集聚紗的分層結(jié)構(gòu)與集聚機(jī)制

傅 婷，張玉澤，王 姜，陳南梁

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

網(wǎng)格圈負(fù)壓式集聚紡紗應(yīng)用實(shí)踐表明，在相同工藝條件下，與環(huán)錠紗相比，集聚紗的捻度高3%～10%，這個(gè)現(xiàn)象被稱為附加捻度[1-3]。目前業(yè)內(nèi)對(duì)網(wǎng)格圈負(fù)壓式集聚紗存在附加捻度是有共識(shí)的，但是對(duì)其形成的機(jī)制尚無(wú)非常合理的解釋，尤其是缺乏能夠定量計(jì)算的模型。

汪軍等[4-5]、周水平等[6-8]拓展和完善了集聚區(qū)須條附加捻度的力學(xué)模型。楊建平等[9-10]提出了半自由端加捻模型，認(rèn)為在集聚區(qū)須條存在打滑現(xiàn)象，因而在假捻過(guò)程產(chǎn)生捻度差異，形成附加捻度。陸宗源[11]提出了表層半開端加捻的模式，認(rèn)為須條表面有部分纖維在氣流的作用下加捻，但未有理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證?；诖耍疚奶岢隽思奂喌姆謱咏Y(jié)構(gòu)，通過(guò)分析和試驗(yàn)證實(shí)分層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)集聚機(jī)制進(jìn)行闡述，為集聚紡機(jī)制的研究提供理論支持。

1 集聚區(qū)須條分層結(jié)構(gòu)模型

集聚區(qū)須條兩端被握持，屬典型的非自由端加捻，須條在集聚管上的摩擦只是假捻，對(duì)成紗捻度幾乎無(wú)影響。但附加捻度的客觀存在又表明在集聚區(qū)上須條確實(shí)有真捻產(chǎn)生。受噴氣紡包纏加捻模式的啟發(fā)，本文將集聚區(qū)須條分為2部分：第1部分是須條的表層纖維，其一端被鉗口握持或其他纖維控制，另一端則呈自由狀態(tài)，即為自由端纖維；第2部分則是須條的主體纖維，其兩端均處于被握持或控制的狀態(tài)，可以稱為芯纖維。集聚紡紗時(shí)，在不考慮假捻情況下，具有自由端的表層纖維在氣流等的作用下對(duì)主體纖維須條進(jìn)行了包纏加捻，從而使須條從扁平狀集聚為近似圓形狀，如圖1所示。這樣的須條結(jié)構(gòu)再經(jīng)過(guò)環(huán)錠綱領(lǐng)鋼絲圈加捻，最終形成集聚紗。

圖1 集聚區(qū)須條分層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of core structure of condensing zone

假設(shè)圖1中的集聚區(qū)須條的結(jié)構(gòu)成立，則需要建立新的加捻模型才可以進(jìn)行解釋，本研究認(rèn)為：主體芯纖維仍然呈非自由端狀態(tài)，在不考慮假捻情況下，其在集聚區(qū)應(yīng)該是無(wú)捻狀態(tài)；表層纖維為自由端狀態(tài)，在氣流的作用下包纏主體纖維，形成一定程度的捻度。所謂半自由端加捻，是指在羅拉牽伸的條件下，須條呈兩相結(jié)構(gòu)，由主體的芯纖維和表層自由端纖維組成，表層自由端纖維在氣流等的作用下，對(duì)芯纖維形成包纏或纏繞的加捻方式，如圖2所示。

圖2 集聚區(qū)須條半自由端加捻模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of semi-open end twisting model of condensing zone

環(huán)錠紗的部分毛羽(可以認(rèn)為是自由端纖維)、尤其是長(zhǎng)毛羽均因在集聚區(qū)的半自由端加捻而成為紗線內(nèi)的纖維。從宏觀的角度看，集聚紗與環(huán)錠紗相比，最大的差異在于環(huán)錠紗上絕大多數(shù)毛羽進(jìn)入紗體內(nèi)部而不再成為毛羽，成為集聚紗；因此可以提出半自由端加捻模型須具備的條件是：1)須條主體需要被控制，即兩端被握持；2)自由端纖維應(yīng)該通過(guò)氣流或機(jī)械等作用，使其對(duì)主體芯纖維進(jìn)行包纏加捻。

2 集聚紗分層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 測(cè)試方法

紗線分層結(jié)構(gòu)，典型的如轉(zhuǎn)杯紗、噴氣渦流紗，一般是通過(guò)退捻后照片或者退捻后將表層纖維去除后觀測(cè)內(nèi)層纖維，對(duì)于集聚紗來(lái)說(shuō)，自由端纖維數(shù)量不多，因此將集聚紗通過(guò)退捻后在顯微鏡下觀察，很難看清表層和里層的區(qū)別。為此本文采用超景深三維數(shù)碼顯微鏡VHX-5000(基恩士公司)，通過(guò)焦距變化從須條的底層開始分層觀測(cè)并拍照，從而可以觀察表層和里層的捻度差異。

