酚醛纖維頭道并條工藝優(yōu)化及其對(duì)成紗質(zhì)量的影響

蔡薇琦, 馬崇啟, 闞永葭， 楊金蓮, 李君麗

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院, 天津 300387)

酚醛纖維頭道并條工藝優(yōu)化及其對(duì)成紗質(zhì)量的影響

蔡薇琦, 馬崇啟, 闞永葭， 楊金蓮, 李君麗

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院, 天津 300387)

為探討酚醛纖維頭道并條工藝優(yōu)化方案對(duì)酚醛纖維成紗質(zhì)量的影響，在酚醛纖維順利梳理的基礎(chǔ)上，對(duì)紡紗工藝中的并條工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)選取因素后牽伸倍數(shù)、羅拉中心距(前×中×后)、并條速度作為研究對(duì)象，每個(gè)因子選取3個(gè)水平，指標(biāo)值為Y311型條干不勻率和質(zhì)量不勻率，采用正交分析法，研究不同指標(biāo)、不同優(yōu)化方案對(duì)成紗質(zhì)量的影響。分別根據(jù)條干不勻、質(zhì)量不勻、多因素矩陣優(yōu)化方案的計(jì)算得到最優(yōu)方案。將所得到的3種方案通過(guò)同樣的紡紗工藝，并用烏斯特條干儀測(cè)試3種方案得到的細(xì)紗。結(jié)果表明，酚醛纖維頭道并條中采用多因素矩陣優(yōu)化得到的方案為最優(yōu)。

酚醛纖維； 頭道并條工藝； 多因素矩陣優(yōu)化； 質(zhì)量不均率

酚醛纖維具有優(yōu)良的抗燒蝕、高熱穩(wěn)定、密度小等特性[1-2]。與碳纖維(1.76～1.80 g/cm3)、芳綸(1.37～1.44 g/cm3)等阻燃纖維相比，酚醛纖維具有輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，其密度為1.27g/cm3[3]。高溫炭化時(shí)逸出極少量的煙霧和毒氣，主要產(chǎn)物為CO2和H2O，因此酚醛纖維屬于環(huán)保的阻燃纖維，可用作飛行員、地勤工作人員、船員的消防服裝以及航空工業(yè)絕緣材料、醫(yī)院、旅館中的家具裝飾物[4]。

國(guó)外已經(jīng)成功利用酚醛纖維制成防護(hù)服裝的外層面料，采用純紡或者與聚酰胺纖維混紡可制成普通阻燃(耐火)工作服、消防服、賽車服和各種防護(hù)工作服[5～6]。在國(guó)內(nèi)，目前的研究重點(diǎn)還僅局限于纖維的研究，較少涉及酚醛纖維的紡紗制備，所以現(xiàn)在的酚醛紗線、織物等產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口[3]。

由于酚醛纖維是一種新型纖維，鮮有人針對(duì)性地對(duì)酚醛纖維紡紗工藝進(jìn)行研究，本文所進(jìn)行的試驗(yàn)是在小樣紡紗系統(tǒng)中進(jìn)行，不具備普遍性，僅可對(duì)以后酚醛纖維批量化紡紗提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

酚醛纖維，由山東萊蕪潤(rùn)達(dá)有限公司提供，其性能指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)中使用的梳理機(jī)為DSCa-01A型數(shù)字式小樣梳棉機(jī)，將纖維開(kāi)松后稱取15 g酚醛纖維進(jìn)行梳理。梳理時(shí)出網(wǎng)速度為4.98 m/min，梳理工序參數(shù)見(jiàn)表2所示。試驗(yàn)中使用的并條機(jī)為DSDr-01數(shù)字式小樣并條機(jī)，預(yù)并的工藝參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表1 酚醛纖維的性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of phenolic fiber

表2 梳理工藝各部件參數(shù)Tab.2 Parameters of carding machine of phenolic fibe

表3 酚醛纖維預(yù)并工藝參數(shù)Tab.3 Parameters of pre-drawing frame of phenolic fiber

條干不勻率通過(guò)Y311型條粗條干均勻度機(jī)進(jìn)行測(cè)試，質(zhì)量不勻率采用條粗質(zhì)量不勻率測(cè)試儀進(jìn)行。細(xì)紗質(zhì)量通過(guò)烏斯特電容式條干均勻度測(cè)試儀測(cè)試，機(jī)器型號(hào)為YG191X，成紗線密度為32 tex。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)流程

優(yōu)化方案設(shè)計(jì)→酚醛纖維開(kāi)松→酚醛纖維梳理→酚醛纖維預(yù)并→酚醛纖維頭并→生條均勻度測(cè)試→選擇優(yōu)化方案→粗紗工藝→細(xì)紗工藝→成紗質(zhì)量對(duì)比→確定最佳優(yōu)化方案。

