復合紗線結構對單紗強力利用率的影響與分析

黃 偉， 汪 軍,2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

復合紗線結構對單紗強力利用率的影響與分析

黃 偉1， 汪 軍1,2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

紗線的強力利用率是關乎原材料性能是否得到充分利用的指標之一，為提高紗線強力在不改變原料的前提下，通過紡紗方式調整成紗的結構來提高其強力。為此，從理論公式預測角度和實驗論證角度分別對單紗結構、股紗結構和包纏結構紗線的強力利用率進行了研究，用理論模型描繪出3種結構紗線在不同捻系數(shù)下的單紗強力利用系數(shù)，再通過實驗在環(huán)錠細紗機上加捻長絲單紗和并捻長絲股紗，在花式捻線機上紡制包纏結構紗線，考慮了因加捻引起的紗線線密度和捻系數(shù)的增長因素，分析對比了3種結構紗線的單紗強度利用系數(shù)，結果與理論預測大致相似，因此，所推導的力學模型可以用來定量確定強度利用系數(shù)變化趨勢，在紡紗之前可用來尋找較優(yōu)的加捻工藝參數(shù)，對生產(chǎn)實踐起到一定的指導作用。

強力利用率； 強度利用系數(shù)； 模型； 紗線結構； 單紗； 股紗； 包纏紗

紗線的強力性能主要由其組成的纖維(單紗)性能和紗線結構決定。在紡制紗線時，纖維(單紗)性能已經(jīng)確定，為了在不改變原料的前提下解決最終強力利用率的問題，可通過改變紡紗方式改善紗線結構，有文獻報道集聚紡一般能使低支紗強力提高約10%，高支紗提高約18%[1-2]。強力利用率提高的原因是改善或改變了成紗結構，使其條干更好，毛羽更少，受力更均勻。目前的文獻報道大多處于定性描述這類問題，只能依靠實驗來探尋生產(chǎn)工藝參數(shù)的變化對最終強力利用率的影響。本文為了確定不同結構的紗線對單紗強力利用率的影響，首先推導了單紗結構、股紗結構和包纏結構紗線的力學模型，并進行了驗證，然后根據(jù)理論和實驗所得的強力利用值，定量確定了加捻捻系數(shù)與單紗強力利用率的關系，以此來解釋不同結構的紗線中強力利用率的變化情況，而相關研究國內(nèi)外未見報道。

1 強力利用率

1.1 強力利用率的介紹

強力利用率，也可稱為強力利用系數(shù)，在單紗中表示為紗線強度與纖維強度的比值(一般為0.7～0.9)，在復合紗中表示為紗線強度與單紗強度的比值(適當工藝范圍內(nèi)通常大于1)，在織物中表示為條樣強力折算成的單紗強力對實際單紗強力的比值(大于1.1～1.2)[3]，如表1所示。纖維強力利用系數(shù)小于1的主要原因為、拉伸時纖維之間存在滑移，導致纖維未完全受力而斷裂[4]；復合紗中強力利用率通常高于1的主要原因為、紗中兩股或多股單紗之間由于互相緊密交纏，足夠的抱合力大大減少了滑移現(xiàn)象，綜合因加捻引起的紗軸傾斜使軸向分力減小的效應，總體上強力利用率在臨界捻系數(shù)前呈增長趨勢[5]；織物中受紗線線密度、強度、織物經(jīng)緯密度、織物組織結構的綜合影響，大多數(shù)情況下大于1。

表1 單紗、復合紗、織物中的強力利用率Tab.1 Material Properties

1.2 影響強力利用率的因素

當原料的性能、紡紗工藝(混棉、清梳、精梳、并條、粗紗)、紡紗溫濕度控制一致時，影響強力利用率的主要因素還有紡紗方式、捻線工藝、捻度。1.2.1 紡紗方式

同樣的原料，使用不同的紡紗方式紡制而成的紗線，因其不同的紗線結構而使其最終的物理指標不同，本文特指強力利用率存在的差別。一般來說，紗線中單纖(單紗)的取向度越好，結構越緊密，強力利用率就越高，紗線的強力也就更高。

