基于粗紗工序短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗的性能研究

李 瑤 陳 超 李 杰 張瑞云 王 妮

［1.東華大學(xué)，上海，201620；2.濟(jì)寧如意新材料技術(shù)有限公司，山東濟(jì)寧，272000；3.中國棉紡織行業(yè)協(xié)會，北京，100027；4.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東華大學(xué)），上海，201620］

包芯紗是一種或兩種纖維組合而成的芯鞘結(jié)構(gòu)復(fù)合紗，目前使用多且工藝成熟的包芯紡紗方法是環(huán)錠紡包芯紗［1］。采用環(huán)錠紡使短纖紗與長絲復(fù)合在一起形成包芯紗，即長絲/短纖包芯紗［2］，由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，使得該種紗線既有外包短纖維的觸感、外觀或?qū)竦忍厥夤δ埽帜馨l(fā)揮內(nèi)部長絲的強(qiáng)度或彈性等優(yōu)勢，還可以利用內(nèi)外纖維理化性能的不同，形成特殊的爛花或中空等效果，從而發(fā)揮明顯優(yōu)勢，應(yīng)用范圍很廣，如棉氨或棉滌的包芯紗，就是非常典型的品種。通常這種包芯紗都是在原有環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)牽伸機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再加裝一套長絲喂入機(jī)構(gòu)和預(yù)牽伸機(jī)構(gòu)，采用積極方式控制牽伸量，短纖維須條經(jīng)過牽伸后與長絲分別同時(shí)從細(xì)紗機(jī)的前鉗口喂入并合，經(jīng)過導(dǎo)紗鉤、鋼領(lǐng)、鋼絲圈加捻卷繞作用形成［3］。

然而，環(huán)錠紡長絲/短纖包芯紗中，最突出的問題就是由于芯紗為長絲，表面比較光滑，摩擦力小，在成紗過程中很少或沒有纖維轉(zhuǎn)移，與皮層纖維交纏不夠緊密而導(dǎo)致包芯紗的皮層容易脫掉，即產(chǎn)生“露絲”現(xiàn)象，不利于紗線性能的提高及后續(xù)加工使用［4］。對此從設(shè)備改造、工藝優(yōu)化等方面展開了諸多研究［5-6］。早期的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗多數(shù)是通過細(xì)紗機(jī)改造完成的。近年來，基于粗紗工序的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗開始受到關(guān)注。張紅梅［7］以滌綸短纖維和染色原棉為原料，對傳統(tǒng)環(huán)錠紡粗紗機(jī)加裝吊錠，并將原單口喇叭孔改為上下并列雙口喇叭口，使得外包紗線熟條和芯紗粗紗同時(shí)喂入粗紗機(jī)，最后制備了以棉纖維為皮、滌綸纖維為芯的短纖包芯紗。顧銀華等［8］在粗紗機(jī)上通過特殊喇叭口將棉條和粗紗同時(shí)喂入牽伸區(qū)，制備了棉纖維/棉纖維包芯紗，探究了棉條與粗紗的喂入形式、芯纖維比例和粗紗定量等因素對皮芯結(jié)構(gòu)紗的影響。此外還有一些專利［9-10］針對利用粗紗生產(chǎn)對同時(shí)喂入兩根須條或者喂入須條和粗紗來生產(chǎn)短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗進(jìn)行了介紹。本研究探討了皮芯比以及細(xì)紗捻度對這種短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗結(jié)構(gòu)與性能的影響，以期為其后續(xù)包芯紗產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 對環(huán)錠紡粗紗機(jī)進(jìn)行改造

在傳統(tǒng)環(huán)錠紡粗紗機(jī)后安裝一排吊錠用來懸掛芯紗粗紗。將原單口喇叭口替換為上下并列式雙口喇叭口，如圖1 所示。

圖1 喇叭口形狀對比

2 試驗(yàn)部分

2.1 原料選配

原料選擇：深灰色新疆棉，細(xì)度1.82 dtex，長度29 mm ；淺灰色滌綸短纖，規(guī)格1.56 dtex×38 mm。紡紗號數(shù)18.5 tex。

