李 浩, 邢明杰, 孫志豪, 吳 瑤
(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 山東 青島 266071)
噴氣渦流紡是日本村田公司基于噴氣紡改進(jìn)的一種高效的紡紗方式。其原理是利用空氣渦流作用,使纖維束開松成單根狀態(tài)的纖維在噴氣渦流管內(nèi)凝聚加捻成紗。這也造成因成紗機(jī)制不同而使噴氣渦流紡的成紗強(qiáng)力要明顯低于環(huán)錠紡。噴氣渦流紡是通過氣流對(duì)纖維進(jìn)行加捻的自由端紡紗方式,所成紗線一般由外層纖維與內(nèi)層纖維2部分組成,內(nèi)層大約有30%的平行纖維并沒有被加捻,由外層被加捻的短纖維包覆成紗[1]。但噴氣渦流紡具有紡紗流程短、生產(chǎn)效率高、設(shè)備自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)。在投入市場(chǎng)使用之后,引起了國(guó)內(nèi)外紡織企業(yè)的廣泛關(guān)注[2]。
由于噴氣渦流紡紗線獨(dú)特的結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的捻度測(cè)試方式如加捻退捻法已不適用。為此,本文在分析噴氣渦流紡紗線與傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,探尋適用于測(cè)試和表征其捻度的有效方法:1)使用電子顯微鏡拍攝噴氣渦流紡紗線的外觀圖像,通過Photoshop圖像處理軟件獲得紗線捻回角,再借助公式計(jì)算出噴氣渦流紡紗線的捻度;2)使用電子顯微鏡拍攝噴氣渦流紡紗線的截面圖像,通過Onion指數(shù)界定紗線的內(nèi)外層,發(fā)現(xiàn)紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比與紗線捻系數(shù)具有相關(guān)性,認(rèn)為可用紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比表征噴氣渦流紡紗線加捻程度。
與傳統(tǒng)的環(huán)錠紡紗線相比,噴氣渦流紡紗線由于加捻方式的不同在紗線結(jié)構(gòu)上也有著較大的差異。環(huán)錠紡紗線是由纖維繞錠子旋轉(zhuǎn)加捻而得,纖維內(nèi)外纏繞聯(lián)結(jié)。而噴氣渦流紡屬于一種自由端紡紗,在加捻的過程中,纖維尾端在空氣渦流的作用下包纏加捻,所以纖維并沒有被完全加捻,而是一部分作為了纖維芯層沒有捻度,而另一部分作為纖維外層將纖維芯層緊緊包纏,由此形成了其獨(dú)特的紗線結(jié)構(gòu)[3]。本文借助Tescan VEGA3鎢絲燈掃描電子顯微鏡(捷克Tescan公司)同時(shí)觀察噴氣渦流紡紗線與環(huán)錠紡紗線外觀(見圖1)。照片上左側(cè)為環(huán)錠紡紗線,右側(cè)為噴氣渦流紡紗線。
圖1 電鏡下紗線外觀照片(×57)Fig.1 Picture of yarn appearance under electron microscope(×57)
基于對(duì)噴氣渦流紡成紗原理的分析及其紗線在電子顯微鏡下外觀形態(tài)的觀察,可構(gòu)建噴氣渦流紡紗線的結(jié)構(gòu)模型,如圖2所示。本文所用的模擬軟件為SolidWorks 2020。通過模型可以較為直觀地看出,由于噴氣渦流紡紗線內(nèi)層平行纖維的存在,若將其退捻,勢(shì)必會(huì)造成內(nèi)外層紗線不斷變換且纖維轉(zhuǎn)移,故傳統(tǒng)的測(cè)捻方式并不適用噴氣渦流紡紗線。本文在分析噴氣渦流紡紗線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出通過圖像來測(cè)定紗線捻度。
圖2 噴氣渦流紡紗線結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of air-jet vortex spinning yarn
實(shí)驗(yàn)樣品:36 tex 滌綸/粘膠(70/30)、 38 tex滌綸/粘膠(85/15)、 40 tex滌綸/粘膠(65/35)噴氣渦流紡紗線(本文實(shí)驗(yàn)所用紗線樣品均來自山東高密元信紡織有限公司)
