烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗線的開發(fā)與性能

王利軍， 王春紅， 龍碧璇，YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique， 徐 磊(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387； 3. 天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室， 天津 300387；. NED工程技術(shù)大學(xué) 紡織工程系， 巴基斯坦 卡拉奇 999010)

烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗線的開發(fā)與性能

王利軍1,2,3， 王春紅1,2,3， 龍碧璇1,2,3，YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique4， 徐 磊1,2,3
(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387； 3. 天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室， 天津 300387；4. NED工程技術(shù)大學(xué) 紡織工程系， 巴基斯坦 卡拉奇 999010)

針對烏拉草/棉/維綸賽絡(luò)紡包芯紗存在毛羽較多和條干較差等問題，加裝導(dǎo)紗器引入外包纏紗，設(shè)計一種改善其條干和減少毛羽的新型紡紗方法：改進型賽絡(luò)菲爾紡。對影響紗線性能較大的紗線捻系數(shù)與導(dǎo)紗間距進行了實驗，并以斷裂強度、斷裂伸長率、毛羽指數(shù)和條干均勻度為性能評價指標(biāo)，對改進型賽絡(luò)菲爾紡制備的烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗的工藝進行模糊綜合評價。結(jié)果表明：捻系數(shù)對紗線性能影響順序依次為400、380、360、340；改進型賽絡(luò)菲爾紡在單紗間距為10 mm，捻系數(shù)為400時，復(fù)合紗的綜合性能最好，與傳統(tǒng)賽絡(luò)菲爾紡工藝制備的包芯紗對比，毛羽指數(shù)下降了73.49%，條干不勻率減小了29.05%。

烏拉草； 改進型賽絡(luò)菲爾紡； 模糊綜合評價； 捻系數(shù)

烏拉草作為多年生植物原料，有“東北三寶”之一的稱號，因其含有空腔結(jié)構(gòu)使其具有防寒保暖的功效，含有的黃酮類物質(zhì)及揮發(fā)油使其具有除臭抑菌的功效[1]，常被制作鞋墊、床墊和護腰等填充料[2]。近年來對烏拉草的研究較多，但主要集中在纖維提取和非織造工藝，而對烏拉草纖維進一步加工成紗線或紡織品的研究甚少[3]。本文課題組利用轉(zhuǎn)杯紡紗技術(shù)制備了烏拉草/棉(質(zhì)量比30/70)混紡紗線[4]，由于烏拉草纖維具有剛性大、不易彎折的缺點，故導(dǎo)致紡紗易斷頭，制備的紗線強力較低、毛羽較多。再利用空心錠包纏紡技術(shù)對混紡紗線進行棉紗包纏，紡紗工藝較復(fù)雜。為解決上述問題，需要探究新的專用紡紗方法。

將可溶于高溫?zé)崴木S綸單紗或長絲作為芯紗，外包覆短纖維，并對環(huán)錠細紗機紡紗三角區(qū)進行工藝改造紡制包芯紗，再對包纏紗進行退維處理，即可形成空心紗[5]?？招募喚哂休p而膨松、柔軟性及保暖性好等特點[6]，已在毛紡[7]、棉紡[8]中被廣泛應(yīng)用。制備含有烏拉草的空心紗不僅具有空心紗自身的優(yōu)點，還能發(fā)揮烏拉草的優(yōu)勢和拓寬烏拉草的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足人們對紡織品綠色健康的要求。

為解決烏拉草/棉/維綸包芯紗斷裂強度低、條干均勻度差等問題，本文實驗用維綸做芯紗，混紡紗斷頭減少，并使其可紡性得到了提高。其次為降低烏拉草/棉/維綸包芯紗的毛羽，把導(dǎo)紗器加裝到傳統(tǒng)賽絡(luò)菲爾紡工藝上，將外包纏紗引入，設(shè)計一種新的紡紗方法——改進型賽絡(luò)菲爾紡。通過對紡紗三角區(qū)受力分析影響紗線綜合性能的因素，并用模糊綜合評價法對新工藝改進型賽絡(luò)菲爾紡制備的烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗的工藝進行評價。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

