摩擦紡海藻纖維包芯紗的紡制工藝研究

王花艷，張 許，王建坤

（天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300160）

摩擦紡海藻纖維包芯紗的紡制工藝研究

王花艷，張 許，王建坤

（天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300160）

針對海藻纖維在傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗機上成紗性能差的缺點，采用DREF-Ⅲ摩擦紡紗機，開發(fā)出以海藻纖維為主要包覆纖維、棉紗為芯紗的摩擦紡海藻纖維包芯紗，并利用正交試驗,研究紡紗速度、摩擦輥轉(zhuǎn)速以及芯紗比例對紗線性能的影響，確定摩擦紡海藻纖維包芯紗的最優(yōu)紡紗工藝.結(jié)果表明：適當提高芯紗比和摩擦比，降低紡紗速度，有利于提高成紗質(zhì)量；紡中特紗時最優(yōu)紡紗工藝參數(shù)為芯紗比例5 0%，紡紗速度1 0 0 m/m i n，摩擦輥轉(zhuǎn)速4 0 0 0 r/m i n，摩擦比控制在4~5.

摩擦紡紗；海藻纖維；包芯紗；紡紗速度；摩擦比；芯紗比例

海藻纖維以其優(yōu)異的高吸濕性、成膠性和生物相容降解性在醫(yī)用紡織品上得到了廣泛的應用.藻酸纖維主要由不溶性的海藻酸鈣構(gòu)成，當海藻酸鈣纖維在與創(chuàng)面滲出液接觸時，通過離子交換，使不溶性的海藻酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘暮Ｔ逅徕c，在吸收一定量的液體后形成海藻酸鈉水凝膠，可為傷口的愈合提供一個濕潤的環(huán)境，從而具有獨特的傷口保護性能，因此海藻纖維可用于制作優(yōu)質(zhì)的醫(yī)用敷料[1-2].目前，國內(nèi)外研究開發(fā)出的海藻纖維醫(yī)用敷料大多以非織造的加工方法制成[3]，而有關(guān)海藻纖維紗線和織物的研究開發(fā)還處于起步階段.雖然海藻纖維具有獨特的醫(yī)療功能，但海藻纖維的強度和伸長率小，纖維的模量高、剛性大、抱合力差，且纖維的物理性能受纖維含水量的影響較大，因此采用傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗時其可紡性較差[4-6]，這也是迄今為止鮮見海藻纖維機織產(chǎn)品的主要原因.摩擦紡紗不同于環(huán)錠紡紗，它是利用一對摩擦輥對纖維摩擦加捻而成紗的一種新型紡紗方法，具有紡紗張力低、對纖維原料適應性廣、工藝流程短等特點[7].采用DREF-Ⅲ型摩擦紡紗機還可紡制包芯紗.包芯紗具有芯紗與外包纖維雙組分的特點，選擇適當?shù)男炯喖瓤山鉀Q海藻纖維可紡性差的問題，又可提高包芯紗的強力，使其適合后部的織造加工；而將海藻纖維作為外包纖維，能充分發(fā)揮海藻纖維高吸液及吸液后形成凝膠的醫(yī)療功能.本文采用棉紗為芯紗，海藻纖維為包覆纖維，在DREF－Ⅲ摩擦紡紗機上開發(fā)出了海藻纖維包芯紗，并利用正交試驗方法研究了紡紗速度、摩擦輥轉(zhuǎn)速以及芯紗比例對紗線性能的影響.

1 實驗部分

1.1 原料及其可紡性

本實驗所用海藻纖維由天津中盛生物科技有限公司提供，其主要力學性能為：平均長度40 mm，平均細度2.8 dtex，單纖維斷裂強度1.53 cN/dtex，斷裂伸長率6.7%.

在顯微鏡下觀察，藻酸纖維縱向無明顯特征或稍有條紋；截面不規(guī)則，接近于圓形，邊緣呈鋸齒形.海藻纖維主要由不溶性的海藻酸鈣構(gòu)成，其原材料來自于天然海藻中所提取的海藻多糖海藻酸.海藻酸是由β－D－甘露糖醛酸（簡稱M）和α－L－古羅糖醛酸（簡稱G）兩種組分構(gòu)成.因來源不同，其單體G與M的相對比例、排列順序有較大區(qū)別，從而影響到纖維的物理機械性能，通常單體G含量高時，海藻纖維的模量低.與棉、毛、滌綸等常用紡織纖維相比，海藻纖維的強度和伸長率都較小，標準狀態(tài)下的強度為1.4～1.8 cN/ dtex，斷裂伸長為2%～6%，且強度隨含水量的增加而顯著降低[4－6]，這使得海藻纖維的可紡性差，在傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗系統(tǒng)上進行純紡或混紡都比較困難.

