包纏對噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度的影響

羅彩鴻 王靜安 高衛(wèi)東

摘要：為了研究噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度隨線密度增大而降低的原因，從包纏效果的角度，對其影響因素進行分析。提出噴氣渦流紡紗線包纏效果的客觀評價方法，構建量化指標包纏系數(shù)。檢測噴氣渦流紡不同線密度紗線的包纏系數(shù)，分析噴氣渦流紡紗線的斷裂強度與包纏效果的相關性，建立并驗證噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度與包纏系數(shù)之間的關系模型。結果表明：紗線斷裂強度隨包纏系數(shù)的增加逐漸增高，包纏效果不良是噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度劣化的原因。在生產(chǎn)實踐中，依據(jù)斷裂強度與包纏系數(shù)的關系模型，優(yōu)化渦流紡工藝，可使噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度得到顯著改善。

關鍵詞：噴氣渦流紡；粗特紗；斷裂強度；包纏效果；工藝優(yōu)化

中圖分類號：TS104.1

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）02-0122-08

噴氣渦流紡紗技術具有紡紗效率高、環(huán)境友好、能耗低、成紗綜合性能好等優(yōu)點。隨著新型紡紗技術的快速發(fā)展，噴氣渦流紡紗線的應用越來越廣泛，產(chǎn)品正在向著多元化［1］、差異化的方向發(fā)展。戴俊等［2］為了突破噴氣渦流紡純棉細特紗的生產(chǎn)關鍵技術瓶頸，對相關設備進行改進，研制專件優(yōu)化工藝，成功開發(fā)了細度為7.3～9.7 tex的純棉噴氣渦流紡紗線。王文中等［3］通過選定合理的苧麻預處理方案，正確配置前紡各工序及噴氣渦流紡工序的工藝參數(shù)，成功紡制19.6 tex 56/48苧麻/精梳棉噴氣渦流紡紗。逄邵偉等［4］分析了噴氣渦流紡滌綸縫紉線紗線結構，通過實驗驗證噴氣渦流紡縫紉線的強力雖略低于環(huán)錠紡縫紉線，但也達到了縫紉線優(yōu)等品強力的國家標準。

從目前的市場和研究上來看，噴氣渦流紡注重突破細特紗領域的瓶頸，但粗特紗產(chǎn)品仍然較少，相關研究亦并不豐富。與細特紗相比，粗特紗產(chǎn)量大，對原料的要求相對較低，但在實際生產(chǎn)中，常存在強力不勻和強力弱環(huán)等問題，成紗質量不佳，生產(chǎn)效率不高。究其原因，獨特的紡紗機理使得噴氣渦流紗的紗體由包纏纖維和芯纖維兩部分組成，在紡制粗特紗時，由于截面纖維根數(shù)多，纖維容易紊亂造成包纏不勻，更易出現(xiàn)包纏弱環(huán)，導致紗線斷裂強度不足。

針對噴氣渦流紡紗線的成紗質量與包纏效果，陳美玉等［5］從理論上分析了渦流紡紗線拉伸過程中的纖維形變與受力，詳細研究了渦流壓力和紡紗速度對渦流紡紗線力學性能的影響，總結了包纏加捻與成紗力學性能的關系。李浩等［6］使用圖像法基于紗線截面和外觀圖像測試了噴氣渦流紡紗線的捻度。但對于紗線包纏效果的表征方法，以及從包纏效果的角度分析成紗質量，目前相關研究相對較少。

因此，本文提出一種噴氣渦流紡紗線包纏效果的表征方法，建立并驗證噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度與包纏效果之間的關系模型，為噴氣渦流紡粗特紗的工藝優(yōu)化提供理論基礎和研究方向，以推動噴氣渦流紡進一步發(fā)展。

1噴氣渦流紡粗特紗強度不足的現(xiàn)象及成因分析

1.1紗線斷裂強度一般規(guī)律

經(jīng)查閱文獻［7-8］得到環(huán)錠紡滌綸紗線斷裂強度，通過實驗測試成紗質量較好的噴氣渦流紡滌綸紗斷裂強度，將環(huán)錠紡和噴氣渦流紡滌綸粗特紗的斷裂強度進行對比，結果如圖1所示。

在18.5～59.1 tex范圍內(nèi)，環(huán)錠紡滌綸紗的斷裂強度隨著紗線線密度的增加逐漸升高；噴氣渦流紡滌綸紗的斷裂強度隨著紗線線密度的增加逐漸降低。紗線線密度為19.7 tex時，環(huán)錠紡與噴氣渦流紡的斷裂強度比值為1.12∶1；而在線密度為59.1 tex時，環(huán)錠紡與噴氣渦流紡的斷裂強度比值達到了1.40∶1。盡管噴氣渦流紡紗線普遍較環(huán)錠紡紗線的斷裂強度更低，但上述隨著線密度增加噴氣渦流紡紗線斷裂強度明顯劣化的現(xiàn)象，直接導致了噴氣渦流紡粗特紗的生產(chǎn)與應用困難，值得開展深入研究。

