抽吸式噴氣渦流紡裝置及紡制金屬絲包芯紗的實驗分析

王興寶, 奚傳智, 王 科, 王家源, 裴澤光

(1.東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620； 2.經(jīng)緯智能紡織機械有限公司，山西晉中 030601)

包芯紗是一種將短纖維包覆在連續(xù)長絲外部形成的具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的紗線[1]。它將具有不同特性的長絲和短纖維在紗線層面上進(jìn)行復(fù)合，可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，為服裝面料的功能化提供了一條重要的途徑[2- 4]。目前，包芯紗的加工方法主要包括環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡、摩擦紡和噴氣渦流紡等[5-8]，其中噴氣渦流紡是利用噴嘴內(nèi)部形成的旋轉(zhuǎn)氣流將短纖維均勻包覆在芯絲上，因此不僅不需要高速回轉(zhuǎn)的機械部件，而且能夠以550 m/min的高速生產(chǎn)包芯紗，同時還具有流程短、用工少、產(chǎn)量高、可紡支數(shù)范圍廣等優(yōu)點。此外，噴氣渦流紗是由平行無捻狀態(tài)的纖維作為芯層，呈螺旋狀包纏在芯層纖維外部的纖維作為鞘層的芯鞘結(jié)構(gòu)紗線。這種特殊的雙層結(jié)構(gòu)使噴氣渦流紡特別適合紡制包芯紗。在前期研究中，筆者開發(fā)了一種用于生產(chǎn)金屬絲包芯紗的噴氣渦流紡紗方法，對其噴嘴氣流特性、成紗過程、紗線結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究[9-12]。然而在噴氣渦流紡的成紗過程中，旋轉(zhuǎn)氣流的切向和軸向速度分量產(chǎn)生的作用力會使一些纖維完全從紗體中脫落，從而成為落纖，隨后從噴嘴出口中排出[11-13]，如圖1所示。這不僅會造成不必要的材料浪費，還會導(dǎo)致紗線質(zhì)量的降低[14]。這是由于纖維的損失將會導(dǎo)致紗線表面的纖維量減少，從而會增加包芯紗中的露芯缺陷[8]。因此，設(shè)計低落纖的噴氣渦流紡紗噴嘴具有重要的意義。

圖1 噴氣渦流紡包芯紗成紗過程中落纖形成過程示意

一些研究人員已經(jīng)注意到噴氣渦流紡紗過程中的纖維損失問題，并嘗試對噴嘴進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。鄒專勇等[15]基于數(shù)值模擬方法分析了噴氣渦流紡紗過程中噴嘴加捻腔內(nèi)部纖維的運動規(guī)律，分析了纖維臨界角速度對落纖形成的影響，在此基礎(chǔ)上提出了一種帶有假捻噴孔的噴氣渦流紡紗噴嘴，以實現(xiàn)減少纖維損失的目的[16]。張肖斌等[17]發(fā)明了一種噴氣渦流紡槽孔型空心錠，其錐部設(shè)有連接引紗通道和加捻腔的通孔，可為纖維尾端提供一定的摩擦力，從而降低纖維從紗體中抽拔出來成為落纖的可能性。裴澤光[18]設(shè)計了一種在紡錠內(nèi)引紗通道壁面上設(shè)有抽吸孔的噴氣渦流紡紗噴嘴，可在引紗通道壁面處提供負(fù)壓吸附力，以增大紗線在成形過程中通過引紗通道時受到的摩擦力并使紗線結(jié)構(gòu)變得更為緊密，從而增大須條對纖維頭端施加的握持力，以減少成紗過程中的落纖量。盡管上述研究均對減少纖維損失的原理進(jìn)行了描述，但這些設(shè)計的有效性尚未得到實驗驗證。

本文基于文獻(xiàn)[18]的思路，對噴氣渦流紡紗噴嘴進(jìn)行了設(shè)計與制造，對該噴嘴在紡制金屬絲包芯紗的過程中減少纖維損失的效果進(jìn)行了實驗研究，并研究了抽吸孔直徑和抽吸區(qū)長度對落纖量和紗線斷裂強度的影響。