烏拉草纖維，直徑為40.62 μm，長度為100.52 mm(實際紡紗時剪短為40 mm左右)，斷裂強度為268.31 MPa，由生物-化學(xué)聯(lián)合脫膠制得。棉纖維，主體長度38 mm，直徑17.66 μm，斷裂強度294.56 MPa，天津天紡?fù)顿Y控股有限公司提供。水溶性維綸單絲，線密度為14.5 tex，水溶溫度為 40 ℃，北京光輝紡織有限公司提供；棉單紗，線密度為28 tex，江蘇常州飛鶴紗線織造有限公司提供。

1.2 紡紗技術(shù)與工藝設(shè)計

首先將烏拉草纖維剪成與棉纖維相等的長度；然后利用XFH 型小和毛機(天津嘉誠機電設(shè)備有限公司)將其與棉纖維開松混合，經(jīng)過羅拉式梳理機(自制)形成棉網(wǎng)，接著將棉網(wǎng)在DSSr-01 小型數(shù)字式并條試驗機(天津市嘉誠機電設(shè)備有限公司)上2次并條制備成熟條；將熟條在DSRo-01 型數(shù)字式粗紗試驗機(天津市嘉誠機電設(shè)備有限公司)上制備為捻系數(shù)為95、線密度為400 tex的烏拉草/棉混紡粗紗。根據(jù)前期預(yù)實驗和課題組對烏拉草/棉混紡紗的研究，當(dāng)烏拉草/棉混紡質(zhì)量比為30/70時，紡紗相對容易且紗線含有一定含量的烏拉草纖維，有利于發(fā)揮烏拉草的保健功能[4]，故本文實驗采用烏拉草/棉混紡質(zhì)量比為30/70進行混紡。廠家提供的維綸長絲線密度為14.5 tex，且芯紗含量為20%～25%時中空結(jié)構(gòu)比較好[6,8]。本文采用賽絡(luò)菲爾紡制備了成紗捻系數(shù)為300、線密度為50 tex的烏拉草/棉/維綸包芯紗，結(jié)果得到的紗線3 mm以上毛羽指數(shù)與條干不勻率分別為27.35%、21.55%。

考慮到賽絡(luò)菲爾紡烏拉草/棉/維綸包芯紗包芯紗毛羽較多和條干較差，而通過股線或空心錠包纏紡紗的方法對紗線毛羽進行包纏，存在著不經(jīng)濟性等因素。故本文在原有的賽絡(luò)菲爾紡基礎(chǔ)上，加入棉紗線作為外包纏紗，使棉紗線與包芯紗處于一定間隔，在紡紗時，使其在前羅拉處與2根粗紗須條一并輸出，紡紗圖如圖1所示，外包纏紗不添加任何預(yù)加張力。

圖1 實際紡紗圖Fig.1 Actual spinning diagram

保證芯紗在2根粗紗中間位置的同時對其施加預(yù)加張力，確保在匯聚點處芯紗能夠較好地被須條包覆，得到以烏拉草/棉并包覆維綸芯紗的混紡紗，及外包纏紗棉紗的復(fù)合紗線。這種紡紗方法可在環(huán)錠紡紗機上得到應(yīng)用，并可一步式紡制成類股線或包纏紗結(jié)構(gòu)。

圖2示出改進紡紗方法的示意圖，其中：F為成紗紡紗張力；F1、F2分別為匯聚點上方包芯紗與外包纏紗所受的張力；M為成紗回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的力矩；M1、M2分別為包芯紗與外包纏紗的力矩；匯聚點為O與O′。本文實驗使芯紗的位置正好處在在2根性狀相同的粗紗中間，芯紗預(yù)加張力較大，故O′ 以上的三角區(qū)受力類似于對稱紡紗。實驗選取成紗捻向為S捻，這是由于本文使用的外包纏紗與芯紗都為Z捻，使外包覆紗線對芯紗有倍捻的作用，而當(dāng)成紗念向為S捻時，即會有解捻作用，因此Z捻相較于S捻較為緊密，并使維綸芯紗的退維困難[9]。

圖2 改進型賽絡(luò)菲爾紡簡易圖Fig.2 A simplified map of improved sirofil spinning

根據(jù)改進型賽絡(luò)菲爾紡紡紗的影響因素以及參考相關(guān)文獻[10-11]發(fā)現(xiàn)，單紗間距以及成紗捻系數(shù)對紗線質(zhì)量影響顯著，因此對改進型賽絡(luò)菲爾紡制備烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗的工藝進行優(yōu)化，如表1 所示。

