純棉高支紗的紗線強(qiáng)伸性能測(cè)試與評(píng)價(jià)方法探討

蔡 赟，季 承，葛陳鵬

（1.無錫一棉紡織集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214000；2.江蘇格羅瑞節(jié)能科技有限公司，江蘇 無錫 214101）

紗線強(qiáng)伸性能的表征主要采用斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率等性能指標(biāo)，這些指標(biāo)一方面在紡紗企業(yè)中用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品的質(zhì)量并反饋指導(dǎo)生產(chǎn)，另一方面在織造企業(yè)中用于評(píng)價(jià)原料的品質(zhì)。綜合而言，紗線的強(qiáng)伸性能評(píng)價(jià)在紡紗生產(chǎn)、紗線貿(mào)易、織造加工方面發(fā)揮著巨大作用，長(zhǎng)期以來在紡織產(chǎn)業(yè)中占據(jù)極為重要的地位。

通常情況下，業(yè)內(nèi)人員普遍參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《紡織品卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（CRE法）》（GB/T 3916—2013）[1]測(cè)試紗線的強(qiáng)伸性能。該現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定紗線強(qiáng)伸性能的測(cè)試采用等速伸長(zhǎng)試驗(yàn)儀（CRE），該儀器有一個(gè)固定的夾持器用于加持試樣的一端，一個(gè)等速驅(qū)動(dòng)的夾持器用于夾持試樣的另一端，通過等速拉伸紗線試樣直至紗線斷裂，最終記錄斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)值。鑒于紗線強(qiáng)伸性能的重要意義，研究者對(duì)于上述測(cè)試方法的性能與機(jī)理進(jìn)行了研究。洪武勇[2]提出從主體結(jié)構(gòu)、夾持裝置、長(zhǎng)度測(cè)量裝置等方面開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以提升強(qiáng)伸性能試驗(yàn)儀的穩(wěn)定性。張志剛等[3]以及郭鵬輝等[4-5]則研究了儀器的測(cè)試原理、拉伸速度對(duì)紗線強(qiáng)力指標(biāo)的影響及原因。Neckar B[6-7]以及Sriprateep K等[8-9]提出將紗線的強(qiáng)伸性能表征拓展到更高信息維度，對(duì)不同紗線的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行理論建模，分析各類紗線性能變化的內(nèi)在原因。在實(shí)際紡紗生產(chǎn)與貿(mào)易中，目前應(yīng)用最廣泛的仍是GB/T 3916—2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的紗線強(qiáng)伸性能測(cè)定方法。

在實(shí)際生產(chǎn)中，無錫一棉紡織集團(tuán)有限公司技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)開展的紗線強(qiáng)伸性能測(cè)試在面對(duì)純棉高支短纖紗時(shí)可能存在一定問題，主要表現(xiàn)為測(cè)試結(jié)果與織造生產(chǎn)斷頭率相關(guān)性不足，導(dǎo)致部分出廠紗線盡管強(qiáng)伸性能達(dá)標(biāo)，但客戶反映織造效率不高。本研究主要針對(duì)上述實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題開展一系列實(shí)驗(yàn)與理論研究，以期針對(duì)高支短纖紗相關(guān)產(chǎn)品提出更具針對(duì)性的強(qiáng)伸性能測(cè)試方法，用于指導(dǎo)紡紗生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 儀器

紗線強(qiáng)伸性能測(cè)試采用島津AGS-X電子單紗強(qiáng)力儀，紗線條干變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）測(cè)試采用USTER5條干儀。

1.2 樣品

本實(shí)驗(yàn)對(duì)無錫一棉紡織集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的高支純棉紗進(jìn)行強(qiáng)伸性能測(cè)試，取規(guī)格相同的兩種8.33 tex純棉紗樣品，參照GB/T 3916—2013規(guī)定的紗線強(qiáng)伸性能測(cè)定方法，對(duì)每種紗線進(jìn)行100次采樣，測(cè)試并記錄各品種紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力CV、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂伸長(zhǎng)率CV。其規(guī)格與強(qiáng)伸性能指標(biāo)如表1所示。

表1 紗線樣品規(guī)格及其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)伸性能測(cè)試結(jié)果