2.2 粗紗工藝參數(shù)的確定

芯紗所占百分比的多少，決定棉纖維是否能完全包覆滌綸纖維，同時(shí)也決定了面料手感、蓬松度及舒適性。因此，喂入粗紗機(jī)的條子與粗紗之比至關(guān)重要。為探討不同芯紗比例對紡出紗線性能的影響情況，分別紡制了C/T 88/12、C/T 85/15、C/T 75/25 比例的短纖皮芯結(jié)構(gòu)粗紗，經(jīng)細(xì)紗機(jī)得到短纖包芯紗。

滌綸粗紗（ 芯紗）工藝：滌綸條子定量18.64 g/5 m，后區(qū)牽伸1.37 倍，初始張力500 cN，粗紗羅拉隔距9 mm×24 mm×26 mm，捻向Z 捻，其他工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 滌綸粗紗（芯紗）其他工藝參數(shù)

短纖皮芯結(jié)構(gòu)粗紗工藝：粗紗定量6.0 g/10 m，粗紗捻度4.4 捻/10 cm，捻向Z 捻，后區(qū)牽伸1.37倍，初始張力500 cN ，粗紗羅拉隔距9 mm×24 mm×26 mm，錠翼速度500 r/min，其他工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 短纖皮芯結(jié)構(gòu)粗紗工藝參數(shù)

將按表1 工藝所紡滌綸粗紗（芯紗）與棉條同時(shí)喂入改進(jìn)后的粗紗機(jī)，再按表2 工藝紡制包芯粗紗，最后再經(jīng)過細(xì)紗機(jī)紡得捻度90 捻/10 cm、皮層為棉、芯層為滌綸的3 種規(guī)格短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗。為進(jìn)一步探究捻度對短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗性能的影響，在上述工藝的基礎(chǔ)上還紡制了18.5 tex、皮芯比例為C/T 85/15 、細(xì)紗捻度分別為80.0捻/10 cm、90.0捻/10 cm、100.0捻/10 cm、110.0 捻/10 cm 的4 種捻度的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗。

2.3 粗紗結(jié)構(gòu)

采用NIKON SM745T 型光學(xué)顯微鏡觀察短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗粗紗截面。為保留粗紗的完整結(jié)構(gòu)，先將粗紗用火棉膠固化，待其完全干燥后，用刀片切成均勻的片段，放置到顯微鏡下觀察其橫截面。

2.4 細(xì)紗結(jié)構(gòu)

采用TM3000 型臺式掃描電子顯微鏡觀察短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗細(xì)紗截面。在紗線外包覆羊毛纖維，用Y172 型哈氏切片器制作切片，噴金處理后，放置到掃描電子顯微鏡下觀察。

2.5 紗線毛羽

采用YG172A 型紗線毛羽測定儀測試紗線的毛羽。 紗線張力0.5 cN/tex ，測試速度30 m/min，片段長度為10 m，測試次數(shù)為5 次。

2.6 紗線拉伸性能

采用YG061F 型電子單紗強(qiáng)力儀測試紗線的拉伸性能。 夾持距離500 mm ，預(yù)加張力0.5 cN/tex，速度500 mm/min，拉伸次數(shù)20 次。

2.7 紗線條干

采用CT3000 型條干均勻度測試分析儀測試紗線的條干均勻度。測試速度800 m/min，測試時(shí)間30 s，測試次數(shù)4 次。

以上所有試驗(yàn)均在標(biāo)準(zhǔn)大氣下進(jìn)行，且試樣經(jīng)過24 h 調(diào)濕平衡。

3 結(jié)果分析

3.1 包芯紗粗紗截面

3 種皮芯比例短纖皮芯結(jié)構(gòu)粗紗橫截面如圖2 所示，深灰色部分為皮層棉纖維，淺灰色部分為芯層滌綸短纖。為對比明顯，將得到的橫截面進(jìn)行二值化處理，如圖3 所示，黑色部分為皮層棉纖維，白色部分為芯層滌綸短纖。

圖2 3 種皮芯比例短纖皮芯結(jié)構(gòu)粗紗橫截面（放大倍數(shù)50 倍）

圖3 3 種皮芯比例短纖皮芯結(jié)構(gòu)粗紗二值化處理橫截面（放大倍數(shù)50 倍）

從圖2 和圖3 中可以看到，芯紗比例為12%、15% 的兩種粗紗包覆效果相對較好，芯紗外接圓圓心與包芯粗紗外接圓圓心重合度較好；當(dāng)芯紗比例增加至25% 時(shí)，滌綸芯紗雖被棉纖維完全包覆，但滌綸芯紗外接圓圓心與包芯粗紗外接圓圓心已存在一些偏離。

