間歇喂入式復合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)研究進展

劉 賽，鄧成亮，于偉東

(1.東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620； 2.浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)，浙江 杭州 310018； 3.東華大學 紡織學院，上海 201620； 4.廣州檢驗檢測認證集團有限公司，廣東 廣州 511447)

復合紡紗是指須條S、長絲F或細紗Y以二軸系及其以上(軸系數(shù)n≥2)喂入并在同一紡紗機上加捻成形的紡紗[1-2]；基于多軸系喂入原理來調(diào)整S、F或Y位置，進而使成紗結(jié)構(gòu)調(diào)整的紡紗，即基于復合紡的結(jié)構(gòu)調(diào)整紡紗，如東華大學紡織材料與技術(shù)和纖維軟物質(zhì)團隊(TMT-FSM)的漸變紡[3-4]，稱為“結(jié)構(gòu)復合紡”；而對各軸系喂入的S、F或Y進行結(jié)構(gòu)調(diào)整的n軸系的紡紗，即基于結(jié)構(gòu)紡的采用n軸系的紡紗，如竹節(jié)紗[5]、段彩紗[6]和扭妥紡[7]等，稱為“復合結(jié)構(gòu)紡”。

上述3類紡紗技術(shù)所得的紗，分別稱為復合紗、結(jié)構(gòu)復合紗和復合結(jié)構(gòu)紗[8]，后二者的特征區(qū)別是成紗結(jié)構(gòu)。當軸系數(shù)n=1時，即常說的結(jié)構(gòu)紡，如分束紡(Solospun)[9]和集聚紡(Compact spun)[10]等。本文主要介紹復合結(jié)構(gòu)紡中的間歇喂入式復合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)，尤其是該方面的機構(gòu)研制和核心創(chuàng)新原理與方法，并為成紗的花式化、舒適化和功能化提供借鑒和實例。

1 短纖維須條間歇喂入式復合結(jié)構(gòu)紡

1.1 S式基本原理與方法

短纖維須條的間歇喂入式，即S式的復合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)是最基本的方法，其主要特征是主須條或稱基須條BS(細度表示為TBS，mm)不發(fā)生粗細變化地連續(xù)向前移動，而間歇、甚至間斷喂入的是輔須條，或稱飾須條DS(細度表示為TDS，mm)。

S式復合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)的基本原理是增加DS的喂入量和間斷DS的喂入量來達到竹節(jié)效應，或稱粗節(jié)效應。雖然竹節(jié)的長度可以控制，但在竹節(jié)的形態(tài)上無法與自然特征或隨機形態(tài)相比擬。

1.2 S式紡紗目標與技術(shù)難點

須條喂入量的最高目標有2個：一是快速、光滑連續(xù)地變化，且持續(xù)長度可控可調(diào)；二是飾須條與基須條間的優(yōu)良抱合。因此，最佳的復合方式是包芯紡，且BS在外，DS在內(nèi)，這與名詞定義完全相悖。只有在DS較長或捻度較大的情況下，才可采取互絞的形式。所以在不考慮成紗條干不勻，即特意強化竹節(jié)效應的情況下，在正常紗段成紗粗細TY(mm)應符合：

TY=TBS

(1)

而在竹節(jié)段的成紗粗細應為：

TY=TBS+TDS

(2)

即成紗粗細TY的變化為：

TBS≤TY≤TBS+TDS

(3)

由此該竹節(jié)紗可以做粗細、顏色和組分的任意變化，因為長度足夠(即大于一個捻回長度)時，可以采取互絞方式加捻抱合而連續(xù)，技術(shù)難點變成2須條在設定竹節(jié)長度范圍內(nèi)的粗細變化的調(diào)控。若要強化竹節(jié)須條，即BS對DS的包覆，只須在喂入機構(gòu)后面增加一個有展平功能的展平器，便能實現(xiàn)良好的包裹[11-12]。TMT-FSM團隊僅在單須條間歇式紡紗技術(shù)上做了嘗試，獲得了較理想的效果，并優(yōu)于現(xiàn)有紡紗方式，但尚未在改變喂入量上作嘗試。