2 大容量連續(xù)采樣測(cè)試方法構(gòu)建

通過表1的測(cè)試結(jié)果可知，品種1明顯表現(xiàn)出更高的平均斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率，同時(shí)，各項(xiàng)強(qiáng)伸性能CV更低，表明其性能更穩(wěn)定。但是在織造生產(chǎn)中，用戶反映使用品種1時(shí)，經(jīng)紗斷頭率明顯更高。本研究認(rèn)為，上述現(xiàn)象發(fā)生的原因在于，當(dāng)紗線線密度較低時(shí)，其單位時(shí)間消耗的纖維更少，若采用相同的細(xì)紗樣本采樣次數(shù)，相比高線密度紗線，低線密度紗線對(duì)應(yīng)的粗紗、棉條采樣長(zhǎng)度更小，有更高的概率無法采樣到前紡生產(chǎn)積累的片段性質(zhì)量問題。

針對(duì)上述問題，本研究提出對(duì)于高支純棉品種的強(qiáng)伸性能測(cè)試，首先應(yīng)增加樣本容量，并對(duì)細(xì)紗卷裝進(jìn)行連續(xù)的測(cè)試樣品采集，其次開展斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試，最后構(gòu)建一系列更關(guān)注強(qiáng)伸性能在紗線長(zhǎng)度方向上的分布規(guī)律的表征指標(biāo)，用于更深入地分析紗線質(zhì)量。構(gòu)建大容量連續(xù)采樣測(cè)試方法的具體操作如下。（1）回潮率平衡：參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，將紗線樣品在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境中平衡48 h；（2）樣品采集：從單個(gè)或多個(gè)卷裝中連續(xù)采集紗線樣本2 000次，每個(gè)紗線卷裝上的樣本采集次數(shù)不少于200次；（3）性能測(cè)試：對(duì)采集樣本依次執(zhí)行紗線斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試；（4）強(qiáng)伸性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)紗線斷裂強(qiáng)力均值及CV、紗線斷裂伸長(zhǎng)率均值及CV；（5）強(qiáng)伸性能直方圖繪制：繪制強(qiáng)力與伸長(zhǎng)率分布的直方圖，用于觀察強(qiáng)伸性能分布；（6）強(qiáng)伸性能散點(diǎn)圖繪制：以斷裂伸長(zhǎng)率為橫坐標(biāo)、以斷裂強(qiáng)力為縱坐標(biāo)繪制強(qiáng)伸性能散點(diǎn)圖，并作線性回歸分析，判斷異常值數(shù)量；（7）強(qiáng)伸性能波普?qǐng)D繪制：采用離散傅里葉變換技術(shù)，繪制紗線斷裂強(qiáng)力沿紗線長(zhǎng)度方向變化的強(qiáng)力波譜圖，分析是否存在周期性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 強(qiáng)伸性能統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

采用本研究提出的大容量連續(xù)采樣測(cè)試法，對(duì)于前文所述的品種1與品種2而言，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)方法與大樣本容量連續(xù)采樣測(cè)試法結(jié)果對(duì)比

通過表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，各紗樣在采用大樣本容量連續(xù)采樣測(cè)試法后所得到的強(qiáng)伸性能與標(biāo)準(zhǔn)方法表現(xiàn)出較大差異。其中，對(duì)于品種1而言，大容量法所測(cè)得強(qiáng)力均值明顯更低，且CV明顯增大，同時(shí)其伸長(zhǎng)率均值也明顯降低，CV明顯增大；對(duì)于品種2而言，其強(qiáng)力均值明顯降低，強(qiáng)力CV明顯增大，而伸長(zhǎng)率均值幾乎不變，但伸長(zhǎng)率CV也明顯增大。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，對(duì)于各項(xiàng)強(qiáng)伸性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果而言，過低的樣本容量均帶來了明顯的不穩(wěn)定性，有必要提升樣本容量獲得更為準(zhǔn)確可靠的測(cè)試結(jié)果。采用大樣本容量連續(xù)采樣測(cè)試法后發(fā)現(xiàn)，品種1雖然表現(xiàn)出更高的強(qiáng)力均值，但其伸長(zhǎng)率更低，且各項(xiàng)CV更大，表明其雖然強(qiáng)力較大，但是伸長(zhǎng)率較低，同時(shí)紗線性能的穩(wěn)定性不佳，解釋了其在織造過程中經(jīng)紗斷頭率更高的原因。

3.2 強(qiáng)伸性能直方圖

通過統(tǒng)計(jì)樣本中紗線性能的區(qū)間分布能繪制出各紗樣的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率分布直方圖，如圖1、圖2所示。

