棉結(jié)在靜電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

曹繼鵬，孫鵬子

(遼東學(xué)院，遼寧丹東 118003)

將靜電技術(shù)應(yīng)用于紡織領(lǐng)域，已有幾十年的歷史［1］。早在 20 世紀(jì) 60 年代，J.Shaw［2］就提出了在自由端紡紗中用靜電力運(yùn)送、定向和凝集纖維的設(shè)想。靜電技術(shù)應(yīng)用在梳理方面的研究，很早有過文獻(xiàn)記載［3］，但該文獻(xiàn)并沒有詳細(xì)論述。在文獻(xiàn)［4－5］中，對(duì)靜電紡紗過程中纖維與電場(chǎng)間的相互作用、纖維所受電場(chǎng)力及其運(yùn)動(dòng)等方面進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。文獻(xiàn)［6］介紹了利用非均勻靜電場(chǎng)來分離纖維的研究，實(shí)驗(yàn)裝置是由美國新奧爾良市的南方地區(qū)研究室(SRRL)設(shè)計(jì)，通過改變2個(gè)電極板其中一個(gè)的形狀(即改變曲率)，進(jìn)而改變不同區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度來使長(zhǎng)短纖維得到分離。前蘇聯(lián)學(xué)者［7］從實(shí)驗(yàn)和理論上對(duì)靜電場(chǎng)纖維充電動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。國內(nèi)學(xué)者張渠等［8－9］對(duì)纖維在電場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)過程及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究，在討論電場(chǎng)空間分布的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維在進(jìn)入電場(chǎng)前后的幾種帶電方式、帶電量及其變化規(guī)律進(jìn)行論述，并引入纖維重力及輸送纖維的氣流力加以分析，最后導(dǎo)出纖維在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程組。文獻(xiàn)［10－13］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在梳棉機(jī)上加裝靜電型棉網(wǎng)清潔器，在電壓和靜電板與錫林隔距恰當(dāng)?shù)臈l件下，可以使生條的質(zhì)量得到改善，其中生條中纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)的含量都有不同程度的降低。但是隨著實(shí)驗(yàn)條件的改變，電壓和隔距的設(shè)置也要隨之發(fā)生變化，才能充分發(fā)揮出靜電型棉網(wǎng)清潔器的作用。棉結(jié)通常分為纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)，根據(jù)Hebert等［14］的研究，棉結(jié)中有13% ～27%的籽屑(即帶籽屑棉結(jié))，與纖維棉結(jié)相比，帶籽屑棉結(jié)在加工過程中不容易被去除，并且會(huì)影響紗線和織物的品質(zhì)。為進(jìn)一步探討靜電型棉網(wǎng)清潔器去除棉結(jié)的機(jī)制，本文通過自制靜電裝置，對(duì)棉結(jié)在靜電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示不同類型棉結(jié)脫離極板的電壓范圍是不同的，棉結(jié)在靜電場(chǎng)中起飛場(chǎng)強(qiáng)與樣品aQura棉結(jié)平均直徑呈正相關(guān)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及條件

實(shí)驗(yàn)原料為山東棉，原料aQura棉結(jié)檢測(cè)結(jié)果為:棉結(jié)總含量為 324粒/g，平均直徑為771μm，其中纖維棉結(jié)含量為271粒/g，直徑為675μm，帶籽屑棉結(jié)含量為53粒/g，直徑為1 258μm。生條在改造的A186F型梳棉機(jī)上加工而成，蓋板踵趾差為0.56 mm，錫林速度為350 r/min，道夫速度為30 r/min。并條工序在A272F型并條機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程中溫濕度均保持恒定。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用自制的實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1)，從原棉、棉卷、生條、一并條和二并條每類實(shí)驗(yàn)樣品中分別用鑷子隨機(jī)取出10個(gè)纖維棉結(jié)和10個(gè)帶籽屑棉結(jié)，逐一放入靜電場(chǎng)的下極板上(靜電場(chǎng)兩極板隔距固定為100 mm)，然后緩慢調(diào)節(jié)靜電壓，觀察棉結(jié)的起飛情況，并記錄起飛時(shí)的電壓值。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Experiment device diagram

