多重集聚紡紗結構成形機制及其針織物性能

劉可帥， 江 偉， 楊圣明， 郭維琪， 夏治剛， 倪俊龍， 徐衛林(. 武漢紡織大學 新型紡織材料綠色加工及其功能化教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430073； . 安徽華茂集團有限公司， 安徽 安慶 4608)

紡紗工序是整個紡織工業的基礎和關鍵環節，紡紗環節所生產紗線的質量直接決定紗線的后續加工，如織造效率以及布面效果等[1]。迄今為止，大部分短纖維紗線的紡制都是通過傳統環錠紡技術來實現的。傳統環錠紡是由錠子和鋼領、鋼絲圈進行加捻，由羅拉進行牽伸的一種機械紡紗方法，加捻時，前羅拉鉗口處的須條圍繞自身軸線回轉，須條寬度逐漸收縮，兩側逐漸卷入紗條中心，形成加捻三角區[2]。由于加捻三角區的存在，加捻過程中須條內各纖維的應力應變分布不均勻，內外層纖維由于動態壓力差而不斷發生內外轉移，當纖維轉移到表層時，由于自身剛性作用，若沒有足夠大的力使其重新彎向紗芯就會裸露在紗線表面[3]，在一定程度上影響了紗線的物理機械性能，如單紗強力、纖維強力利用率等，更明顯的作用是紡紗三角區造成了纖維的兩端不能很好地被捻入紗中而形成毛羽，這也是目前環錠紗毛羽問題不能得到根本解決的關鍵。紗線毛羽影響染色布的外觀質量，形成橫檔疵點。紗線上的毛羽在后道各工序因受摩擦而脫落，形成飛花污染環境，危害人體健康，也會產生新的疵點使紗線及織物質量下降。本文為解決多毛羽傳統環錠紗針織困難、常規集聚紡紗線織物手感硬等問題，建立了串聯半開放式多重集聚紡紗方法，分析其紡紗機制和結構成形特征，為高檔針織產品的紡紗技術開發提供參考。

1 多重集聚紡成紗機制及結構解析

1.1 多重集聚紡成紗機制

紡紗三角區是產生毛羽的重要部位，為消除紡紗三角區，減少毛羽，通常對纖維須條進行集聚，即扁平的須條從前羅拉輸出時受到快速聚攏作用、須條寬度收縮，集聚收縮后的須條內部纖維排列平順、緊密，然后再進行加捻成紗[4]，從而形成了普通集聚紡紗技術。目前國內外已成熟的集聚紡紗技術雖然形式各異，但共同點在于采用氣流收縮牽伸輸出區的須條寬度，消除紡紗三角區，一次性完全集聚纖維須條[5]。與傳統環錠紡紗技術相比，普通集聚紡紗技術原理決定了集聚紗的成紗結構致密，內部纖維排列平直度和取向度高，外露毛羽少，紗線表現出光潔、高緊密度、高硬挺度、高強等性能特征[6]。一次性完全集聚纖維須條要達到高緊密度、高硬挺度成紗特征，導致技術耗能大，終端織物面料手感硬[7-8]，破壞了紡織品的柔韌性能優勢。針對上述技術原理不足，我們提出了多重集聚成紗原理(見圖1)。

圖1 多重集聚紡紗重集聚示意圖Fig.1 Schematic diagram of multiple agglomerate spinning

多重集聚紡紗是采用半開放式多集聚串聯對成紗三角區進行遞進式重塑成紗三角區，以實現優化合理的集聚紡紗方法。具體是采用整纖器在主牽伸區對須條進行左右方向的預集聚，既有效控制須條邊緣纖維，又不破壞傳統環錠加捻三角區加捻成紗功能；運用滾動槽輪集聚裝置在紡紗三角區對加捻須條進行左、右、上各向的集聚，在保證三角區加捻時紗條表面纖維第一時間受到動態滾動摩擦式集聚；最后利用自調節重集聚壓盤裝置在紡紗段對加捻紗條表面的纖維進行上、下方向的調整集聚，在壓片自重調節機制作用下，紗體表面纖維包纏緊度得到進一步全面提高。這種半開放式多集聚遞進實施的方法，決定重集聚紡紗線與傳統環錠紡、集聚紡紗線之間產生結構特征差異。