1.3 S式實用可行的解決方式

適用于短纖維須條間歇喂入式復合結(jié)構(gòu)紡紗的裝置有很多種，圖1所示為扭力間歇釋放喂入式復合結(jié)構(gòu)紡紗裝置[13]，主要特點是包含釋能和蓄能觸發(fā)機構(gòu)以及觸發(fā)信號發(fā)生器。該裝置可精準實現(xiàn)周期或隨機地釋能喂紗和蓄能停喂的循環(huán)，斷續(xù)效果明顯，可控性強。另外，還包括夾持式喂紗[14]以及羅拉間歇添紗[15]的斷續(xù)復合紡紗裝置。

1—釋能觸發(fā)機構(gòu)；2—蓄能觸發(fā)機構(gòu)；3—喂紗機構(gòu)；4—斷條機構(gòu)；5—觸發(fā)信號發(fā)生器；6—固定架； 7—斷續(xù)粗紗；8—主體粗紗；9—前羅拉；10—中羅拉；11—展平絲。圖1 扭力間歇釋放喂入式復合結(jié)構(gòu)紡紗裝置

基于羅拉間歇觸發(fā)喂入式的復合結(jié)構(gòu)紡紗裝置如圖2所示[16]，可用于斷續(xù)紡紗系統(tǒng)，完成竹節(jié)類花式紗紡紗的結(jié)構(gòu)與形態(tài)要求。

1—觸發(fā)桿；2—喂紗羅拉；3—齒條；4—過橋輪；5—擺臂輪；6—擺臂； 7—擺動喇叭口；8—定位喇叭口；9—復位彈簧；10—磁鐵塊；11—電磁開關(guān)；12—斷續(xù)發(fā)生器；13—隔壓輥；14—斷續(xù)粗紗；15—主體粗紗；16—竹節(jié)；17—斷續(xù)復合紗；18—后羅拉；19—中羅拉；20—前羅拉。圖2 羅拉間歇觸發(fā)喂入式復合結(jié)構(gòu)紡紗裝置

該裝置通過電磁觸發(fā)機構(gòu)和斷續(xù)發(fā)生器實現(xiàn)間歇喂紗功能，其中斷續(xù)發(fā)生器產(chǎn)生信號控制電磁開關(guān)接觸或松開，從而控制喂紗機構(gòu)的喂紗與停喂。隨機地或周期性地間歇喂入不同量的短纖維束于主體紗條上，形成在連續(xù)主體紗上添加竹節(jié)外觀。同時，該紡紗方法可分別利用喂入時間和間歇時間來有效調(diào)節(jié)竹節(jié)長度和竹節(jié)間距，在各類紡紗系統(tǒng)中可調(diào)性和實用性均較強。

羅拉間歇觸發(fā)喂入式與扭力間歇釋放喂入式除在觸發(fā)機構(gòu)的作用形式不同外，還存在成紗竹節(jié)形態(tài)的不同。前者竹節(jié)形態(tài)頭尾為對稱分布，較接近于梯形分布形態(tài)；后者竹節(jié)形態(tài)頭端略顯過沖形態(tài)，而后端顯延遲拖尾特征，更接近于竹節(jié)特征。由于磁鐵吸動觸發(fā)的響應速度極快，故適應頻率范圍更高，而扭力釋放觸發(fā)相對響應速度較慢，故竹節(jié)形態(tài)更為圓潤，仿真效果稍弱。

此外，還可移動喂入機構(gòu)裝置，喂入機構(gòu)越前置，竹節(jié)效應越強；反之波動效應增強。

2 長絲或紗間歇喂入式結(jié)構(gòu)復合紡

傳統(tǒng)的包纏結(jié)構(gòu)復合紗屬于欠喂型，而花式紗的外觀效果則通過長絲束的超喂來實現(xiàn)，因此包纏結(jié)構(gòu)花式紗的關(guān)鍵成形技術(shù)在于長絲束的超喂方法與裝置。根據(jù)國內(nèi)外包纏結(jié)構(gòu)復合紗的相關(guān)研究，通常所采用的方法是將長絲紗通過導紗桿后引入中羅拉或前羅拉后，在進入前羅拉前與短纖維須條并合，經(jīng)加捻后形成復合紗。

2.1 F式基本原理與方法

長絲(F)或細紗(Y)間歇喂入的基本方式是，突然加大F或Y喂入量來實現(xiàn)成紗變粗并形成竹節(jié)效應；而F或Y與S同速輸出而回復到原態(tài)(無竹節(jié)效應)的復合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)，其原理是突然加快F或Y的喂入速度，或預先儲蓄一段F或Y，而后突然釋放，來達到竹節(jié)效應。而常態(tài)紗段F或Y與S同步輸出，實現(xiàn)F或Y間歇的自互絞穩(wěn)定。顯然，F(xiàn)或Y在竹節(jié)段，因浮游包纏，結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，易發(fā)生松散和勾絲。