普通環(huán)錠紡是應用最為廣泛紡紗方式，纖維大多呈現(xiàn)理想的螺旋軌跡，紗線結構緊密；集聚紡是對環(huán)錠細紗機改造后的新型紡紗技術，增加了纖維的凝聚作用，使成紗更加緊密，毛羽更少，強力更高；轉杯紡，噴氣紡和渦流紡屬新型紡紗范疇，雖然紡紗效率高，但纖維未充分伸直，取向度低，且結構較紊亂，故強力利用率較環(huán)錠紡低[6]。

1.2.2 捻線工藝

當單紗用途不能滿足產(chǎn)品或織物要求時，可以使用捻線工藝對單紗的內(nèi)外層應力進行平衡。單紗并捻后的復合紗線，性能變化較大，提高了紗線的品質，主要表現(xiàn)為：條干均勻度得到改善，強力提高，伸長率增大，耐磨性增加和手感得到改善[7]。

1.2.3 捻度(捻系數(shù))

加捻使纖維須條的不同截面發(fā)生相對回轉，產(chǎn)生捻回，捻度即為單位長度內(nèi)2個截面的相對回轉數(shù)。在紡織領域，使用捻系數(shù)可以用來比較不同線密度紗線的加捻程度。紡紗捻度的不同，使最終的紗線強度各異。一般情況下，紗線捻度從零捻開始，強力呈現(xiàn)先增長后減小的趨勢，強力利用率也隨之變化。

2 力學模型

在遵循經(jīng)典力學的基礎上，根據(jù)單紗、股紗和包纏紗的軸向和徑向不同的幾何形態(tài)，分別建立了成紗強力與捻回角(捻系數(shù))的理論公式。假設條件為：單纖和紗線為圓形截面，加捻前后外形保持不變；沿其長度方向具有相同的性能和尺寸；單纖、股紗中的單紗和包纏紗的包紗以螺旋結構分布在紗體中；單纖和單紗的拉伸行為假定為完全彈性；加捻產(chǎn)生的纖維轉移現(xiàn)象不考慮；拉伸過程中斷裂不同時性不考慮。本文對單紗結構、股紗結構和包纏結構紗線的強力利用率進行了研究，3種結構紗線的理論簡化模型如圖1所示。

圖1 單紗、股紗、包纏紗的簡化幾何模型Fig.1 Simplified geometric models. (a) Single yarn; (b) Plied yarn; (c) Wrapped yarn

2.1 單紗的加捻模型

給出單紗中單纖的分布配置，根據(jù)內(nèi)部結構的變化推出結構參數(shù)在加載應變前后的關系，根據(jù)單纖的位置、預應變和伸長推導得到每根單纖的張力，最后單纖張力的余弦和即為單紗張力。

2.1.1 單纖的分布配置

紗中單纖的分布遵循開啟式的堆砌形式[8]，則可以確定每層的最大單纖根數(shù)nk和位置分布(k為單纖的纖維層數(shù))。在此無外應力的加捻長絲模型中，Zurek[9]認為由于加捻作用使紗線內(nèi)部存在受壓區(qū)域、中間層和受拉區(qū)域，即在拉伸變形之前，單纖根據(jù)其所處的不同位置會具有初始的預應變，受壓區(qū)域應變?yōu)樨摚虚g層為零，受拉區(qū)域應變?yōu)檎颐繉勇菪侵g的關系也可確定，見式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：α為中間層單纖的螺旋角；β為最外層的螺旋角；θk為某一層的螺旋角；εk表示該層的預應變。

2.1.2 結構參數(shù)之間的關系

模型紗體中單纖的路徑均為同軸螺旋線，根據(jù)其所處的位置和螺距h可以確定其螺旋角大小，如式(3)如示，rk為某一單纖距軸心的距離。

(3)

