噴氣渦流紡渦流管噴孔工藝的實驗研究

尚珊珊， 郁崇文

(東華大學 紡織學院, 上海 201620)

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噴氣渦流紡渦流管噴孔工藝的實驗研究

尚珊珊， 郁崇文

(東華大學 紡織學院, 上海 201620)

噴氣渦流紡是利用高速旋轉(zhuǎn)氣流在渦流管中對纖維加捻而使其成紗，為了研究渦流管噴孔參數(shù)對紡紗的影響，對渦流管的噴孔參數(shù)(噴孔孔徑、噴孔角度和噴孔個數(shù))進行探討，選擇2種噴孔直徑(0.5、0.6 mm)，并在這2種直徑下選擇7種噴孔角度(30.0°、32.5°、35.0°、37.5°、40.0°、45.0°、50.0°)、3種噴孔個數(shù)(4、5、6)，以粘膠為原料在噴氣渦流紡紗小樣機上進行紡紗實驗，結(jié)果表明：當噴孔角度為45.0°,噴孔直徑為0.5 mm,噴孔數(shù)目為4時，成紗質(zhì)量好且能耗小。

噴氣渦流紡； 噴嘴； 渦流管； 噴孔參數(shù)

噴氣渦流紡是在噴氣紡的基礎上發(fā)展起來的，屬于不完全自由端紡紗，由棉條直接喂入，在噴嘴內(nèi)渦流的作用下隨氣流的旋轉(zhuǎn)加捻成紗[1-2]。噴氣渦流紡的研究始于20世紀后期[3]，目前產(chǎn)品開發(fā)比較成熟的企業(yè)是日本村田公司[4]和瑞士立達公司。國內(nèi)外的紡織學者對噴氣渦流紡技術進行了各種有益的探索，但都局限于紗線結(jié)構(gòu)[5]、紡紗工藝和產(chǎn)品性能[6]，對噴嘴的研究很少，而噴嘴對纖維原料、產(chǎn)品質(zhì)量乃至紡紗過程有直接的影響，因而，研究噴嘴很有必要。渦流管作為噴嘴的主要組成部分，噴孔的參數(shù)直接影響噴嘴性能。同時，紡紗實驗受溫濕度影響大，需要合適的溫濕度條件[7]。

噴氣渦流紡噴嘴對原料的性能是有要求的，粘膠、棉、滌/棉、毛等原料的性能差異較大，不同的原料所適用的渦流管噴孔參數(shù)也不相同。目前，噴氣渦流紗的常用原料是粘膠類纖維(粘膠、Tencel、Model等)，純棉用得較少。本文旨在優(yōu)選適用于純粘膠(1.23 dtex×39 mm)的噴氣渦流紡渦流管噴孔參數(shù)，并在自行研制的噴氣渦流紡紗小樣機上進行紡紗實驗。

1 噴氣渦流紡的紡紗機制

壓縮氣流在噴嘴入口處形成足夠大的負壓，經(jīng)前羅拉輸出的平行纖維束被吸入噴嘴，其頭端進入空心引紗管，與此同時，部分纖維的后端脫離了前羅拉的控制，從紗體中分離出來，形成自由端纖維，在氣流的軸向作用下，自由端纖維呈傘狀倒伏在錐面體的錐面，在氣流的切向作用下，中心纖維的四周按一定方向纏繞，完成對纖維須條的加捻而形成實捻狀的短纖維紗[8]。其機制如圖1[9]所示。

圖1 噴氣渦流紡紗機制圖Fig.1 Mechanism diagram of jet vortex spinning

2 渦流管噴孔參數(shù)的優(yōu)化

渦流管(如圖2所示)的作用主要是利用高速回轉(zhuǎn)氣流(如圖3所示)對牽伸后的須條進行加捻而成紗。渦流管的噴孔參數(shù)對紡紗影響很大，其差異可以引起氣流的很大變化，因此直接影響纖維的運動狀態(tài)[10]。渦流管噴孔主要參數(shù)有：噴孔直徑d、噴孔個數(shù)M和噴孔角度β。噴孔角度β指噴孔相對于渦流管橫截面的傾斜程度，它決定噴孔出口處氣流速度各分量的大小[11-12]。

圖2 渦流管Fig.2 Vortex tube

圖3 渦流管內(nèi)射流流向Fig.3 Air flow vortex tube

為了探索渦流管的噴孔參數(shù)對紡紗的影響，本文選擇2種噴孔直徑d(方案1：0.5 mm、方案2：0.6 mm)，并在這2種噴孔直徑下選擇7種噴孔角度β(30°、32.5°、35°、37.5°、40°、45°、50°)，3種噴孔個數(shù)M(4、5、6)分別進行了單因子的紡紗實驗，并從中優(yōu)化出較佳的渦流管噴孔參數(shù)。紡紗工藝參數(shù)為：紡紗速度170 m/min，壓力0.55 MPa，前羅拉鉗口到噴嘴入口的距離10 mm，導引針到錐面體的距離1 mm。

