多重集聚紡紗結(jié)構(gòu)成形機(jī)制及其針織物性能

劉可帥， 江 偉， 楊圣明， 郭維琪， 夏治剛， 倪俊龍， 徐衛(wèi)林(. 武漢紡織大學(xué) 新型紡織材料綠色加工及其功能化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430073； . 安徽華茂集團(tuán)有限公司， 安徽 安慶 4608)

紡紗工序是整個(gè)紡織工業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，紡紗環(huán)節(jié)所生產(chǎn)紗線的質(zhì)量直接決定紗線的后續(xù)加工，如織造效率以及布面效果等[1]。迄今為止，大部分短纖維紗線的紡制都是通過傳統(tǒng)環(huán)錠紡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)環(huán)錠紡是由錠子和鋼領(lǐng)、鋼絲圈進(jìn)行加捻，由羅拉進(jìn)行牽伸的一種機(jī)械紡紗方法，加捻時(shí)，前羅拉鉗口處的須條圍繞自身軸線回轉(zhuǎn)，須條寬度逐漸收縮，兩側(cè)逐漸卷入紗條中心，形成加捻三角區(qū)[2]。由于加捻三角區(qū)的存在，加捻過程中須條內(nèi)各纖維的應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻，內(nèi)外層纖維由于動態(tài)壓力差而不斷發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，當(dāng)纖維轉(zhuǎn)移到表層時(shí)，由于自身剛性作用，若沒有足夠大的力使其重新彎向紗芯就會裸露在紗線表面[3]，在一定程度上影響了紗線的物理機(jī)械性能，如單紗強(qiáng)力、纖維強(qiáng)力利用率等，更明顯的作用是紡紗三角區(qū)造成了纖維的兩端不能很好地被捻入紗中而形成毛羽，這也是目前環(huán)錠紗毛羽問題不能得到根本解決的關(guān)鍵。紗線毛羽影響染色布的外觀質(zhì)量，形成橫檔疵點(diǎn)。紗線上的毛羽在后道各工序因受摩擦而脫落，形成飛花污染環(huán)境，危害人體健康，也會產(chǎn)生新的疵點(diǎn)使紗線及織物質(zhì)量下降。本文為解決多毛羽傳統(tǒng)環(huán)錠紗針織困難、常規(guī)集聚紡紗線織物手感硬等問題，建立了串聯(lián)半開放式多重集聚紡紗方法，分析其紡紗機(jī)制和結(jié)構(gòu)成形特征，為高檔針織產(chǎn)品的紡紗技術(shù)開發(fā)提供參考。

1 多重集聚紡成紗機(jī)制及結(jié)構(gòu)解析

1.1 多重集聚紡成紗機(jī)制

紡紗三角區(qū)是產(chǎn)生毛羽的重要部位，為消除紡紗三角區(qū)，減少毛羽，通常對纖維須條進(jìn)行集聚，即扁平的須條從前羅拉輸出時(shí)受到快速聚攏作用、須條寬度收縮，集聚收縮后的須條內(nèi)部纖維排列平順、緊密，然后再進(jìn)行加捻成紗[4]，從而形成了普通集聚紡紗技術(shù)。目前國內(nèi)外已成熟的集聚紡紗技術(shù)雖然形式各異，但共同點(diǎn)在于采用氣流收縮牽伸輸出區(qū)的須條寬度，消除紡紗三角區(qū)，一次性完全集聚纖維須條[5]。與傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗技術(shù)相比，普通集聚紡紗技術(shù)原理決定了集聚紗的成紗結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部纖維排列平直度和取向度高，外露毛羽少，紗線表現(xiàn)出光潔、高緊密度、高硬挺度、高強(qiáng)等性能特征[6]。一次性完全集聚纖維須條要達(dá)到高緊密度、高硬挺度成紗特征，導(dǎo)致技術(shù)耗能大，終端織物面料手感硬[7-8]，破壞了紡織品的柔韌性能優(yōu)勢。針對上述技術(shù)原理不足，我們提出了多重集聚成紗原理(見圖1)。