1.2 多重集聚紡成紗結構特征解析

圖2為多重集聚紡紗重塑成紗三角區示意圖。預集聚裝置合理集聚纖維須條邊緣纖維，有效控制須條邊緣纖維，使得邊緣纖維成為毛羽的概率下降，可降低成紗毛羽，同時又保留了加捻三角區，紗條主體仍舊呈纖維內外轉移式加捻抱合成形，紗體內部保持傳統環錠紡紗線的柔軟結構。

圖2 多重集聚紡紗重塑成紗三角區示意圖Fig.2 Graph of multiple agglomerate spinning remodel spinning triangle

槽輪集聚裝置在紡紗三角區對加捻須條進行左、右、上、下各向的集聚，將紗條表面的外露纖維頭端動態預包纏在紗體上；預包纏有纖維頭端的紗體進入自調節重集聚壓盤裝置，有效提高纖維頭端包纏緊度。最終紗線結構表現出內部柔軟、外層緊密包纏的特征，紗線對應的織物彎曲性能更佳、懸垂性好。

2 試驗部分

2.1 紗線制備及性能測試

為驗證機制分析和結構預測結果，采用相同粗紗(線密度為624 tex)在F1508型細紗機上紡制JC11.8 tex純棉傳統環錠紡紗線、普通集聚紡紗和多重集聚紡紗線。然后用村田No21C-S型絡筒機絡筒，得到筒紗。

使用YG172毛羽測試儀、長嶺YG063T全自動單紗強力儀、USTER TESTER5烏斯特條干儀，分別采用GB/T 398—2008《棉本色紗線》、FZ/T 01086—2000《紗線毛羽測定方法投影計數法》檢測紗線毛羽、強力、條干。

2.2 針織物制備

針織用紗的質量直接影響針織布面的質量，針織廠為準確評判紗線的質量對針織布面的影響，一般會將紗線織成平紋織物，染色后對布面進行質量評定，因此，我們將不同條件下的筒紗通過針織加工成織物并進行染色，對針織織物的織物性能及其染色性能進行一系列的評價。

針織織造采用福源針織圓機制備的平針織物，規格見表1。

2.3 針織物性能測試

將3種針織物面料采用立信溢流小染機M/C NO型并在同一條件下進行染色。采用數碼電子顯微鏡通過放大相同的倍數測試織物表面風格[9-11]。

表1 織物參數Tab.1 Fabric parameters

采用YG502織物起毛起球儀，參照 GB/T 4802.2—2008《紡織品 織物起球試驗 馬丁代爾法》對織物抗起毛起球性進行表征。

采用YG461E型數字式織物透氣量儀，根據GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》測試織物透氣性，測試參數為：壓差100 pa；試樣直徑定值圈為60 mm。

采用YG601H型電腦織物透濕儀，根據GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》測試各織物的透濕性。

采用YG811F電腦式織物懸垂儀，根據FZ/T 01045—1996《織物懸垂性試驗方法》，利用傘式法進行測試[12-14]。測試工藝參數為：溫度20 ℃， 濕度60%，旋轉速度30 r/min。

采用電子數顯卡尺測量織物壓彈性，每塊試樣30層，加壓法碼1 kg。

采用Colori7電腦測色配色系統進行測試表觀染色深度(K/S值)。測試參數：光譜范圍為360～750 nm,波長間隔為10 nm，廣度解析度為0.001%。

3 結果分析

3.1 紗線性能及結構對比分析

紗線性能如表2所示。

表2 紗線基本性能Tab.2 Yarn properties

由表可見，多重集聚紡紗線相比較傳統環錠紡紗管紗3 mm毛羽下降約54%，相比較普通集聚紡毛羽降低約28%，多重集聚紡筒紗3 mm毛羽根數相比較傳統環錠紡減少49.7%，相比較負壓普通集聚紡紗線3 mm毛羽減少18.4%，并對紗線進行掃描電鏡放大30倍拍攝。傳統環錠紡、多重集聚紡和普通集聚紡紗線的掃描電鏡SEM照片如圖3所示。

