芯層黏合紡成紗強(qiáng)力調(diào)控機(jī)理及織物性能研究

蔣慧敏 許 多 范 航 劉可帥

（武漢紡織大學(xué)，湖北武漢430200）

環(huán)錠紡紗技術(shù)因其原料適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)品種范圍廣而被廣泛應(yīng)用，但也存在紗線毛羽過多、強(qiáng)力不足、捻縮過大等弊?。?］。針對(duì)這些問題，新型紡紗技術(shù)發(fā)展迅速，已在紗線強(qiáng)力提高以及毛羽降低等方面獲得顯著效果，例如集聚紡、賽絡(luò)紡、柔潔紡、多重集聚紡等，這些方法都是使用物理方法來調(diào)控紗線結(jié)構(gòu)，改變纖維排列緊度與結(jié)構(gòu)來提高強(qiáng)力、改善毛羽。

黏合劑作為增強(qiáng)劑在紡紗領(lǐng)域已經(jīng)有幾十年的研究［2］。例如在上漿過程中，通過纖維與黏合劑的結(jié)合，提高紗線的強(qiáng)力與耐磨性能，但是上漿增加了生產(chǎn)工序，并且表面固化的黏合劑容易在后道工序中脫落而喪失其功能［3］。另外，黏合紡［4］通過黏合劑的浸潤或加入具有黏合作用的纖維促使纖維間相互黏合，從而取代環(huán)錠紡中加捻的環(huán)節(jié)，因而成紗無捻回結(jié)構(gòu)且具有一定強(qiáng)力，但是成紗強(qiáng)力不及環(huán)錠紡，織造較為困難。近幾年，一些研究員將化學(xué)黏合工藝與環(huán)錠紡紗技術(shù)相結(jié)合，利用化學(xué)黏合增加纖維間的徑向抱合力以提高紗線斷裂強(qiáng)力，這種紡紗新方法逐漸受到企業(yè)與工廠的關(guān)注。

因此，針對(duì)紗線表層黏合牢度低、織物手感僵硬的問題，本研究建立了芯層黏合紡紗方法，采取短纖維抱合壓實(shí)固化黏合劑于芯層表面，通過短纖維與芯紗層間黏合以改善成紗強(qiáng)力的同時(shí)保持紗線良好的手感。并進(jìn)一步實(shí)施了多組對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比探究影響芯層黏合紡紗線性能的因素，為高品質(zhì)紗線的生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 紡紗方法建立及成紗預(yù)測(cè)

1.1 紡紗方法建立

為實(shí)現(xiàn)黏合劑在芯層長絲表面的精確控制，滿足短纖維包覆長絲具有內(nèi)外層黏連結(jié)合功能，本研究在長絲喂入前鉗口前，通過微量注射泵在其表面給液形成流動(dòng)的黏合溶液層。如圖1所示，在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上加裝黏合劑注入輪，芯紗穿過注入輪中間的縫隙后進(jìn)入前鉗口，注射泵的針頭嵌入注入輪內(nèi)部間隙中，針尖和芯紗之間的間距保持為1 mm。粗紗退繞經(jīng)牽伸喂入前鉗口，且黏合芯紗位于須條正中間。為解決黏合劑過分浸潤、涂覆不勻等問題，注入輪兩側(cè)用塑料圓環(huán)進(jìn)行固定，中部為海綿圓環(huán)，通過對(duì)長絲的握持將黏合劑均勻浸潤到長絲表面；同時(shí)滲出的黏合劑會(huì)被注入輪內(nèi)部海綿所吸收，防止黏合劑的滴落或溢出干擾粗紗須條的正常牽伸。

