纖維梳理性能的內涵與評價

劉讓同， 李 亮， 劉淑萍， 李淑靜

(1. 中原工學院 服裝學院， 河南 鄭州 710048； 2. 紡織服裝產業河南省協同創新中心， 河南 鄭州 710048；3. 河南省功能紡織材料重點實驗室， 河南 鄭州 710048； 4.中原工學院 紡織學院， 河南 鄭州 710048)

梳理是使纖維集合體中的纖維分離成單纖維狀態、達到伸直取向的主要措施之一。不同纖維的梳理性能存在差異，如何評價其梳理性能是許多學者研究的熱點。目前關于纖維梳理性能的探討大都從應用層面入手，從工藝角度進行描述，如為分析判斷梳棉機的梳理質量，提出用梳理度、梳理力、沖擊力、轉移率等指標進行衡量，同時研究者指出梳理度僅可作為參考指標，不能真實反映梳棉機實際的梳理質量[1-2]。從工藝角度、應用層面描述纖維的梳理性能時，由于各種因素交織在一起，易使評價結果產生不確定性，因此，有必要從理論角度進行審視，使梳理性能內涵更清晰。

纖維的梳理性能與其物理力學性能密切相關[3-4]，也就是說通過纖維特性可判定其梳理性能，使問題更簡化。為此，本文從材料特性入手探討纖維梳理性能的內涵，研究纖維性能對梳理性能的影響：通過對纖維物理性能的主成分分析，提取梳理性能內涵描述數據；通過建立梳理指數模型，實現對纖維梳理性能的水平評價；通過梳理性能分類模型實現對纖維梳理性能的歸屬評價。

1 梳理性能的內涵

傳統的紡紗理論和實踐表明[5]，纖維的分離度、伸直度、取向度與平行度越高，越有利于后續的牽伸工藝，成紗的強力越高，條干越好。實際上分離伸直與取向平行不是纖維本身固有的狀態，纖維集合體中的單纖維既不分離伸直也不取向平行，且含有疵點和短絨，要使纖維達到這種狀態就需要依靠梳理，因此，梳理的目的就是要提高纖維集合體中各單纖維的分離度、伸直度、取向度、平行度，使纖維疵點、短絨率等減少。通過梳理，纖維可達到分離伸直、取向平行、低疵點、少短絨的狀態，這種潛質就是纖維的梳理性能，該潛質的發揮與纖維自身及加工條件有關，纖維梳理性能的評價是在加工條件一定時，針對纖維自身可梳理潛質被發揮程度的描述。

纖維本身具有易卷曲、易糾纏、易斷裂的特點，在加工過程中易出現纏結、集束、斷裂成短纖維現象，這與紡紗要求形成了矛盾，對梳理性能內涵的了解是解決這一矛盾的關鍵。

纖維梳理性能的內涵可從其自身狀態和空間關系二方面進行分析，為便于紡紗過程中纖維的運動，首先要求纖維之間是一種分離的狀態(第1個維度，或者叫作分離維)，這是基本目標；其次，從纖維自身狀態上看，分離可以是單纖維狀態，也可以是束纖維狀態(第2個維度，或者叫作集束維)；同時，纖維可以是三維卷曲、成結的分離，也可以是伸直、平行的分離(第3個維度，或者叫作伸直維)；在加工過程中纖維可能被拉斷損傷(第4個維度，或者叫作梳斷維)。這4個維度可全面描述纖維在梳理過程的狀態。由此可見，梳理性能的內涵就是使纖維形成某種狀態的能力，是分離維、集束維、伸直維和梳斷維四者的有機組合，本文定義為梳理性能內涵4維度。