1.2 紡紗方法與工藝流程

DREF－Ⅲ型摩擦紡機采用一對摩擦輥對纖維進行摩擦加捻成紗，屬非自由端紡紗.紗線結(jié)構(gòu)為假捻包纏結(jié)構(gòu)、內(nèi)緊外松，因而蓬松豐滿、手感柔軟，是制作敷料的理想紗線.此外摩擦紡紗方法對纖維原料要求低、適應性廣，原料經(jīng)梳理機制成生條后，即可直接進行紡紗，工藝流程短，成本低.

利用摩擦紡紗機特殊的包芯紗加工方法、成紗結(jié)構(gòu)以及對原料要求較低的特點，在摩擦紡紗機上開發(fā)海藻纖維/棉包芯紗是一種可行的方法.但經(jīng)過反復的試紡發(fā)現(xiàn)，用純海藻纖維作為包覆層所紡成的紗線容易出現(xiàn)包覆不緊和外包纖維易脫落等問題，這主要是由于海藻纖維本身強度低、彈性小、剛性大和經(jīng)過開松梳理后短絨率增大而造成的.因此，在外包纖維中加入少量的棉纖維（占外包纖維的24%），使海藻纖維和棉纖維均勻地混合在外包層，這樣明顯提高了紗線的包覆效果，成功開發(fā)出以海藻纖維、棉為包覆纖維，純棉紗為芯紗的包芯紗.

工藝流程：海藻纖維開松加濕→小型梳毛機→小型并條機→海藻纖維條

海藻纖維條、棉條和棉紗→DREF－Ⅲ型摩擦紡機→海藻纖維/棉摩擦紡包芯紗.

海藻纖維易產(chǎn)生靜電，在紡紗過程中應注意保持加工環(huán)境的濕度在65%左右.在海藻纖維的制條過程中，要合理選配開松、梳理工藝參數(shù)，減少在制條過程中對纖維的損傷.

1.3 試驗設計

根據(jù)DREF－Ⅲ型摩擦紡紗機的紡紗線密度范圍（33.3～166.6 tex），第一牽伸系統(tǒng)喂入1根純棉股線作為芯紗，線密度分別為19.2、24、28 tex，對應的芯紗比分別是40%、50%、60%；第二牽伸系統(tǒng)喂入5根條子作為外包纖維，其中海藻纖維條子4根、線密度為14 g/（5 m），占外包纖維的76%，棉纖維條子1根、線密度為17.5 g/（5 m），占外包纖維的24%.條子在第二牽伸區(qū)的喂入排列順序為從左到右：海藻、海藻、棉、海藻、海藻纖維條子.芯紗和外包纖維的比例通過調(diào)節(jié)第一牽伸區(qū)和第二牽伸區(qū)條子喂入速度來確定.

采用L9（33）3因素3水平正交試驗試紡48 tex的紗線（醫(yī)用敷料常用紗線線密度）.研究摩擦輥轉(zhuǎn)速、紡紗速度、芯紗比例3個主要工藝參數(shù)對成紗性能的影響，從而獲得最佳工藝方案.正交試驗因素水平如表1所示.

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal test designs table

1.4 紗線性能測試

（1）采用YG061型電子單紗強力試驗儀測試所紡紗線的強伸性能.測試參數(shù)分別為：拉伸形式為定速拉伸；拉伸隔距500 mm；拉伸速度100 mm/min；

（2）采用USTER條干均勻度儀測試所紡紗線的條干CV%、細節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié).測試參數(shù)分別為：導紗速度200 m/min；測試時間1 min.

2 實驗結(jié)果與分析

紗線性能測試結(jié)果如表2所示.對實驗結(jié)果進行極差分析和方差分析，根據(jù)分析結(jié)果作出趨勢圖，考察各工藝參數(shù)對包芯紗性能的影響.

表2 48 tex海藻纖維/棉包芯紗性能Tab.2 Properties of 48 tex alginate/cotton core-spun yarn

2.1 芯紗比對包芯紗性能的影響

圖1所示為芯紗比對包芯紗性能的影響.