圖1 多重集聚紡紗重集聚示意圖Fig.1 Schematic diagram of multiple agglomerate spinning

多重集聚紡紗是采用半開放式多集聚串聯(lián)對成紗三角區(qū)進(jìn)行遞進(jìn)式重塑成紗三角區(qū)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化合理的集聚紡紗方法。具體是采用整纖器在主牽伸區(qū)對須條進(jìn)行左右方向的預(yù)集聚，既有效控制須條邊緣纖維，又不破壞傳統(tǒng)環(huán)錠加捻三角區(qū)加捻成紗功能；運(yùn)用滾動槽輪集聚裝置在紡紗三角區(qū)對加捻須條進(jìn)行左、右、上各向的集聚，在保證三角區(qū)加捻時(shí)紗條表面纖維第一時(shí)間受到動態(tài)滾動摩擦式集聚；最后利用自調(diào)節(jié)重集聚壓盤裝置在紡紗段對加捻紗條表面的纖維進(jìn)行上、下方向的調(diào)整集聚，在壓片自重調(diào)節(jié)機(jī)制作用下，紗體表面纖維包纏緊度得到進(jìn)一步全面提高。這種半開放式多集聚遞進(jìn)實(shí)施的方法，決定重集聚紡紗線與傳統(tǒng)環(huán)錠紡、集聚紡紗線之間產(chǎn)生結(jié)構(gòu)特征差異。

1.2 多重集聚紡成紗結(jié)構(gòu)特征解析

圖2為多重集聚紡紗重塑成紗三角區(qū)示意圖。預(yù)集聚裝置合理集聚纖維須條邊緣纖維，有效控制須條邊緣纖維，使得邊緣纖維成為毛羽的概率下降，可降低成紗毛羽，同時(shí)又保留了加捻三角區(qū)，紗條主體仍舊呈纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移式加捻抱合成形，紗體內(nèi)部保持傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線的柔軟結(jié)構(gòu)。

圖2 多重集聚紡紗重塑成紗三角區(qū)示意圖Fig.2 Graph of multiple agglomerate spinning remodel spinning triangle

槽輪集聚裝置在紡紗三角區(qū)對加捻須條進(jìn)行左、右、上、下各向的集聚，將紗條表面的外露纖維頭端動態(tài)預(yù)包纏在紗體上；預(yù)包纏有纖維頭端的紗體進(jìn)入自調(diào)節(jié)重集聚壓盤裝置，有效提高纖維頭端包纏緊度。最終紗線結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出內(nèi)部柔軟、外層緊密包纏的特征，紗線對應(yīng)的織物彎曲性能更佳、懸垂性好。

2 試驗(yàn)部分

2.1 紗線制備及性能測試

為驗(yàn)證機(jī)制分析和結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果，采用相同粗紗(線密度為624 tex)在F1508型細(xì)紗機(jī)上紡制JC11.8 tex純棉傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線、普通集聚紡紗和多重集聚紡紗線。然后用村田No21C-S型絡(luò)筒機(jī)絡(luò)筒，得到筒紗。

使用YG172毛羽測試儀、長嶺YG063T全自動單紗強(qiáng)力儀、USTER TESTER5烏斯特條干儀，分別采用GB/T 398—2008《棉本色紗線》、FZ/T 01086—2000《紗線毛羽測定方法投影計(jì)數(shù)法》檢測紗線毛羽、強(qiáng)力、條干。

2.2 針織物制備

針織用紗的質(zhì)量直接影響針織布面的質(zhì)量，針織廠為準(zhǔn)確評判紗線的質(zhì)量對針織布面的影響，一般會將紗線織成平紋織物，染色后對布面進(jìn)行質(zhì)量評定，因此，我們將不同條件下的筒紗通過針織加工成織物并進(jìn)行染色，對針織織物的織物性能及其染色性能進(jìn)行一系列的評價(jià)。