表1 改進型賽絡(luò)菲爾紡復(fù)合紗工藝參數(shù)Tab.1 Improved Sirofil composite yarn spinningprocess parameters

1.3 紗線性能測試

參照ASTM D2256—2002《單線法測定紗線拉伸性能的試驗方法》，采用Instron3369型萬能強力機測試紗線拉伸性能。測試速度為250 mm/min，夾持隔距為250 mm，測試樣品數(shù)為20個。

參照GB/T 3292—1997《紡織品 紗條條干不勻試驗方法 電容法》，采用ME100型烏斯特條干儀測試紗線條干不勻率，測試時間為2 min，測試速度為200 m/min。

參照FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測定方法 投影計數(shù)法》，采用YG172A型紗線毛羽測試儀測試紗線毛羽，測試速度為30 m/min，片段長度10 cm，實驗次數(shù)5次。

2 結(jié)果與討論

2.1 單紗間距對復(fù)合紗性能的影響

改進型賽絡(luò)菲爾紡紡紗過程中捻系數(shù)設(shè)為380，分別設(shè)定單紗間距8、10及12 mm，主要探究單紗間距對紗線斷裂強度、斷裂伸長率、毛羽和條干性能的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 不同單紗間距紗線性能Tab.2 Yarn properties with different single yarn space

1)紗線拉伸性能分析。由表2可知，當(dāng)單紗間距增大時，紗線的拉伸斷裂強度呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)單紗間距為10 mm時，紗線的斷裂強度達到最大值。

當(dāng)單紗間距增大時，位于匯聚點上方的外包纏紗和包芯紗的長度均會增加，紗線上捻度減小且其在須條上的傳遞會減弱，而當(dāng)捻度減小到一定程度時，單紗上的橫向壓力所產(chǎn)生的摩擦阻力小于紡紗的拉伸張力，即產(chǎn)生斷頭或意外伸長。當(dāng)單紗間距為12 mm時，須條捻度減小，摩擦阻力和橫向正壓力均減小，前鉗口與聚匯點的摩擦力界控制力也減小，此時烏拉草纖維與棉纖維滑脫長度增加，從而導(dǎo)致成紗結(jié)構(gòu)不勻，并使成紗強力變差。當(dāng)單紗間距減小時，匯聚點位置上移，導(dǎo)致成紗扭矩減小，因此成紗段長度變長。由于扭矩與捻度呈正比例關(guān)系，故當(dāng)成紗捻度減小和紗線包纏能力降低時，成紗強度減小，斷裂伸長率增大。

2)紗線條干不勻率分析。由表2所示，當(dāng)單紗間距增大時，紗線的條干不勻率呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)間距為10 mm時，復(fù)合紗條干不勻率最小。

當(dāng)單紗間距增大時，匯聚點位置下移，成紗扭矩減小，使紗線的捻度減小并減弱了其在須條上的傳遞，當(dāng)捻度減小到一定值時，單紗上的橫向壓力所產(chǎn)生的摩擦阻力小于紡紗的拉伸張力。又因棉纖維與烏拉草纖維性能差異，烏拉草纖維較粗硬，在紡紗張力下，棉纖維容易克服烏拉草與棉纖維產(chǎn)生的摩擦力而被快速抽走，從而使得紗線粗細不勻條干變差。當(dāng)單紗間距為8 mm時，匯聚點的位置上移，成紗段復(fù)合紗的長度變長，扭矩變小，使得捻度上傳變?nèi)?，須條纖維包覆維綸芯紗時，烏拉草纖維與棉混紡須條包覆維綸芯紗結(jié)構(gòu)疏松，烏拉草頭端不能較好的包覆進紗線中，接著在外包纏棉紗纏繞包芯紗時纏繞不夠充分，烏拉草頭端突出的地方經(jīng)纏繞后，紗線變得粗細不勻而使條干均勻度降低。

3)紗線毛羽指數(shù)分析。紗線毛羽指數(shù)如表2 所示，當(dāng)單紗間距為10 mm時，復(fù)合紗毛羽指數(shù)最小。因為烏拉草纖維較粗硬的緣故，使得纖維間的抱力較小，在須條加捻時不易被捻進紗軸，使紗線表面的毛羽增多。當(dāng)單紗間距為8 mm時，匯聚點的位置上移，匯聚點下方成紗段變長，成紗扭矩減小，故成紗中纖維捻角減小，須條中烏拉草纖維頭端露出紗軸的百分率增加，包芯紗上毛羽突出，然而由于外包纏紗棉紗纏繞包芯紗角度變小，其接觸包芯紗上的毛羽面積減小，從而使得紗線毛羽增多。

