行調(diào)節(jié)、第3與第4羅拉隔距采用隔距塊3-4-D(金屬板厚度為7 mm)進(jìn)行調(diào)節(jié)。集棉器型號需根據(jù)外部包覆纖維紡出線密度計算確定，選擇對應(yīng)顏色的集棉器。各試樣選用的集棉器顏色和設(shè)置的牽伸倍數(shù)如表4所示。

表4 工藝參數(shù)設(shè)置Tab.4 Process parameter setting

1.3 紗線結(jié)構(gòu)與性能測試

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗的性能測試包括紗線強(qiáng)伸性能、條干均勻度和毛羽測試。所有試樣測試前均需進(jìn)行預(yù)調(diào)濕處理，然后將其持續(xù)放置在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%)環(huán)境中調(diào)濕平衡24 h。

紗線強(qiáng)伸性能：參照GB/T 3916—1997《單根紗線斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長的測定》，采用Instron 3365型萬能材料試驗儀測試紗線的的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率。試樣的夾持隔距長度為500 mm，拉伸速度為500 mm/min。每組試樣有3個卷裝，每個卷裝測20次，共測試60次，取平均值。

紗線條干不勻率和毛羽H值的測試：參照GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第1部分 電容法》，采用YG133B/M型電子單紗條干均勻度測試儀測試紗線的條干不勻率和毛羽H值。測試速度為400 m/min，時間為1 min，長度為400 m，每組試樣測試3次，取平均值。

采用日立SU3800型掃描電子顯微鏡對噴氣渦流紡紗線的形貌進(jìn)行觀察，加速電壓為15 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 統(tǒng)計分析

紗線性能測試結(jié)果如表5所示。利用軟件Minitab 18，對試樣組的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、條干CV值和毛羽H值進(jìn)行回歸統(tǒng)計分析。在預(yù)分析階段發(fā)現(xiàn)，使用立方回歸模型擬合最佳，系統(tǒng)自動剔除不能估計項X23后，獲得的響應(yīng)變量的四合一殘差圖驗證了該回歸模型較為理想，相應(yīng)建立的回歸方程顯示出較高的決定系數(shù)(R2)。表6示出了不同響應(yīng)變量的p值。p值小于0.05的項被認(rèn)為具有95%的置信度，則相關(guān)響應(yīng)變量與項之間具有統(tǒng)計上的顯著關(guān)系，表中標(biāo)記*的數(shù)據(jù)為顯著項。從表6得出，所選擇的變量，即芯絲線密度和紡紗速度的一次項(X1，X2)及紡紗速度的二次項(X22)、芯絲線密度的三次項(X13)和芯絲線密度與紡紗速度的交互項(X1X2，X12X2和X1X22)對所得紗線的斷裂強(qiáng)度具有顯著影響；芯絲線密度的二次項(X12)、三次項(X13)對毛羽H值具有顯著影響；而芯絲線密度、紡紗速度及其交互項都對紗線的斷裂伸長率、條干CV值的影響不顯著。

表5 紗線性能測試結(jié)果Tab.5 Yarn performance test results

表6 不同應(yīng)變量的響應(yīng)面三次模型回歸分析(p值)Tab.6 Regression analysis (p value) of response surface cubic model for different response variables

紗線斷裂強(qiáng)度Y1、斷裂伸長率Y2、條干CV值Y3、毛羽H值Y4的回歸方程和決定系數(shù)R2見表7。R2決定了響應(yīng)變量與對應(yīng)回歸方程相關(guān)的密切程度，其值越接近1，表明相關(guān)方程式解釋因子/項的參考價值越高，模型與數(shù)據(jù)充分?jǐn)M合。表7中顯示包芯紗斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和毛羽H值回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.999 6、0.991 9、0.998 5，說明該回歸方程的擬合程度非常高；而條干CV值的回歸方程的決定系數(shù)R2為0.737 3(>0.7)，擬合程度相對偏低。

表7 不同響應(yīng)變量的回歸方程和決定系數(shù)R2Tab.7 Regression equation and R2 for different response variables

