低扭矩環(huán)錠紡紗原理及其單紗的結(jié)構(gòu)和性能

陶肖明，郭 瀅，馮 杰，徐賓剛，華 濤

(香港理工大學 紡織與制衣學系，香港 999077)

自環(huán)錠細紗機問世以來，單紗低捻度導致低強力是一直未解決的難題。降低捻度可提高細紗機產(chǎn)量，降低單紗殘余扭矩，但導致低強力，不能同時實現(xiàn)環(huán)錠單紗的低扭矩、低捻度、高強力。在傳統(tǒng)環(huán)錠紗加捻過程中由于纖維被拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)，紗中儲存的能量一部分在紡紗過程中被釋放，但仍然有相當一部分能量被保留下來，為紗的殘余扭矩［1］。殘余扭矩使得單紗有退捻、釋放內(nèi)部扭應力的趨勢，被認為是造成織物緯斜、螺旋線紋，以及影響機織物表面光潔平整等最基本的原因［2－3］。傳統(tǒng)環(huán)錠紡技術(shù)不能通過降低單紗捻度而顯著減少殘余扭矩，需要在后道工序中進行定型處理，這將增加能耗并造成纖維損傷及廢汽、廢水和化學品的排放。過去，已有很多種方法被用來減小或消除紗的殘余扭矩，如濕熱定型［4］、化學處理、并紗、Tandem 紡紗法［5－6］等，但這些方法生產(chǎn)成本較高，容易損傷纖維，或者不能得到低扭矩單紗。

新興的低扭矩環(huán)錠紡紗技術(shù)(扭妥TM)可以通過一步法得到低扭矩環(huán)錠單紗［7－9］。經(jīng)過不斷改良，目前已經(jīng)發(fā)展到第5代。本文回顧了低扭矩環(huán)錠紗的紡紗原理和單紗結(jié)構(gòu)，通過對比3代低扭矩紗及其織物的性能，介紹該技術(shù)的最新發(fā)展。

1 低扭矩環(huán)錠紗技術(shù)的原理

低扭矩環(huán)錠紡紗技術(shù)的創(chuàng)新之處在于，在傳統(tǒng)環(huán)錠細紗機的前羅拉和導紗鉤之間安裝了1個簡單的機械式假捻裝置(見圖1)，從而改變了纖維在成紗中的排列，使紗的殘余扭矩通過其內(nèi)部平衡而顯著降低，在較低的捻度下，得到了扭矩低，毛羽少，強力較高以及手感柔軟的單紗［7－9］。

圖1 低扭矩環(huán)錠紡紗原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of low torque ring spinning system

如圖1所示，由于假捻裝置的引入，傳統(tǒng)環(huán)錠細紗機的紡紗區(qū)被分為2個部分:第1部分從前羅拉鉗口到假捻器為A區(qū);第2部分從假捻器到導紗鉤為B區(qū)。當纖維經(jīng)過牽伸從前羅拉引出后，在A區(qū)被假捻器加以一定數(shù)量的假捻(Z向)，使得在A區(qū)的紗具有遠高于正常紗的捻度(見圖2(a))。當紗離開假捻器進入B區(qū)，又被假捻器加以相反而相同數(shù)量的捻度(S向)，因此該區(qū)中紗的捻度顯著降低［10－11］(見圖 2(b))。在假捻作用的同時，鋼領(lǐng)和鋼絲圈產(chǎn)生的真捻從氣圈區(qū)(C區(qū))傳遞上來，真捻和假捻之間的相互作用改變了傳統(tǒng)紡紗過程紗的捻度和張力的分布，使得低扭矩紡紗過程不同于傳統(tǒng)的紡紗過程。

圖2 低扭矩紡紗系統(tǒng)中的捻度分布Fig.2 Yarn twist distribution in low torque ring spinning system.(a)Zone A;(b)Zone B

在低扭矩紡紗系統(tǒng)中，所加假捻的數(shù)量可以通過1個新引入的參數(shù)進行調(diào)整，稱為速度比，表示的是假捻器速度和出紗速度的比值。不同的速度比，將得到不同的捻度和張力分布［11］以及不同的紡紗三角區(qū)［10］，因此，其值大小直接影響最終成紗的質(zhì)量［8］。圖3示出利用高速攝影機在傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗和低扭矩紡紗過程中觀察到的紡紗三角區(qū)［11］。