圖4 d=0.5 mm，M=4時β對純粘膠紗性能的影響Fig.4 Effect of β on pure viscose performance under conditions of d=0.5 mm and M=4. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

圖4示出當d=0.5 mm、M=4時β對純粘膠紗性能的影響。可以看出：隨著β的增大，純粘膠紗的強度先增大后減小；而單強不勻率的總體趨勢是先減小后增加；條干不勻率總體趨勢是先增加后減小又增加；斷裂伸長率的總體趨勢是先增加后減少；噴氣渦流紗的毛羽明顯很少, 尤其是3 mm以上有害毛羽幾乎沒有[13]?？傮w看來，當d=0.5 mm、M=4時β以40°～45°為佳。主要是因為通過渦流管噴氣孔進入的氣流速度分為3個方向，沿渦流管內(nèi)壁對紗體進行加捻的切向氣流，指向紗芯的徑向氣流，與紗體輸出方向相同的軸向氣流。當β較小時，通過渦流管的噴氣孔進入氣流的切向和徑向速度大但軸向氣流小，不利于引紗，對成紗造成影響；當β逐漸增大，超過一定值時，氣流軸向速度變大而切向、徑向速度變小，不利于紗體的加捻，從而影響成紗質(zhì)量。

圖5 d=0.5 mm，M=5時渦流管噴孔角度β對純粘膠紗性能的影響Fig.5 Effect of vortex tube′s jet orifice obliquity β on pure viscose performance under conditions of d=0.5 mm and M=5. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

圖5示出當d=0.5 mm、M=5時β對純粘膠紗性能的影響?？梢钥闯觯弘S著β的增大，純粘膠紗的強度先增大后減??；而單強不勻率的總體趨勢是先平緩增加后平緩減小最后又突然增加；條干不勻率總體趨勢是先增加后減小又增加；斷裂伸長率的總體趨勢是先緩慢增加再急劇減小然后又增加的；毛羽指數(shù)較小。總體看來，當d=0.5 mm、M=5時β以40°～45°為佳。這與圖4的結(jié)果相似，這也是由于β較小時，氣流的切向和徑向速度大而軸向速度小，不利于引紗；而當β增大到一定值時，氣流軸向速度變大而切向、徑向速度變小，不利于紗體的加捻。

圖6示出當d=0.5 mm、M=6時β對純粘膠紗性能的影響。可以看出，當d=0.5 mm、M=6時β以35°～40°為佳。因噴氣孔直徑相同，增加渦流管噴氣孔數(shù)，就顯著增加了氣流量，使得氣流的各項分量也隨之增大。因此，當β為35°～40°時，氣流可實現(xiàn)較好的加捻和順利的引紗。

圖7示出當d=0.6 mm、M=4時β對純粘膠紗性能的影響?？梢钥闯?，當d=0.6 mm、M=4時β以40°～45°為佳。相對于圖4，圖7渦流管的噴氣孔直徑增加了0.1 mm，氣流量也隨之有所增加，這也是由于β較小時，不利于引紗；而當β逐漸增大并超過一定值時，氣流的切向、徑向速度變小，不利于紗體的加捻，從而影響成紗質(zhì)量。

圖6 d=0.5 mm，M=6時β對純粘膠紗性能的影響Fig.6 Effect of β on pure viscose performance under condition of d=0.5mm and M=6. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

圖8示出當d=0.6 mm、M=5時β對純粘膠紗性能的影響。可以看出，當d=0.6 mm、M=5時，β以40°～45°為佳。這也是由于β較小不利于引紗；而當β逐漸增大并超過一定值時不利于紗體加捻而造成的。

圖9示出當d=0.6mm、M=6時β對純粘膠紗性能的影響?？梢钥闯?，當d=0.6 mm、M=6時，β以35°～40°為佳。相對于圖6，圖9渦流管的噴氣孔直徑大了0.1 mm，氣流量相對來說更大一些。因此，當β為35°～40°時，氣流就可以實現(xiàn)較好的加捻和順利的引紗。

圖7 d=0.6 mm，M=4時β對純粘膠紗性能的影響Fig.7 Effect of β on pure viscose performance under condition of d=0.6 mm and M=4. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

依據(jù)渦流管噴孔方案1和方案2中較好的參數(shù)再次進行紡紗實驗驗證，以確定最佳渦流管噴孔參數(shù)，結(jié)果如表1所示。可以看出，就單紗強度而言，當d=0.6 mm，M=4，β=45°時，單紗強度最大；當d=0.5 mm，M=4，β=45°時，單紗強度次之；當d=0.6 mm，M=5，β=45°時，單紗強度也較好。以上試樣的單強不勻都在9.5%左右，有害毛羽指數(shù)都很小，性能較好?？傮w看來，渦流管的噴孔參數(shù)以參數(shù)A：d=0.5 mm，M=4，β=45°;參數(shù)B：d=0.6 mm，M=4，β=45°;參數(shù)C：d=0.6 mm，M=5，β=45°為佳。