1.2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)是在小樣紡紗系統(tǒng)中進(jìn)行，不具備普遍適應(yīng)性，僅可對(duì)以后酚醛纖維批量化紡紗提供數(shù)據(jù)參考，該工藝不適合用于其他纖維。本文試驗(yàn)中3種方案采用同樣的粗紗工藝與同樣的細(xì)紗工藝，以達(dá)到控制變量的目的。試驗(yàn)采用的機(jī)器均為天津市嘉誠(chéng)機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

酚醛纖維在進(jìn)行開(kāi)松、梳理、并條、粗紗、細(xì)紗過(guò)程中，通過(guò)溫濕度測(cè)試儀測(cè)得紡紗室的溫度為30～40 ℃，濕度為40%～45%。進(jìn)行烏斯特條干測(cè)試時(shí)，溫度為(20±2)℃,相對(duì)濕度為(65±2)%。

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

并條工序的主要工藝目的：一是用并合的方法改善條子的中長(zhǎng)片段不勻；二是用牽伸的方法改善棉條質(zhì)量，改善纖維的伸直平行度和分離度；三是用重復(fù)并合的方法實(shí)現(xiàn)纖維最大程度的混合，使棉條達(dá)到混合均勻的目的，為成紗質(zhì)量創(chuàng)造良好的條件[7]。通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在酚醛纖維并條工藝流程中，牽伸倍數(shù)、羅拉中心距、并條速度3個(gè)參數(shù)是最大影響因素。

生條均勻度與成紗質(zhì)量密切相關(guān)。生條均勻度又稱不勻率可分為生條質(zhì)量不勻率和生條條干不勻率2種，前者表示生條長(zhǎng)片段間(5 m)的質(zhì)量差異情況，后者表示生條每米片段的不勻情況，因此本文試驗(yàn)考察的2個(gè)指標(biāo)分別為條干不勻率和質(zhì)量不勻率。

選定纖維平均長(zhǎng)度Lp為50 mm，預(yù)并條的條子定量為15 g/5 m，頭道總牽伸倍數(shù)6倍。選取因素A為后牽伸倍數(shù)，B為羅拉中心距(前×中×后)，C為并條速度，每個(gè)因子選取3個(gè)水平[8]，試驗(yàn)中所選取的每個(gè)水平值均參考了該并條機(jī)推薦的范圍值，同時(shí)參考了以往的紡紗經(jīng)驗(yàn)。頭并工藝試驗(yàn)方案、試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。 由于生條條干不勻與生條質(zhì)量不勻都是越低越好，因此當(dāng)對(duì)條干不勻做直觀分析時(shí)，分別比較每個(gè)因素下各水平試驗(yàn)值的平均值(K值)，并選擇最低的一組，即代表該因素最佳的水平試驗(yàn)值，最終獲得條干不勻直觀分析優(yōu)化方案A3B1C1。同理可得質(zhì)量不勻直觀分析優(yōu)化方案為A2B3C1。通過(guò)2種優(yōu)化方案對(duì)比可知，不管優(yōu)化方案選擇哪種，因素C均應(yīng)為C1，而因素A與B卻不能確定，因此還需同時(shí)考慮2種指標(biāo)值，即借助正交試驗(yàn)矩陣分析模型。

1.3 矩陣分析模型建立

在正交試驗(yàn)中，由于多指標(biāo)的存在，需要考慮各因素對(duì)各指標(biāo)的影響程度，以此來(lái)解決最優(yōu)方案的選擇問(wèn)題。而矩陣法可計(jì)算出各因素對(duì)指標(biāo)的影響程度，確定權(quán)重大小和因素的主次順序。首先建立一個(gè)3層結(jié)構(gòu)模型[9]，如表5所示。表中第1層為指標(biāo)層，羅列試驗(yàn)中各指標(biāo)；第2層為因素層，羅列各因素；第3層為水平層，根據(jù)各個(gè)層次的數(shù)據(jù)，矩陣的定義如下。

表4 頭道并條工藝試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.4 Process scheme and result of breaker drawing

定義1：若試驗(yàn)中有n個(gè)正交試驗(yàn)因素，每個(gè)試驗(yàn)因素有m個(gè)水平，則因素Ai第j個(gè)水平上的試驗(yàn)指標(biāo)平均值為kij。當(dāng)考察指標(biāo)值表示的含義是越大越好，則令，Kij=kij；當(dāng)考察的指標(biāo)值所表示的含義是越小越好，則令Kij=1/kij，建立矩陣式(1)。

(1)

(2)

(3)

定義4：權(quán)重矩陣ω=MTS建立式(4)。

(4)