綜上所述，當(dāng)間距為10 mm時，改進型賽絡(luò)菲爾紡烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗線的拉伸斷裂強度最高，毛羽指數(shù)和條干不勻率最低，因此最佳單紗間距設(shè)定為10 mm。

2.2 單紗捻系數(shù)對復(fù)合紗性能的影響

本文實驗探究當(dāng)改進型賽絡(luò)菲爾紡單紗間距設(shè)定為10 mm，捻系數(shù)分別為340、360、380和400時，對紗線的斷裂強度、斷裂伸長率、條干不勻率和毛羽指數(shù)性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同捻系數(shù)紗線性能Tab.3 Yarn properties with different twist factor

由表3可知，當(dāng)紗線捻系數(shù)增大時，紗線的斷裂強度呈增大的趨勢，且斷裂伸長率和條干不勻率都減小。當(dāng)成紗捻系數(shù)為400時，紗線的斷裂強度最大，條干不勻率和斷裂伸長率最小。

當(dāng)捻系數(shù)增大時，匯聚點上方紗線的力矩小于成紗扭力矩M，因此匯聚點的位置上移，從而導(dǎo)致三角區(qū)的面積減小。匯聚點O與O′上方單紗和須條的力矩均增大，故纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移更加容易，并有效的控制了纖維。須條經(jīng)過O′匯聚點使須條加捻并合，提高了紗線的斷裂強度，改善了條干的均勻度。當(dāng)成紗捻系數(shù)增大時，外包纏紗線也增大了對包芯紗的軸向壓力，使得纖維間的抱合力增大，紗線結(jié)構(gòu)更加緊密，因此當(dāng)紗線被拉伸時，即得到較高斷裂強力和較低斷裂伸長率的混紡紗線。且外包纏紗的力矩和紗線解捻程度的增大，使得外包纏紗能以足夠大的面積包覆芯紗，從而使條干的不勻率減小。

隨紗線捻系數(shù)的增大，紗線3 mm以上毛羽指數(shù)呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)捻系數(shù)為360時，紗線毛羽指數(shù)最小。

當(dāng)紗線捻系數(shù)較小時，扭矩即會減小，降低了纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移能力，且部分浮游纖維不能被有效控制，故加捻時不易被捻進紗軸。其次外包纏紗上的力矩減小，降低了紗線解捻程度，減小了外包纏紗包覆包芯紗的面積。當(dāng)捻系數(shù)增大時，外包纏紗也增大包覆包芯紗的面積，且其具有一定的解捻作用，使浮游的纖維在加捻時能夠較好的被捻進紗軸。

2.3 不同捻系數(shù)復(fù)合紗性能模糊綜合評價

由于表3并不能直觀分析出紗線綜合性能最好的成紗捻系數(shù)，因此采用模糊綜合評價法來評價紗線的綜合性能。它能夠?qū)⒍ㄐ栽u價通過模糊關(guān)系轉(zhuǎn)化為定量評價。如紗線的多個構(gòu)成指標(biāo)：斷裂伸長率、斷裂強度、條干不勻和毛羽指數(shù)等構(gòu)成紗線的綜合性能，即可通過模糊數(shù)學(xué)進行分析評價[4]。其中模糊綜合評價中的一種評價法為Borda數(shù)法[3]。

從表3中不同捻系數(shù)與紗線各性能對應(yīng)數(shù)據(jù)得。論域D={D1，D2，D3，D4}={Q340，Q360，Q380，Q400}。團體X={斷裂強度，斷裂伸長率，毛羽指數(shù)，條干均勻度 }。按照下式，Li為獲得的幾種意見，從而計算出Borda數(shù)，其中x∈D，Bi(x)表示Li中排在x后的元素個數(shù)。