1 實 驗

1.1 負(fù)壓抽吸式噴氣渦流紡紗噴嘴設(shè)計

傳統(tǒng)噴氣渦流紡紗過程中纖維受力示意如 圖2(a) 所示，在傳統(tǒng)噴氣渦流紡紗過程中，倒伏在紡錠前端錐面上的纖維受到的作用力主要有：處于自由狀態(tài)的纖維尾端受到的氣流作用力Fa、離心力Fc、與紡錠外表面之間的摩擦力Fs以及已進(jìn)入紗體內(nèi)部的纖維頭端受到的周邊纖維施加的摩擦力Ff等，其中Fa可以分解為沿噴嘴軸向的軸向分量Fx和沿噴嘴腔室周向的切向分量Fy。當(dāng)噴嘴內(nèi)高速氣流作用下纖維的受力滿足式(1)時，一部分纖維將能夠克服紗體中周邊纖維施加的摩擦力從紗體中被氣流抽拔出來而成為落纖。

(1)

式中：θ為錠子前端錐面的錐角，α為纖維尾端與錠子錐面母線之間的夾角，β為Fs與纖維尾端之間的夾角。

成紗過程減少纖維損失的原理示意如圖2(b)所示，為了解決成紗過程中的纖維損失這一問題，本文提出了一種在紡錠入口段引紗通道壁面上設(shè)置氣流抽吸孔的噴氣渦流紡紗噴嘴設(shè)計。在錠子內(nèi)設(shè)置連接負(fù)壓抽吸孔和負(fù)壓泵的負(fù)壓抽吸腔，通過施加負(fù)壓抽吸力來增加紗體與引紗通道間的摩擦力，從而使紗線結(jié)構(gòu)更加緊密，以增加摩擦力Ff，使纖維頭端受到的周邊纖維施加的握持力增大，從而提高自由狀態(tài)的纖維尾端對空氣阻力和離心力的承受能力而保持在紗體中，同時有利于形成結(jié)構(gòu)更加緊湊的金屬絲包芯紗。

圖2 噴氣渦流紡成紗過程中的纖維受力示意

1.2 噴嘴制造工藝

負(fù)壓抽吸式噴氣渦流紡紗裝置紡錠裝配體結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，經(jīng)過改進(jìn)后的錠子由紡錠主體、負(fù)壓抽吸管和紡錠端蓋三部分組成，負(fù)壓抽吸管被插入紡錠主體中并由紡錠端蓋所固定。負(fù)壓抽吸管上的抽吸孔將引紗通道和負(fù)壓腔連通，負(fù)壓腔通過氣流通道與負(fù)壓氣源連接。采用澆鑄成型的方法，以環(huán)氧樹脂為材料，對紡錠主體與端蓋進(jìn)行快速、高精度制造。紡錠主體制造過程示意如圖4所示，錠子主體的制造工藝如下：

圖3 負(fù)壓抽吸式噴氣渦流紡紗裝置紡錠裝配體結(jié)構(gòu)示意

圖4 紡錠主體制造過程示意

a)選用硅膠材料制作一種可快速脫模并可重復(fù)性使用的模具。

b)將適量液態(tài)環(huán)氧樹脂的兩種組分按比例混合，將混合均勻后的液態(tài)環(huán)氧樹脂注入硅膠模具內(nèi)腔。

c)將充滿液態(tài)環(huán)氧樹脂的模具放入一個負(fù)壓密封容器中靜置一段時間，對環(huán)氧樹脂進(jìn)行脫氣，防止紡錠主體零件中產(chǎn)生氣泡。

d)將含有液態(tài)環(huán)氧樹脂的硅膠模具從負(fù)壓密閉容器中取出，靜置至固化成型，得到零件毛坯。

e)根據(jù)紡錠主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對毛坯進(jìn)行機械加工，去除多余的材料，以獲得滿足裝配要求的紡錠主體。紡錠端蓋可使用相同方法制造。