1.2 成紗關(guān)鍵機(jī)制分析

圖1 芯層黏合紡示意圖

芯層黏合紡實(shí)質(zhì)上是短纖維環(huán)錠包芯攜黏合劑的長絲，浸潤黏合劑的長絲沿著注入輪輸送到前羅拉鉗口，與前羅拉輸出的須條匯聚并進(jìn)行加捻，須條內(nèi)的短纖維發(fā)生轉(zhuǎn)移并相互抱合形成連續(xù)的紗線。芯層黏合紡中黏合劑在短纖維、長絲間的黏合結(jié)點(diǎn)是成紗時(shí)的關(guān)鍵機(jī)制之一，因此需確保長絲出前鉗口時(shí)位于紗條加捻三角區(qū)中心位置［5］，實(shí)現(xiàn)短纖維沿長絲表面包裹轉(zhuǎn)移，防止長絲出現(xiàn)偏心以致黏合劑固化位置偏移造成成紗拉伸應(yīng)力分布不勻。

同時(shí)，芯層黏合紡中黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、給液速率和短纖維的抱合緊度是成紗質(zhì)量的關(guān)鍵因素。黏合劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定了長絲表面溶液黏度，過小的質(zhì)量分?jǐn)?shù)難以有效提供黏合強(qiáng)力；過大的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則限制了黏合劑的流動(dòng)；給液速率影響長絲表面攜液量，較小的給液速率難以使黏合劑在長絲表面均勻附著，較大的給液速率易導(dǎo)致黏合劑溢出；而抱合緊度則形成了黏合劑的固化，低捻度的抱合易造成黏合劑固化緩慢，高捻度的抱合擠壓黏合劑流動(dòng)致其向外層滲透。更進(jìn)一步，長絲上未固化的黏合劑隨著短纖維的轉(zhuǎn)移而向短纖層滲透，與此同時(shí)在外層包覆的短纖維抱合壓實(shí)下形成固化，將芯層長絲與外層短纖維固化黏合，消除短纖在拉伸中沿長絲表面滑脫的現(xiàn)象，從而建立了芯層黏合紡紗模型。

1.3 固化壓實(shí)模型建立及成紗性能預(yù)測(cè)

在纖維加捻卷繞成紗過程中，黏合劑流動(dòng)過程可以等效為黏合劑在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)過程。根據(jù)Darcy定律，黏合劑芯層流動(dòng)的過程具體定律表達(dá)式如下［6］13?14。

式中：v是黏合劑流動(dòng)速度，k為棉纖維的滲透率，?pr為包覆纖維內(nèi)黏合劑的壓力梯度數(shù)值，μ是黏合劑黏度。

黏合劑在芯層和皮層之間的固化，可以根據(jù)材料體系進(jìn)行表示，具體的表達(dá)式如下［6］11。

式中：g（T）表示黏合劑反應(yīng)特征，（fβ）表示已反應(yīng)的黏合劑基體。

根據(jù)公式可得質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度呈正相關(guān)關(guān)系。因此，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，紗線內(nèi)部纖維轉(zhuǎn)移應(yīng)提高，有效捕捉和緊密纏繞紗條外露毛羽，紗線強(qiáng)力逐漸增加，毛羽減少。

2 芯層黏合紡的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 芯層黏合紡成紗強(qiáng)力影響因素

由于芯層黏合紡在短纖維、長絲與黏合劑結(jié)合過程中出現(xiàn)黏合劑過分滲透、涂覆不勻等情況，會(huì)導(dǎo)致外層短纖維與內(nèi)層芯紗間未能達(dá)到很好的固化黏合，因此針對(duì)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、給液速率和纖維壓實(shí)捻度3個(gè)因素進(jìn)行研究。

在DSSp?01型多功能細(xì)紗機(jī)上，加裝給液喂入裝置，并選取同錠分別紡制紗線，每錠紡制5組管紗。其中主要工藝參數(shù)：錠速8 000 r/min，粗紗定量7.1 g/10 m，芯紗號(hào)數(shù)22.2 dtex/24 F，細(xì)紗號(hào)數(shù)18.0 tex，鉗口隔距3.0 mm，后區(qū)牽伸1.3倍，鋼絲圈型號(hào)6903 8/0，鋼領(lǐng)型號(hào)PG1?4254。