由圖1可知，芯紗比對包芯紗性能的影響比較顯著.隨著芯紗比的增大，特別是當芯紗比由40%增加到50%時，紗線強度增大，條干不勻率和棉結(jié)數(shù)明顯減小.這是由于隨著芯紗比增加，作為芯紗的棉紗線密度增加、強度增加，而包芯紗的強度主要由芯紗提供，外包的海藻纖維則分擔較少；同時，當皮層纖維比例減小時，皮層纖維與摩擦輥、纖維與纖維之間存在的無規(guī)則滑移、“收放動作”也相應減少，使得紗線的條干CV%和棉結(jié)數(shù)降低.從圖1中可以看出，當芯紗比為50%時，紗線的強伸性能較好，條干CV%和棉結(jié)數(shù)明顯降低，紗線綜合性能好. 2.2 紡紗速度對包芯紗性能的影響

圖2所示為紡紗速度對包芯紗性能的影響.

由圖2可知，紡紗速度對包芯紗性能的影響也比較顯著.當紡紗速度由100 m/min增大到180 m/min時，不僅紗線的斷裂強度、斷裂伸長率減小，而且條干不勻率、棉結(jié)數(shù)顯著增大，紗線的綜合性能變差.由于紡紗速度決定著纖維與摩擦輥的接觸時間，當紡紗速度較大時，纖維在摩擦輥楔形加捻區(qū)停留的時間減少，纖維與摩擦輥、纖維與纖維之間產(chǎn)生高度滑移，影響了外包纖維的加捻和包覆效果.因此，在紡制海藻纖維包芯紗時適當降低紡紗速度可以保證包覆纖維的加捻和包覆效果.

2.3 摩擦輥轉(zhuǎn)速對包芯紗性能的影響

圖3所示為摩擦輥轉(zhuǎn)速對包芯紗性能的影響.

與芯紗比和紡紗速度兩因素相比，摩擦輥轉(zhuǎn)速對紗線性能的影響相對較小.從圖3可以看出，隨著摩擦輥轉(zhuǎn)速的提高，紗線的伸長率明顯增大、棉結(jié)數(shù)量有所降低、強度和條干CV%變化不大.這是由于摩擦輥的速度主要影響外包纖維的包覆捻度和緊密程度，隨著摩擦輥速度的增加，包覆捻度和緊密程度增加，因此表現(xiàn)為包芯紗的條干和棉結(jié)數(shù)量降低而伸長增加.所以適當提高摩擦輥轉(zhuǎn)速有利于提高成紗性能.

2.4 摩擦比對包芯紗性能的影響

由于摩擦紡紗Ⅱ是利用兩個摩擦輥對纖維進行加捻成紗的，其成紗機理屬自由端紡紗，也即在由兩個摩擦輥構(gòu)成的加捻凝聚區(qū)有一個自由的紗尾.加捻過程是先由兩個摩擦輥對凝聚區(qū)的紗尾進行加捻，獲得了紗的內(nèi)部（徑向）捻度，然后再在摩擦輥輸出處至引紗羅拉之間的主要加捻區(qū)加捻，獲得紗的外部（軸向）捻度.因此，紗線的加捻受到紡紗速度和摩擦輥轉(zhuǎn)速兩個因素的綜合制約，為了更全面地說明紡紗速度、摩擦輥轉(zhuǎn)速與紗線性能的關(guān)系，引入摩擦比的概念.摩擦比是指摩擦輥表面線速度與輸出線速度的比值，計算公式為：

式中：D為摩擦輥直徑（44 mm）；n為摩擦輥轉(zhuǎn)速（r/ min）；V為紡紗速度（m/min）.根據(jù)表2測試結(jié)果，用Origin7.0實驗數(shù)據(jù)分析軟件作出摩擦比與紗線性能的多項式擬合曲線如圖4所示.