通過(guò)計(jì)算即可得到每個(gè)因素的權(quán)重，以此獲得最優(yōu)方案。

1.4 正交分析計(jì)算過(guò)程

第1個(gè)考察指標(biāo)為條干不勻，指標(biāo)值是越小越好，采用矩陣分析法，其權(quán)矩陣ω1的計(jì)算過(guò)程為：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

第2個(gè)考察指標(biāo)為質(zhì)量不勻，指標(biāo)值是越小越好，采用矩陣分析法，其權(quán)矩陣ω2的計(jì)算過(guò)程省略，即得到：

(10)

生條不勻率可分為生條條干不勻率和生條質(zhì)量不勻率2種。條干不勻又叫短片段不勻，同時(shí)質(zhì)量不勻又叫中、長(zhǎng)片段不勻。將表4中9組生條不勻率測(cè)試值與質(zhì)量不勻率測(cè)試值進(jìn)行正交矩陣數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，生條不勻率與質(zhì)量不勻率具有線性相關(guān)性。故本文視2種指標(biāo)同等重要，所以總權(quán)矩陣為2個(gè)指標(biāo)權(quán)矩陣的平均值[10]，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式(11)。

(11)

根據(jù)式(11)的計(jì)算結(jié)果，將每個(gè)因素的3個(gè)水平所占的權(quán)重分別相加可得：因素A即為后牽伸倍數(shù)所占的權(quán)重為0.403 2；因素B即為羅拉中心距所占的權(quán)重為0.183 7；因素C即為并條速度所占的權(quán)重為0.412 9。權(quán)重對(duì)某一指標(biāo)而言是指該指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度，因此對(duì)于生條的均勻度而言，各因素對(duì)生條均勻度的相對(duì)重要程度大小為并條速度>后牽伸倍數(shù)>羅拉中心距，所以各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)的指標(biāo)值影響的主次順序?yàn)椋翰l速度>后牽伸倍數(shù)>羅拉中心距；且通過(guò)每個(gè)因素的不同水平間的相互比較可知，A2、B1、C1的權(quán)重最大，正交試驗(yàn)的最優(yōu)方案為A2B1C1，即后牽伸倍數(shù)為2.0，羅拉中心距(前×中×后)為50 mm×50 mm×60 mm，并條速度為5 m/min。

2 成紗質(zhì)量對(duì)比與分析

為進(jìn)一步證明通過(guò)正交分析矩陣得出的優(yōu)化方案A2B1C1比單一指標(biāo)分析得出的優(yōu)化方案A3B1C1和A2B3C1更好，將3種方案得出的生條進(jìn)行同樣的紡紗工藝，對(duì)比細(xì)紗質(zhì)量。即采用控制變量法觀察每種方案的細(xì)紗質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)表6。表中U為不勻率，CVm為 指標(biāo)準(zhǔn)變異系數(shù)，DR為在1.5 m的基準(zhǔn)長(zhǎng)度內(nèi)，超過(guò)紗條測(cè)試平均值5%的細(xì)紗長(zhǎng)度的總和與基準(zhǔn)長(zhǎng)度的比值。3種優(yōu)化方案中，不勻率U和變異系數(shù)CVm最低的是A2B1C1方案，同時(shí)該方案的細(xì)節(jié)和粗節(jié)都較小，因此從成紗質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)看，A2B1C1方案最佳。本文從頭道并條的工藝進(jìn)行分析。

表6 細(xì)紗質(zhì)量Tab.6 Yarn quality

1)牽伸倍數(shù)。試驗(yàn)中對(duì)于該型號(hào)并條機(jī)，頭并最佳方案是A2B1C1方案，方案中牽伸倍數(shù)較好的是2.0。這是因?yàn)槲谷腩^并的生條以前彎鉤纖維居多，頭并后區(qū)牽伸以偏大掌握為宜，同時(shí)從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)牽伸倍數(shù)由1.8增加到2.0時(shí)，牽伸效果增加，生條不勻率隨之降低。A2B1C1方案比A3B1C1方案中的不勻率降低了11.1%，因此經(jīng)過(guò)本文試驗(yàn)的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)頭并后區(qū)牽伸不能過(guò)大，特別是當(dāng)牽伸倍數(shù)為2.2時(shí)，生條不勻率改善得不明顯，同時(shí)會(huì)影響成紗的質(zhì)量。

2)羅拉中心距。對(duì)于該型號(hào)并條機(jī)，在3組羅拉中心距配置中較好的是50 mm×50 mm×60 mm。由于纖維長(zhǎng)度及整齊度是決定羅拉握持距的主要因素，纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)、整齊度好可偏大控制，試驗(yàn)中的酚醛纖維是經(jīng)過(guò)整齊切斷的化學(xué)纖維，因此羅拉隔距都較大。同時(shí)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)后區(qū)牽伸倍數(shù)為2.0時(shí)，最佳的羅拉后區(qū)中心距應(yīng)該為60 mm。