1.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在逐漸升高靜電壓的過程中發(fā)現(xiàn)，棉結(jié)在起飛前要完成一個(gè)充電過程，如果電壓升高過快，會(huì)造成一下子超過棉結(jié)起飛的電壓，棉結(jié)將會(huì)在起飛后做上下跳躍運(yùn)動(dòng)，這時(shí)的起飛電壓值將不準(zhǔn)確。因此實(shí)驗(yàn)過程中要求緩慢提升電壓，使棉結(jié)正好達(dá)到起飛即可，這時(shí)棉結(jié)靜電力恰好能克服重力而起飛，一般起飛后將側(cè)移到極板的邊緣或貼附在封閉絕緣罩殼上。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 棉結(jié)在靜電場(chǎng)中起飛的電壓值

將不同種類樣品中取出的纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)分別放置在靜電場(chǎng)中，記錄其起飛時(shí)的電壓值，結(jié)果見表1。

表1 取自不同樣品的纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)在靜電場(chǎng)中起飛時(shí)的電壓值Tab.1 Voltage of fiber neps and SCNs from different sam ples when they take off from electrostatic plate kV

2.2 棉結(jié)起飛電壓值及對(duì)應(yīng)直徑

對(duì)10次起飛的電壓值范圍進(jìn)行了匯總并求其均值，根據(jù)均值求出對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)值。同時(shí)對(duì)每種試樣都用印度Premier aQura棉結(jié)和短纖維測(cè)試儀對(duì)其中的纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)的直徑進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表 2、3。

表2 纖維棉結(jié)在靜電場(chǎng)中起飛的相關(guān)參數(shù)Tab.2 Related parameters of fiber nepswhen taking off from electrostatic plate

表3 帶籽屑纖維棉結(jié)在靜電場(chǎng)中起飛的相關(guān)參數(shù)Tab.3 Related parameters of SCNswhen taking off from electrostatic plate

2.3 不同類型的棉結(jié)形態(tài)

圖2示出生條和棉卷中纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)的圖像。可以看出，棉卷中的纖維棉結(jié)要比生條中的纖維棉結(jié)大一些，棉卷中的帶籽屑棉結(jié)也要比生條中的帶籽屑棉結(jié)大一些，這與分梳差異有關(guān)。生條和棉卷中帶籽屑棉結(jié)都要比纖維棉結(jié)大一些，以上結(jié)果與aQura棉結(jié)尺寸檢測(cè)結(jié)果相吻合。

3 棉結(jié)在靜電場(chǎng)中的充電機(jī)制

3.1 棉結(jié)在靜電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)形式

棉結(jié)的幾種運(yùn)動(dòng)形式如圖3所示。電極充電時(shí)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度不同，棉結(jié)將有各種不同的運(yùn)動(dòng)形式。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，盡管棉結(jié)可以飛離極板，但是并不能到達(dá)上極板便開始下落，在下落過程中會(huì)黏附在罩殼側(cè)面的板上(見圖3中b)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，棉結(jié)將會(huì)在兩極板間飛越，由于與電極接觸，因此剩余電荷的符號(hào)改變(見圖3中a);當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，棉結(jié)未飛抵到對(duì)面的電極，棉結(jié)上附著的纖維就可能重新充電，并改變方向而飛向相反的一面，這樣一直在電場(chǎng)中反復(fù)跳躍運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎成一直線狀態(tài)(見圖3中c)。當(dāng)“棉結(jié)小核”(指除去棉結(jié)周圍附著的纖維后剩余的實(shí)心棉結(jié)部分)離極板非常近或貼近極板時(shí)，棉結(jié)可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間在電場(chǎng)中的充電狀態(tài)，或者在原地附近做左右的擺動(dòng)而不脫離電極(見圖3中d和e)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定條件下，也可能同時(shí)出現(xiàn)2種類型的棉結(jié)運(yùn)動(dòng)形式。