根據(jù)上述試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，選擇與之相對(duì)應(yīng)的紡紗影響參數(shù)，即首先選定質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、壓實(shí)捻度60捻/10 cm，探究4組不同給液速率對(duì)成紗強(qiáng)力的影響；接著選定給液速率0.3 mL/min、壓實(shí)捻度60捻/10 cm，優(yōu)選4組質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其紗線斷裂強(qiáng)力的改善進(jìn)行分析；最后選定給液速率0.3 mL/min、質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，針對(duì)4組變化的壓實(shí)捻度，討論其短纖包覆緊度對(duì)界面強(qiáng)力增幅效率。

2.2 表層與芯層黏合紡固化行為及織物性能對(duì)比

由于黏合劑固化位置不同造成紗線的強(qiáng)力利用率存在差異，且表層的黏合劑使紗線喪失了傳統(tǒng)環(huán)錠紡的手感特征。因而為初步探究表層與芯層黏合紡固化行為對(duì)所紡紗線性能及其織物手感的影響，將傳統(tǒng)環(huán)錠紡（方案A）、表層黏合紡（方案B）與芯層黏合紡（方案C）所紡的3組紗線進(jìn)行對(duì)比分析。其中紡紗工藝參數(shù)與上述一致，黏合劑選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%聚乙烯醇縮丁醛溶液，給液裝置流速0.3 mL/min，壓實(shí)捻度60捻/10 cm。

同時(shí)，將3組方案所紡紗線作為緯紗，T 15 tex作為經(jīng)紗，在Y 208W型小樣織機(jī)上以一上一下平紋組織進(jìn)行交織，分別制備出3組織物。其中織物的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 織物的規(guī)格參數(shù)

2.3 紗線及織物性能測(cè)試

采用Hirox RH?2000型數(shù)字式顯微鏡對(duì)不同紗線的表觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，探討其表觀結(jié)構(gòu)的差異；根據(jù)FZ/T 01086—2020《紗線毛羽測(cè)定方法投影計(jì)數(shù)法》測(cè)試紗線的毛羽性能，測(cè)試儀器為H400型毛羽儀，測(cè)試速度30 m/min，取5組平均值；根據(jù)GB/T 3292.1—2008《紗線條干不勻試驗(yàn)方法 第1部分：電容法》測(cè)試紗線的條干性能，測(cè)試儀器為E500型條干儀，測(cè)試時(shí)間1 min，測(cè)試速度400 m/min，取5組平均值；以GB/T 3916—2013《卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定》為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試紗線的強(qiáng)伸性能，測(cè)試儀器為YG063C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀，拉伸速度500 mm/min，測(cè)試1 min，取20組平均值。

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定》，測(cè)試織物的拉伸性能，測(cè)試儀器為Instron 5943型萬能拉力試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試織物的長度200 mm（緯紗方向），寬度25 mm（經(jīng)紗方向），測(cè)試 織 物的標(biāo)距長度100 mm，測(cè)試速度20 mm/min；采用PhabrOmeter3型織物手感測(cè)試儀對(duì)不同紗線所織成的織物進(jìn)行測(cè)試，以對(duì)比織物間的手感優(yōu)劣。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 芯層黏合紡成紗強(qiáng)力影響因素分析