2.1.3 單紗張力的計算

模型根據(jù)單纖在紗體中所處的不同位置可以得到紗線應變與纖維應變εf的關系[10]，其中泊松比的關系式根據(jù)其定義及結合以上結構參數(shù)關系所得，單紗張力計算如式(4)所示。

(4)

式中：E為單纖的拉伸彈性模量；r0為單纖半徑；k為單纖所處的層數(shù)；m為最大層數(shù)。

2.2 股紗的加捻模型

股紗的加捻模型考慮了雙股紗的強力組成主要為單紗性能和因加捻彎曲而產(chǎn)生的抱合力，根據(jù)連續(xù)介質力學理論和以上的假設，確定其基本力學關系；對短片段上的力進行分解，分析其對紗線伸長的關系,推導股紗拉伸模量與單紗性質和傾斜角的關系；由單紗對紗軸的徑向壓力計算兩股單紗之間摩擦阻力；最終模型的表達式如式(5)如示。

(5)

式中：rf為單紗半徑；φ為單紗對紗軸的傾斜角；Y為單紗拉伸模量；K為單紗剪切模量；λ為抱合系數(shù)[11]。

2.3 包纏紗的加捻模型

包纏紗的加捻模型類似于上一節(jié)的股紗模型，不同的是由于包纏紗的紗線結構與雙股紗存在顯著的差異，外包紗與芯紗在外力作用下承受的應力是不同的，但在復合紗軸向產(chǎn)生的應變是相同的，可以根據(jù)這一聯(lián)系用類似的方法推導出拉伸模量與單紗性質和傾斜角的關系，并最終得出包纏結構紗線的理論強力計算模型。

2.3.1 包纏結構應變關系

在外力Ty作用下，芯紗承受的軸向載荷為T1，外包紗承受的軸向載荷為T2。載荷T1直接垂直作用于紗線截面，產(chǎn)生的應變εy1即為紗線應變；載荷T2沿單紗的軸向分力和徑向分力共同作用產(chǎn)生紗線應變εy2，則關系見式(6)、(7)。其中，φ為包紗對復合紗紗軸的傾斜角。

(6)

(7)

因為這2個應變對紗線應變的貢獻是相等的，則可得兩載荷之間的關系，見式(8)。根據(jù)連續(xù)介質力學理論，外力等于截面積、拉伸模量和拉伸應變的乘積，關系見式(9)。

(8)

(9)

聯(lián)立公式(8)、(9)，可得包纏紗拉伸模量Ey與單紗性質和傾斜角的關系式，如式(10)。

(10)

2.3.2 包纏紗張力的計算

根據(jù)因加捻包紗產(chǎn)生的向心壓力計算包紗與芯紗之間的摩擦阻力f，方法如股紗的計算方式，最終包纏紗的張力計算為T1、T2和f的合力F3，如式(11)、(12)

(11)

(12)

2.4 強力利用率的理論曲線與分析

將已知的參數(shù)代入式(4)、(5)和(12)中，可求得在某一拉伸應變下不同加捻程度紗線的張力值Fi(i=1,2,3)，則3種結構的加捻紗線的強力利用率理論值ηi(i=1,2,3)可由下式計算所得：

(13)

式中F0為成紗在零捻水平下的強力值(已知)。計算過程與作圖均在MatLab軟件下進行(捻系數(shù)范圍為0～805，紗線應變εy均為0.5，抱合系數(shù)λ取0.5，股紗和包纏紗情況下，單紗拉伸剪切模量存在Y=3K的關系，其中Y=1 506.8 MPa)，結果如圖2所示。

圖2 單紗、雙股紗、包纏紗的強力利用率與捻系數(shù)的關系Fig.2 Relationship between yarn strength efficiency and twist factor

