不同紡紗技術(shù)下紗線的性能及結(jié)構(gòu)分析

齊杏杏，于丹妮，李 丹，郭 瀅

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇南通 226019)

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，新的紡紗技術(shù)得到不斷發(fā)展，性能及風(fēng)格各異的紗線及其織物影響著人們的生活和紡織行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也影響著高性能纖維成紗在產(chǎn)業(yè)用紡織品中的應(yīng)用[1－2]。紗線的性能主要是由纖維原料及紗線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。原材料一定的情況下，紗線內(nèi)部結(jié)構(gòu)成為影響其最終性能的本質(zhì)原因，而紗線結(jié)構(gòu)與成紗技術(shù)和紡紗工藝參數(shù)密切相關(guān)[3－4]。本課題結(jié)合示蹤纖維法對(duì)比分析環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡和賽絡(luò)緊密紡單紗的性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

1 試驗(yàn)

1.1 原料及單紗準(zhǔn)備

為便于利用示蹤纖維法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，本實(shí)驗(yàn)選用圓形橫截面的萊賽爾纖維為原料，纖維長(zhǎng)度為38mm，纖維細(xì)度為1.67dtex。先用活性染料將一部分萊賽爾纖維染色，烘干后作為示蹤纖維，隨后按照1∶100的比例將示蹤纖維混入未染色的萊賽爾纖維。隨后進(jìn)行紡紗。紡紗工藝流程為:FA204C型梳棉機(jī)(生條定量20.95g/5m)——FA305C型頭道并條機(jī)(半熟條定量22.23g/5m)——FA305C型二道并條機(jī)(半熟條定量22.21g/5m)——FA422型粗紗機(jī)(粗紗定量4.75g/10m)——JMF1552EJM型細(xì)紗(環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡、賽絡(luò)緊密紡)。紡制賽絡(luò)紡和賽絡(luò)緊密紡單紗時(shí)，兩根粗紗喂入間距都為6mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)紗支為28tex，設(shè)計(jì)捻度為650捻/m。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 單紗性能測(cè)試方法

在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下(溫度為(20±2)℃，相對(duì)溫度為(65±2)%)平衡24小時(shí)后，對(duì)三種單紗的主要物理性能進(jìn)行了測(cè)試。采用100米稱(chēng)重法測(cè)試3次以確定實(shí)際紗支；采用退捻加捻法在Y331N型紗線捻度機(jī)上測(cè)定捻度，夾持長(zhǎng)度250mm，測(cè)試次數(shù)為20次。在YG061電子單紗強(qiáng)力儀上測(cè)試單紗斷裂強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率，夾持長(zhǎng)度為250mm，拉伸速度為250mm/min，預(yù)加張力0.5cN/tex，測(cè)試次數(shù)為20次；在Y171L/PC型紗線毛羽測(cè)試儀上測(cè)試毛羽，取3mm以上毛羽長(zhǎng)度表征毛羽性能，每次測(cè)試長(zhǎng)度為10m，測(cè)試速度為30m/min，每種樣品測(cè)10次。在CT200條干均勻度測(cè)試儀上測(cè)試紗線條干均勻度，測(cè)試長(zhǎng)度100m，測(cè)試速度100m/min，每種樣品測(cè)試3次。

1.2.2 單紗結(jié)構(gòu)分析方法

首先借助顯微鏡細(xì)致觀察單紗表面特征。隨后結(jié)合示蹤纖維法，利用特制的紗線內(nèi)部結(jié)構(gòu)連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)連續(xù)拍攝含示蹤纖維二維軌跡[5]。其中的滲透觀測(cè)液采用的是與未染色的萊賽爾纖維折射率相近的鄰羥基苯甲酸甲酯溶液，因而在顯微鏡下未染色的萊賽爾纖維出現(xiàn)光學(xué)溶解，幾乎透明，而作為示蹤纖維的軌跡就清晰地顯現(xiàn)出來(lái)(如圖1所示)。隨后，借助Matlab軟件對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行處理，同時(shí)提取單紗邊界及示蹤纖維軌跡，利用Matlab程序自動(dòng)計(jì)算示蹤纖維上任意一點(diǎn)的絕對(duì)的位置坐標(biāo)Ti(xi，yi，zi)(i＝1，2，…)，和該點(diǎn)與單紗相對(duì)徑向位置(該點(diǎn)的實(shí)際位置相對(duì)于該點(diǎn)所在的單紗橫截面處的單紗半徑大小)坐標(biāo)Ti以及對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)的單紗橫截面邊界點(diǎn)。如圖2所示，x軸正軸所指方向?yàn)檎较?，Dyi，Tyi，dyi，dxi，Txi和Dxi分別為沿單紗軸向上某一點(diǎn)zi對(duì)應(yīng)于y－z平面內(nèi)單紗的像的上邊界、示蹤纖維、下邊界上的點(diǎn)的坐標(biāo)以及xz平面內(nèi)單紗的下邊界、示蹤纖維、上邊界上的點(diǎn)，則根據(jù)提取的參數(shù)，可以進(jìn)一步重建纖維的三維空間軌跡[5]。