3.2 包芯紗細(xì)紗截面

圖4 為C/T 88/12 短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗細(xì)紗截面，顏色由深入淺的纖維分別為羊毛、棉、滌綸短纖。從圖4 中可以看出，包芯紗中棉纖維與滌綸短纖各自較為集中地凝聚在一起，并且棉纖維對滌綸短纖有較好的包覆。另外，外層棉纖維的密集程度小于芯層滌綸短纖的密集程度。這可能是因?yàn)橐环矫姘炯喆旨喓蜏炀]粗紗均采用Z 捻，隨著包芯紗粗紗繼續(xù)加捻，內(nèi)層滌綸粗紗在此階段處于持續(xù)加捻狀態(tài)，纖維間孔隙進(jìn)一步減小；另一方面是在加捻作用下，外層棉纖維對內(nèi)層滌綸具有一定的橫向向心壓力，使得滌綸短纖間抱合得更加緊密。

圖4 C/T 88/12 短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗細(xì)紗截面

3.3 紗線毛羽

3.3.1 不同芯紗比例包芯紗毛羽

紗線毛羽是指伸出紗線體表面的纖維，是在紗線加工過程中加捻與摩擦作用下產(chǎn)生的，毛羽越長，對紗線質(zhì)量影響越大，對織造影響也越大。不同皮芯比短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗毛羽指數(shù)分布圖如圖5 所示。

圖5 不同芯紗比例短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗毛羽數(shù)

由圖5 可知，包芯紗毛羽的主體成分是1 mm～2 mm 毛羽，紗線毛羽數(shù)量隨芯紗比例的增加而降低。當(dāng)紗線組成成分為C/T 88/12 時(shí)毛羽數(shù)量最多，對織造影響較大；當(dāng)組成成分為C/T 85/15 與C/T 75/25 時(shí)，毛羽數(shù)量較少，對織造的影響較小。這可能是因?yàn)槊蘩w維相較于滌綸來說整齊度較差，在牽伸過程中棉纖維變速不穩(wěn)定，容易伸出紗線表面，成為毛羽，故隨著芯紗比例的增加，即棉纖維含量的減少，紗線的毛羽數(shù)量減少。

3.3.2 不同捻度包芯紗毛羽

圖6 為不同捻度短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗毛羽數(shù)分布情況。 可以看到，包芯紗毛羽的主體成分是1 mm～2 mm 毛羽。80.0捻/10 cm、90.0捻/10 cm、100.0 捻/10 cm 的包芯紗毛羽數(shù)量較為接近，且均小于110.0 捻/10 cm 的包芯紗毛羽數(shù)量。這可能是因?yàn)槌掷m(xù)加捻到一定數(shù)值后，纖維軸向分力減小，徑向分力增大，外層纖維對內(nèi)層纖維的向心力增大，且紗線皮、芯層纖維均為短纖維，內(nèi)層纖維易被擠出紗體而成為毛羽。

圖6 不同捻度短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗毛羽數(shù)分布

3.4 紗線條干

3.4.1 不同芯紗比例包芯紗條干

紗線的條干不勻率是影響紗線質(zhì)量的重要因素之一，條干均勻程度不僅影響紗線的外觀和強(qiáng)度，還會造成織造斷頭與織物疵點(diǎn)。由表3 可見，隨著芯紗比例的增加，紗線條干不勻率、細(xì)節(jié)、粗節(jié)逐漸增加，由3.1 試驗(yàn)結(jié)果也可知，芯紗比例為25% 的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗的滌綸芯紗外接圓圓心與包芯粗紗外接圓圓心已存在一些偏離，故當(dāng)芯紗比例為25% 時(shí)，紗線條干不勻率最大。

表3 不同芯紗比例短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗條干測試結(jié)果

3.4.2 不同捻度包芯紗條干

在滌棉短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗中，皮層棉纖維與芯層滌綸纖維均為短纖維，在加捻三角區(qū)中，皮層、芯層纖維都會發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，滌綸、棉纖維在交界處相互穿插、糾纏，捻度越大，纖維轉(zhuǎn)移的程度越大，紗線結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、緊密、穩(wěn)定，越有利于改善紗線的條干均勻。通過表4 可見，隨著細(xì)紗捻度的增加，包芯紗的條干不勻率整體上呈下降趨勢，粗節(jié)、細(xì)節(jié)以及棉結(jié)數(shù)量都有不同程度的下降。