2 實驗部分

2.1 試 樣

采集到20種纖維，其規格如表1所示。

表1 纖維規格參數

注：“—”表示樣品為市購，產地不詳

2.2 測試指標和測試方法

纖維梳理過程中，梳理機件利用相鄰針面間的分梳、剝取和提升作用完成對纖維的梳理[9]，其效果取決于纖維的物理及力學性能，主要包括幾何參數、力學、靜電、表面摩擦、吸濕性等方面。測試指標、表征符號及對應的測試方法為：截面形態系數X1通過纖維橫截面實際面積與其理論截面積之比計算得到[6-7]；扭轉截面形態系數X4為纖維不同位置的半徑與其理論半徑之比的平方和[6-8]，通過制作纖維橫截面切片，然后分別測試其面積和不同位置的半徑來實現；初始模量X2、相對抗彎剛度X3、相對剪切彈性X5、相對抗扭剛度X6、回復率X9、斷裂伸長率X12、斷裂強度X13通過 Instron 5565型萬能強力儀測試[6-7]；質量比電阻X7采用YG321型纖維比電阻儀測試；動態摩擦因數X8用Y151型纖維摩擦系數測定儀測試；線密度X10采用Y171型纖維切斷器-中段法、密度X14采用密度梯度法、回潮率X15采用烘箱法分別進行測試[6-7]；長度X11采用Y131梳片式羊毛長度測定儀或大容量棉花纖維測試儀(HVI)進行測試[6]。試樣置于溫度為(25±2)℃、相對濕度為(65±2)%的環境中調濕24 h后進行測試[6-8]。

2.3 測試結果及其標準化

為便于統計分析，需要對測試結果進行無量綱化處理或標準化處理，本文采用min-max方法對數據進行標準化整理[10]，即

Di=(Ti-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(1)

式中：Ti為某指標的測試值；Tmax、Tmin分別為該測試指標中的最大值和最小值；Di為該指標的標準化值。數據標準化處理結果列于表2中。

表2 標準化整理后的纖維性能指標

3 結果與討論

3.1 梳理性能內涵因子的提取

采用主成分分析法對表2中纖維物理性能數據進行主成分提取[11-12]，其結果列于表3中。可知，纖維的物理力學性能可重新組合成多個因子，但其中第4個因子的累積貢獻率達到87.985%，也就是說取前4個因子即可代表原始變量全部內容87.985%的信息，因此，將這4個因子作為主因子取代原始變量，分別用Yl、Y2、Y3和Y4表示。

通過上述方法提取的主因子，與梳理性能4維度理論上存在對應關系，但每個因子對應的維度還需要進一步研究。采用旋轉成分矩陣方法探討4個主因子與各物理性能之間的關系，其結果見表4、5。

從表4可以看出，4個主因子與纖維梳理性能之間有一些可區分性的相關關系：主因子Y1與截面形態系數、扭轉截面形態系數和斷裂伸長率顯著正相關，與相對抗扭剛度、相對剪切彈性顯著負相關，這些特性集中反映了纖維延伸、彎曲和扭轉的難易程度，與梳理時纖維分離狀態有關，因此，Y1與分離維對應，定義為分離因子。

表3 解釋的總方差Tab.3 Explained total variance

表4 旋轉成分矩陣Tab.4 Rotational Component Matrix

表5 物理性能影響成分得分系數矩陣Tab.5 Coefficient matrix of component score

根據表5得到Y1與纖維物理性能關系見式(2)。

(2)

主因子Y2與纖維線密度、斷裂強度、初始模量、相對抗彎剛度和長度呈顯著正相關，在梳理過程中，適當的剛性和較好的斷裂強度，有利于減少梳理機件對纖維的損傷，因此，Y2與梳斷維對應，定義為梳斷因子，根據表5得到Y2與物理性能關系，見式(3)。

Y2=0.03X1+0.186X2+0.214X3-0.217X4+

0.012X5-0.045X6+0.053X7+0.012X8-

0.129X9+0.228X10+0.276X11-0.029X12+

0.252X13-0.06X14-0.03X15

(3)