圖1 連續(xù)拍攝的示蹤纖維軌跡(片段)

圖2 圖像處理后提取的纖維二維路徑簡(jiǎn)圖(片段)[2]

2 結(jié)果分析與討論

2.1 單紗性能測(cè)試與結(jié)果分析

表1給出了單紗性能測(cè)試結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)在同等條件下進(jìn)行，所有單紗樣品的設(shè)計(jì)紗支和設(shè)計(jì)捻度一樣，最終實(shí)測(cè)紗支和實(shí)測(cè)捻度均在合理偏差范圍，且CV%較小。但由于紡紗技術(shù)不同，導(dǎo)致其他性能有較大差異。有理論認(rèn)為三種成紗技術(shù)中賽絡(luò)緊密紡紗的最高強(qiáng)力應(yīng)最優(yōu)[2]，而本實(shí)驗(yàn)條件下得到的賽絡(luò)紡單紗的斷裂強(qiáng)度略高于賽絡(luò)賽絡(luò)緊密紡單紗，但相差低于5%，環(huán)錠紡單紗的斷裂強(qiáng)度最低。分析認(rèn)為，捻系數(shù)對(duì)單紗強(qiáng)力的影響是隨著捻系數(shù)增加，紗線強(qiáng)度先增加后呈又減小趨勢(shì)，即存在一個(gè)最佳捻系數(shù)值。由于本課題所選擇的是相對(duì)于環(huán)錠紡單紗較優(yōu)的捻系數(shù)，在同樣的捻系數(shù)下對(duì)比三種單紗的性能和結(jié)構(gòu)。此捻系數(shù)對(duì)于賽絡(luò)紡和賽絡(luò)緊密紡來(lái)講或許不是達(dá)到其強(qiáng)力最優(yōu)值。即便如此，后續(xù)分析得到的三種成紗技術(shù)下單紗內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的差異還是較為明顯的。

表1 單紗性能測(cè)試結(jié)果

此外，賽絡(luò)緊密紡單紗表面3mm以上長(zhǎng)毛羽數(shù)量最少，條干也最好，其次是賽絡(luò)紡單紗，環(huán)錠紡單紗的表面毛羽數(shù)量最多，條干不勻相對(duì)較大，這與三種單紗的成紗機(jī)理有關(guān)。賽絡(luò)紡與賽絡(luò)緊密紡兩種新型的紡紗方式都是以?xún)筛旨單谷?，而且賽絡(luò)緊密紡還增加了集聚區(qū)負(fù)壓吸風(fēng)作用，紗體結(jié)構(gòu)更緊密。

2.2 單紗結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 表觀結(jié)構(gòu)

從圖3可以看出環(huán)錠紡單紗的表面毛羽較多，纖維糾纏較少，抱合力較差；賽絡(luò)紡與賽絡(luò)緊密紡單紗表邊的毛羽較少，纖維糾纏較好，故抱合力較大，且結(jié)構(gòu)較緊密，條干較均勻。

圖3 單紗表面

2.2.2 單紗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(1)纖維的空間構(gòu)型

圖4~圖6分別給出了三種單紗典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)。從二維軌跡圖及其傅里葉轉(zhuǎn)換(FFT)譜圖可以看出，環(huán)錠單紗中纖維的二維軌跡近似正(余)弦曲線(圖4(a))，其FFT轉(zhuǎn)換譜圖上有明顯的獨(dú)立波峰，這說(shuō)明軌跡有非常明顯的周期性和規(guī)律性(圖4(c))，而賽絡(luò)紡和賽絡(luò)緊密紡單紗中纖維軌跡FFT譜圖上沒(méi)有很明顯的獨(dú)立波峰，而是有兩個(gè)甚至更多的峰，幅值相對(duì)較小，這說(shuō)明其二維軌跡無(wú)明顯的規(guī)律性，更像是兩個(gè)甚至多個(gè)波的疊加(圖5(a)和圖6(a)，圖5(b)和圖6(b))。從纖維的三維空間軌跡圖及其徑向位置分布圖中可以看出，環(huán)錠單紗中的纖維軌跡近似呈同心的圓柱形螺旋線(圖4(c)和圖4(e))，該根示蹤纖維在紗體內(nèi)部某層分布，且距離紗芯稍遠(yuǎn)(圖4(e))，僅在該層附近有較小的內(nèi)外轉(zhuǎn)移(圖4(d))。而在賽絡(luò)紗和賽絡(luò)緊密紗內(nèi)部，該示蹤纖維軌跡明顯是非圓柱形的，部分軌跡近似呈圓錐形螺旋線(圖5(c)和圖6(c))。賽絡(luò)單紗中纖維軌跡基本是同心的螺旋線(圖5(e))，而賽絡(luò)紡單紗顯現(xiàn)出稍微偏心的結(jié)構(gòu)，即螺旋線的中心點(diǎn)有點(diǎn)偏離紗體正中心位置(圖5(e))，這側(cè)面反映了賽絡(luò)緊密紗中可能存在的合股結(jié)構(gòu)，雖然這一特點(diǎn)從紗體表觀結(jié)構(gòu)上沒(méi)有觀察到。另外，可以明顯看出，在賽絡(luò)紗和賽絡(luò)緊密紗中，纖維從紗芯到紗線邊界，發(fā)生著頻繁的內(nèi)外轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移幅度較大(圖5(d)、圖5(e)、圖6(d)和圖6(e))。