按各指標(biāo)的優(yōu)劣順序?qū)中的元素進行排序：

L1(斷裂強度)：D4，D3，D1，D2

L2(斷裂伸長率)：D1，D2，D3，D4

L3(毛羽指數(shù))：D2，D3，D4，D1

L4(條干均勻度)：D4，D3，D2，D1

得到Borda數(shù)，如表4所示。

表4 不同捻系數(shù)的Borda數(shù)Tab.4 Borda number of different twist factor

為了使決策結(jié)果更加接近于實際問題，通常采用意見加權(quán)法對其進行計算排序：

式中：Wi(x)為意見Li的權(quán)系數(shù)。

Wi(x)是通過天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院5教老師(分別編號為1、2、3、4、5)的詢問意見匯總，對其進行加權(quán)法計算，結(jié)果如表5所示。

表5 意見Li的權(quán)系數(shù)計算Tab.5 Calculation of weight coefficient of opinion Li

根據(jù)計算所得的Borda數(shù)的大小，對D中元素進行排序，排序結(jié)果如下：D4，D3，D2，D1。即紗線捻系數(shù)對紗線性能影響順序依次為：400，380，360，340。

綜上所得，采用改進型賽絡(luò)菲爾紡技術(shù)制備烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗的最佳捻系數(shù)與單紗間距分別為400與10 mm，此時復(fù)合紗的綜合性能最好。且采用改進型賽絡(luò)菲爾紡技術(shù)紡紗時，紡紗斷頭率明顯降低，紗線的可紡性和生產(chǎn)效率得到了提高。

采用改進型賽絡(luò)菲爾技術(shù)在最優(yōu)方案下制備的烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗線，將其置于沸水中進行退維處理，復(fù)合紗退維率為97%，退維后烏拉草占烏拉草/棉復(fù)合紗的比例為19%，退維后的烏拉草/棉復(fù)合紗線具有了空心紗的特點，紗線變得輕而蓬松。

3 結(jié) 論

1)本文設(shè)計了一種改進型賽絡(luò)菲爾紡紡紗方法，制備的烏拉草/棉/維綸復(fù)合紗單紗間距為 10 mm，捻系數(shù)為400時綜合性能最優(yōu)，與傳統(tǒng)賽絡(luò)菲爾紡制備的包芯紗對比，毛羽指數(shù)下降了73.49%，條干不勻率減小了29.05%。

2)通過對紗線的性能模糊綜合評價，得到捻系數(shù)對紗線性能影響順序依次為：400，380，360，340。模糊數(shù)學(xué)的應(yīng)用，使評價的結(jié)果更加準(zhǔn)確和科學(xué)，為紗線性能綜合評價提供一種較有效的參考方法。

3)退維后的烏拉草/棉復(fù)合紗線不僅具有了空心紗的特點，紗線變得輕而蓬松，而且發(fā)揮了烏拉草的優(yōu)點拓展了烏拉草的應(yīng)用領(lǐng)域，還能為其他功能性紗線的開發(fā)提供思路和借鑒。

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DevelopmentandperformanceofCarexmeyeriana/cotton/vinyloncompositeyarn

WANG Lijun1,2,3， WANG Chunhong1,2,3， LONG Bixuan1,2,3， YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique4， XU Lei1,2,3
(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposite,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.StateKeyLaboratoryofSeparationMembranesandMembraneProcesses,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 4.TextileEngineeringDepartment,NEDUniversityofEngineering&Technology,Karachi999010,Pakistan)

In view of more hairiness and poor yarn evenness of Carex meyeriana/cotton/vinylon composite yarn,a new yarn spinning method (modified sirofil spinning) was designed in which yarn carrier was added to introduce external fascinated yarns. The influence of twist factor and spacing on the yarn performance was discussed using strength, extension at break, hairiness index and yarn evenness as evaluation indexes. The performance of the composite yarn was evaluated by fuzzy comprehensive evaluation. The results show that the influence sequence of the twist factor on the yarn performance sequentially is 400, 380, 360 and 340; the composite yarn has the best comprehensive performance when the single yarn spacing is 10 mm and the yarn twist factor is 400 in the modified sirofil spinning; and the hairiness is reduced by 73.49% and the unevenness is reduced by 29.05%, compared with core spun yarn spun by conventional sirofil spinning.

Carex meyeriana; modified sirofil spinning; fuzzy and comprehensive evaluation; twist factor

10.13475/j.fzxb.20170201806

TS 959.2

A

2017-02-12

2017-05-15

天津市科技特派員項目(16JCTPJC44900)

王利軍(1989—)，男，碩士生。主要研究方向為天然纖維提取與可紡性。王春紅，通信作者，E-mail:18802231369@163.com。