圖4（a）表明，隨著摩擦比的增加，紗線的強度先增加后減小，在摩擦比為4左右時出現(xiàn)峰值.圖4（b）、（c）、（d）表明當摩擦比由2增加到5時，紗線的條干不勻率和棉結(jié)數(shù)明顯降低，斷裂伸長率則顯著增加.上述變化說明摩擦比是決定紗線的捻系數(shù)即紗線的實質(zhì)性加捻程度的主要因素.當摩擦比較小時，紗線獲得的實際捻度不夠，外包纖維包覆不完全，所以成紗強度較小、條干不勻率和棉結(jié)數(shù)都較大，紗線綜合性能較差.當減小紡紗速度或增大摩擦輥轉(zhuǎn)速，摩擦比增大時，紗線的加捻和包覆效果都得到顯著增強，成紗性能得到顯著提高.但是，當摩擦比增加到一定程度時（即摩擦比超過5時），由于紗線與摩擦輥表面的滑溜程度增大而使摩擦輥對紗線的握持效果降低，加捻效率下降，紗線達到臨界捻度，強力開始下降，條干不勻率和棉結(jié)數(shù)增多，成紗性能降低.因此，合理調(diào)配摩擦輥轉(zhuǎn)速和紡紗速度，選擇合適的摩擦比是提高摩擦紡海藻纖維包芯紗性能的重要措施.由上述分析可知，在紡中特的海藻纖維摩擦紡包芯紗時，摩擦比控制在4～5之間時成紗綜合性能最好.

3 結(jié)論

（1）海藻纖維的強度小、斷裂伸長率低、抱合力差，物理性能受纖維含水量影響較大，可紡性較差.利用摩擦紡紗機對原料可紡性要求較低這一特點，在摩擦紡紗機上開發(fā)海藻纖維產(chǎn)品是一種可行的方法.在DREF-Ⅲ型摩擦紡紗機上紡制海藻纖維包芯紗時，海藻纖維不宜單獨作外包纖維，混入適量的、合適的其他纖維，如棉纖維，有利于提高紗線的包覆效果.

（2）芯紗比和紡紗速度是影響摩擦紡海藻纖維包芯紗性能的兩個重要因素，適當提高芯紗比、降低紡紗速度有利于提高成紗質(zhì)量.在DREF-Ⅲ型摩擦紡紗機上紡制中特海藻纖維/棉包芯紗，芯紗比為50%、紡紗速度為100 m/min、摩擦輥轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時包芯紗的綜合性能最好.

（3）摩擦比是摩擦紡中決定紗線實質(zhì)性加捻程度的重要工藝參數(shù)，適當提高摩擦比有利于加捻，提高成紗質(zhì)量.在紡中特的海藻纖維摩擦紡包芯紗時，摩擦比控制在4～5左右時成紗綜合性能最好.

[1] 秦益民.海藻酸纖維在醫(yī)用敷料中的應用 [J].合成纖維，2003，32（4）：11-16.

[2]楊明煜.醫(yī)用紡織纖維的性能與應用[J].紡織學報，2002，23（4）：330-331.

[3] 郭肖青，朱 平，王 新.海藻纖維的研究現(xiàn)狀及其應用[J].染整技術(shù)，2006，28（7）：1-4.

[4] MONCRIEFFR W.Man-made Fibres，Newnes-Butterworths [M].6th Edition.London：Newnes Butterworths，1979：300-306.

[5] COOK J G.Handbook of Textile Fibres：Man-made Fibres[M]. UK：Merrow Publishing，1984.

[6] COOK J G.Handbook of Texlile Fibres：Natural Fibres[M]. UK：Merrow Publishing，1984.

[7] 蔣金仙，王其慧.摩擦紡紗 [M].北京：紡織工業(yè)出版社，1991：1-4.

Technology research of friction spinning alginate core-spun yarn

WANG Hua-yan，ZHANG Xu，WANG Jian-kun
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

Alginate fibre is difficult to spinning on the traditional ring spinning machine.Friction core-spun yarn which took alginate fibers as main wrapped fibers and cotton yarn as core yarn are developed on DREF-Ⅲfriction spinning machine.The influence on yarn performance of spinning speed，friction roller speed and core yarn percentage is researched by means of orthogonal experiment，and the spinning technology range of alginate fiber friction core-spun yarn is also optimized.The results show that：it is in favor of yarns quality that increasing the core yarn percentage and the frictional ratio and decreasing the spinning speed properly；the optimum process parameters are core yarn percentage 50%，spinning speed 100 m/min，friction roller speed 4 000 r/min and frictional ratio 4-5 while spinning medium fineness yarns.

friction spinning；alginate fibre；core-spun yarn；spinning speed；frictional ratio；core yarn percentage

TS102.528；TS104.1

A

1671－024X（2010）06－0017－04

2010-10-12 基金項目：天津工業(yè)大學大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目（08011）

王花艷（1988—），女，本科生.

王建坤（1961—），女，博士，教授，碩士生導師.E-mail：jiankunwang@tjpu.edu.cn