圖4 環(huán)錠紡單紗典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

圖5 賽絡(luò)紡單紗典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

圖6 賽絡(luò)緊密紡單紗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

紗線內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有助于解釋紗線物理性能。紗線斷裂是纖維斷裂和纖維滑脫綜合作用的效果。由于環(huán)錠紗中纖維軌跡近似呈理想圓柱形，纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移較小，纖維與纖維之間的作用力，即纖維間的抱合力較小，因而當(dāng)紗線受到軸向拉伸時(shí)，較多的纖維產(chǎn)生滑脫，纖維斷裂不同時(shí)，因而環(huán)錠紗的拉伸斷裂強(qiáng)度相對(duì)較弱。賽絡(luò)紡和賽絡(luò)緊密紡中，纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移幅度明顯較大，因而纖維間的相互糾纏更多，抱合力較好，因此單紗的強(qiáng)力較高。

(2)單紗表面纖維傾斜角分布

圖7給出了三種單紗表面纖維傾斜角的分布。整體看來(lái)，環(huán)錠紗表面纖維的傾斜角相對(duì)較小，即纖維與紗線軸向的平行度較高，賽絡(luò)單紗與賽絡(luò)紡單紗的相差不明顯，這從側(cè)面說(shuō)明環(huán)錠單紗的纖維分布較為松散。

圖7 單紗表面纖維傾斜角分布

(3)單紗內(nèi)的纖維平均相對(duì)徑向位置分布

圖8給出了在三種單紗中采集到的所有示蹤纖維的最大平均徑向位置和最小平均徑向位置分布?？梢钥闯觯惤j(luò)紡、賽絡(luò)緊密紡中纖維相對(duì)徑向位置分布范圍較大，即纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移較環(huán)錠紡大。大量示蹤纖維樣品分析發(fā)現(xiàn)，雖然環(huán)錠紗中纖維也出現(xiàn)了從靠近紗芯位置到靠近紗體表面的轉(zhuǎn)移，但這些都是較短的片段，且出現(xiàn)的次數(shù)較少。

圖8 纖維平均相對(duì)徑向位置分布

3 結(jié)論

在主要紡紗參數(shù)相同時(shí)，采用不同紡紗技術(shù)得到環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡、賽絡(luò)緊密紡三種單紗，通過(guò)分析單紗的物理性能和結(jié)構(gòu)，得到如下結(jié)論:

(1)本次實(shí)驗(yàn)所紡制的樣品紗支和捻度與設(shè)計(jì)偏差較小，相比之下，賽絡(luò)紡及賽絡(luò)緊密紡單紗的強(qiáng)力較環(huán)錠紡單紗高，且長(zhǎng)毛羽較少，條干更加均勻。本實(shí)驗(yàn)條件下得到的賽絡(luò)紡單紗平均拉伸斷裂強(qiáng)度稍高于賽絡(luò)緊密紡，但相差不大。

(2)利用顯微鏡觀察法、示蹤纖維法和圖像處理法分析了三種不同紡紗技術(shù)下單紗的表觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)重建單紗內(nèi)纖維的三維空間構(gòu)型，提取結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，分析得到環(huán)錠單紗中纖維近似呈同心圓柱形螺旋線，賽絡(luò)紡單紗和賽絡(luò)緊密紡單紗中的纖維軌跡則近似呈同心圓錐形螺旋線結(jié)構(gòu)。環(huán)錠紡單紗中纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移幅度較賽絡(luò)紡和賽絡(luò)緊密紡單紗的小，且距離紗芯位置較遠(yuǎn)。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有助于解釋單紗的力學(xué)性能。

此外，曾有分析認(rèn)為賽絡(luò)紡及賽絡(luò)緊密紡單紗具有類(lèi)似于股線結(jié)構(gòu)，但就本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳胺治鼋Y(jié)果來(lái)看該特征并不明顯。