紡錠實物如圖5(a)所示，選取了外徑為1.6 mm、內(nèi)徑為1.3 mm，長度為73 mm的銅管制作負(fù)壓抽吸管，并采用微細(xì)麻花鉆在管壁上鉆孔。為研究有無負(fù)壓抽吸氣流作用以及不同抽吸孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對纖維損失及紗線斷裂強度影響，將未設(shè)置抽吸孔的紡錠作為實驗對照組，并設(shè)計制作了如表1所示的5種負(fù)壓抽吸管。圖5(b)示出了由紡錠主體、負(fù)壓抽吸管和端蓋裝配而成的紡錠裝配體。裝配好的紡錠及其他零部件一起進(jìn)行裝配，得到噴嘴裝置，如圖6所示。

圖5 紡錠實物照片

表1 氣流抽吸孔結(jié)構(gòu)及排列參數(shù)

圖6 負(fù)壓抽吸式噴氣渦流紡紗噴嘴

1.3 紡紗實驗

實驗選擇平均長度為38 mm、細(xì)度為1.5 dtex的粘膠纖維作為金屬絲包芯紗的外包短纖維，制成線密度為680 tex的粗紗。包芯紗的芯絲采用直徑為50 μm、涂覆有5 μm厚聚氨酯涂層的超細(xì)漆包銅線。利用所制造的負(fù)壓抽吸式噴嘴裝置在噴氣渦流紡紗試驗機(DHU-P02)上進(jìn)行了包芯紗的紡制。紡紗工藝與參考文獻(xiàn)[9]中所述相似，不同之處是對紡錠結(jié)構(gòu)及其工藝參數(shù)進(jìn)行了修改。實驗的工藝和機器設(shè)置數(shù)據(jù)如表2所示。其中，紡錠負(fù)壓選擇-60 kPa(表壓)，這是由于經(jīng)紡紗試驗證明，在該壓強條件下，負(fù)壓抽吸管內(nèi)的氣流抽吸作用明顯，且該負(fù)壓值符合所采用的真空抽吸泵的工作要求。

表2 紡紗實驗參數(shù)

1.4 包芯紗線密度與斷裂強度的測定

本文采用測量紗線線密度的方法來間接表征不同工況下的落纖量。由于不同工況均使用了相同原材料和總牽伸比，紗線的線密度越高，表明在成紗過程中損失的纖維越少，反之亦然。因此通過使用精密天平稱取長度為1 m的紗線樣品重量以獲得紗線的線密度。紗線斷裂強度在材料試驗機(ZQ-990LB)上選取樣品長度為250 mm、測試速度為60 mm/min進(jìn)行測試。在線密度和斷裂強度測定試驗中，以表2所示的參數(shù)條件下，對每個工況分別測量30個試樣，以獲得紗線線密度和斷裂強度平均值。所有試驗均在(20±2) ℃和(65±2)%相對濕度的標(biāo)準(zhǔn)實驗室條件下進(jìn)行。此外通過使用Minitab軟件以95%的置信度對稱重結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過Grubbs準(zhǔn)則[19]檢驗數(shù)據(jù)中是否存在異常值，并采用單因素方差分析(ANOVA)研究了各參數(shù)對紗線線密度和斷裂強度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)對纖維損失的影響