理論預測曲線顯示，在拉伸應變?yōu)?.5紗線無提前斷裂的狀態(tài)下，單紗強力利用率(非纖維強力利用率)從零捻水平開始就逐漸減小，在捻系數(shù)為805時，η1僅為0.7743；雙股紗在捻系數(shù)約273時，η2最高達到1.073 0；包纏紗在捻系數(shù)約247時，η3可達到1.139 0?？梢?，當雙股紗在低、中捻系數(shù)范圍內(nèi)，包纏紗的強力利用率要高于同規(guī)格的雙股紗，在中、高捻系數(shù)下，則要低于雙股紗?？梢?，雙股紗、包纏紗對于能提升紗線品質的實踐描述是具有理論依據(jù)的，且包纏紗達到最大強力利用率需要的捻系數(shù)水平要早于同規(guī)格下的雙股紗，因此，本節(jié)所建立的理論模型能夠定量描繪出3種結構紗線在不同捻系數(shù)下的單紗強力利用率。

3 實驗部分

采用33.043 tex、576根的全拉伸滌綸長絲(斷裂強力1129.2 cN，斷裂伸長率31.299%)分別紡制3種具有不同紗線結構的加捻紗線，捻系數(shù)規(guī)格自小到大，總計42個樣本，規(guī)避了因原料不同對最終結果產(chǎn)生的影響。單紗在環(huán)錠細紗機上加捻和并捻成長絲股紗，在花式捻線機上紡制包纏結構紗線，對紗線進行強力拉伸測試，夾持長度為250 mm，拉伸速度為250 mm/min，預加張力0.05 cN/tex，每個樣本測試20次，取其平均的最大強力值和伸長率，其結果如圖3、4所示(變異系數(shù)均在5%以下)。

圖3 單紗、雙股紗和包纏紗實驗所得斷裂強力Fig.3 Breaking strength tested in experiments

圖4 單紗、雙股紗和包纏紗實驗所得斷裂伸長率Fig.4 Breaking elongation tested in experiments

4 分析與討論

4.1 實驗結果的分析

圖3、4描述的是單紗、雙股紗和包纏紗在強力拉伸儀上測試后的平均結果，變異系數(shù)均小于5%。由于其斷裂伸長率不一，故無法與理論預測曲線進行對比。從圖中數(shù)據(jù)變化趨勢可看出，隨著捻系數(shù)的增加，單紗強力起初略有增大，到中捻水平后開始逐漸減小，總體變化范圍不大，而斷裂伸長率則緩慢增大；雙股紗強力隨著捻系數(shù)增加，強力則逐漸增大，到中高捻時變化基本保持不變，而斷裂伸長率卻在一直增大中；包纏紗強力在低中捻水平下斷裂強力與伸長率也處于不斷增大的趨勢中，到中高捻后強力與伸長率均呈現(xiàn)較大的下滑趨勢。分析所得，單紗和中高捻的雙股紗斷裂強力變化不大均有賴于其斷裂伸長率不斷增大的結果；包纏紗斷裂強力在中低捻水平下全面超過雙股紗也有賴于其斷裂伸長率均高于雙股紗一定比例；包纏紗在中高捻后斷裂強力與伸長率雙雙下滑，是由于包纏紗內(nèi)芯紗和包紗由于加捻程度引起的內(nèi)外受力不勻過大導致紗線提前斷裂解體，強力未得到充分利用。

4.2 加捻對紗線線密度的影響

紗線強度為強力與線密度的比值，相對于強力值，能體現(xiàn)不同支數(shù)成紗之間抵抗拉伸力的能力。加捻之后的紗線均存在不同程度的捻縮現(xiàn)象，直接反映在成紗的線密度上，隨著加捻程度的增加，線密度均有一定程度的增大。實驗中紡制不同捻系數(shù)的成紗，其線密度均不相同，捻系數(shù)也會受其影響，所計算的強力利用效率也不能很好體現(xiàn)真實情況，故而先對42管成紗在縷紗測長儀測量稱量，取其平均之后獲得3種結構紗線的線密度Nt變化情況，如圖5所示。