基于紗線外觀圖像測(cè)捻度原理:先利用掃描電子顯微鏡拍攝噴氣渦流紡紗線外觀照片,再采用Photoshop圖像處理軟件對(duì)拍攝的電子顯微鏡圖像進(jìn)行處理,測(cè)量出紗線的捻回角,之后通過公式計(jì)算出捻系數(shù)。
取上述不同線密度的3種紗線樣品各20組保證其成紗加捻狀態(tài),在恒溫恒濕室內(nèi)放置48 h,減少外部條件帶來的誤差,然后對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理,增加其導(dǎo)電性,便于電鏡觀察。借助掃描電鏡獲得噴氣渦流紡紗線外觀照片。再用Photoshop軟件對(duì)外觀照片進(jìn)行處理:將紗線表面纖維的加捻方向用實(shí)線標(biāo)出,選擇整根紗線的軸向方向作為水平方向放置量角器,則水平方向與實(shí)線所標(biāo)出的纖維方向二者所呈的夾角即紗線的捻回角,如圖3所示。
圖3 用圖像法測(cè)試紗線捻度(×200)Fig.3 Test of yarn twist by image(×200)
β—捻回角;d—直徑(mm);T—捻度(捻/(10 cm))。圖4 紗表面理想模型以及捻回角的示意圖Fig.4 Ideal model of yarn surface and schematic diagram of twist angle
再通過紗線表面理想模型[3](見圖4)與式(1)可計(jì)算出紗線樣品的體積質(zhì)量δ, 然后用測(cè)得的紗線捻回角β和紗線直徑d,用式(2)計(jì)算紗線的捻系數(shù)[3],測(cè)試結(jié)果見表1。
(1)
(2)
式中:α為捻系數(shù);β為捻回角;δ為體積質(zhì)量;d為纖維直徑,mm;Tt為線密度,tex。
為驗(yàn)證用圖像法測(cè)捻度的準(zhǔn)確性和可行性,本文采用原始直觀計(jì)數(shù)法測(cè)試了相同樣品的捻度,即截取10 cm長(zhǎng)度的紗線通過放大鏡觀察,數(shù)出10 cm長(zhǎng)度內(nèi)紗線的捻回?cái)?shù),然后通過式(3)計(jì)算出紗線的捻系數(shù)[3],測(cè)試結(jié)果見表1。
(3)
式中:T為捻度,10 cm紗線的捻回?cái)?shù),捻/(10 cm)。
表1 圖像法與計(jì)數(shù)法測(cè)試噴氣渦流紡紗線捻度結(jié)果Tab.1 Image method and counting method to test twist of air-jet vortex yarn
由表1所示測(cè)試結(jié)果可知,依照捻系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn),借助掃描電子顯微鏡拍攝紗線外觀圖像再用相關(guān)軟件處理可獲得紗線捻回角,用紗線直徑及捻回角計(jì)算出的噴氣渦流紡紗線捻系數(shù)與傳統(tǒng)直觀計(jì)數(shù)法測(cè)試結(jié)果較為接近,故認(rèn)為用圖像法測(cè)定噴氣渦流紡紗線捻度是可行性,但實(shí)驗(yàn)過程中也反映出圖像法測(cè)試存在的不足:測(cè)試工具要用到電子顯微鏡等儀器,測(cè)試成本較高;同時(shí)對(duì)測(cè)試試樣的要求較高,若試樣存在較多毛羽,條干不勻等問題,則無法保證成像的清晰度和測(cè)量的準(zhǔn)確度。
由于噴氣渦流紡紗線的特殊結(jié)構(gòu),噴氣渦流紡紗線的加捻程度基本由外層紗線所決定。噴氣渦流紡紗線中外層纖維所占比例越高,則紗線的加捻程度越大,捻度越大[4]。
在噴氣渦流紗成紗過程中,纖維的加捻程度主要是由渦流管中錐面體周圍的氣流作用所決定。而外層纖維的形成并不是一個(gè)瞬間完成的過程,在纖維頭端進(jìn)入引紗管的過程中,如果渦流較大,則在纖維尾端脫離引導(dǎo)針的瞬間,還未進(jìn)入引紗管的部分纖維則會(huì)以較快的速度分散到錐面體四周,隨著渦流的流向回轉(zhuǎn)而獲得一定捻度,完成纖維束的凝聚,此時(shí),紗線的加捻程度較高;如果氣流作用較弱,在纖維尾端脫離引導(dǎo)針后,纖維在分散到錐面體四周的同時(shí),會(huì)有較多的纖維繼續(xù)進(jìn)入引紗管成為芯紗部分,此時(shí)紗線的加捻程度較低[5-6],所以,如果作為芯紗的纖維數(shù)量多而外層紗的纖維少,此時(shí)外層紗的卷繞程度較低,紗線捻度較弱;反之,作為外層紗的纖維量多,則加捻程度高[7-8]。根據(jù)這一成紗原理,可作出推測(cè),是否可用內(nèi)外層纖維數(shù)量來表征噴氣渦流紡紗線的加捻程度。本文通過實(shí)驗(yàn)及相關(guān)性檢驗(yàn)等手段論證這一推測(cè)。