針織織造采用福源針織圓機(jī)制備的平針織物，規(guī)格見表1。

2.3 針織物性能測試

將3種針織物面料采用立信溢流小染機(jī)M/C NO型并在同一條件下進(jìn)行染色。采用數(shù)碼電子顯微鏡通過放大相同的倍數(shù)測試織物表面風(fēng)格[9-11]。

表1 織物參數(shù)Tab.1 Fabric parameters

采用YG502織物起毛起球儀，參照 GB/T 4802.2—2008《紡織品 織物起球試驗(yàn) 馬丁代爾法》對織物抗起毛起球性進(jìn)行表征。

采用YG461E型數(shù)字式織物透氣量儀，根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》測試織物透氣性，測試參數(shù)為：壓差100 pa；試樣直徑定值圈為60 mm。

采用YG601H型電腦織物透濕儀，根據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》測試各織物的透濕性。

采用YG811F電腦式織物懸垂儀，根據(jù)FZ/T 01045—1996《織物懸垂性試驗(yàn)方法》，利用傘式法進(jìn)行測試[12-14]。測試工藝參數(shù)為：溫度20 ℃， 濕度60%，旋轉(zhuǎn)速度30 r/min。

采用電子數(shù)顯卡尺測量織物壓彈性，每塊試樣30層，加壓法碼1 kg。

采用Colori7電腦測色配色系統(tǒng)進(jìn)行測試表觀染色深度(K/S值)。測試參數(shù)：光譜范圍為360～750 nm,波長間隔為10 nm，廣度解析度為0.001%。

3 結(jié)果分析

3.1 紗線性能及結(jié)構(gòu)對比分析

紗線性能如表2所示。

表2 紗線基本性能Tab.2 Yarn properties

由表可見，多重集聚紡紗線相比較傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗管紗3 mm毛羽下降約54%，相比較普通集聚紡毛羽降低約28%，多重集聚紡?fù)布? mm毛羽根數(shù)相比較傳統(tǒng)環(huán)錠紡減少49.7%，相比較負(fù)壓普通集聚紡紗線3 mm毛羽減少18.4%，并對紗線進(jìn)行掃描電鏡放大30倍拍攝。傳統(tǒng)環(huán)錠紡、多重集聚紡和普通集聚紡紗線的掃描電鏡SEM照片如圖3所示。

圖3 環(huán)錠紡、多重集聚紡和普通集聚紡紗線SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photo of ring(a), multiple condensed(b) and conventional compact (c)spun yarns

為分析紗線SEM圖像毛羽，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算。SEM圖像中纖維毛羽化百分比H：傳統(tǒng)環(huán)錠紡為33.5%，多重集聚紡為3.4%，普通集聚紡為9.1%。經(jīng)放大30倍后可看出，多重集聚紡紗線纖維排列有序，纖維伸出紗線主干少，多重集聚紡紗線毛羽少，紗線表面較光潔。

式中：H為纖維毛羽化百分比；nH為毛羽化纖維根數(shù)；nT為單股紗線纖維總根數(shù)。

3.2 織物表面風(fēng)格對比分析

圖4示出3種紗線織物染色后表面形貌照片。

圖4 染色布效果照片F(xiàn)ig.4 Picture of color fabric. (a)Ring yarn； (b)Multiple condensed；(c)Compact yarn

從圖4可以清楚地看出織物表面毛羽數(shù)為：多重集聚紡<普通集聚紡<傳統(tǒng)環(huán)錠紡，多重集聚紡紗線表面結(jié)構(gòu)致密，是用機(jī)械的辦法對紗線表層纖維定向的集聚和逐步收攏，所以紗線表面纖維更耐磨，而普通集聚紡織物表面相對于傳統(tǒng)環(huán)錠紡織物表面較清晰光潔且毛羽較少，是由于普通集聚紡紡紗線中的纖維受氣流的收縮和集合作用，紗線內(nèi)外層纖維均縮緊，整體成紗結(jié)構(gòu)致密，在織造過程中普通集聚抗彎折性能不如多重集聚紡，所以多重集聚紡織物外觀更光潔些，毛羽更少一些。因此，3種針織物面料表面對比結(jié)果為：多重集聚紡紗線制得的針織面料表面光潔、毛羽較少。