圖3 環錠紡、多重集聚紡和普通集聚紡紗線SEM照片Fig.3 SEM photo of ring(a), multiple condensed(b) and conventional compact (c)spun yarns

為分析紗線SEM圖像毛羽，根據下式進行計算。SEM圖像中纖維毛羽化百分比H：傳統環錠紡為33.5%，多重集聚紡為3.4%，普通集聚紡為9.1%。經放大30倍后可看出，多重集聚紡紗線纖維排列有序，纖維伸出紗線主干少，多重集聚紡紗線毛羽少，紗線表面較光潔。

式中：H為纖維毛羽化百分比；nH為毛羽化纖維根數；nT為單股紗線纖維總根數。

3.2 織物表面風格對比分析

圖4示出3種紗線織物染色后表面形貌照片。

圖4 染色布效果照片Fig.4 Picture of color fabric. (a)Ring yarn； (b)Multiple condensed；(c)Compact yarn

從圖4可以清楚地看出織物表面毛羽數為：多重集聚紡<普通集聚紡<傳統環錠紡，多重集聚紡紗線表面結構致密，是用機械的辦法對紗線表層纖維定向的集聚和逐步收攏，所以紗線表面纖維更耐磨，而普通集聚紡織物表面相對于傳統環錠紡織物表面較清晰光潔且毛羽較少，是由于普通集聚紡紡紗線中的纖維受氣流的收縮和集合作用，紗線內外層纖維均縮緊，整體成紗結構致密，在織造過程中普通集聚抗彎折性能不如多重集聚紡，所以多重集聚紡織物外觀更光潔些，毛羽更少一些。因此，3種針織物面料表面對比結果為：多重集聚紡紗線制得的針織面料表面光潔、毛羽較少。

3.3 織物抗起毛起球性分析

表3示出不同種類紗線制成針織物的抗起毛起球性能對比。可看出：多重集聚紡針織物抗起毛起球性能相比同條件下的傳統環錠紡提高1級，相比普通集聚紡針織物提高0.5級；多重集聚紡紗針織布的抗磨損強度要明顯好于傳統環錠紡和普通集聚。圖5示出織物起毛起球的布面效果圖。由圖可看出，多重集聚紡針織面料具有較好的抗起毛起球性能。

表3 色織物抗起毛起球測試結果Tab.3 Color fabric against pilling test results

圖5 起毛起球后布面外觀照片Fig.5 Picture of color fabric after fuzzing and pilling.(a) Ring yarn cloth; (b)Multiple condensed yarn fabric; (c)Compact yarn fabric

從圖5中磨后的3塊織物可直觀地看出，多重集聚紡針織面料的抗起毛起球性能優于其他2塊針織物，由于多重集聚紡針織物表面較光潔，毛羽少，多重集聚紡紗線編織的針織物在與磨料摩擦時，纖維不易從紗線中抽拔出，紗線結構不易解體[15]，起毛數相對較少，而起球是在起毛的基礎上形成的，因而起球也就相對較少。

3.4 織物透氣性及透濕汽性分析

多重集聚紡針織布相比較普通集聚紡針織布和傳統環錠紡針織布透氣性要好，究其原因是由于多重集聚紡的紗線內部纖維排列較為松散，類似于傳統環錠紡紗線的內部結構，而傳統環錠紡針織布的透氣性要好于普通集聚紡針織物，說明在透氣性方面紗線內部結構柔軟占主要條件。色織物透氣性能結果見表4。由表可知，2種類針織布的透氣性相差不多，傳統環錠紡針織布透氣性稍微好點，加捻三角區是纖維內外轉移的關鍵，纖維的內外轉移是紗線結構緊密、牢固的基礎。而普通集聚紡技術由于基本上消除了加捻三角區，因而紗線結構緊密會差點，然而普通集聚的氣流集聚作用使得纖維集合更緊密，毛羽減少，織物更加緊湊，因而透氣性能就會略低于傳統環錠紡針織物。