3.2 棉結(jié)充電機(jī)制

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，棉結(jié)主要依靠周圍附著纖維充電后運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)而起飛，因而棉結(jié)的充電機(jī)制可以借助纖維充電機(jī)制來分析。原蘇聯(lián)動(dòng)力學(xué)院高壓實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果［7］，可以說明關(guān)于纖維與電極接觸時(shí)充電機(jī)制的可能，如圖4所示。

由圖4可看出位于電極上且部分按電場(chǎng)方向定向的纖維上的自由電荷發(fā)生分離的情況。與電極極性相同的電荷q1集中到遠(yuǎn)離電極的一端上，而相反符號(hào)的電荷q'2集中在靠近電極的纖維端上(圖4中的a)。由于纖維和電極間接觸的存在，而且電極的電導(dǎo)率比纖維的電導(dǎo)率要低一些，使電荷q'2部分中和而達(dá)到q2值(圖4中的b)。電場(chǎng)力作用于這時(shí)形成的纖維剩余電荷(q1－q2)上，即Fk=(q1－q2)·E0。此時(shí)，電荷q2誘發(fā)力F(鏡像力)，此力指向電極的一側(cè)，并與重量G一起使纖維保持在電極上，滿足關(guān)系式F+G=Fk。當(dāng)q2由于在貼近電極的纖維端上部分電荷的中和而進(jìn)一步減少時(shí)，F(xiàn)減小，而Fk增大，使力的平衡破壞，因此纖維脫離電極。

電極充電過程中產(chǎn)生q1和q2的現(xiàn)象，使電極上纖維具有很大的伸直度并按電力線的方向定向，并使纖維以很大的速度脫離電極。

圖2 生條和棉卷中的纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)Fig.2 Fiber neps and SCNs from card sliver and cotton lap.(a)Fiber nep of card sliver;(b)Fiber nep of cotton lap;(c)SCN of card sliver;(d)SCN of cotton lap

圖3 棉結(jié)的幾種運(yùn)動(dòng)形式Fig.3 Severalmovement types of nep

圖4 纖維電極充電機(jī)理Fig.4 Fiber electrode chargingmechanism

基于以上分析，當(dāng)“棉結(jié)小核”與電極板接觸或距離很近時(shí)，將會(huì)阻止棉結(jié)上纖維充電時(shí)q2上電荷的減少，進(jìn)而阻止Fk增大，使其不容易飛離電極，要使其飛離電極就需要繼續(xù)增加電壓。因而，附著纖維較多的棉結(jié)在靜電場(chǎng)中更容易起飛，也將容易被靜電型棉網(wǎng)清潔器去除。有研究表明，對(duì)于帶籽屑棉結(jié)而言，附著纖維越少的在紡紗過程中越容易被去除［15］。因此從某種意義上來講，這種靜電型棉網(wǎng)清潔器的應(yīng)用將很好地解決了附著纖維多的帶籽屑棉結(jié)不易被去除的問題。

4 結(jié)果與分析

4.1 纖維棉結(jié)起飛所需場(chǎng)強(qiáng)

由表2可看出，在原棉、棉卷、生條、一并條和二并條5種材料取出的纖維棉結(jié)中，起飛時(shí)場(chǎng)強(qiáng)均值最小的是生條中纖維棉結(jié)，為0.146 kV/cm，二并條和一并條中纖維棉結(jié)起飛場(chǎng)強(qiáng)稍大些，分別為0.162、0.178 kV/cm，原棉和棉卷中纖維棉結(jié)起飛的場(chǎng)強(qiáng)最大，分別為0.196和0.205 kV/cm。其原因是原棉和棉卷中的棉結(jié)未經(jīng)過梳理工序，棉結(jié)比較僵硬，不利于完成充電。同時(shí)原棉和棉卷中棉結(jié)的直徑也大一些，分別為675和699μm，這也是5類材料中最大的。生條和一并、二并條相比，一并和二并條中纖維棉結(jié)起飛場(chǎng)強(qiáng)增大，棉結(jié)平均直徑也增大，在數(shù)量上相差不多，這說明生條經(jīng)過并條工序后，在纖維棉結(jié)數(shù)量上沒有發(fā)生大的變化。