2組分包纏結(jié)構(gòu)復合紗包括位于紗線中間的芯紗組分(多為短纖維須條)以及在芯紗表面的包纏組分(多為長絲束)。長絲束以周期變化或隨機變化的包纏角和喂入量與短纖維須條匯聚加捻，即可形成花式效果的竹節(jié)紗。復合紗線2組分的形態(tài)和喂入路徑不同決定了二者紗線喂入量的不同，即作為包纏組分的長絲束相對短纖維須條存在超喂。包纏結(jié)構(gòu)復合紗及其圓柱展開圖如圖3所示，根據(jù)復合紗線整體的圓柱展開圖的幾何關(guān)系，可計算得到超喂比φ。

圖3 包纏結(jié)構(gòu)復合紗及其圓柱展開圖

假設芯紗直徑為D(mm)，長絲束直徑為d(mm)，在某一循環(huán)單元內(nèi)，長絲束相對芯紗的包纏角度為θ(°)，則長絲束相對短纖維須條的超喂比φ(%)為：

(4)

因此，該復合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)需滿足長絲束的實時超喂控制，從而得到不同形態(tài)結(jié)構(gòu)和外觀風格的花式復合紗線。

2.2 F式紡紗目標與技術(shù)難點

紗線喂入量的最高目標有2個：一是F自身須條有糾纏點，否則在捻度無法瞬間增大或減少的情況下，超喂時無法實現(xiàn)包纏；二是不僅要有飾絲dF或dY，而且須有固定絲fF或fY。第1目標的解決方式變?yōu)檫x擇長絲，即須選擇變形紗；第2目標的解決方式變?yōu)閺秃霞徏喎椒ǖ倪x擇，即須選擇非等匯聚點復合紡[17]，因為等匯聚點復合紡無法產(chǎn)生fF與dF間的交疊固定。

2.3 F式實用可行的解決方式

經(jīng)間歇式喂入成紗技術(shù)形成的包纏結(jié)構(gòu)復合紗，具有獨特的花式效果和外觀風格及手感，可廣泛用于服裝面料、家用紡織品和配飾紡織品等，在增加流行元素的同時提高舒適性。

由觸發(fā)桿、擺動導紗鉤和開有2槽的前上羅拉構(gòu)成的單側(cè)2槽間歇式超喂復合紡紗裝置如圖4所示[18]，該裝置可實現(xiàn)紗線的等喂和超喂轉(zhuǎn)換的包纏結(jié)構(gòu)復合紗線。

1—橋接羅拉；2—調(diào)速羅拉；3—握持輥；4—張力盤；5—開有2槽的前上羅拉；6—電磁開關(guān)；7—觸發(fā)桿；8—擺動導紗鉤；9—短纖維須條；10—長絲束或紗線；11—間歇式包纏復合紗；12—前羅拉鉗口；14—中羅 拉；15—后羅拉。圖4 單側(cè)2槽間歇喂入式復合結(jié)構(gòu)紡紗裝置

利用圖4紡紗裝置可方便地改變繞行線路和長度，且張力與超喂量均能有效、靈活地控制。在第一(I)和第二(III)槽口區(qū)均為超喂區(qū)；位于二者之間的鉗口區(qū)(II)是等喂區(qū)。由此可有效方便地實現(xiàn)F或Y在各區(qū)的換位，從而實現(xiàn)隨機或周期性的間歇超喂和包纏角度變化所產(chǎn)生的特殊包纏風格。通過觸發(fā)桿來控制和導紗鉤的擺動換位，從而調(diào)節(jié)包纏量與包纏角度。同樣，也可通過單斜面槽[19]、對稱斜面槽[20]以及后置開槽[21]的設計達到相同的調(diào)節(jié)效果。

二軸系復合紡紗裝置如圖5所示[22]。長絲束F由氣缸控制的導紗鉤作用下移動換位喂入前羅拉鉗口和隨機或周期性地左右移動，并與短纖維須條S匯聚加捻，形成包纏量及包纏角變化的特殊包纏風格的結(jié)構(gòu)復合紗。該裝置可大范圍地有效調(diào)節(jié)復合紗的結(jié)構(gòu)參數(shù)和形態(tài)特征，并通過F所在的等喂軸系與S所在軸系相對靠近或相對遠離的位移運動來實現(xiàn)。