3)并條速度。酚醛纖維的并條過(guò)程中，并條速度為5 m/min時(shí)生條不勻率較好。并條速度提高，會(huì)提高生產(chǎn)效率，但條干不勻率會(huì)增加，這是因?yàn)榉尤├w維屬于化學(xué)纖維，易產(chǎn)生靜電，速度高時(shí)易繞羅拉、膠輥，因此并條速度較低會(huì)有利于降低條干不勻率。

因此從牽伸倍數(shù)、羅拉中心距和并條速度綜合考慮A2B1C1方案較優(yōu)。

3 結(jié) 論

酚醛纖維小樣試紡先于批量化生產(chǎn)，對(duì)批量化生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。在酚醛纖維頭道并條優(yōu)化方案設(shè)計(jì)、選擇與對(duì)比及最終方案確定的整個(gè)過(guò)程中可得到以下結(jié)論。

1)根據(jù)條干不勻直觀分析得到的優(yōu)方案為后牽伸倍數(shù)為2.2，羅拉中心距(前×中×后)為50 mm×50 mm×60 mm，并條速度為5 m/min；根據(jù)質(zhì)量不勻直觀分析得到的優(yōu)方案為后牽伸倍數(shù)為2.0，羅拉中心距(前×中×后)為50 mm×50 mm×55 mm，并條速度為5 m/min；根據(jù)矩陣模型分析法得到的優(yōu)方案為后牽伸倍數(shù)為2.0，羅拉中心距(前×中×后)為50 mm×50 mm×60 mm，并條速度為5 m/min，且3種優(yōu)化方案中A2B1C1最佳。

2)綜合考慮生條條干不勻率和生條質(zhì)量不勻率，得到各個(gè)因素對(duì)正交試驗(yàn)的指標(biāo)值影響的主次順序?yàn)椴l速度>后牽伸倍數(shù)>羅拉中心距。

3)從成紗質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)可得出，A2B1C1方案是3種優(yōu)化方案中最優(yōu)的方案，說(shuō)明由矩陣分析法計(jì)算得到的優(yōu)化方案確實(shí)具有較好的優(yōu)化效果，因此在以后的多指標(biāo)優(yōu)化方案中可選擇矩陣分析法，同時(shí)需要綜合考慮每個(gè)指標(biāo)所占整體評(píng)價(jià)的權(quán)重，由此得到的優(yōu)化方案更完善。

4)牽伸倍數(shù)、羅拉中心距與并條速度三者對(duì)生條不勻率有很大的影響，改變其中每個(gè)參數(shù)都會(huì)影響生條不勻率，因此在做工藝設(shè)計(jì)時(shí)都需要重點(diǎn)考慮這3個(gè)因素。

5)本文涉及的工藝設(shè)計(jì)僅適合用于酚醛纖維并條優(yōu)化，同時(shí)采用的是小樣紡紗系統(tǒng)，因此不具有代表性，但該工藝設(shè)計(jì)思路與優(yōu)化方案對(duì)以后酚醛纖維批量化紡紗可提供數(shù)據(jù)參考與理論指導(dǎo)。

FZXB

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Influence of process optimization of breaker drawing on yarnquality of phenolic fiber

CAI Weiqi， MA Chongqi, KAN Yongjia， YANG Jinlian， LI Junli

(SchoolofTextile,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

To investigate the influence of process optimization of breaker drawing and prioritization scheme on the yarn quality of phenolic fiber, the drawing process was optimized on the basis of the phenolic fiber carded smoothly. By selecting draft multiple factor of the back zone, roller center distance (pro-zone×middle zone×back zone), and the drawing speed as the research objects, with each factor selected by three levels, the index values were unevenness of textile strands and weight unevenness of Y311 type, and by using orthogonal analysis, the influence of different indexes and optimization schemes on yarn quality was studied. Unevenness of textile strands, weight unevenness, and prioritization scheme had been calculated according to multiple factors matrix. The quality of yarns spun by the same spinning process adopting these schemes is tested by USTER tester. The results show that the optimized scheme by using multi factor matrix optimization in the first drawing of phenolic fibers.

phenolic fiber; breaker drawing process; multiple factors matrix optimization; weight unevenness

2015-08-11

2016-06-13

蔡薇琦(1991—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)榧徏喒に嚺c織物性能。馬崇啟，通信作者，E-mail: tjmcq@ tjpu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20150801806

TS 156

A