超景深三維數(shù)碼顯微鏡VHX-5000下緩慢調(diào)整上下位置，按照操作盤上的旋鈕，先將焦距往小的方向調(diào)至視野的圖像由清晰轉(zhuǎn)為模糊，然后將焦距往大的方向調(diào)整，可分別拍攝系列照片。試驗(yàn)中確定好基準(zhǔn)位置后先拍攝1張，然后以100 μm的間隔分別拍攝4個(gè)位置，最后將5張照片采用該系統(tǒng)的三維合成技術(shù)整合為一張照片。距離間隔可根據(jù)紗線線密度進(jìn)一步調(diào)整。

2.2 集聚紗分層結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果與分析

將實(shí)驗(yàn)室紡制的19.4 tex集聚紗采用捻度測(cè)試儀手動(dòng)解捻至無(wú)捻或接近無(wú)捻狀態(tài)，然后在VHX-5000下按上述方式拍照，結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為基準(zhǔn)位置拍的照片；圖3(b)～(e)分別是焦距增大100、200、300和400 μm時(shí)的照片；圖3(f)則是上述5張照片的合成的圖像。

圖3 19.4 tex集聚紗退捻照片F(xiàn)ig.3 Untwisting of 19.4 tex compact spun yarn.(a) Reference position; (b) Up to 100 μm; (c) Up to 200 μm; (d) Up to 300 μm; (e) Up to 400 μm; (f) 3-D synthesis

由圖3可知，圖3(a)圖片中紗線整體是模糊的，圖3(b)出現(xiàn)了與紗線軸向平行的纖維，圖3(c)平行纖維繼續(xù)增加，圖3(d)出現(xiàn)了Z向加捻的傾斜纖維，圖3(e)是最外層的Z向加捻纖維減少；圖3(f)是將前面5張整體合成的照片。按照順序依次可見(jiàn)內(nèi)層的纖維平行于紗軸方向，外層的纖維有部分傾斜，這可證實(shí)圖3中的紗線結(jié)構(gòu)是分層的，即紗的內(nèi)層與外層的捻度是存在差異的。對(duì)于集聚紗的進(jìn)行多次觀測(cè)結(jié)果可重現(xiàn)。圖4示出環(huán)錠紗退捻的照片，與圖3比較須條沒(méi)有分層結(jié)構(gòu)。

圖4 環(huán)錠紗解捻后的形貌Fig.4 Untwisting of ring spun yarn

3 自由端纖維加捻試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 取樣試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證集聚區(qū)須條存在真捻，須進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)取樣觀察。本文對(duì)集聚區(qū)須條取樣，在顯微鏡下觀測(cè)和拍照，然后對(duì)照片進(jìn)行后期的分析與處理，方法如圖5所示。取樣的步驟為：1)正常紡紗，準(zhǔn)備好剪刀；2)在圖中所示的2個(gè)位置同時(shí)剪斷紗線和須條，與此同時(shí)抬起搖架，關(guān)停細(xì)紗機(jī)；3)在集聚區(qū)找到須條，用剪刀將上下多余粗紗須條和紗線剪除，用鑷子小心夾住須條下端成紗的部位，放置在載玻片上，用火棉膠涂均勻固定須條；4)樣品制作完畢，準(zhǔn)備觀測(cè)與拍照。

圖5 集聚區(qū)須條的取樣方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of sampling method of condensing zone

考慮到如果須條的線密度比較小的話，其纖維根數(shù)很少，難以制樣，因此實(shí)際取樣時(shí)紡紗的線密度是58.3 tex，集聚負(fù)壓為2 000 Pa，分別對(duì)集聚直線形傾斜角5°、無(wú)集聚負(fù)壓等情況取樣分析。部分樣品制作實(shí)物如圖6所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

圖7示出直線形集聚斜槽5°情況制樣進(jìn)行拍攝得到的須條照片，從圖中可清晰分辨出部分纖維的傾斜情況，可見(jiàn)須條整體上有明顯捻回。

圖8示出有集聚和無(wú)集聚情況下須條的比較情況。圖8(a)即為圖7的樣品，圖8(b)示出在紡紗時(shí)集聚區(qū)負(fù)壓為零的情況，二者的差異是顯而易見(jiàn)的，圖中集聚須條捻回清晰可見(jiàn)，且須條直徑整體較??；而且在同樣區(qū)域的須條基本沒(méi)有捻回，須條呈發(fā)散狀，直徑較大。這就可以證明集聚區(qū)須條的捻度的確存在，同時(shí)可以也驗(yàn)證集聚區(qū)半自由端加捻的合理性和正確性。

圖6 制作的樣品實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Photo of produced sample

圖7 集聚斜槽5°集聚須條照片(×200)Fig.7 Photo of gathering strip with 5°condensing slot (×200)

圖8 集聚須條照片(放大200倍)Fig.8 Photos of gathering strip (×200).(a)Condensing slot with 5; (b)Without negative pressure