3.1.1 給液速率對(duì)紗線強(qiáng)伸性能的影響

本組試驗(yàn)采用相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、壓實(shí)捻度60捻/10 cm，探究4組不同給液速率對(duì)紗線強(qiáng)伸性能的影響，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，不同給液速率的芯層黏合紡紗線的斷裂強(qiáng)力都在普通環(huán)錠包芯紗線的基礎(chǔ)上有所增強(qiáng)，依次分別提高了9.5%、15.2%、20.8%、9.4%。給液速率為0.3 mL/min時(shí)，芯層黏合紡紗線的斷裂強(qiáng)力提高幅度最大，這是因?yàn)檩^小的給液速率難以使黏合劑在長絲表面均勻附著，隨著給液速率的增大，長絲表面攜液量增多，纖維間的相對(duì)滑移減少，纖維間結(jié)合更加致密，纖維強(qiáng)力利用率提高，從而提高了紗線的強(qiáng)力［7］；與此同時(shí)，其斷裂伸長率提高幅度也最顯著。而給液速率為0.4 mL/min時(shí)，芯層黏合紡紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率反而呈負(fù)增長，這是因?yàn)檩^大的給液速率導(dǎo)致黏合劑溢出，在紗線表面形成黏合，導(dǎo)致紗線內(nèi)部無法滑移和變形，纖維強(qiáng)力利用率降低，從而使紗線質(zhì)量惡化。

根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給液速率小于0.3 mL/min時(shí)，芯層黏合紡的紗線毛羽數(shù)均低于傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線，且給液速率為0.3 mL/min時(shí)毛羽數(shù)相對(duì)最少，這是因?yàn)殡S著給液速率的增加，長絲表面黏合劑攜帶量增加，可有效捕捉和緊密纏繞紗條外露毛羽。但到給液速率為0.4 mL/min時(shí)，毛羽數(shù)增加，這是因?yàn)榻o液速率過大導(dǎo)致黏合劑溢出，黏合劑使毛羽貼伏在紗線表面，且紗線手感僵硬。芯層黏合紡的紗線條干CV整體上與傳統(tǒng)環(huán)錠紡持平。

表2 給液速率對(duì)紗線強(qiáng)伸性能的影響

3.1.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線強(qiáng)伸性能的影響

表3為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下芯層黏合紡紗線性能的測(cè)試結(jié)果，本組試驗(yàn)采用給液速率0.3 mL/min、壓實(shí)捻度60捻/10 cm，分析4組質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線強(qiáng)伸性能的影響。

表3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下芯層黏合紡紗線強(qiáng)伸性能

表3中分別將4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的芯層黏合紡紗線與傳統(tǒng)環(huán)錠紡包芯紗性能進(jìn)行對(duì)比，其斷裂強(qiáng)力分別提高了10.7%、15.2%、20.8%、15.0%；斷裂伸長率分別提高了9.8%、11.8%、28.7%、2.6%；條干CV值分別降低了4.7%、0.5%、3.2%、4.3%；隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3 mm毛羽數(shù)逐漸下降。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%時(shí)，芯層黏合紡紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率提高幅度最顯著，毛羽數(shù)減少，這是因?yàn)殡S著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，長絲表面溶液黏度增加，為紗線有效提供黏合強(qiáng)力，所以紗線內(nèi)部纖維轉(zhuǎn)移應(yīng)力提高，可更有效捕捉和緊密纏繞紗條外露毛羽［8］。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%時(shí)，芯層黏合紡紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率反而呈負(fù)增長，這是因?yàn)檫^大的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制了黏合劑的流動(dòng)，導(dǎo)致紗線內(nèi)部纖維無法滑移和變形，纖維之間的強(qiáng)力均勻性變差，纖維強(qiáng)力利用率降低，從而使紗線性能惡化。