圖5 單紗、雙股紗和包纏紗實驗所得線密度Fig.5 Linear density tested in experiments

由圖5可知，3種結構的紗線線密度隨著捻系數(shù)增大均有不同程度的增長，且包纏紗線密度的增長程度大于雙股紗和單紗，其對應的捻系數(shù)水平也有不同程度的增大。較之零捻水平的線密度，單紗、雙股紗和包纏紗的線密度最大增加比例分別為30.1%、20.5%和32.3%，捻系數(shù)最大增加比例為14.1%、9.8%和15.0%，由于其增加程度較大，必須考慮其變化情況，故選擇強度利用進行計算。

4.3 強度利用率

(14)

式中：Nt0在單紗情況下為33.043 tex；在股紗和包纏紗情況下為66.086 tex。分別計算3種結構成紗在不同捻度水平下實驗強度利用率和50%拉伸伸長率下理論的強度利用率，抱合系數(shù)和單紗的拉伸剪切模量與小節(jié)2.4中一致，各管成紗的捻系數(shù)由實測的線密度與捻度計算而得，結果如表2所示。

從表中可看出，各成紗的強度利用系數(shù)較理論強力利用系數(shù)在數(shù)值上有一定程度的削減，這是由于紗線隨著捻系數(shù)增加會使線密度值增大的緣故。單紗的強度利用系數(shù)遞減趨勢與理論估計一致，實驗與理論之間除了在最低捻和最高捻下差距較大外，其他部分誤差不大；雙股紗和包纏紗最大強度利用系數(shù)(實驗)下的捻系數(shù)與理論強力利用系數(shù)(見圖2)下的捻系數(shù)也比較接近，雙股紗理論與實驗最大利用系數(shù)下捻系數(shù)分別為273和292，包纏紗理論與實驗最大利用系數(shù)下捻系數(shù)分別為247和294；實驗與理論計算下的雙股紗和包纏紗強度利用系數(shù)誤差均不大，在高捻情況下誤差較大，雙股紗的理論強度利用系數(shù)偏高，包纏紗則偏低，這與股紗結構有利于應力均勻分配和包纏結構內(nèi)外應力失衡相關，本文模型目前還未將這種情況考慮進來，故在高捻度下會存在較大的誤差，也需要進一步地提高測試的準確度和模型的精確性。因此，總體上理論模型能較好地反映3種不同結構紗線加捻情況下強度利用系數(shù)的變化，能用來預測紡紗中最大強度利用率可能發(fā)生的捻系數(shù)區(qū)間，為選擇較優(yōu)的加捻工藝參數(shù)提供指導。如果在模型中能將單紗模量、結構參數(shù)與伸長率的關系和高捻度下紗線內(nèi)外應力失衡的情況考慮在內(nèi)，能使預測結果更加準確。

表2 單紗、雙股紗和包纏紗的強度利用率Tab.2 Tenacity efficiency among structural yarns

5 結 論

1)根據(jù)單紗、股紗和包纏紗的幾何形態(tài)，分別建立了關于成紗強力與捻回角(捻系數(shù))的理論公式，能用來計算成紗的強力利用系數(shù)。

2)考慮到因加捻引起的紗線線密度和捻系數(shù)的增長情況，對比了3種結構紗線的單紗強度利用系數(shù)，結果與理論預測大致相似，使用該模型能用來定量確定強度利用率的變化趨勢。

3)模型可應用在紡紗之前，用來尋找較優(yōu)的加捻工藝參數(shù)，對生產(chǎn)實踐起到一定的指導作用。

FZXB

[1] 魏永. 如何實現(xiàn)緊密紡的經(jīng)濟價值[C]//2010全國緊密紡紗技術研討會論文集. 北京：中國紡織工程學會, 2010: 347-348. WEI Yong. How to realize the economic value of compact spinning[C]//2010 National Conference on Compact Spinning Technology. Beijing: China Textile Frgineering Sociely, 2010: 347-348.