表4 不同捻度C/T 85/15 短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗條干測試結(jié)果

3.5 紗線拉伸性能

3.5.1 不同芯紗比例包芯紗拉伸性能

不同芯紗比例短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗拉伸性能對比如圖7 所示。由圖7 可見，隨著芯紗比例的增加，短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率均呈現(xiàn)出先增加，后減小的趨勢。在3 種芯紗比例的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗中，芯紗比例為15% 時(shí)，紗線斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率均為最大。

圖7 不同芯紗比例短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗拉伸性能對比

對于滌棉短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗而言，滌綸短纖作為芯紗，較為集中地分布在紗線的中間，棉纖維作為皮層分布在紗線的外部，斷裂伸長接近的纖維分布得以集中。對于短纖紗來說，在拉伸斷裂時(shí)不僅存在纖維的滑移還有纖維的斷裂［11］，由于滌綸纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長均高于棉纖維［12］，故隨著滌綸比例即芯紗比例的增加，短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率都相應(yīng)增大。但隨著芯紗比例的增大，包芯紗條干不勻率也在增大，條干不勻增加，影響了紗線的斷裂強(qiáng)力和紗線的斷裂伸長率，故在此3 種短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗中，C/T 85/15 成分的紗線具有最大斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率。

3.5.2 不同捻度包芯紗拉伸性能

不同捻度C/T 85/15 短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗拉伸性能對比如圖8 所示。由圖8 可見，對于拉伸性能而言，隨著細(xì)紗捻度的增加，短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗的斷裂伸長率逐漸增加，斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加、后減小的趨勢，這與徐文青等［13］紡制的聚甲醛/棉包芯紗強(qiáng)力與捻度規(guī)律相一致，該種包芯紗和本研究所紡制短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗具有與普通環(huán)錠紡紗線相同的規(guī)律。

圖8 不同捻度C/T 85/15 短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗拉伸性能對比

隨著捻度的增加，紗線捻回角增大，當(dāng)捻度增大超過紗線臨界捻系數(shù)后，纖維在紗線軸向的分力減小，使得紗線強(qiáng)度降低，所以當(dāng)短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗捻度從80.0 捻/10 cm 增加至100.0 捻/10 cm時(shí)，斷裂強(qiáng)度在逐漸增大，當(dāng)捻度繼續(xù)增大至110.0 捻/10 cm 時(shí)，斷裂強(qiáng)度開始下降，即短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗捻度為100.0 捻/10 cm 時(shí)具有最大的斷裂強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本研究的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗是由棉纖維與滌綸短纖維組成的，既保留了棉纖維優(yōu)良的吸濕性和不易產(chǎn)生靜電的特點(diǎn)，又利用了滌綸良好的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了棉纖維與滌綸的優(yōu)勢互補(bǔ)。通過紡制不同皮芯比和捻度的短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗，對短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論。

（1）從包芯結(jié)構(gòu)粗紗截面來看，3 種不同皮芯比例的短纖皮芯結(jié)構(gòu)粗紗都具有較好的包覆結(jié)構(gòu)，但隨著芯紗比例的增大，滌綸芯紗外接圓圓心與包芯紗粗紗外接圓圓心之間的相對距離增大。

（2）棉滌短紗皮層與芯層纖維各自凝聚程度較好，且芯層滌綸短纖凝聚得更為緊密。

（3）短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗毛羽主體成分是1 mm～2 mm 毛羽，毛羽數(shù)量隨芯紗比例的增加而降低；捻度80.0捻/10 cm、90.0捻/10 cm、100.0捻/10 cm的包芯紗毛羽數(shù)量較為接近，且小于110.0捻/10 cm的包芯紗毛羽數(shù)量。

（4）隨著芯紗比例的增加，短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗條干不勻率增加，斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

（5）隨著捻度的增加，短纖皮芯結(jié)構(gòu)紗條干不勻率總體呈下降趨勢；斷裂強(qiáng)度先增加后減小，斷裂伸長率逐漸增大，與普通環(huán)錠紡紗線規(guī)律一致。