2.2 響應(yīng)曲面分析

2.2.1 紗線斷裂強(qiáng)度

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度與紡紗速度對包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖1所示?？芍窘z線密度的變化對包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響明顯。紡紗速度一定時，包芯紗的斷裂強(qiáng)度會隨著芯絲線密度的增加而增大；當(dāng)芯絲線密度超過5.5 tex時，隨著芯絲線密度的增加包芯紗的斷裂強(qiáng)度保持穩(wěn)定不變的趨勢。芯絲線密度在5.5～8.33 tex范圍內(nèi)，包芯紗的斷裂強(qiáng)度最佳，保持在18.4 cN/tex附近。這是因為普通噴氣渦流紡紗線大部分的應(yīng)力主要由伸長率較低的皮層包覆纖維承擔(dān)[10]，而噴氣渦流紡包芯紗中心存在1根連續(xù)且具有一定強(qiáng)力的長絲，外力作用時紗線的受力主體變成了芯絲，包覆纖維對包芯紗的強(qiáng)力影響隨芯絲線密度的增加而減弱，芯絲線密度越大，在包芯紗線密度不變的情況下，包覆纖維含量逐漸減少，對包芯紗強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也相應(yīng)越小，包芯紗強(qiáng)度主要由芯絲的強(qiáng)度決定。紡紗速度對包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響不如芯絲線密度的影響大，包芯紗的斷裂強(qiáng)度隨紡紗速度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，即紡紗速度不宜過高或過低，紡紗速度在380 m/min附近時紗線的斷裂強(qiáng)度最大。這是因為紡紗速度影響自由尾端纖維在加捻腔中的停留時間，紡紗速度低時纖維受高速噴射旋轉(zhuǎn)氣流作用強(qiáng)，外包短纖維被抽拔的概率增大，導(dǎo)致紗線強(qiáng)度下降；相反若紡紗速度過高，氣流對纖維尾端的包纏加捻作用減弱，包芯紗的外包纏纖維相對松散，也會導(dǎo)致紗線的斷裂強(qiáng)度降低。

圖1 芯絲線密度X1與紡紗速度X2對紗線斷裂強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of core-filament linear density X1 and yarn delivery speed X2 on yarn breaking strength

2.2.2 紗線斷裂伸長率

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度與紡紗速度對包芯紗斷裂伸長率的影響規(guī)律如圖2所示。可知，紡紗速度一定時，噴氣渦流紡包芯紗斷裂伸長率隨芯絲線密度增加而增大。這得益于包芯紗的芯絲選用了具有一定彈性性能的DTY，芯絲線密度越大則芯絲的彈性越好，包芯紗表現(xiàn)出的斷裂伸長率也就越大。還可看出，紡紗速度的變化也會引起紗線斷裂伸長率的變化，紡絲速度增大將使紗線的斷裂伸長率先增大后減小，且芯絲線密度較小時這一變化越明顯，反之不明顯，原因在于芯絲線密度較大時，外包纖維占比小，對紗線的斷裂伸長率影響較小，其主要受芯絲的性能影響?？傮w上看，紡絲速度為380 m/min時制備的包芯紗斷裂伸長率最大。這是因為芯絲線密度較小時，在包芯紗線密度不變的情況下，包覆纖維含量越高，當(dāng)紡絲速度較低時，則纖維束在加捻區(qū)中停留時間延長，外包纖維對芯絲的包纏會更加緊密，拉伸時會限制外包纖維的滑移及芯絲的伸長；而紡紗速度過高，一方面會因包纏纖維的加捻包纏作用不充分，使外包纖維對紗線的強(qiáng)力貢獻(xiàn)不足，拉伸時紗線易過早斷裂，另一方面因為高的紡紗速度使芯絲退繞過程受到更大的牽伸力，導(dǎo)致芯絲的斷裂伸長率下降，從而使得紗線斷裂伸長率有所降低。

圖2 芯絲線密度X1與紡紗速度X2對紗線斷裂伸長率的影響Fig.2 Effect of core-filament linear density X1 and yarn delivery speed X2 on yarn breaking elongation

2.2.3 紗線條干CV值

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度與紡紗速度對包芯紗條干CV值的影響規(guī)律如圖3所示?？芍?，當(dāng)芯絲線密度小于2.1 tex時，隨紡紗速度的增大，包芯紗條干CV值先減小后增大，紡紗速度在380 m/min附近時紡出的紗線條干最好。這是因為紡紗速度過高，纖維在加捻腔內(nèi)的滯留時間短，自由尾端纖維加捻效應(yīng)減弱，紗體較為蓬松，惡化了包芯紗條干；而紡紗速度過低，纖維受高速噴射旋轉(zhuǎn)氣流作用時間延長，對外包自由尾端纖維的抽拔加劇，同樣會造成包芯紗條干惡化。當(dāng)芯絲線密度超過4.1 tex時，條干CV值總體會隨紡紗速度的增大而減小，原因在于此時外包纖維含量相應(yīng)減少，低的紡紗速度使纖維在加捻腔停留時間越長，越易受高速旋轉(zhuǎn)氣流作用，反而惡化了紗線條干，因此紡紗速度宜偏大控制。從等高線的疏密程度可以看出，當(dāng)芯絲線密度大于2.1 tex、紡紗速度高于370 m/min或芯絲線密度為2.1～4.1 tex時，包芯紗條干CV值變化受芯絲線密度和紡紗速度的影響較小，介于11.8%～12.1%之間變化。當(dāng)紡紗速度一定，總體上看，芯絲線密度的增加會使包芯紗條干CV值呈增大趨勢。引起這一現(xiàn)象的原因可能是芯絲線密度越大，相應(yīng)外包纖維粘膠須條所受牽伸倍數(shù)也越大，高的牽伸倍數(shù)會增加纖維須條的條干不勻，從而增加包芯紗的條干不勻。

