木棉纖維混紡紗中纖維的徑向分布規律

周夢嵐，王府梅，2

(1.東華大學紡織學院，上海 201620;2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

纖維的性質及其紡紗工藝因素影響纖維在紗中的內外轉移規律。為揭示木棉纖維在環錠紗中的內外轉移規律，需要研究木棉纖維在混紡紗橫截面內的徑向分布。一般，混紡紗中各組分纖維在紗截面徑向所處的位置及其分布數量不是均勻一致的，由于纖維應力應變性能和表面摩擦性能等不同，某些纖維可能優先分布在外層，而另一些纖維可能優先分布在內層［1］。對于木棉混紡交織織物，很多性能取決于木棉纖維含量，特別是木棉纖維在紗線中的內外分布規律，因為木棉纖維是天然超細和高中空纖維，其纖維中空度為80% ～90%［2］，是良好的保暖纖維，并且具有抑菌驅螨特性。若木棉纖維較多地分布在紗線的表層，其織物觸感柔軟溫暖，抑菌驅螨特性突出，視覺風格新穎。但是，至今鮮有關于木棉混紡紗中纖維徑向分布規律的研究報道，原因除了木棉纖維的整體研究滯后以外，還存在如下技術難度:紗線中各根木棉的中空保持程度不一，導致木棉體積密度不是常量;采用漢密爾頓轉移指數的傳統計算方法無法計算木棉纖維的內外分布指標。

本文比較了多種定量研究多孔網絡、顆粒尺寸的圖形處理軟件［3－5］，在此基礎上，提出借助Photoshop軟件，通過像素法確定木棉纖維的橫截面面積，該方法既直觀、準確、快速，又避開了使用木棉纖維體積密度。木棉纖維在紗中的內外分布規律，還取決于混紡的其他纖維特性，本文主要研究目前常見的木棉與棉及粘膠混紡紗中各種纖維的內外轉移規律，實踐證明這些纖維混紡能夠優勢互補，其產品是近年市場上受歡迎的品種。

1 測試方法研究

1.1 試樣制作

為更清晰地分辨紗中的不同纖維，本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝紗線的橫截面照片，用于測試分析各種纖維在紗中的分布規律。首先用羊毛包覆紗試樣裝入哈氏切片器制作橫截面切片，用于拍攝紗線橫截面圖像。實際也可用生物顯微鏡拍攝紗線橫截面照片，只要運用液氮脆斷法制作橫截面切片，不引起紗線變形即可。

每次裝入哈氏切片器切片的試樣是隨機選取的3～4段紗，用羊毛纖維分離包覆后放入哈氏切片器，對每段紗樣選取1個清晰切片拍攝SEM照片，對每種紗樣保證制得分別來自10段紗的10個清晰切片。

1.2 傳統漢密爾頓轉移指數分析法

傳統的漢密爾頓(Hamilton)轉移指數分析法［6］是根據紗線截面切片的顯微照片將紗截面分成5個等間距的同心圓(或橢圓)，即將紗體分成從內到外的若干層。通過統計紗線截面中各層的根數，假定體積密度恒定，由各種纖維的平均線密度值和體積密度值，將根數換算成纖維的面積，從而計算出各層纖維的面積相對于最中1層的分布矩、纖維均勻分布時的分布矩、最大向外分布矩及最大向內分布矩。

根據漢密爾頓轉移指數的定義式(1)～(4)求取各纖維的轉移指標，其中:MA為A纖維的面積相對于最中間一層的分布矩;MU為A纖維均勻分布時的分布矩;M0為最大向外分布矩(即將所有A纖維的截面積依次填入最外層，多余的填入次外層……直至填完);M1為最大向內分布矩(即將所有A纖維的截面積依次填入第1層，多余的填入第2層直至填完);SA為A纖維的總面積;S總為各種纖維的面積之和;Min和Mout分別為向內和向外轉移指數。

漢密爾頓轉移指數的范圍:100%≤Min≤0，而100%≥Mout≥0。若A纖維的Min＜0，表明A纖維優先向內轉移;若A纖維的Mout＞0，表明A纖維優先向外轉移。

1.3 Photoshop像素法

傳統的漢密爾頓轉移指數分析法用于木棉混紡紗時存在的問題是纖維面積計算困難，由于木棉纖維是高中空纖維，紗中纖維中空度或橫截面形態會發生改變，導致紗中木棉纖維的橫截面積測量計算非常困難，即通過根數、徑向尺寸和體積密度三者之間的關系來確定木棉纖維面積并不合理，因此，本文對此進行改進，利用Photoshop軟件對紗截面中的纖維進行分類［7］，并采用Photoshop像素法換算出不同纖維的面積［8－9］，進而計算其漢密爾頓轉移指數M，具體方法如下。