[2] 呂立斌, 杜梅. 滌棉絲Sirofil復合紗的結構與性能[J].棉紡織技術, 2009, 37(12): 17-20. Lü Libin, DU Mei. Structure and property of polyester cotton silk sirofil composite yarn[J]. Cotton Textile Technology, 2009, 37(12): 17-20.

[3] 李永椿, 孫渭卿. 關于府綢類棉布紗線強力利用系數(shù)的測定[J]. 棉紡織技術, 1982(7): 2-7. LI Yongchun, SUN Weiqing. The determination of yarn strength efficiency coefficient on cotton poplin[J]. Cotton Textile Technology, 1982(7): 2-7.

[4] 午澤英.單紗強力的控制及預測[J].棉紡織技術,2014, 42(6): 5-8. WU Zeying. Control and prediction of single yarn strength[J]. Cotton Textile Technology, 2014, 42(6): 5-8.

[5] 黃偉, 汪軍. 雙股線幾何強力模型的建立及其影響因素[J]. 紡織學報, 2015, 36(2): 25-29. HUANG Wei, WANG Jun. Establishment of a two-ply yarn′s geometric and strength model and its influences on mechanical properties[J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(2): 25-29.

[6] 佚名. 各種紡紗方式的區(qū)別與聯(lián)系[J]. 紡織服裝科技, 2014(1): 36-39. ANONYMOUS. Differences and relations of spinning methods[J]. Technology of Textile & Apparel, 2014(1): 36-39.

[7] 劉國濤. 并線與捻線[M]. 北京: 紡織工業(yè)出版社, 1983: 51. LIU Guotao. Doubling[M]. Beijing: Textile Industrial Press, 1983: 51.

[8] SCHWARZ E R. Certain aspects of yarn struc-ture[J]. Textile Research Journal, 1951, 21(3): 125-136.

[9] ZUREK W, CISLO R, KOWALSKA E. Elastic properties of twisted monofilaments[J]. Textile Research Journal, 1976, 46(6), 389-393.

[10] HEARLE J W S. Theoretical analysis of the mechanics of twisted staple fiber yarns[J]. Textile Research Journal, 1965, 35(12), 1060-1071.

[11] HUANG W, FU T, ZHANG Y Z, et al. An approach to predict the tensile strength of a two-ply yarn from single filament yarn[J]. Journal of the Textile Institute, DOI:10.1080/004050000.2016.11690010.

Influence of composite yarn′s structures on yarn strength efficiency

HUANG Wei1， WANG Jun1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Yarn strength efficiency is one of the indexes whether the performance of raw materials is fully utilized. On the premise of unchanging the material, adapting a new spinning means to adjust yarn structure is one of the ways to improve its strength efficiency. This paper studied the strength efficiencies of single yarn, plied yarn and wrapped yarn. The theoretical model can depict the single-yarn strength efficiency coefficients of the three yarns under different twist factors. The single yarn and plied yarn are spun on ring spinning frame, and the wrapped yarn is spun on fancy twisting frame. Considering the growth of yarn linear density and twist factor caused by twisting, the single-yarn strength coefficients are used for comparison. The results are similar to the theoretical prediction. Therefore, the model can be used to quantitatively determine the change trends of strength efficiency coefficients, which can be applied to find the optimum twisting parameter before spinning, and plays a guiding role in production practices.

strength efficiency; strength efficiency coefficient; model; yarn structure; single yarn; plied yarn; wrapped yarn

10.13475/j.fzxb.20161003607

2016-10-14

2016-11-03

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(113027A)

黃偉(1989—)，男，博士生。主要研究方向為纖維與紗線結構的建模與應用。汪軍，通信作者，junwang@dhu.edu.cn。

TS 101.2

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