圖1 紗線斷裂強(qiáng)力分布

圖2 紗線斷裂伸長(zhǎng)率分布

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，兩種紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率分布都接近正態(tài)分布，說明采用大容量連續(xù)采樣測(cè)試法獲得的結(jié)果具有較高的合理性。其中，品種1表現(xiàn)出明顯更高的強(qiáng)力，但其伸長(zhǎng)率明顯更低，說明品種1的彈性較品種2更弱，因此，可能更易于在織造生產(chǎn)中復(fù)雜載荷的作用下失效。同時(shí)，品種1在伸長(zhǎng)率分布直方圖中表現(xiàn)出明顯更多的低伸長(zhǎng)樣本，說明品種1可能存在更多的伸長(zhǎng)弱環(huán)，這也可能是導(dǎo)致其織造經(jīng)紗斷頭率較高的原因。綜合上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過分析大樣本容量連續(xù)采樣測(cè)試法所構(gòu)建的強(qiáng)力與伸長(zhǎng)分布直方圖，能對(duì)紗線的織造效率差異作出合理解釋。

3.3 強(qiáng)伸性能散點(diǎn)圖

以斷裂伸長(zhǎng)率為橫坐標(biāo)，以斷裂強(qiáng)力為縱坐標(biāo)，對(duì)品種1與品種2分別繪制強(qiáng)伸性能散點(diǎn)圖，如圖3所示。

圖3 不同品種紗線強(qiáng)伸性能變化

觀察圖3散點(diǎn)圖及其線性擬合結(jié)果可知，品種1的平均強(qiáng)力高、伸長(zhǎng)率低；紗線強(qiáng)力分布離散性大，紗線片段強(qiáng)力差異大；強(qiáng)力/伸長(zhǎng)的比值（線性擬合結(jié)果斜率）較大，反映紗線彈性較差。同時(shí)，品種1的擬合結(jié)果表現(xiàn)出更低的R2擬合優(yōu)度，表明強(qiáng)伸性能異常數(shù)值較多，紗線質(zhì)量穩(wěn)定性更差。上述分析結(jié)果同樣與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果相吻合，解釋了品種1織造斷頭率更高的原因。

3.4 斷裂強(qiáng)力波譜圖

基于連續(xù)采樣的紗線樣本，本研究提出對(duì)紗線斷裂強(qiáng)力變化進(jìn)行波譜分析，繪制紗線斷裂強(qiáng)力的波譜圖，如圖4所示，由此對(duì)可能存在的周期性工藝問題進(jìn)行深入研究。

圖4 不同品種紗線斷裂強(qiáng)力變化

通過圖4斷裂強(qiáng)力波譜圖可以看出，品種1的強(qiáng)力具有明顯的波普峰值，說明品種1的強(qiáng)力變化具有周期性的特點(diǎn)，推測(cè)可能存在周期性半成品質(zhì)量問題。但通過紗線條干的波譜圖分析，并未發(fā)現(xiàn)明顯的周期性條干不勻，因此，推測(cè)紗線強(qiáng)力的周期性波動(dòng)與紗線條干無明顯相關(guān)性。在紗線條干變化穩(wěn)定的前提下，紗線強(qiáng)力有明顯的周期性波動(dòng)，可能是因?yàn)榍凹徝蘩w維原料混合不夠均勻。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)單紗強(qiáng)伸性能測(cè)試方法對(duì)純棉高支紗的不適應(yīng)性，本研究提出一種大容量連續(xù)采樣測(cè)試法，測(cè)定樣品斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力CV、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂伸長(zhǎng)率CV、強(qiáng)伸性能直方圖、強(qiáng)伸性能散點(diǎn)圖、斷裂強(qiáng)力波譜圖，對(duì)現(xiàn)行方法進(jìn)行補(bǔ)充完善。在對(duì)相同規(guī)格的高支純棉紗開展的強(qiáng)伸性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，大容量連續(xù)采樣測(cè)試法表現(xiàn)出更為穩(wěn)定可靠的測(cè)試精度，同時(shí)能從不同角度對(duì)試樣強(qiáng)伸性能開展更為充分的評(píng)價(jià)，與實(shí)際織造生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象具有較高的一致性。綜上，本研究提出的方法對(duì)于純棉高支紗的生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。