1)圖1示出Photoshop處理前后紗橫截面的SEM照片。以圖1(a)為例，采用Photoshop軟件處理紗截面切片的圖像，以圓為紗的邊界，先畫出紗的外輪廓線再選定紗心，然后以半徑五等分作外輪廓線的相似形線，作5個同心圓，將紗的橫截面分成5個圓環，即將紗體分為5層同心圓管。

2)用Photoshop軟件，將SEM照片的3種纖維分別用黑灰混合色、黑色和灰色進行標記，黑灰混合色代表A纖維(木棉纖維)，黑色代表B纖維(粘膠纖維)，灰色代表C纖維(棉纖維)，如圖1(b)所示。標記完成后，各層中纖維的實際分布情況如圖2所示。

圖1 Photoshop處理前后的紗橫截面SEM照片Fig.1 Cross section SEM images of yarns before(a)and after(b)Photoshop treatment

圖2 各圓環層中的纖維分布圖Fig.2 Schematic diagrams of circle layers.(a)The first layer;(b)The second layer;(c)The third layer;(d)The fourth layer;(e)The fifth layer

3)通過像素法分別獲取落入第i層圓環中各纖維的面積 SAi、SBi、SCi，即通過 Photoshop 直方圖功能求取第i層圓環中3個顏色的像素點數，如表1所示。具體操作如下:打開 Photoshop軟件，點擊窗口→直方圖→選中目標圖層→選中目標顏色→獲取選中圓環中選中顏色纖維的像素點數。表1中像素點數的測試條件是纖維橫截面最外圓的半徑為6.95 cm、分辨率為68.11像素/cm。單根纖維橫截面的像素點數不但與纖維粗細和放大倍數有關，還與系統的分辨率有關。

表1 3種纖維像素分布Tab.1 Pixel distributions of three fibers 像素

橫截面積最小的單根木棉纖維一般占603個像素點數，所以，該法求纖維橫截面的精度高于現行直徑測試方法，其更大優勢在于可以測試非圓形纖維的橫截面面積。

4)將表1的像素值直接當做各圓環內各色纖維的面積，利用式(1)～(4)計算轉移指數。原本應該用式(5)將各顏色纖維的像素值轉化為該分辨率下各種纖維的面積，因為利用式(3)～(4)計算轉移指數時，分子、分母各項包含的相同乘除因子相約，此處的圖像放大倍數和由像素到面積的換算都與轉移指數Min和Mout的計算結果無關。

式中:S為某種纖維的面積，cm2;P為該纖維所占像素值;D為分辨率，是測試系統參數。

2 環錠紗中木棉纖維指標測試

纖維的徑向分布是各組分纖維長度、細度、表面摩擦性質等特性共同作用的結果。表2示出試樣的成分及含量。為分析環錠紗中木棉纖維的轉移規律，選取了表中所示的3種常見混紡紗進行漢密爾頓轉移指數的測量計算。制造3種混紡紗時木棉纖維與其他纖維的混纖都在開清棉工序進行，14.58 tex木棉混紡紗所用原棉長度、等級略高于19.67 tex木棉混紡紗。

表2 環錠紗試樣的成分及含量Tab.2 Compositions and contents of ring yarn samples

2.1 木棉纖維的漢密爾頓轉移指數

圖3示出表2中3種木棉混紡紗的典型橫截面。由于紡制的時間不同，紗中木棉纖維的中空度差異明顯，之前紡制的后2種紗中木棉纖維的中空度明顯比較高，而之后紡制的第1種紗中木棉纖維幾乎完全被壓扁。這說明木棉纖維自身具有回復中空的潛能，后整理中如何挖掘這一潛能值得今后探索。

圖3 木棉混紡紗的典型橫截面圖Fig.3 Cross sections of kapok blended yarns

定性觀察每種紗的10個截面后，選出橫截面差異較大的5個典型截面進行定量測試，測得3種混紡紗中木棉纖維的漢密爾頓轉移指數，結果見表3。可看出，與常用的棉及棉型粘膠纖維混紡時，木棉纖維的轉移指數都在20%左右，木棉纖維向紗體表層轉移的趨勢明顯，并且隨著木棉含量的提高，木棉纖維向外轉移的趨勢越來越強。木棉含量為20%時，其漢密爾頓轉移指數是16.2%;當含量為30%時，其漢密爾頓轉移指數是20.7%;當含量增加到40%時，其漢密爾頓轉移指數增加到22.4%。離散系數均在20%以下，小于文獻［10］關于轉移指數的離散系數。