圖3 芯絲線密度X1與紡紗速度X2對條干CV值的影響Fig.3 Effect of core-filament linear density X1 yarn delivery speed X2 on yarn evenness CV value

2.2.4 紗線毛羽H值

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度與紡紗速度對包芯紗毛羽H值的影響規(guī)律如圖4所示?？梢钥闯?，噴氣渦流紡包芯紗的毛羽較少，芯絲線密度和紡紗速度對毛羽H值的影響有限。當(dāng)芯絲線密度一定時，包芯紗毛羽H值隨紡紗速度的增加而增大，主要原因是紡紗速度過高，高速噴射旋轉(zhuǎn)氣流對包纏纖維加捻作用不充分，導(dǎo)致尾端纖維未能完全束縛住紗體，紗線毛羽增加。紡紗速度一定時，芯絲線密度的增加會一定程度上影響紗線毛羽，但影響不如紡紗速度變化大，會使紗線毛羽H值總體呈現(xiàn)下降趨勢，主要原因在于隨著芯絲線密度的增加，外包纖維的比例降低，纖維尾端的數(shù)量也相應(yīng)減少，尾端形成毛羽的概率下降，從而使包芯紗的毛羽H值減小。

圖4 芯絲線密度X1與紡紗速度X2對毛羽H值的影響Fig.4 Effect of core-filament linear density X1 and yarn delivery speed X2 on yarn hairiness H value

2.3 紗線外觀分析

圖5示出部分代表性噴氣渦流紡紗線試樣的掃描電鏡照片?？芍?，對比噴氣渦流紡包芯紗L3與其他噴氣渦流紡包芯紗L6～L9、L12，所有試樣的有害毛羽都非常少，噴氣渦流紡包芯紗較普通噴氣渦流紗擁有更少的毛羽數(shù)量，這一現(xiàn)象也可從表5中的毛羽H值獲得驗證。紡紗速度為410 m/min時，比較試樣L6、L9和L12，噴氣渦流紡包芯紗的紗線結(jié)構(gòu)形態(tài)受芯絲線密度影響，隨著芯絲線密度的增大，紗線表面更加光潔不易形成毛羽，但對芯絲的包覆效果越差，芯絲外露越明顯，主要因芯絲線密度增加，導(dǎo)致外包纖維含量減少所致。芯絲為5.56 tex(36 f)時，比較試樣L7、L8和L9，噴氣渦流紡包芯紗的外觀毛羽數(shù)量隨紡紗速度增加略有增加的趨勢，但增加并不明顯，同時包覆效果隨紡紗速度的增加有惡化的趨勢。此外，當(dāng)采用更高的紡紗速度，即紡紗速度超過380 m/min時，也觀察到了芯絲外露的現(xiàn)象。

圖5 部分代表性噴氣渦流紡紗線試樣的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of some representative air-jet vortex spinning yarn samples

3 結(jié) 論

本文采用統(tǒng)計分析方法，并借助掃描電子顯微鏡，研究分析了紡紗速度和芯絲線密度對噴氣渦流紡包芯紗斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、條干CV值和毛羽H值的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

1) 紡紗速度、芯絲線密度及其交互作用對噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗各響應(yīng)值有不同程度的影響。包芯紗斷裂強(qiáng)度受芯絲線密度、紡紗速度及其交互作用影響顯著；毛羽H值受芯絲線密度影響顯著；而斷裂伸長率、條干CV值受芯絲線密度和紡紗速度影響不顯著。

2)紡紗速度過高或過低均不利于成紗的強(qiáng)伸性提高和條干均勻性改善。此外，紡紗速度對噴氣渦流紡包芯紗條干的影響還受芯絲線密度制約。噴氣渦流紡包芯紗的毛羽H值總體較小，隨紡紗速度的增大而增大。綜合分析，紡紗速度在380 m/min附近時，噴氣渦流紡包芯紗的強(qiáng)伸性能較好、條干CV值較低、毛羽H值適中。

3)紡紗速度一定時，包芯紗的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率會隨芯絲線密度的增加而增大，但芯絲線密度超過5.5 tex時，包芯紗強(qiáng)度不再隨芯絲線密度的增加而增大。噴氣渦流紡包芯紗條干CV值總體上隨著芯絲線密度的增加而增大；此外芯絲線密度對噴氣渦流紡包芯紗條干的影響還受紡紗速度的制約。芯絲線密度的增加會使包芯紗毛羽H值總體呈現(xiàn)下降趨勢，但變化范圍較小。

4)噴氣渦流紡包芯紗結(jié)構(gòu)外觀受芯絲線密度和紡紗速度的影響，芯絲線密度越大，紗線表面越光潔，但芯絲外露現(xiàn)象越明顯；紡紗速度越高，紗線毛羽數(shù)量有增加的趨勢，但增加不明顯，但過高的紡紗速度也會導(dǎo)致芯絲外露現(xiàn)象。

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