圖3高速攝影儀下紡紗三角區(qū)形態(tài)比較Fig.3 Spinning triangle under high speed camera.(a)Ring spinning;(b)Low torque ring spinning

從圖3可看出，低扭矩紡紗過程中的成紗三角區(qū)在長度方向大大減小，這主要是由于在低扭矩環(huán)錠紡紗系統(tǒng)中，假捻器的作用使A區(qū)的紗捻度顯著增加，即在三角區(qū)的纖維所受張力顯著增大，極大地增強了纖維在三角區(qū)中的轉(zhuǎn)移［12－13］，從而形成了其特殊的單紗結(jié)構(gòu)，這從一方面解釋了低扭矩紗具有低捻高強的特點。另一方面，在低扭矩紡紗過程中觀察到的成紗三角區(qū)有比較明顯的纖維分束現(xiàn)象，有助于纖維在紗內(nèi)部的位置變化及相互之間抱合力的增強，其結(jié)構(gòu)特點也使低扭矩紗強力的提高得到了進一步的解釋。

在低扭矩紡紗過程中，紗線捻度的變化也導致了紗線張力分布的變化。由于在A區(qū)的紗具有高捻度，因此紗線承受的張力可以相對較低，極大地減少了在紡紗過程中斷頭的機會。而在捻度較低的B區(qū)，假捻器和紗之間的作用使紗線張力顯著增加［10－11］，有助于在紡紗過程中保持低扭矩紗獨特的結(jié)構(gòu)特點。

2 低扭矩環(huán)錠單紗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 實驗材料

基于示蹤纖維技術(shù)，選取Tencel纖維進行紗結(jié)構(gòu)分析。試樣為29.5 tex低扭矩環(huán)錠紗和同樣條件下紡制的傳統(tǒng)環(huán)錠紗，捻度均為4.4捻/cm。Tencel纖維的線密度為0.167 tex，長度為38 mm，直徑為12.08μm。示蹤纖維比例約為0.32%。

2.2 實驗方法

單紗內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析中，主要利用本文設計開發(fā)的紗線結(jié)構(gòu)連續(xù)測量分析系統(tǒng)［14］進行示蹤纖維圖像的拍攝及分析，圖4給出了該系統(tǒng)的構(gòu)架圖。

圖4 紗線結(jié)構(gòu)連續(xù)測量系統(tǒng)簡圖Fig.4 Sketch of continuous system for yarn structuremeasurement

實驗過程中，含有示蹤纖維的紗樣通過一水平軸釋放，通過一個盛滿觀測溶液的觀測槽。在觀測槽中，一面拋光的鋼片與水平面呈45°角放置，其上方是與放大器相連的CCD攝相機，在紗線通過鏡面的過程中，攝像機捕捉到2個相互垂直的面上的示蹤纖維形態(tài)，并進一步分析得到纖維在紗內(nèi)部的三維形態(tài)及結(jié)構(gòu)特點。本文，紗的軸向設為z向，紗橫截面設為xy平面，r是纖維上某點到紗芯的距離，R為紗的半徑，則r/R反映了纖維上某點p(x，y，z)距離紗中心的相對位置，此外，Rx和Ry是兩個垂直面上紗的直徑;則x/Rx和y/Ry分別代表p點的2個相對徑向位置。

2.3 單紗內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點

在低扭矩環(huán)錠紗中，40%左右的纖維軌跡屬于非同軸異形螺旋線，如圖5所示。纖維螺旋線的中心軸線常常與紗的中心軸線偏離。在傳統(tǒng)環(huán)錠紗中，纖維主要呈現(xiàn)2種結(jié)構(gòu)形態(tài)，即同心圓柱形(見圖6(a))和同心圓錐形(見圖6(b))，其纖維螺旋線中心線與紗的中心軸線一致。

圖5 低扭矩環(huán)錠單紗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 Structural features in low torque ring yarn(a)3-D trajectories of fiber;(b)Deformed nonconcentric helix and local reversion of fiber segments