表3 不同紗中木棉的漢密爾頓轉移指數Tab.3 Hamilton migration index of kapok fibers of different blending ratios %

造成以上結果的原因是環錠紗中纖維的內外轉移。在環錠紗的加捻三角區，原本平行排列的纖維因加捻作用使紗外層的纖維張緊，向紗芯擠壓，內層纖維被擠出成為外層纖維，每根纖維都會由外向內、再由內向外反復變換多次位置，而每根纖維的首尾端因無法張緊一般都會被擠出到紗的表層。與棉纖維和粘膠纖維相比，木棉纖維表面光滑［11］、彎曲剛度低、長度短，這些特性都使得木棉纖維被擠出到紗表層的機會更多。

同一種紗線中不同纖維的漢密爾頓轉移指數如表4所示。顯然，木棉纖維的平均轉移指數為20.7%，在混紡紗中的分布呈現向外轉移的趨勢。分析原因，木棉纖維線密度約為棉纖維的一半，彎曲剛度很低，而且纖維比較短、表面光滑，這些特性都使其向外轉移趨勢穩定。粘膠和棉纖維的平均漢密爾頓轉移指數分別為－11.0%和－2.8%，呈現向內轉移趨勢。這說明木棉纖維包覆在紗線外層，粘膠和棉纖維在內層，混紡紗表層更能體現木棉的特性。分析木棉、粘膠、棉等纖維的離散系數可知，木棉、棉纖維轉移情況比較穩定，粘膠纖維需要加大樣本進行進一步的研究。

表4 同一紗中不同纖維的漢密爾頓轉移指數(2#紗線)Tab.4 Hamilton migration index of fibers of the same yarn %

2.2 紗表層的纖維混紡比及木棉纖維分布

紗線表層的木棉纖維含量對木棉混紡紗的外觀和性能影響很大，因此，用表層纖維混紡百分率可很好地表征這個特性。利用轉移指數的測量數據，以紗截面最外層木棉纖維面積SAS占最外層纖維總面積S5的百分比來表示表層木棉纖維混紡百分率 K［10］，計算結果如表5所示。

木棉纖維含量與表層木棉纖維混紡比之間的關系如圖4所示。從中可觀察到表層木棉纖維最高混紡百分率可達79.5%，木棉纖維絕大多數分布在表層。并且隨著木棉含量的增加，表層木棉纖維混紡百分率也逐漸增加，線性擬合后發現2個指標的相關性較高，達0.93。

圖4 各表層木棉纖維混紡比與木棉纖維含量關系圖Fig.4 Surfacial kapok fibers blending ratios vs.kapok fibers contents

同時，實驗中還發現紗中的木棉纖維有集束現象，特別是在紗線的表層，集束現象更明顯。說明梳棉、并條等現行加工并沒能使木棉與其他纖維做到完全的單纖維狀混合，這對用途并無大礙。此外，還發現混紡紗表層木棉纖維的中空結構保持得更加完整，如圖5所示。

圖5 木棉混紡紗全局及局部放大圖Fig.5 Global(a)and local(b)enlargement figures of kapok blending yarn

從以上實驗方法可以看出，采用Photoshop像素法可以定量測試、計算木棉/棉混紡紗的混紡比、粘膠/棉混紡紗的混紡比等。

3 結論

利用Photoshop軟件，可直接觀察和定量測試紗橫截面內各種纖維的面積，包括非圓形纖維的橫截面面積，并且快速、準確，進而可以定量測試木棉纖維在紗中的徑向分布或轉移規律、混紡比等特性。針對木棉纖維在環錠紗中的徑向分布等紗的結構特征，得到如下結論。

1)在目前常見的混紡紗內，木棉纖維有向紗的表層轉移的趨勢，木棉纖維的漢密爾頓轉移指數達20%左右，并且隨著木棉含量增加，木棉纖維向外轉移程度增加。這使得紗表層的木棉混紡百分率大于平均混紡百分率，并且隨著木棉含量的增加，紗表層木棉纖維混紡百分率在線性增加。這是木棉纖維偏短、表面光滑、柔軟等性能聯合作用的結果。

2)在木棉/粘膠/棉混紡紗中，木棉纖維向紗的表層轉移的趨勢最強，棉型粘膠纖維向紗芯轉移的趨勢最強。

3)混紡紗中，木棉纖維有成束現象，即在開清棉工序混纖的混紡紗中木棉與其他纖維并未達到單纖維完全混合狀態。成紗后放置時間越久，紗中木棉纖維的中空度越高，木棉自身具有回復中空的潛能。環錠紗表層的木棉纖維中空度保持得更高。

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