與集聚槽長(zhǎng)度匹配取集聚區(qū)須條長(zhǎng)度為 20 mm，從圖中可以觀察須條加捻的情況，確定一個(gè)完整捻回的長(zhǎng)度。圖8(a)中的一個(gè)捻回的長(zhǎng)度是12.1 mm。

4 集聚機(jī)制

集聚紡要解決的主要問(wèn)題是環(huán)錠紗毛羽較多的難題，環(huán)錠紡中毛羽很大程度上產(chǎn)生于加捻三角區(qū)，實(shí)質(zhì)問(wèn)題是纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移張力不一致，導(dǎo)致纖維一頭在紗體內(nèi)，一頭形成毛羽。因此毛羽本質(zhì)上可認(rèn)為是自由端纖維，如何將自由端纖維不再“自由”是減少毛羽的關(guān)鍵，無(wú)論是采用機(jī)械還是氣流方式進(jìn)行集聚，現(xiàn)象上是將須條“先集聚、后加捻”，并如何處理這些自由端纖維的問(wèn)題。充分認(rèn)識(shí)和了解這個(gè)問(wèn)題，對(duì)集聚機(jī)制的解釋和集聚紡技術(shù)的提升發(fā)展是有重要作用的。

對(duì)于自由端纖維的處理，紡紗方式起著很重要的作用，噴氣渦流紡的毛羽極少，這與其成紗機(jī)制密切相關(guān)。對(duì)于集聚紡而言，其核心問(wèn)題也是對(duì)毛羽的處理方式。從機(jī)制上而言，對(duì)于自由端纖維最好的處理方式有2個(gè)方法：1)將其轉(zhuǎn)移到紗的內(nèi)部，使其被控制，成為被控制的非自由端纖維；2)將其加捻，通過(guò)螺旋軌跡使其成為紗體的一部分。2種方法的本質(zhì)是一樣的，即將自由端纖維變成受控的非自由端纖維。但是第1種方法存在一些問(wèn)題，比如外層的非自由端纖維轉(zhuǎn)移進(jìn)入紗體內(nèi)層成為非自由端纖維，而內(nèi)層也會(huì)有纖維被轉(zhuǎn)移出來(lái)，到外層形成新的自由端纖維，傳統(tǒng)環(huán)錠紡的紡紗三角區(qū)就存在這樣的現(xiàn)象。第2種方法是目前常見(jiàn)的集聚紡，以網(wǎng)格圈式集聚紡為例，其集聚槽有一定的傾斜角，這個(gè)角度是為了更好地是將自由端纖維形成螺旋狀加捻形態(tài)。

此外，有一些文獻(xiàn)曾研究過(guò)用噴嘴對(duì)紗線或須條進(jìn)行作用來(lái)減少毛羽，但是真正的效果并不是太好，主要的原因是自由端纖維和非自由端纖維可能一起回轉(zhuǎn)形成假捻，成紗后又恢復(fù)成自由端纖維。因此，對(duì)于集聚紡而言，比較理想的作用方式是須條非自由端的主體纖維被氣流或其他方式控制，而自由端纖維則可以圍繞主體纖維進(jìn)行加捻，形成內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)。

集聚槽的集聚機(jī)制可以認(rèn)為是在集聚區(qū)域，須條被分為2部分：主體纖維被氣流吸附在網(wǎng)格圈上成為非自由端纖維，一端被握持另一端自由的自由纖維。負(fù)壓通過(guò)網(wǎng)格圈對(duì)纖維主體進(jìn)行吸附作用，而負(fù)壓與集聚槽配合作用使表層自由端纖維對(duì)主體纖維形成加捻作用。根據(jù)初步估算，表層自由端纖維的數(shù)量在2%～7%之間，剩余的就是內(nèi)層的非自由端纖維。按截面纖維計(jì)，自由端纖維只有幾根，但是起到的作用還是很大的。

5 結(jié) 論

本文對(duì)網(wǎng)格圈負(fù)壓式集聚紡集聚區(qū)須條的半自由端加捻進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

1)提出集聚區(qū)須條呈分層的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為兩端受握持的主體芯纖維，表層存在一端被握持的自由端纖維；自由端纖維在集聚槽和負(fù)壓的作用下，圍繞主體纖維進(jìn)行加捻，即為集聚區(qū)須條的半自由端加捻機(jī)理。

2)通過(guò)超景深三維數(shù)碼顯微鏡的分層顯示與拍攝，驗(yàn)證了提出的集聚紗分層結(jié)構(gòu)的正確性。

3)明確了集聚機(jī)制，集聚是由吸附作用和半自由端加捻作用組成，吸附吸附作用將主體纖維固定在網(wǎng)格圈上成為非自由端纖維，加捻作用則是表層的自由端纖維對(duì)主體纖維進(jìn)行加捻，兩個(gè)作用共同配合完成集聚區(qū)須條的集聚。

FZXB