1.2噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度下降成因分析

采用VHX-5000超景深顯微鏡對噴氣渦流紡紗樣放大100倍進行觀察，得到的59.1 tex和19.7 tex噴氣渦流紡紗線表觀結構，如圖2所示。對比紗線表觀結構，粗特紗的直徑較大，單根纖維包纏的圈數(shù)較少，大量的芯纖維暴露于紗線表面。根據(jù)噴氣渦流紡成紗機理，這種包纏效果的差異可能是噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度不佳的主要原因，但目前仍缺乏包纏效果的有效評價方法用于指導生產(chǎn)。

2包纏效果評價方法

2.1包纏系數(shù)定義

為簡化紗線結構并定義包纏效果的評價方法，參照噴氣渦流紡紗線實物外觀，建立仿真外觀如圖3所示。

如圖3所示，包纏纖維與芯纖維總是交替成段

地暴露在紗體表面。因此，將單位長度內(nèi)紗線表面的包纏面積占紗線總表面積的比例定義為包纏系數(shù)，用字母k表示，建立包纏系數(shù)的如式（1）：

k=S1S1+S2（1）

式中：S1為包纏面積，mm2；S2為未包纏面積，mm2；0≤k≤1，k值越大，紗線包纏效果越好。

2.2包纏系數(shù)提取與計算

本文提出采用超景深顯微鏡與PS軟件，建立一種包纏系數(shù)的計算方法，其步驟如下：步驟1：采用VHX-5000超景深顯微鏡，放大100倍，對噴氣渦流紡紗樣進行拍照。步驟2：使用PS軟件，提取照片中紗線的包纏面積和總表面積，如圖4所示。

步驟3：在PS軟件界面中設置像素長度和邏輯長度的測量比例，記錄測量并讀取各部分面積如圖5所示。

步驟4：顯微鏡下每張取樣圖中的紗線長度為3.5 mm，連續(xù)采樣10張，以35 mm為單位長度，計算單位長度內(nèi)紗線的包纏面積和未包纏面積，按式（1）計算包纏系數(shù)。

3噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度與包纏效果的關系

3.1實驗驗證

3.1.1包纏效果評價方法的可行性驗證

為驗證上述包纏效果評價方法的可行性，拍攝兩組紗線表觀結構圖如圖6所示。從圖6中可以觀察到，圖6（a）的包纏效果明顯差于圖6（b），包纏不勻且包纏紊亂，芯纖維暴露面積較大，而圖6（b）包纏相對均勻，少部分芯纖維暴露于紗線表面。分別計算其包纏系數(shù)，圖6（a）的包纏系數(shù)為0.405小于圖6（b）的包纏系數(shù)為0.570，表明此方法可行。

3.1.2紗線強伸性能測試

采用YG068C型紗線拉伸強力測試儀對19.7～59.1 tex噴氣渦流紡紗線樣品進行強伸力學性能測試，測試樣品的夾持距500 mm，拉伸速度500 mm/min，預張力系數(shù)0.50 cN/tex。每個樣本測試50次，取平均值。測試結果如表1所示。對比19.7～59.1 tex噴氣渦流紡紗線強伸力學性能，隨著紗線線密度的增加，紗線的斷裂強度逐漸降低。

3.1.3紗線包纏系數(shù)測試

19.7～59.1 tex噴氣渦流紡紗線包纏系數(shù)提取與計算結果如表2，由表2可知隨著紗線線密度的升高，包纏系數(shù)逐漸減小，紗線包纏效果逐漸劣化。隨著紗線線密度的升高，紗線單位長度內(nèi)的表面積增加大，但包纏面積相差不多，未包纏面積相應增加。

3.2斷裂強度與包纏系數(shù)間的關系建模

通過調(diào)整生產(chǎn)工藝，制備了具有不同包纏效果的59.1 tex滌綸噴氣渦流紡紗，排除紗線線密度對此規(guī)律的干擾，并測試其斷裂強度及包纏系數(shù)，實驗結果如圖7所示。

從數(shù)據(jù)趨勢看，試樣紗線的斷裂強度隨著包纏系數(shù)的增加而升高，并且其增長率也隨包纏系數(shù)的增加而升高。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能在于：

a）隨著包纏系數(shù)從較低水平開始增加，纖維包纏比例提高，減少了包纏弱環(huán)，從而造成了斷裂強度的提升，但由于仍存在一定的包纏弱環(huán)，斷裂強度的提升較為緩慢。

b）隨著包纏系數(shù)的進一步增加，包纏弱環(huán)所占比例較少，影響紗線斷裂強度的主要因素由包纏弱環(huán)逐漸轉向纖維間抱合牢度，因而斷裂強度的提升逐漸加快。