3.3 織物抗起毛起球性分析

表3示出不同種類紗線制成針織物的抗起毛起球性能對比?？煽闯觯憾嘀丶奂忈樋椢锟蛊鹈鹎蛐阅芟啾韧瑮l件下的傳統(tǒng)環(huán)錠紡提高1級，相比普通集聚紡針織物提高0.5級；多重集聚紡紗針織布的抗磨損強(qiáng)度要明顯好于傳統(tǒng)環(huán)錠紡和普通集聚。圖5示出織物起毛起球的布面效果圖。由圖可看出，多重集聚紡針織面料具有較好的抗起毛起球性能。

表3 色織物抗起毛起球測試結(jié)果Tab.3 Color fabric against pilling test results

圖5 起毛起球后布面外觀照片F(xiàn)ig.5 Picture of color fabric after fuzzing and pilling.(a) Ring yarn cloth; (b)Multiple condensed yarn fabric; (c)Compact yarn fabric

從圖5中磨后的3塊織物可直觀地看出，多重集聚紡針織面料的抗起毛起球性能優(yōu)于其他2塊針織物，由于多重集聚紡針織物表面較光潔，毛羽少，多重集聚紡紗線編織的針織物在與磨料摩擦?xí)r，纖維不易從紗線中抽拔出，紗線結(jié)構(gòu)不易解體[15]，起毛數(shù)相對較少，而起球是在起毛的基礎(chǔ)上形成的，因而起球也就相對較少。

3.4 織物透氣性及透濕汽性分析

多重集聚紡針織布相比較普通集聚紡針織布和傳統(tǒng)環(huán)錠紡針織布透氣性要好，究其原因是由于多重集聚紡的紗線內(nèi)部纖維排列較為松散，類似于傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)環(huán)錠紡針織布的透氣性要好于普通集聚紡針織物，說明在透氣性方面紗線內(nèi)部結(jié)構(gòu)柔軟占主要條件。色織物透氣性能結(jié)果見表4。由表可知，2種類針織布的透氣性相差不多，傳統(tǒng)環(huán)錠紡針織布透氣性稍微好點(diǎn)，加捻三角區(qū)是纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移是紗線結(jié)構(gòu)緊密、牢固的基礎(chǔ)。而普通集聚紡技術(shù)由于基本上消除了加捻三角區(qū)，因而紗線結(jié)構(gòu)緊密會差點(diǎn)，然而普通集聚的氣流集聚作用使得纖維集合更緊密，毛羽減少，織物更加緊湊，因而透氣性能就會略低于傳統(tǒng)環(huán)錠紡針織物。

從表4可看出，多重集聚紡紗織物透氣性為790.3 mm/s，相比較同線密度的傳統(tǒng)環(huán)錠紡和普通集聚紡針織布透氣性能為最佳。表5示出不同種類紗線制成針織物的透濕氣性能指標(biāo)。從表可看出，多重集聚紡紗針織物透濕量為3 080 mm3/s，高于傳統(tǒng)環(huán)錠紡和普通集聚紡針織物，表明多重集聚紡針織布透濕氣量為最好。

表4 色織物透氣性能測試結(jié)果Tab.4 Test results of permeability of color fabrics

表5 色織物透濕性能測試結(jié)果Tab.5 Color fabric moisture permeability results

由表5可明顯看出，多重集聚紡針織布的透濕性能優(yōu)于普通集聚紡和傳統(tǒng)環(huán)錠紡織物，透濕性主要由紗線纖維毛羽化指數(shù)決定[16]，纖維間形成的毛細(xì)效應(yīng)好，因而織物導(dǎo)濕性能好，從而織物透濕性能好。