2.1.1 抽吸孔直徑

圖7(a)顯示了抽吸孔直徑對金屬絲包芯紗線密度影響的實驗結(jié)果(工況1-3、5)，“0”表示未設(shè)置抽吸孔的工況；圖7(b)是在95%置信水平下對各參數(shù)進(jìn)行Tukey多重比較[20]的結(jié)果。其中，在 圖7(b) 的均值差值區(qū)間若不包含數(shù)值“0”，則表明對應(yīng)的均值具有顯著的差異。由 圖7(a) 可以看出，設(shè)有不同直徑的抽吸孔的噴嘴所紡出的紗線線密度均高于傳統(tǒng)噴嘴所紡紗線的線密度，并且當(dāng)抽吸孔直徑從0.2 mm增加到0.4 mm時，紗線的線密度先增大后略有減小。在圖7(b)所示的統(tǒng)計結(jié)果中，“0～0.2”“0～0.3”“0～0.4”時的均值差值區(qū)間均不包含數(shù)值“0”，這表明通過在紡錠的引紗通道壁面上設(shè)置抽吸孔對紗線的纖維損失有顯著影響。在金屬絲包芯紗成紗過程中，設(shè)有抽吸孔的紡錠會使引紗通道內(nèi)壁產(chǎn)生負(fù)壓吸附力，有助于增加紗體與壁面間的摩擦力以及紗體中纖維頭端的握持力。因此，這部分纖維能夠更好地承受其呈自由狀態(tài)的尾端所受到的空氣阻力和離心力，從而使其不易被高速旋轉(zhuǎn)氣流吹離紗體。從圖7(b)中還可以看出，“0.3～0.2”“0.4～0.2”和“0.4～0.3”的均值差值區(qū)間均包含“0”，這意味著當(dāng)吸氣孔直徑在0.2～0.4 mm之間變化時，紗線線密度未發(fā)生顯著變化。這可能是由于抽吸孔直徑的變化太小使得產(chǎn)生的負(fù)壓吸附力變化不大，纖維頭端所受到的握持力不會受到顯著影響，進(jìn)而導(dǎo)致纖維損失量沒有顯著變化。

圖7 抽吸孔直徑對包芯紗線密度的影響結(jié)果

2.1.2 抽吸區(qū)長度

圖8(a)顯示了抽吸區(qū)長度對包芯紗線密度影響的實驗結(jié)果(工況2、4―5)，圖8(b)是在95%置信水平下對各個參數(shù)進(jìn)行Tukey多重比較的結(jié)果。從圖8(a)可以看出，使用具有不同抽吸區(qū)長度的噴嘴紡制的紗線的線密度均高于未設(shè)置氣流抽吸孔的噴嘴紡制的紗線的線密度，并且當(dāng)抽吸區(qū)長度從 25 mm 增加到34 mm時，紗線線密度略有下降。從圖8(b)可以看出，“0～25”和“0～34”對應(yīng)的均值差值區(qū)間均不包含“0”，表明設(shè)有抽吸孔可以顯著降低纖維損失。然而，“34～25”對應(yīng)的均值差值區(qū)間包含“0”，表明抽吸區(qū)長度從25 mm增加到 34 mm 時，纖維損失沒有顯著差異。這是由于在紗線的形成過程中，自由尾端受到空氣阻力和離心力的纖維的頭端進(jìn)入紗線通道較短時易使其從紗體中抽拔出來。而25 mm和34 mm的抽吸區(qū)長度均大于進(jìn)入引紗通道內(nèi)的纖維頭端長度。因此，在這兩種工況下，施加在纖維頭端的負(fù)壓吸附力是相似的，使得兩種工況下纖維頭端受到相似的握持力，其均足以將纖維保持在紗體中，因此在這兩種工況下纖維損失差異并不顯著。當(dāng)紗體向下游運動，使纖維頭端變得比引紗通道內(nèi)抽吸區(qū)長度更長時，施加在纖維尾端上的空氣阻力和離心力更無法克服其前端在紗體中受到的握持力。因此在這一階段，纖維更不可能從紗體中被抽拔出成為落纖。