綜上，噴氣渦流紡紗線斷裂強度隨著包纏系數(shù)的增加而升高，并且增長率逐漸提高。通過假設斷裂強度對包纏系數(shù)的變化斜率與包纏系數(shù)成正比，則可構建指數(shù)增長模型［9］如式（2）：

Q（k）=Q0+e（ak+b）（2）

式中：Q為紗線斷裂強度，cN/tex，k為包纏系數(shù)，Q0為紗線初始斷裂強度，cN/tex。

圖7展示了59.1 tex滌綸噴氣渦流紡粗特紗的斷裂強度與包纏系數(shù)經(jīng)擬合而成的函數(shù)曲線，所得關系如式（3）：

Q（k）=29.46+e29.12k－15.51（3）

式中：在擬合結果中，可決系數(shù)R2為0.9602，表明擬合優(yōu)度較好，模型可用于表述斷裂強度與包纏系數(shù)之間的關系。

4針對包纏效果提升的噴氣渦流紡粗特紗工藝參數(shù)優(yōu)化

基于前述構建的模型，可知欲提高噴氣渦流紡粗特紗斷裂強度，應在工藝制定上盡可能提高包纏系數(shù)。而在噴氣渦流紡成紗過程中，形成渦流的噴嘴氣壓以及渦流紡車速對纖維的包纏效果起到?jīng)Q定性的作用。因此本文針對噴嘴氣壓與車速兩項關鍵工藝參數(shù)進行優(yōu)化，在MVS870EX型噴氣渦流紡紗機進行工藝優(yōu)化實驗，以59.1 tex粗特紗為對象，實現(xiàn)斷裂強度的提升。

根據(jù)本實驗采用的噴氣渦流紡紗機的工藝設定范圍，設定紡紗速度為400～490 m/min，噴嘴氣壓為0.45～0.57 MPa。以紡紗速度為A因素（取值為400、430、460、490 m/min），以噴嘴氣壓為B因素（取值為0.45、0.50、0.53、0.57 MPa），以紗線包纏系數(shù)為R1響應值，實施完全實驗，實驗結果如圖8中數(shù)據(jù)點所示。繼而，使用Design Expert V8.0.6軟件對實驗結果進行二次響應面擬合（響應面擬合結果如圖8中曲面所示），并進行方差分析，結果如表3所列。

由表3可知，回歸模型總體P值小于0.0001，說明回歸效果高度顯著，只有小于0.01%的可能性使該模型失擬。紡紗速度A對應P值為0.0021，小于0.05，表明紡紗速度對包纏效果影響顯著；噴嘴氣壓B對應P值小于0.0001，表明噴嘴氣壓對包纏效果影響顯著。

結合表3及圖8來看，交互項AB對應P值為0.7561，遠大于0.05，表明紡紗速度與噴嘴氣壓的交互作用對包纏系數(shù)的影響不顯著，二者對包纏系數(shù)的作用大概率相互獨立；二次項A2對應P值遠小于0.0001，表明紡紗速度對包纏系數(shù)的影響呈二次函數(shù)趨勢，包纏系數(shù)隨著紡紗速度的增加先增大后減??；二次項B2對應P值為0.5208，遠大于0.05，結合前述B對包纏效果的顯著影響，表明在現(xiàn)有氣壓條件下，包纏系數(shù)與噴嘴氣壓僅具有一次函數(shù)關系，包纏系數(shù)隨著噴嘴氣壓的升高逐漸增大，若進一步增大噴嘴氣壓，包纏系數(shù)望進一步提升，直到一定范圍開始下降［10］。

綜上所述，本次實驗的最優(yōu)工藝參數(shù)為：紡紗速度430 m/min，噴嘴氣壓0.57 MPa。包纏系數(shù)0.502，斷裂強度可達30.75 cN/tex，根據(jù)FZ/T 12019—2018《滌綸本色紗線》滌綸本色紗線標準，紗線斷裂強度等級由二等品提升至一等品，提升效果顯著。受限于設備性能限制，噴嘴氣壓已經(jīng)達到最大水平，若能進一步增大噴嘴氣壓，從數(shù)據(jù)分析結果看，紗線的包纏效果還有望得到進一步改善。

