后區(qū)壓力棒表觀特征對(duì)纖維成紗性能的影響

范 航 許 多 唐建東 潘 虹 劉可帥

（1.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢，430200；2.際華三五四二紡織有限公司，湖北襄陽(yáng)，441002；3.江蘇奧神新材料股份有限公司，江蘇連云港，222200）

1 牽伸機(jī)理分析

1.1 后區(qū)牽伸控制機(jī)理

細(xì)紗機(jī)后區(qū)紗條的控制效果直接影響到成紗條干質(zhì)量，而當(dāng)前細(xì)紗機(jī)后區(qū)牽伸對(duì)紗條的控制效果較弱，仍存在許多不足之處。如后區(qū)浮游區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，摩擦力界較弱，導(dǎo)致對(duì)浮游纖維運(yùn)動(dòng)的約束能力不足，從而使得進(jìn)入前牽伸區(qū)的須條內(nèi)部纖維的緊密度和排列平行度較差［1］。

根據(jù)對(duì)后區(qū)紗條控制技術(shù)有關(guān)問(wèn)題的研究，發(fā)現(xiàn)在牽伸后區(qū)增設(shè)壓力棒以產(chǎn)生附加摩擦力界可有效縮短浮游區(qū)長(zhǎng)度，有利于加強(qiáng)對(duì)浮游纖維運(yùn)動(dòng)的控制，從而改善成紗條干［2］。

1.2 后區(qū)壓力棒對(duì)纖維的二維控制機(jī)理

后區(qū)雙壓力棒控制須條牽伸運(yùn)動(dòng)的形式如圖1（a）所示，壓力棒垂直壓在須條上，形成了兩個(gè)壓力棒包圍弧和一個(gè)后羅拉包圍弧［3］，使得纖維須條水平進(jìn)入中鉗口，同時(shí)又抑制了后區(qū)浮游纖維提前變速。壓力棒對(duì)牽伸運(yùn)行中的須條產(chǎn)生法向應(yīng)力，從而形成兩個(gè)附加摩擦力界，增強(qiáng)了對(duì)須條的控制作用，使后牽伸區(qū)浮游區(qū)長(zhǎng)度縮短，纖維的變速點(diǎn)分布更集中穩(wěn)定，有利于減少牽伸波，提高后區(qū)牽伸質(zhì)量［4］。

如圖1（b）所示，根據(jù)馮清國(guó)等［5］的研究，由歐拉公式可得：

由式（1）可以看出，纖維所承受的法向應(yīng)力N隨著牽引力T的增加而增加，同時(shí)所呈包圍角θ和壓力棒的摩擦因數(shù)μ對(duì)纖維作用的協(xié)同程度成為了影響浮游纖維運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。

圖1 后區(qū)壓力棒示意圖

1.3 多單元分束機(jī)制對(duì)纖維的多維控制理論

傳統(tǒng)后區(qū)附加壓力棒依靠縱向作用力約束纖維運(yùn)動(dòng)，但是由于缺乏橫向的控制力，導(dǎo)致纖維運(yùn)動(dòng)在高后區(qū)牽伸倍數(shù)時(shí)難以控制。如圖2 所示，通過(guò)正弦齒形微結(jié)構(gòu)嵌入須條內(nèi)部，多單元分束以多維應(yīng)力使纖維沿著正弦波谷有序地滑動(dòng)，增強(qiáng)了對(duì)纖維的橫向控制并減弱了捻回在粗細(xì)片段間的變動(dòng)，消除其捻回向前鉗口分布轉(zhuǎn)移的情況［6］，可以調(diào)控后區(qū)牽伸摩擦力界應(yīng)力的均勻分布，促使纖維變速點(diǎn)集中、前移。同時(shí)正弦齒形微結(jié)構(gòu)整理須條內(nèi)部纖維的排列結(jié)構(gòu)，提高了纖維之間的抱合力，以確保具有抱合狀態(tài)的纖維進(jìn)入中鉗口，使得須條結(jié)構(gòu)在前牽伸區(qū)后部更加緊密集中［7］，從而進(jìn)一步改善了前區(qū)牽伸條件。