1—橋接羅拉；2—調(diào)速羅拉；3—握持輥對；4—上導紗鉤；5—前上羅拉；6—換位氣缸；7—活塞桿；8—下導紗鉤；9—短纖維須條；10—長絲束或紗線；11—包纏包芯復合紗； 12—前羅拉鉗口；14—中羅拉；15—后羅拉；16—集束器；17—移桿；18—滑桿；19—槽筒；20—支架。圖5 二軸系纖維互動等喂復合結(jié)構(gòu)紡紗裝置

當S向F靠近時，會產(chǎn)生小角度包纏或平行緊靠、重疊、包芯；當S遠離F時，會產(chǎn)生大角度的包纏或與F左右錯位。同時，F(xiàn)從前羅拉鉗口的無張力輸出，有利于F在S上的密集包纏和相互握持增大，從而形成相對穩(wěn)定的紗結(jié)節(jié)效果。類似的裝置還有一種前后互動間歇式超喂復合紡紗裝置[23]，可實現(xiàn)長絲束對短纖維須條的斷續(xù)包纏。

除了在前羅拉鉗口處調(diào)節(jié)紗線的輸出與包纏量外，還設計了前置的方式來控制紗線的喂入路徑和喂入速度[24]。前置式超喂復合結(jié)構(gòu)紡紗裝置如圖6所示，作為包纏組分的紗線經(jīng)錐形羅拉和導紗鉤定位于前羅拉前部，并實現(xiàn)與前羅拉鉗口輸出的芯紗組分的包纏復合。其中，包纏組分的超喂主要是通過紗線張力定位在不同半徑面的錐形羅拉上而獲得不同喂入速度來控制。在此裝置基礎(chǔ)上，還可添加左右變位功能[25]。該紡紗裝置同圖5裝置一樣，具有結(jié)構(gòu)簡潔、可控性強，長絲束或細紗的移位輕便，能有效調(diào)節(jié)超喂量。

1—橋接羅拉；2—調(diào)速羅拉；3—錐形羅拉；4—張力盤；5—導桿移架；6—移動導桿；7—導紗鉤；8—短纖維須條；9—長絲束或紗線；10—超喂復合紗；11—前羅拉鉗口；12—前羅拉；13—中羅拉；14—后羅拉。圖6 前置式超喂復合結(jié)構(gòu)紡紗裝置

通過上述3種以F喂入方式產(chǎn)生竹節(jié)效果的結(jié)構(gòu)復合紡紗方法的對比分析，可以看出，圖4機構(gòu)所提供的竹節(jié)效應，在變化頻率和在喂入變化量上要高于圖5和圖6機構(gòu)，因為圖4機構(gòu)存在著F在無張力或低張力下的快速釋放喂入。由于此3圖均為二軸系復合紡，缺乏對飾紗的固定方式，故只須引入三軸系復合紡[26-27]便可使dF的結(jié)構(gòu)和竹節(jié)效果變得穩(wěn)定。

而將前述S喂入方式(S式)與長絲喂入方式(F式)作對比：由于S式的竹節(jié)效果大多采用黏附的方式產(chǎn)生竹節(jié)，極易剝離，故除本文采用的包裹方式外，還可引入第3軸系長絲喂入綁定，使所形成的竹節(jié)段穩(wěn)定；而F式比S式竹節(jié)紗顯得更為平滑，且具有花式線的效果特征，故應屬“花式紗”。

3 結(jié)束語

短纖維須條S和長絲F或紗Y的間歇喂入式復合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)，可實現(xiàn)竹節(jié)效應等獨特的花式效果。其中，S式(短纖維須條間歇喂入式)采用包裹方式使整體復合結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，所呈現(xiàn)的竹節(jié)等花式效果更為逼真；而F式的長絲間歇超喂的結(jié)構(gòu)復合紡，在有綁定絲的三軸系復合紡下，既可以增加成紗的花式效果，又可使成紗形態(tài)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，S式竹節(jié)特征較為突出，F(xiàn)式花式線的特征更為突出。

本文提出的2類間歇喂入式(S式和F式)復合紡紗技術(shù)，為提升成紗的花式效果、改善其結(jié)構(gòu)與品質(zhì)和增加其多樣性，提供了可能性與紡紗方法，也為織物的多樣性和新品研發(fā)，提供了更多選擇。