為了探究3組參數(shù)哪組更好，再在這3組參數(shù)條件下進行紡紗實驗，以確定最佳的渦流管噴孔參數(shù)。結(jié)果如表2所示。

本文的紡紗實驗是在自行研制的噴氣渦流紡紗小樣機上進行，由于成紗均勻度指標主要受牽伸裝置影響，而本文中的紡紗樣機的牽伸及搖架部分均是采用現(xiàn)有環(huán)錠細紗機上的三羅拉牽伸裝置，故其成紗條干較差。由表2可見，在同樣的紡紗條件下，參數(shù)A紗線的條干指標優(yōu)于參數(shù)B、C的，說明參數(shù)A最優(yōu)。而噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是對成紗強度指標影響較大，從表2可見，就單紗斷裂強度而言，參數(shù)A紡出的紗線強度都達到了10 cN/tex以上，而參數(shù)B、C的稍遜；就單強不勻而言，參數(shù)A的也優(yōu)于參數(shù)B、C的；且三者的有害毛羽指數(shù)都很小。但由于參數(shù)A的噴孔數(shù)和噴孔孔徑最小，在氣壓為0.55 MPa的條件下，顯然，耗氣量大小順序是參數(shù)C>參數(shù)B>參數(shù)A，因此，綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量和能耗，將渦流管的最優(yōu)噴孔參數(shù)定為參數(shù)A，即：d=0.5 mm,M=4,β=45°。

圖8 d=0.6 mm，M=5時β對純粘膠紗性能的影響Fig.8 Effect of β on pure viscose performance under condition of d=0.6 mm and M=5. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

圖9 d=0.6mm，M=6時β對純粘膠紗性能的影響Fig.9 Effect of β on pure viscose performance under condition of d=0.6 mm and M=6. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

表1 渦流管噴孔方案1和方案2中較好的參數(shù)對紡紗質(zhì)量的影響Tab.1 Effect of better parameters I and II of vortex tube orifice on yarn quality

表2 優(yōu)化參數(shù)A、B、C條件下的紡紗驗證實驗
Tab. 2 Verification spinning experiments under conditions of optimize parameters A, B, C

參數(shù)序號線密度/tex條干不勻率/%細節(jié)(-50%)/(個·km-1)粗節(jié)(+50%)/(個·km-1)棉結(jié)(+200%)/(個·km-1)斷裂強力不勻率/%斷裂強度/(cN·tex-1)≥3mm有害毛羽指數(shù)118711968344661891410724001A21856187230413190721010000231974204751728993781050900211997210743848889349815003B2184320235679648308996203198420033255439366994200412090208340887882269966003C21830213144106778809908700332005194132524490059788001

3 結(jié) 語

本文通過對噴嘴主要部件渦流管噴孔參數(shù)的探討和紡紗實驗驗證，優(yōu)化得出渦流管的最佳噴孔參數(shù)，結(jié)果表明：當β=45°,d=0.5 mm,M=4時，成紗質(zhì)量好且能耗小。

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Experimental research of vortex tube′s jet orifice technology in jet vortex spinning

SHANG Shanshan, YU Chongwen

(CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

It is well known that jet vortex spinning is to form yarns employing high speed air vortex in vortex tube to entangle the fibers. In order to study the influence of the vortex tube′s jet orifice parameters on the spinning, the vortex tube′s jet orifice parameters (jet orifice diameter, jet orifice obliquity and jet orifice number) were discussed. The two jet orifice diameters (0.5, 0.6 mm) were chosen, and seven jet orifice obliquities (30.0°, 32.5°, 35.0°, 37.5°, 40.0°, 45.0° and 50.0°) and three jet orifice numbers (4, 5 and 6) were selected based on the above two diameters, and with viscose as raw material, jet vortex spinning experiments were performed on a small sample machine. The experimental results indicate that: the quality of the formed yarn is good and the energy consumption is less under the conditions: jet orifice obliquity of 45.0°, jet orifice diameter of 0.5 mm and jet orifice number of 4.

vortex spinning; nozzle; vortex tube; jet orifice parameter

0253- 9721(2013)06- 0034- 06

2012-06-02

2013-03-13

國家自然科學基金資助項目(51076026)

尚珊珊(1978—)，女，碩士生。主要研究方向為噴氣渦流紡的噴嘴設計制作。郁崇文，通信作者，E-mail: yucw@dhu.edu.cn。

TS 111.8

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