圖2 多單元分束機(jī)制對(duì)纖維的多維控制

2 嵌入式后區(qū)雙壓力棒對(duì)須條的整束機(jī)制

為初步探究嵌入式后區(qū)壓力棒對(duì)須條的整束機(jī)制，對(duì)不同牽伸倍數(shù)下不同形態(tài)后區(qū)壓力棒的成紗性能進(jìn)行分析。嵌入式后區(qū)壓力棒形態(tài)如圖3（a）所示，其表觀結(jié)構(gòu)為直槽型；光滑式壓力棒如圖3（b）所示。采用無(wú)壓力棒、嵌入式壓力棒和光滑式壓力棒進(jìn)行紡紗對(duì)比試驗(yàn)。

圖3 后區(qū)壓力棒形態(tài)

在DSSp-01A 型數(shù)字式小樣細(xì)紗機(jī)上，選取同錠分別以3 種不同的牽伸配置紡制9 組純棉紗線。9 組紗線成紗質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。其中試驗(yàn)工藝參數(shù)：壓力棒直徑6.0 mm，粗紗定量7.8 g/10 m，錠速9 500 r/min，捻系數(shù)360，鋼絲圈型號(hào)6903 8/0，隔距塊3.0 mm，鋼領(lǐng)型號(hào)PG1-4254。

從表1 可知，當(dāng)后區(qū)牽伸為1.35 倍時(shí)，壓力棒對(duì)成紗條干性能的改善不明顯，使用光滑式壓力棒的成紗條干性能略低于無(wú)壓力棒和嵌入式壓力棒；當(dāng)總牽伸不變，后區(qū)牽伸為2.70 倍時(shí)，使用嵌入式壓力棒后的成紗條干性能優(yōu)于無(wú)壓力棒及光滑式壓力棒，其條干CV對(duì)比兩者分別降低了9.4%和1.6%；當(dāng)后區(qū)牽伸維持2.70 倍不變，而總牽伸擴(kuò)大1.50 倍時(shí)，使用壓力棒的成紗條干性能得到改善，其中嵌入式壓力棒改善最為顯著，相比于無(wú)壓力棒和光滑式壓力棒，其條干CV值分別降低了22.5%和5.9%。

表1 嵌入式壓力棒對(duì)成紗條干性能的影響

由于當(dāng)后區(qū)牽伸為2.70 倍時(shí)，無(wú)壓力棒情況下的纖維運(yùn)動(dòng)沒(méi)有受到任何控制，導(dǎo)致纖維滑移、粗紗產(chǎn)生解捻及自后而前的捻回轉(zhuǎn)移［8］，使纖維變速點(diǎn)分散、后移，惡化了成紗條干。通過(guò)增設(shè)光滑式壓力棒，使得牽伸區(qū)摩擦力界得到加強(qiáng)并向前延展，以二維應(yīng)力約束牽伸過(guò)程中須條的捻回傳遞，縮短了浮游纖維不受控區(qū)域，成紗條干性能得到提高。而在后區(qū)加裝嵌入式壓力棒后，嵌入式壓力棒表面的正弦齒形嵌入須條內(nèi)部，不但改善了粗紗捻回的重新分布，同時(shí)還以多維應(yīng)力增強(qiáng)了對(duì)纖維的橫向控制，使纖維變速點(diǎn)分布得到改善，控制效果比光滑式壓力棒更好，因此成紗條干性能更好。

3 嵌入式微觀結(jié)構(gòu)對(duì)纖維的調(diào)控行為

為進(jìn)一步探究嵌入式后區(qū)雙壓力棒的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)須條牽伸過(guò)程的控制效果，采用不同表觀形態(tài)的壓力棒進(jìn)行組合試驗(yàn)，其中分散型和集聚型嵌入式壓力棒如圖4 所示。在DSSp-01A 型數(shù)字式小樣細(xì)紗機(jī)上紡制18.3 tex 純棉紗線，每錠紡制5 組管紗，取其平均值。所紡紗線成紗質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