2.2.1 實(shí)驗(yàn)過程
實(shí)驗(yàn)材料為不同混紡比的噴氣渦流紡紗線:1#試樣為36 tex滌綸/粘膠(85/15)混紡紗;2#試樣為36 tex滌綸/粘膠(70/30)混紡紗;3#試樣為36 tex滌綸/粘膠(65/35)混紡紗。
將3種紗線試樣放置于恒溫恒濕室內(nèi)48 h,采用Y172型哈氏切片器(常州德普紡織有限公司)制備紗線切片,借助Tescan VEGA3鎢絲燈掃描電鏡獲得紗線橫截面照片。由于紗線的內(nèi)層與外層不好界定,本文采用了Onion指數(shù)判定法來區(qū)分紗線內(nèi)層與紗線外層。
Onion指數(shù)是用來表征混合紗線表層纖維混合比的。當(dāng)混紡紗線包含2種組分時(shí),如a纖維與b纖維混紡,混紡比為x:y,且x+y=1。如果實(shí)際測(cè)得紗線表層a纖維為p根,b纖維為q根,則紗線的Onion指數(shù)[9]為
(4)
式中:O為紗線Onion指數(shù);x為a纖維占紗線的百分比,%;y為b纖維占紗線的百分比,%;p為紗線外層a纖維根數(shù);q為紗線外層b纖維所占根數(shù)。當(dāng)O>1時(shí),表明a纖維在紗線表層分布較多,反之,b纖維在紗線表層分布較多。
Onion指數(shù)可以綜合表達(dá)纖維在紗線中的徑向分布。本文實(shí)驗(yàn)中由于滌綸/粘膠混紡紗線中2種纖維在紗線外層與紗線內(nèi)層數(shù)量分布不同,所以O(shè)nion指數(shù)可用作區(qū)分紗線內(nèi)外層的標(biāo)準(zhǔn)。具體區(qū)分方法為:選取3種紗線橫截面電鏡照片各1張,作為參照試樣。運(yùn)用Photoshop軟件將外層松散纖維與內(nèi)層較密集的纖維以圓形區(qū)分,見圖5。觀察外層纖維,數(shù)出確定的紗線外層中滌綸與粘膠的根數(shù)(截面呈圓形為滌綸,截面呈不規(guī)則形狀為粘膠),然后根據(jù)3種紗線的混紡比計(jì)算3種紗線的Onion指數(shù)。經(jīng)過計(jì)算,參照試樣中1#試樣的Onion指數(shù)為0.83,2#試樣的Onion指數(shù)為0.85,3#試樣的Onion指數(shù)為0.76。
圖5 電鏡下噴氣渦流紗橫截面圖片(×350)Fig.5 Cross section of air-jet vortex yarn under electron microscope(×350)
以參照試樣的Onion指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分紗線的內(nèi)外層,即運(yùn)用Photoshop軟件將測(cè)試樣品的電鏡照片以圓形劃分紗線內(nèi)外層,計(jì)算測(cè)試樣品的Onion系數(shù),不斷調(diào)整圓的大小,直至紗線內(nèi)外層劃分符合參照試樣的Onion系數(shù),此時(shí),圓內(nèi)就是紗線內(nèi)層,圓外就是紗線外層。同時(shí)對(duì)紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)算紗線的內(nèi)外層纖維數(shù)量比,結(jié)果見表2。
表2 樣本紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of internal and external fiber ratio of sample yarn
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),通過Onion指數(shù)劃分紗線內(nèi)外層的方法得到的3種不同混紡比紗線的內(nèi)外層纖維數(shù)量比較為接近,且每組樣本數(shù)據(jù)方差較小,數(shù)據(jù)離散程度較小。說明本方法可較穩(wěn)定地區(qū)分紗線的內(nèi)外層纖維。