4.2 帶籽屑棉結(jié)起飛所需場(chǎng)強(qiáng)

由表3可看出，在原棉、棉卷、生條、一并條和二并條5種材料中取出的帶籽屑棉結(jié)中，起飛時(shí)場(chǎng)強(qiáng)均值最小的是一并條中的帶籽屑棉結(jié)，為0.175 kV/cm，依次是二并條和生條中帶籽屑棉結(jié)，分別為0.183和0.186 kV/cm，原棉和棉卷中帶籽屑棉結(jié)起飛的場(chǎng)強(qiáng)最大，分別為0.249和0.263 kV/cm。其原因也是原棉和棉卷中的棉結(jié)未經(jīng)過梳理工序，棉結(jié)比較僵硬，同時(shí)帶籽屑棉結(jié)的直徑也很大，分別為1 258和1 282μm，這也是5類材料中最大的。生條和一并、二并條相比，一并和二并條起飛場(chǎng)強(qiáng)變小，但幅度并不很大，這是和纖維棉結(jié)變化趨勢(shì)的不同之處，棉結(jié)平均直徑同樣在增大，數(shù)量上要比生條中的帶籽屑棉結(jié)有較大幅度的降低，這說明生條經(jīng)過并條工序后，在帶籽屑棉結(jié)數(shù)量上有明顯降低趨勢(shì)，這不同于纖維棉結(jié)數(shù)量的變化趨勢(shì)。

4.3 棉結(jié)起飛場(chǎng)強(qiáng)與其直徑的相關(guān)性

使用SPSS分析軟件［16］，對(duì)5類材料中的纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)在靜電場(chǎng)中起飛時(shí)需要的場(chǎng)強(qiáng)和樣品aQura檢測(cè)的平均直徑做相關(guān)性分析得出，Pearson相關(guān)系數(shù)R=0.903(R2=0.82)，P=0，故認(rèn)為棉結(jié)在靜電場(chǎng)中起飛場(chǎng)強(qiáng)與樣品的aQura檢測(cè)的棉結(jié)平均直徑呈正的直線相關(guān)。

4.4 不同類型棉結(jié)起飛場(chǎng)強(qiáng)的比較

本文實(shí)驗(yàn)中得出:原棉中纖維棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.196 kV/cm，原棉中帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.249 kV/cm;棉卷中纖維棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.205 kV/cm，棉卷中帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.263 kV/cm;生條中纖維棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.146 kV/cm，生條中帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.186 kV/cm;一并條中纖維棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.178 kV/cm，一并條中帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.175 kV/cm;二并條中纖維棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.162 kV/cm，二并條中帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)為0.183 kV/cm。可見，在原棉、棉卷、生條和二并條中的帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)均大于纖維棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)，增加的幅度分別為27.0%、28.3%、27.4%和13.0%;而一并條中二者平均場(chǎng)強(qiáng)相差不大。結(jié)果表明同一材料中的帶籽屑棉結(jié)脫離極板的場(chǎng)強(qiáng)比纖維棉結(jié)要大一些。

5 結(jié)論

1)在靜電場(chǎng)極板隔距為100 mm的條件下，原棉中纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)分別為0.196和0.249 kV/cm;棉卷中纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)分別為0.205和0.263 kV/cm;生條中纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)分別為0.146和0.186 kV/cm;一并條中纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)分別為0.178和0.175 kV/cm;二并條中纖維棉結(jié)和帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)分別為0.162和0.183 kV/cm。

2)棉結(jié)在靜電場(chǎng)中起飛場(chǎng)強(qiáng)與樣品的aQura棉結(jié)平均直徑檢測(cè)結(jié)果呈正的直線相關(guān)。

3)帶籽屑棉結(jié)脫離極板的平均場(chǎng)強(qiáng)大于對(duì)應(yīng)樣品中纖維棉結(jié)脫離極板。

4)棉結(jié)附著纖維的多少影響其在靜電場(chǎng)中的充電時(shí)間和起飛電壓，附著纖維很少的棉結(jié)在靜電作用下更不容易完成充電和起飛，因而在靜電作用下更難被去除。

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