3.1.3 壓實(shí)捻度對(duì)紗線強(qiáng)伸性能的影響

表4為不同壓實(shí)捻度下芯層黏合紡紗線強(qiáng)伸性能。

表4 不同壓實(shí)捻度下芯層黏合紡紗線強(qiáng)伸性能

表4中將4種壓實(shí)捻度的芯層黏合紡紗線進(jìn)行對(duì)比，隨著壓實(shí)捻度的增加，紗線斷裂強(qiáng)力都有不同程度的增加。其中，壓實(shí)捻度為60捻/10 cm條件下所紡紗線性能是最好的。這是因?yàn)榇藭r(shí)抱合緊度形成黏合劑的固化最有效，黏合劑使纖維內(nèi)部的界面結(jié)合強(qiáng)力增加，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，增加了纖維的轉(zhuǎn)移和滑動(dòng)能力［9］，調(diào)整了纖維之間的強(qiáng)力均勻性，消除了應(yīng)力集中點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，降低壓實(shí)捻度易造成黏合劑固化緩慢，纖維間低捻度的抱合導(dǎo)致成紗斷裂強(qiáng)力降低，使貼伏在紗線表面的毛羽難以被捻入紗體內(nèi)部；而提高壓實(shí)捻度，纖維間抱合更為緊密，從而擠壓黏合劑流動(dòng)致其向外層滲透，同樣不利于成紗性能的改善。

3.2 芯層黏合紡紗線表觀及織物性能

3.2.1 芯層黏合紡紗線表觀

圖2為3種紗線的顯微鏡觀測(cè)圖像。

圖2 3種紗線顯微鏡觀測(cè)圖像

如圖2（a）所示，傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線表面存在大量毛羽，紗線表觀結(jié)構(gòu)蓬松。如圖2（b）所示，表層黏合紡產(chǎn)生的毛羽受黏合劑黏合固著在紗線表面，致使紗線僵化，手感粗糙。如圖2（c）所示，芯層黏合紡紗線的表觀結(jié)構(gòu)有所改善，紗線更為緊密，說明在黏合劑作用下，長絲表面攜帶溶液，導(dǎo)致紗線抱合緊度提高，紗線的形態(tài)結(jié)構(gòu)明顯改觀；暴露在外的纖維更好地卷入紗體中，實(shí)現(xiàn)了充分的內(nèi)外轉(zhuǎn)移，紗線更加光潔。紗線強(qiáng)力提高的同時(shí)保留了柔軟結(jié)構(gòu)，且具有與傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線相似的手感。

3.2.2 芯層黏合紡織物性能

表5為3種方案紗線制成織物性能對(duì)比。

表5 3種方案紗線制成織物性能對(duì)比

由表5可以看出，表層黏合紡織物和芯層黏合紡織物因?yàn)轲ず蟿┑拇嬖?，?qiáng)力明顯高于普通棉織物，同時(shí)硬挺性也明顯高于普通棉織物。與普通棉織物相比，表層黏合紡織物的柔軟度顯著降低，并且具有更好的光滑度。但是，芯層黏合紡棉織物既保持了傳統(tǒng)織物的柔軟性，并且具有良好的挺括性。芯層黏合紡織物在強(qiáng)力增加的同時(shí)，其手感也接近傳統(tǒng)環(huán)錠紡棉織物。

4 結(jié)論

本研究分析了不同給液速率、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓實(shí)捻度條件下的芯層黏合紡紗線性能，得出以下結(jié)論。

（1）通過探究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、給液速率和纖維抱合緊度對(duì)紗線強(qiáng)伸性能的影響，芯層黏合紡可有效增加所紡紗線中纖維之間的黏合力，大幅提高紗線強(qiáng)力，降低紗線毛羽。

（2）在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、給液速率0.3 mL/min、壓實(shí)捻度60捻/10 cm的紡紗條件下，紗線強(qiáng)力改善最明顯，較傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線提高20.8%。黏合劑在纖維芯層固化與結(jié)合改變了紗線的應(yīng)力集中點(diǎn)，從而提高了纖維的強(qiáng)力利用率，因此紗線的強(qiáng)伸性能明顯改善。

（3）芯層黏合紡技術(shù)在提高紗線強(qiáng)力的同時(shí)，保留了傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線的柔軟結(jié)構(gòu)，攻克了成紗高強(qiáng)與柔軟無法同時(shí)提高的技術(shù)難題，其織物又接近傳統(tǒng)環(huán)錠紡織物的手感。