3.5 織物懸垂性測試分析

表6示出不同種類針織面料的懸垂性測試結(jié)果。可看出，多重集聚紡紗針織布懸垂性優(yōu)于普通集聚紡和環(huán)錠紡，多重集聚紡紗針織布柔軟性最好。由表分析可知，傳統(tǒng)環(huán)錠紡針織物的懸垂系數(shù)最小，懸垂性優(yōu)于集聚紡和多重集聚紡針織物，紗線彎曲剛度與織物懸垂系數(shù)之間具有很好的相關(guān)性[17-18]。傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線中的纖維與紗軸呈固定角度，纖維在紗中運(yùn)動受限，但也可以部分移動，所以紗線彎曲剛度較低；而普通集聚紡紗線因其結(jié)構(gòu)緊密， 纖維排列有序性好，纖維在紗線中的可運(yùn)動性能較差，紗線在外力作用下較難彎曲，因而集聚紡針織物懸垂性較差。多重集聚紡介于普通集聚紡和傳統(tǒng)環(huán)錠紡之間，有比較適中的懸垂性。

表6 色織物的懸垂性結(jié)果Tab.6 Test results of drape of colored fabric

3.6 織物壓縮回彈性測試分析

表7示出不同種類紗線制成針織物的壓縮彈性指標(biāo)，壓縮回彈率按下式計(jì)算：

式中：N為織物壓縮回彈率；H0為加砝碼之前織物的高度；H1為5 min之后拿開砝碼的高度；H2為砝碼壓在織物上5 min的高度。

表7 色織物壓縮彈性測試結(jié)果Tab.7 Test results of fabric compression resilience

壓縮回彈性是指織物在厚度方向的壓縮回彈性能，與手感風(fēng)格中的蓬松豐滿度、表面的滑糯性有關(guān)，加壓前多重集聚紡最高，說明多重集聚紡針織布蓬松性能最好，織物壓縮回彈率多重集聚紡針織布為最佳，這是因?yàn)槎嘀丶奂徏喚€有外緊內(nèi)松的紗線結(jié)構(gòu)。而負(fù)壓普通集聚紡針織物壓縮回彈性率最低，主要是由于負(fù)壓普通集聚紡紗線結(jié)構(gòu)外緊內(nèi)緊，織物在厚度方向較硬，壓縮回彈性差。

3.7 織物的染色性能的對比分析

傳統(tǒng)環(huán)錠紡、普通集聚紡、多重集聚紡的K/S值分別為18.973、18.590、19.029。在同種染色工藝條件下，多重集聚紡針織布K/S值最高，說明多重集聚紡針織布染色性能高于傳統(tǒng)環(huán)錠紡和普通集聚，這是由其外緊內(nèi)松的結(jié)構(gòu)造成的多重集聚紡紗線的吸水性和保水性能較好，對染料有比較好的吸附性能[18]。

4 結(jié) 論

紗線結(jié)構(gòu)與針織物性能密切相關(guān)[19]，由于多重集聚紡?fù)布? mm毛羽根數(shù)相比較傳統(tǒng)環(huán)錠紡減少49.7%，相比較負(fù)壓普通集聚紡紗線3 mm毛羽減少18.4%，多重集聚紡紗線表面毛羽較少，紗線外層緊密，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，多重集聚紡下的少毛羽紗線對針織物有比較好的優(yōu)勢，所以多重集聚紡針織物表面較清晰光潔且毛羽較少，多重集聚紡抗起毛起球性、透氣性、透濕性、壓縮回彈性、染色性能都比傳統(tǒng)環(huán)錠紡和普通集聚要好，多重集聚紡紗的懸垂性介于傳統(tǒng)環(huán)錠紡和普通集聚紡之間，多重集聚紡紗線能更好地應(yīng)用于高檔針織產(chǎn)品。

FZXB

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