圖4 嵌入式壓力棒微觀結(jié)構(gòu)示意圖

表2 嵌入式壓力棒微觀結(jié)構(gòu)對(duì)成紗條干的影響

其中試驗(yàn)工藝參數(shù)：壓力棒直徑6.0 mm，捻系數(shù)360，粗紗定量7.8 g/10 m，總牽伸43.9 倍，后區(qū)牽伸2.70 倍，錠速9 500 r/min，鋼絲圈型號(hào)6903 8/0，隔距塊3.0 mm，鋼領(lǐng)型號(hào)PG1-4254。

由表2 可知，當(dāng)采用“光滑式壓力棒+嵌入式壓力棒”形式時(shí)，所紡紗線條干較差。這是由于光滑式壓力棒對(duì)牽伸須條是二維應(yīng)力控制，而嵌入式壓力棒對(duì)牽伸須條是多維應(yīng)力控制，造成須條在壓力棒Ⅰ和壓力棒Ⅱ之間所受應(yīng)力不勻產(chǎn)生不受控牽伸，導(dǎo)致纖維提前變速，成紗細(xì)節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié)也同時(shí)惡化。當(dāng)采用“雙嵌入式壓力棒”形式時(shí)，在兩重多維應(yīng)力協(xié)同控制下，須條所紡紗線的條干皆有所改善。

分別對(duì)比5#和7#、6#和8#后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力棒Ⅰ為集聚型微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，成紗條干性能普遍優(yōu)于分散型；進(jìn)一步對(duì)比7#和8#發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力棒Ⅱ?yàn)榉稚⑿臀⒂^結(jié)構(gòu)時(shí)，成紗條干性能優(yōu)于集聚型。因此，當(dāng)采用“壓力棒Ⅰ為集聚型、壓力棒Ⅱ?yàn)榉稚⑿汀毙问綍r(shí)，條干CV相較于無(wú)壓力棒降低了13.5%，粗細(xì)節(jié)也有明顯的改善。其原因是壓力棒Ⅰ的集聚型三角槽收攏纖維須條，集束纖維以減少不受控浮游纖維數(shù)量，強(qiáng)化須條內(nèi)部纖維結(jié)合以穩(wěn)定纖維運(yùn)動(dòng)規(guī)律及所受牽伸力變化；壓力棒Ⅱ的分散型三角槽將須條粗片段及細(xì)片段重新分散，消除粗片段向細(xì)片段捻回轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，調(diào)整須條整體的抗扭轉(zhuǎn)矩分布［9］，從而對(duì)須條的捻回有序自調(diào)勻整，保障后區(qū)牽伸中部摩擦力界強(qiáng)度穩(wěn)定，控制纖維變速點(diǎn)前移。

4 嵌入式熱場(chǎng)柔化對(duì)纖維運(yùn)動(dòng)的控制

基于夏治剛等［10］提出的加捻三角區(qū)熱場(chǎng)調(diào)控纖維成紗機(jī)理設(shè)計(jì)了自控溫型壓力棒，在后牽伸區(qū)建立熱場(chǎng)，協(xié)同嵌入式多單元分束須條機(jī)制，采用不同后區(qū)單壓力棒進(jìn)行了紡紗試驗(yàn)，以探究牽伸過(guò)程中纖維在熱場(chǎng)中模量降低對(duì)其受控能力和形變能力的影響。采用與前文紡制18.3 tex 紗線相同的工藝參數(shù)，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 嵌入式熱場(chǎng)柔化對(duì)成紗條干的影響