另外，在低扭矩環(huán)錠紗中，約70%的纖維片段或多或少地存在反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(見圖5(b))，即纖維片段的螺旋軌跡顯示的捻度方向與紗實際捻度方向相反。按照纖維空間取向角及其方向性的確定方法［15］，可以得到沿著紗軸方向某根纖維空間取向角的大小及方向分布。如圖7所示，雖然所處平均徑向位置相同，但是由于低扭矩環(huán)錠紗纖維存在反向片段，該纖維的平均空間取向角(7.13°)遠小于傳統(tǒng)環(huán)錠紗中該根纖維的平均空間取向角(10.53°)。這些反轉(zhuǎn)纖維片段的存在有助于平衡單紗中存在的扭應力，降低紗中的殘余扭矩。同時，在傳統(tǒng)環(huán)錠紗中，單根纖維的空間取向角波動范圍很小，而在低扭矩環(huán)錠紗中，由于單根纖維在紗中的內(nèi)外位置不斷發(fā)生變化，其空間取向角分布的范圍比較廣。另有數(shù)據(jù)表明，在低扭矩環(huán)錠單紗中，一部分纖維的平均相對徑向位置距離紗芯較近，且其從內(nèi)到外頻繁發(fā)生轉(zhuǎn)移且幅值較大［15］，這使紗的結(jié)構(gòu)更加緊密，纖維間的抱合力進一步增強，紗線斷裂強力得以提高。

圖6 傳統(tǒng)環(huán)錠紗中纖維的三維形態(tài)Fig.6 3-D trajectories of fiber in conventional ring yarn(a)Concentric cylindrical helix;(b)Concentric conical helix

圖7 纖維片段空間取向角的分布Fig.7 Distributions of fiber spatial orientation angles

3 低扭矩環(huán)錠紗及其織物的性能

本文通過不同低扭矩環(huán)錠單紗產(chǎn)品與傳統(tǒng)環(huán)錠紗及其織物之間的性能比較，分析低扭矩環(huán)錠單紗及其織物的性能特點，具體數(shù)據(jù)如表1～6所示。所用數(shù)據(jù)主要由低扭矩環(huán)錠紗生產(chǎn)廠家提供。其中濕扭結(jié)個數(shù)是利用自主設計開發(fā)的紗線扭結(jié)測試儀［16］測得，該值可用來表征紗線的殘余扭矩大小，紗線單位長度上的濕扭結(jié)數(shù)越少即紗線的殘余扭矩越小。

表1 第1代低扭矩環(huán)錠紗性能 (29.5 tex)Tab.1 Properties of 1st low torque ring yarns(29.5 tex)

通過實際生產(chǎn)得到的數(shù)據(jù)進一步證實低扭矩環(huán)錠單紗具有低捻高強、殘余扭矩和毛羽少等特點。經(jīng)過多次水洗之后，低扭矩針織物的歪斜變形小，且頂破強力較高、透氣性以及手感較好，主要性能接近具有正常捻度的傳統(tǒng)環(huán)錠針織物。如表3中，當捻度降低20%時，29.5 tex低扭矩環(huán)錠針織紗的強力已經(jīng)接近正常捻度的傳統(tǒng)環(huán)錠紗。當捻度降低30%時，100米長度上，低扭矩環(huán)錠紗3mm以上毛羽根數(shù)遠遠低于具有正常捻度的傳統(tǒng)環(huán)錠紗，且強力已經(jīng)滿足工業(yè)應用的需求，而同捻度水平的傳統(tǒng)環(huán)錠紗強力很弱，且在紡紗過程斷頭嚴重，很難紡制。此外，第5代低扭矩紡紗技術(shù)在高支紗的生產(chǎn)上有進一步突破，尤其是單紗條干(表5)。對比第4代高支低扭矩機織布和傳統(tǒng)環(huán)錠機織布的性能可以發(fā)現(xiàn)(表6)，在相同條件下，高支低扭矩機織布在經(jīng)向和緯向都具有較好的斷裂強力、撕裂強力和耐磨擦性，這是由于高支低扭矩單紗具有較好的物理性能［17］。

表2 第1代低扭矩環(huán)錠針織坯布性能 (29.5 tex，筒紗)Tab.2 Properties of 1st undyed knitted fabrics(29.5 tex，cone yarns)

表3 第4代低扭矩環(huán)錠紗的性能 (29.5 tex，筒紗)Tab.3 Properties of 4th low torque ring yarns(29.5 tex，cone yarns)

表4 第4代低扭矩環(huán)錠針織坯布的性能 (29.5 tex)Tab.4 Properties of 4th undyed knitted fabrics(29.5 tex)

表5 第4和第5代單紗性質(zhì)對比Tab.5 Properties com parison of 4th and 5th low torque ring yarns

表6 第4代7.4 tex低扭矩機織布的性能Tab.6 Properties of fabrics produced by 4th 7.4 texconv entional and low torque ring yarns