從表4可看出，多重集聚紡紗織物透氣性為790.3 mm/s，相比較同線密度的傳統環錠紡和普通集聚紡針織布透氣性能為最佳。表5示出不同種類紗線制成針織物的透濕氣性能指標。從表可看出，多重集聚紡紗針織物透濕量為3 080 mm3/s，高于傳統環錠紡和普通集聚紡針織物，表明多重集聚紡針織布透濕氣量為最好。

表4 色織物透氣性能測試結果Tab.4 Test results of permeability of color fabrics

表5 色織物透濕性能測試結果Tab.5 Color fabric moisture permeability results

由表5可明顯看出，多重集聚紡針織布的透濕性能優于普通集聚紡和傳統環錠紡織物，透濕性主要由紗線纖維毛羽化指數決定[16]，纖維間形成的毛細效應好，因而織物導濕性能好，從而織物透濕性能好。

3.5 織物懸垂性測試分析

表6示出不同種類針織面料的懸垂性測試結果。可看出，多重集聚紡紗針織布懸垂性優于普通集聚紡和環錠紡，多重集聚紡紗針織布柔軟性最好。由表分析可知，傳統環錠紡針織物的懸垂系數最小，懸垂性優于集聚紡和多重集聚紡針織物，紗線彎曲剛度與織物懸垂系數之間具有很好的相關性[17-18]。傳統環錠紡紗線中的纖維與紗軸呈固定角度，纖維在紗中運動受限，但也可以部分移動，所以紗線彎曲剛度較低；而普通集聚紡紗線因其結構緊密， 纖維排列有序性好，纖維在紗線中的可運動性能較差，紗線在外力作用下較難彎曲，因而集聚紡針織物懸垂性較差。多重集聚紡介于普通集聚紡和傳統環錠紡之間，有比較適中的懸垂性。

表6 色織物的懸垂性結果Tab.6 Test results of drape of colored fabric

3.6 織物壓縮回彈性測試分析

表7示出不同種類紗線制成針織物的壓縮彈性指標，壓縮回彈率按下式計算：

式中：N為織物壓縮回彈率；H0為加砝碼之前織物的高度；H1為5 min之后拿開砝碼的高度；H2為砝碼壓在織物上5 min的高度。

表7 色織物壓縮彈性測試結果Tab.7 Test results of fabric compression resilience

壓縮回彈性是指織物在厚度方向的壓縮回彈性能，與手感風格中的蓬松豐滿度、表面的滑糯性有關，加壓前多重集聚紡最高，說明多重集聚紡針織布蓬松性能最好，織物壓縮回彈率多重集聚紡針織布為最佳，這是因為多重集聚紡紗線有外緊內松的紗線結構。而負壓普通集聚紡針織物壓縮回彈性率最低，主要是由于負壓普通集聚紡紗線結構外緊內緊，織物在厚度方向較硬，壓縮回彈性差。

3.7 織物的染色性能的對比分析

傳統環錠紡、普通集聚紡、多重集聚紡的K/S值分別為18.973、18.590、19.029。在同種染色工藝條件下，多重集聚紡針織布K/S值最高，說明多重集聚紡針織布染色性能高于傳統環錠紡和普通集聚，這是由其外緊內松的結構造成的多重集聚紡紗線的吸水性和保水性能較好，對染料有比較好的吸附性能[18]。

4 結 論

紗線結構與針織物性能密切相關[19]，由于多重集聚紡筒紗3 mm毛羽根數相比較傳統環錠紡減少49.7%，相比較負壓普通集聚紡紗線3 mm毛羽減少18.4%，多重集聚紡紗線表面毛羽較少，紗線外層緊密，內部結構疏松，多重集聚紡下的少毛羽紗線對針織物有比較好的優勢，所以多重集聚紡針織物表面較清晰光潔且毛羽較少，多重集聚紡抗起毛起球性、透氣性、透濕性、壓縮回彈性、染色性能都比傳統環錠紡和普通集聚要好，多重集聚紡紗的懸垂性介于傳統環錠紡和普通集聚紡之間，多重集聚紡紗線能更好地應用于高檔針織產品。

FZXB

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