由表3 可知，與無(wú)壓力棒相比，光滑式熱場(chǎng)壓力棒成紗條干降低了9.4%，嵌入式熱場(chǎng)壓力棒成紗條干降低了13.0%，由于在牽伸作用下須條受到熱場(chǎng)柔化控制，降低了須條的纖維模量，增強(qiáng)了附加摩擦力界對(duì)須條的控制，同時(shí)也消除和伸展了內(nèi)部纖維彎鉤，優(yōu)化了纖維的取向，改善了須條內(nèi)部纖維的排列結(jié)構(gòu)。經(jīng)后區(qū)熱場(chǎng)柔化的須條，在嵌入式壓力棒表面捋順接觸的協(xié)同作用下，在牽伸過(guò)程中捻回動(dòng)態(tài)自調(diào)重排，紗體主干產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使毛羽重新纏繞到紗體主干上，改善了短纖紗外層結(jié)構(gòu)；經(jīng)加捻后短纖紗結(jié)構(gòu)得到固化，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)錠短纖紗內(nèi)、外層結(jié)構(gòu)協(xié)同調(diào)控，大幅改善纖維捻回分布，減少紗疵。

5 結(jié)論

本研究分析了后區(qū)附加壓力棒對(duì)纖維的控制理論，比較了不同牽伸倍數(shù)下不同形態(tài)后區(qū)壓力棒的成紗性能，設(shè)計(jì)了不同表觀形態(tài)嵌入式后區(qū)壓力棒的組合試驗(yàn)以及裝配嵌入式熱場(chǎng)后區(qū)單壓力棒的紡紗試驗(yàn)，分別探究了嵌入式微觀結(jié)構(gòu)對(duì)須條牽伸過(guò)程的控制效果與熱場(chǎng)柔化特征對(duì)所紡紗線條干性能的影響，得出以下結(jié)論。

（1）在后牽伸區(qū)增設(shè)壓力棒以產(chǎn)生附加摩擦力界可有效縮短浮游區(qū)長(zhǎng)度，加強(qiáng)對(duì)纖維運(yùn)動(dòng)的控制。光滑式壓力棒依靠縱向作用力約束纖維運(yùn)動(dòng)，但由于缺乏橫向的控制力，導(dǎo)致纖維在后區(qū)牽伸倍數(shù)較大時(shí)運(yùn)動(dòng)難以有效控制，而嵌入式壓力棒則依靠多單元分束機(jī)制對(duì)纖維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行多維控制，后區(qū)牽伸倍數(shù)可達(dá)2.70 倍，實(shí)現(xiàn)纖維全方位控制，使變速點(diǎn)穩(wěn)定、集中、前移。

（2）當(dāng)后區(qū)牽伸為2.70 倍時(shí)，使用嵌入式壓力棒后的成紗條干CV與無(wú)壓力棒和光滑壓力棒相比分別降低了9.4%和1.6%。當(dāng)后區(qū)牽伸保持2.70 倍不變，總牽伸擴(kuò)大1.5 倍時(shí)，使用嵌入式壓力棒后的成紗條干得到顯著改善，相比于無(wú)壓力棒和光滑壓力棒，其條干CV分別降低了22.5%和5.9%。

（3）采用不同表觀形態(tài)的壓力棒進(jìn)行組合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用“光滑式壓力棒+嵌入式壓力棒”形式時(shí)，所紡紗線條干較差。而當(dāng)采用“雙嵌入式壓力棒”形式時(shí)，所紡紗線條干皆有顯著改善。其中，當(dāng)采用“壓力棒Ⅰ為集聚型+壓力棒Ⅱ?yàn)榉稚⑿汀毙问綍r(shí)，其條干CV相較于無(wú)壓力棒降低了13.5%；另設(shè)計(jì)的自控溫型壓力棒，其后區(qū)的降模柔化機(jī)制，協(xié)同嵌入式結(jié)構(gòu)特征，增強(qiáng)了對(duì)纖維的控制，對(duì)成紗條干性能有著大幅改善。其中光滑式熱場(chǎng)壓力棒和嵌入式熱場(chǎng)壓力棒所紡紗線條干CV與無(wú)壓力棒相比分別降低了9.4%和13.0%。