采用Onion指數(shù)劃分紗線內(nèi)外層可得到紗線的內(nèi)外層纖維數(shù)量比,從而可分析噴氣渦流紡紗線捻系數(shù)與紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比以及紗線線密度之間的相關(guān)性。本文采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行三者之間兩兩的相關(guān)性檢驗(yàn)[10],以及三者的相關(guān)性,即內(nèi)外層纖維數(shù)量比和捻系數(shù)與線密度比值的關(guān)系。
由于相關(guān)性檢驗(yàn)的變量為3個(gè),本軟件進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)樣本個(gè)數(shù)需要9個(gè),所以本次測(cè)試采用實(shí)驗(yàn)樣本為36 tex 滌綸/粘膠(70/30)、 38 tex滌綸/粘膠(85/15)、 40 tex滌綸/粘膠(65/35)噴氣渦流紡紗線各3組,根據(jù)2.1節(jié)中的用紗線外觀圖像測(cè)捻度法及Onion指數(shù)劃分紗線內(nèi)外層的方法分別測(cè)試其捻系數(shù)與內(nèi)外層纖維數(shù)量比,結(jié)果見表3。
表3 試樣紗線捻系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of twist coefficient of sample yarn
2.2.2 相關(guān)性分析
將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS中進(jìn)行相關(guān)性分析,使用Pearson相關(guān)系數(shù)表示噴氣渦流紡紗線線密度、捻系數(shù)、內(nèi)外層纖維數(shù)量比三者之間相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱情況,結(jié)果見表4。
表4 Pearson相關(guān)系數(shù)結(jié)果Tab.4 Pearson correlation coefficient results
根據(jù)表中數(shù)據(jù)結(jié)果可知,紗線線密度與捻系數(shù)之間的顯著系數(shù)為0.800,表示二者之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性,為正相關(guān)。線密度與內(nèi)外層纖維數(shù)量比、 捻系數(shù)與線密度比之間無顯著相關(guān)關(guān)系。捻系數(shù)與線密度比與內(nèi)外纖維數(shù)量比之間呈現(xiàn)出顯著性,相關(guān)系數(shù)值為-0.750,全部均小于0,意味著二者之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。
噴氣渦流紡紗線由于其獨(dú)特的紗線結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的捻度測(cè)試方法退捻法并不能達(dá)到理想的測(cè)試效果,本文探討了2種基于紗線圖像的捻度測(cè)試方法。
一種是利用紗線外觀圖像,即采用紗線外觀圖像測(cè)量噴氣渦流紡紗線捻回角后,再通過公式計(jì)算得到捻系數(shù),其結(jié)果與傳統(tǒng)直接計(jì)數(shù)法所測(cè)得的紗線捻系數(shù)結(jié)果非常相似,所以利用紗線外觀圖像測(cè)試噴氣渦流紡紗線捻度是可行的。
另一種是基于紗線橫截面圖像。結(jié)合紗線截面圖和Onion指數(shù),可以界定紗線內(nèi)外層并得到紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比。本文研究發(fā)現(xiàn),相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示噴氣渦流紡紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比與紗線捻系數(shù)存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即噴氣渦流紡紗線的內(nèi)外層纖維數(shù)量比的比值越大,其捻系數(shù)越小,紗線的加捻程度越低,故可以用紗線內(nèi)外層纖維數(shù)量比來表征噴氣渦流紡紗線的加捻程度。