圖8 抽吸區(qū)長度對包芯紗線密度的影響結(jié)果

2.2 參數(shù)對包芯紗斷裂強度的影響

2.2.1 抽吸孔直徑

圖9(a)顯示了抽吸孔直徑對金屬絲包芯紗斷裂強度影響的實驗結(jié)果(工況1―3、5)，圖9(b)是在95%的置信水平下對各參數(shù)進(jìn)行Tukey多重比較的結(jié)果。如圖9(a)所示，設(shè)有不同直徑的抽吸孔的噴嘴所紡出的紗線的斷裂強度均高于傳統(tǒng)噴嘴所紡出紗線的斷裂強度，且隨著抽吸孔直徑從 0.2 mm 增加到0.4 mm，紗線斷裂強度先減小后增大。圖9(b)的統(tǒng)計結(jié)果顯示，“0～0.2”“0～0.3”“0～0.4”“0.3～0.2”“0.4～0.2”時的均值差值區(qū)間均不包含“0”， 而“0.4～0.3”的均值差值區(qū)間包含“0”，這表明抽吸孔的存在對紗線強度有顯著影響，且當(dāng)抽吸孔直徑在0.2 mm與0.3 mm以及0.2 mm與0.4 mm之間變化時，紗線斷裂強度受到顯著影響，而抽吸孔直徑在0.3 mm與0.4 mm之間變化時，紗線的斷裂強度沒有顯著變化。由2.1.1節(jié)的結(jié)果可知，不同直徑抽吸孔的存在可顯著降低纖維的損失，這意味著紗體中的芯纖維或包覆纖維量增加，即紗體中存在更多的纖維，以承擔(dān)更大的拉力，同時可使紗體中纖維間的抱合力增加，從而顯著提高紗線的斷裂強度。統(tǒng)計結(jié)果還表明，抽吸孔直徑為0.2 mm時的紗線強度顯著高于抽吸孔直徑為0.3 mm和0.4 mm時的紗線強度，這說明抽吸孔直徑過大并不利于紗線強度的提高。從節(jié)約耗氣量的角度考慮，抽吸孔直徑為0.2 mm時最佳。

圖9 抽吸孔直徑對包芯紗斷裂強度的影響結(jié)果

2.2.2 抽吸區(qū)長度

圖10(a)顯示了抽吸區(qū)域軸向長度對渦流包芯紗斷裂強度影響的實驗結(jié)果(工況2、4―5)，圖10(b) 是在95%的置信水平下對各個參數(shù)進(jìn)行Tukey多重比較的結(jié)果。從圖10(a)中可以看出，使用具有不同抽吸區(qū)長度的噴嘴所紡制的紗線的斷裂強度均高于未設(shè)有抽吸孔的噴嘴所紡制的紗線的強度。當(dāng)抽吸區(qū)長度從25 mm增加至34 mm時，紗線的斷裂強度略有下降。圖10(b)中示出的統(tǒng)計結(jié)果表明，“0～25”和“0～34” 對應(yīng)的均值差值區(qū)間均不包含“0”，這表明與未設(shè)有抽吸孔的噴嘴相比，抽吸區(qū)的存在可以顯著提高紗線的斷裂強度。然而，“34～25” 對應(yīng)的均值差值區(qū)間包含“0”，這表明抽吸區(qū)長度為25 mm和34 mm下紗線斷裂強度的差異并不顯著。這是由于纖維束主要在靠近紡錠入口區(qū)域的引紗通道內(nèi)加捻形成紗線，在這兩種工況下紗線成形區(qū)域中纖維受到的負(fù)壓吸附力的作用效果相似，繼而時紗體中的纖維量、纖維間抱合力與紗線緊密程度差異不顯著，進(jìn)而對紗線斷裂強度的影響也很小。

圖10 軸向抽吸區(qū)長度對包芯紗斷裂強度的影響結(jié)果

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種在紡錠引紗通道入口區(qū)域的壁面上設(shè)有抽吸孔的噴氣渦流紡紗噴嘴，以減少金屬絲包芯紗紡制過程中纖維損失，并通過實驗研究了抽吸孔直徑和抽吸區(qū)長度對纖維損失和紗線斷裂強度的影響。結(jié)論如下：

a)與傳統(tǒng)設(shè)計的噴嘴相比，在紡錠中增設(shè)抽吸孔可以顯著減少成紗過程中的纖維損失，但孔徑在0.2～0.4 mm之間的變化對纖維損失的影響并不顯著。當(dāng)抽吸區(qū)長度從25 mm增加為34 mm時，對于纖維損失的影響并不顯著。

b)與傳統(tǒng)設(shè)計的噴嘴相比，通過在引紗通道壁面上設(shè)置抽吸孔對紗線斷裂強度的提高有顯著效果。當(dāng)孔徑從0.4 mm減小到0.3 mm時，紗線斷裂強度的影響不顯著，而孔徑從0.3 mm減小到 0.2 mm 時，紗線斷裂強度顯著增加，孔徑為 0.2 mm 時斷裂強度最大。然而當(dāng)抽吸區(qū)長度從 25 mm 增加為 34 mm 時，對于紗線斷裂強度的影響并不顯著。