5結論

本文針對噴氣渦流紡中粗特紗斷裂強度會隨著線密度增大而降低的問題，首先提出一種包纏效果客觀評價方法，建立量化指標包纏系數(shù)。繼而得到了噴氣渦流紡滌綸中粗特紗線的斷裂強度隨著包纏系數(shù)的增加逐漸增高的變化規(guī)律?；诩徏喩a(chǎn)實驗數(shù)據(jù)，建立了斷裂強度與包纏系數(shù)的指數(shù)函數(shù)關系模型，擬合度R2達到0.9602，表明該模型具有較高的可靠性。最后，依據(jù)所得的斷裂強度與包纏系數(shù)關系模型，對59.1 tex滌綸噴氣渦流紡粗特紗的噴嘴氣壓和紡紗車速進行工藝優(yōu)化，顯著的提高了紗線的包纏系數(shù)及斷裂強度，將紗線斷裂強度等級由二等品提升至一等品。

在生產(chǎn)實踐中，可采用本文提出的包纏效果評價方法對試紡紗進行包纏效果評價，并根據(jù)所建立的斷裂強度與包纏效果關系模型，確立性能達到產(chǎn)品要求的包纏系數(shù)水平，繼而調(diào)整工藝方案，實現(xiàn)所紡粗特紗性能保障與生產(chǎn)效率提升的目標。進一步的研究工作可著眼于適應更多纖維原料品種及混紡比例的斷裂強度與包纏系數(shù)關系模型。

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Influence of wrapping on the breaking strength of air-jet vortex spinning coarse count yarns

LUO Caihong， WANG Jing'an， GAO Weidong

（College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： With the rapid development of new spinning technology， air-jet vortex spinning occupies an important position in the spinning field for its advantages of high spinning speed， high efficiency and short process. In recent years， the continuous innovation of air-jet vortex spinning technology has broken through the bottleneck of many yarn varieties. The variety of yarns is becoming increasingly abundant， and the linear density tends to be fine and thick. Among yarns， the air-jet vortex spinning coarse count yarn is mainly used in industrial textiles， with a wide selection of raw materials. Combined with the advantages of air-jet vortex spinning， it shows a good application prospect. However， the spinning of coarse count yarns with air-jet vortex spinning is still faced with many problems. Compared with the medium count yarn with air-jet vortex spinning， the coarse count yarn has the problems of difficult yarn formation， weak wrapping ring， insufficient breaking strength， etc. Therefore， the 59.1 tex polyester air-jet vortex spinning coarse count yarn is studied in this paper， and the wrapping effect is quantified to solve the problem of low breaking strength of the air-jet vortex spinning coarse count yarn.

In order to improve the breaking strength of the air-jet vortex spinning coarse count yarn， based on the yarn structure and spinning mechanism of air-jet vortex spinning， starting from the wrapping effect， the wrapping effect is characterized， and the wrapping coefficient， a parameter for quantifying the wrapping effect， is proposed. The calculation formula of the wrapping coefficient is established， the area of the wrapped fiber and the total area of yarns in the air-jet vortex spinning yarn image are extracted， and the yarn wrapping coefficient is calculated. On this basis， the relationship between the yarn wrapping coefficient and breaking strength is analyzed， and the functional relationship model between breaking strength and the wrapping coefficient is established. Based on this model， the process improvement is guided， the spinning speed and nozzle pressure of air-jet vortex spinning are optimized， and the optimal process optimization parameters of yarn breaking strength are finally obtained by using the response surface analysis method. It is found that the breaking strength of the yarn increases with the increase of the wrapping coefficient， and the poor wrapping effect is the main reason for the deterioration of the breaking strength of the air-jet vortex spinning yarn. The optimized spinning process involve the following parameters： a spinning speed of 430 m/min and the nozzle pressure of 0.57 MPa. The wrapping coefficient is 0.502， and the breaking strength can reach 30.75 cN/tex. According to the standard of polyester plain yarns in FZ/T 12019—2018 Polyester Fiber Grey Yarn， the breaking strength grade of the yarn has been improved from the second grade to the first grade， with remarkable improvement effect.

In production practice， the wrapping level of yarns can be compared by calculating the wrapping coefficient proposed in this paper， and according to the established relationship model between the breaking strength and wrapping effect， the wrapping coefficient level whose performance meets the product requirements can be established， and then the process plan can be adjusted to achieve the goal of ensuring the performance of the spun coarse yarn and improving the production efficiency. Further research work can focus on the relationship model between the breaking strength and wrapping coefficient， which is suitable for more fiber raw materials and blending proportion.

Keywords： air-jet vortex spinning; coarse tex yarn; breaking strength; wrapping effect; process optimization

收稿日期：20220726

網(wǎng)絡出版日期：20221104

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目（JUSRP121030）；江蘇省基礎研究計劃自然科學基金項目（BK200221061）

作者簡介：羅彩鴻（1998—），男，遼寧丹東人，碩士研究生，主要從事噴氣渦流紡方面的研究。

通信作者：高衛(wèi)東，E-mail： gaowd3@163.com