4 結(jié)論

1)假捻裝置改變了低扭矩紡紗三角區(qū)纖維張力及成紗過程紗線捻度分布，賦予低扭矩環(huán)錠紗獨特的結(jié)構(gòu)特點，提升了成紗及織物的物理性能。

2)低扭矩環(huán)錠紗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在以下特點:纖維螺旋線呈現(xiàn)非同軸異形結(jié)構(gòu)，且其螺旋半徑不斷變化;大量纖維片段存在反轉(zhuǎn)現(xiàn)象;纖維空間取向角小且變異較大;纖維主要分布在單紗內(nèi)層，單紗結(jié)構(gòu)緊密;纖維轉(zhuǎn)移幅度大，纖維轉(zhuǎn)移率高。

3)在捻度顯著減小(25% ～40%)的情況下，低扭矩環(huán)錠紗仍具有很好的可紡性，較高的強力，且紗的殘余扭矩和3 mm以上毛羽長度的數(shù)量顯著降低。低扭矩環(huán)錠紗能明顯改善針織物的歪斜，同時具有較高的頂破強力、良好的透氣性和抗起毛起球性能。高支低扭矩機織布具有較好的斷裂強力、撕裂強力和耐磨擦性。

［1］ LAU Y M，TAO X M，DHINGRA R C.Spirality in single-jersey fabrics［J］.Textile Asia，1995，31(8):95－102.

［2］ TAO X M，LO W K，LAU Y M.Torque-balanced singles knitting yarns spun by unconventional systems:1.cotton rotor spun［J］.Text Res J，1997，67(10):739－746.

［3］ M ILOSAVLJEVIC S， TADIC T A. Contribution to residual-torque evaluation by the geometrical parameters of an open yarn loop［J］.JTextile Inst，1995，86(4):676－ 681.

［4］ PRIMENTAS A，IYPE C.Spirality of weft knitted fabrics:part III:an innovative method for the reduction of the effect［J］.Indian Journal of Fibre ＆ Textile Research，2003，28(2):202－208.

［5］ SAWHNEY A P S，ROBERT K Q，RUPPENIKER G F，et al. Improved method of producing a cotton/polyester stap le-core yarn on a ring spinning frame［J］.Text Res J，1992，62(1):21－ 25.

［6］ SAWHNEY A P S， KIMMEL L B. Tandem spinning［J］.Text Res J，1995，65(9):550 － 555.

［7］ TAO X M，XU B G，WONG SK.Method and apparatus for manufacturing a singles ring yarn:US，7096655 B2［P］.2006 －08 －29.

［8］ XU B G，TAO X M.Techniques for torque modification of singles ring spun yarns ［J］.Text Res J，2008，78(10):869－879.

［9］ YANG K，TAO X M，XU B G，et al.Structure and properties of low twist short-staple singles ring spun yarns［J］.Text Res J，2007，77(9):675 －685.

［10］ FENG J，XU B G，TAO X M.Dynamic measurement and modeling of flexible yarn dynamic behavior on a moving cylindrical solid structure［J］.Measure Sci Tech，2012，23:115605.

［11］ FENG J， XU B G，TAO X M. Investigation and optimization of yarn twisting efficiency and spinnability in a modified low torque ring spinning system［C］//Proceedings of the 10thAsian Textile Conference.Ueda，Japan:Society of Fiber Science and Technology，2009:7－9.

［12］ FENG J，XU B G，TAO X M，et al.Theoretical study of a spinning triangle with its application in a modified ring spinning system［J］.Text Res J，2010，80(14):1456－1464.

［13］ HUA TAO.Production，properties and structures of short staple low torque singles ring yarn for weaving［D］.Hongkong:The Hong Kong Polytechnic University，2006:23－35.

［14］ GUO Ying，TAO X M，XU B G，et al.A continuous measurement system for yarn structures by optic method［J］. Measure Sci Tech， 2010， 21(11):115706.

［15］ GUO Ying，TAO X M，XU B G，et al.Structural characteristics of low torque and ring spun yarns［J］.Text Res J，2011，81(8):778 －790.

［16］ MURRELLSC M，WONG K K，TAO X M，et al.Yarn snarling testing apparatus and method:US，7219556 B2［P］.2007－5－22.

［17］ FENG J， XU B G， TAO X M. Systematic investigation and optim ization of fine cotton yarns produced in a modified ring spinning system using statisticalmethods［J］.Text Res J，2012，83(3)，238－248.