主因子Y3與纖維的質量比電阻、回復率、斷裂伸長率、長度和扭轉截面形態系數顯著正相關，與密度顯著負相關。質量比電阻、回復率、斷裂伸長率、長度和扭轉截面形態系數越大，梳理時纖維容易集束，因此，Y3與集束維對應，定義為集束因子，并根據表5得到Y3與各物理性能關系，見式(4)。

(4)

主因子Y4與纖維的回復率、斷裂伸長率和動態摩擦系數顯著負相關，與回潮率和密度顯著正相關。回復率、斷裂伸長率和動態摩擦系數越大，纖維集合體中的單纖維越不易伸直取向，回潮率和密度越高，纖維越易伸直取向，因此，Y4與伸直維對應，定義為伸直因子，根據表5得到Y4與各物理性能關系，見式(5)。

(5)

選取的4個主因子中，其中前2個因子的累積貢獻率較大，已達到60.496%，說明這4個主因子的貢獻率有主次順序，且這4個主因子對梳理性能的貢獻率呈現依次遞減的規律，因此，在一般情況下，可按主因子 1～4 的主次順序來分析評價不同纖維的可梳理性。

3.2 梳理性能內涵因子討論

通過上述分析認為，分離維、梳斷維、集束維和伸直維是纖維梳理性的內涵分量。通過式(2)～(5)可對本文所選纖維試樣的梳理性能分量進行計算，結果列于表6中。可看出，不同纖維的各梳理性能分量大小也有所不同。

分離因子Y1主要受截面形態系數、扭轉截面形態系數、相對剪切彈性、相對抗扭剛度和斷裂伸長率的影響。相對抗扭剛度表示纖維產生扭轉變形的難易程度[7]，其值越大，纖維越不易纏結。相對剪切彈性代表纖維對剪切變形的回復程度，其值越大，纖維剪切變形中的塑性變形越少，纖維越不易纏結。鑒于纖維一般為非正圓截面，引入截面形態系數和扭轉截面形態系數，其值越大，表示纖維較易彎曲和扭轉，不易分離。斷裂伸長率表示纖維承受拉伸變形的能力，變形能力強的纖維不易分離。在5種物理性能的綜合作用下，分離因子呈現如表6所示的規律，即蠶絲和棉纖維的分離因子較小，而丙綸、滌綸和粘膠纖維的分離因子較大。說明蠶絲和棉纖維在梳理時易纏結，而丙綸、滌綸和粘膠纖維易分離。

表6 梳理性分量Tab.6 Combing components

注：Z為纖維梳理性綜合評價函數。

梳斷因子Y2主要受線密度、斷裂強度、初始模量、相對抗彎剛度和長度的影響。長度和線密度是纖維的基本特征參數，長度越長，纖維越粗，斷裂強度越高，纖維被梳斷的概率越低。初始模量和相對抗彎剛度表示纖維抵抗變形的難易程度[7]，其值越大，纖維越不易變形，越有利于降低纖維的損傷，提高抗梳理能力。綜合上述幾個物理性能，梳斷因子呈現如表6所示的規律，即苧麻的梳斷因子較高，腈綸、錦綸、滌綸和蠶絲次之，粘膠纖維、細羊毛、丙綸和棉纖維較低。也就是說，粘膠纖維、細羊毛、丙綸和棉纖維在梳理時容易損傷，而苧麻不易被拉斷受損。

集束因子Y3主要受質量比電阻、回復率、斷裂伸長率、長度、扭轉截面形態系數和密度的影響。質量比電阻越大，纖維梳理時易出現黏結現象，不利于纖維分離。斷裂伸長率和回復率表示纖維抵抗變形和變形回復能力，其值越高，纖維越易集束。長度越長、扭轉截面形態系數越大的纖維，越易集束，不利于分離。密度越高，越有利于纖維在梳理中的分梳、剝取，可降低纖維集束現象的產生。綜合上述幾種物理性能，集束因子呈現如表6所示的規律，即錦綸6、錦綸66和柞蠶絲的集束因子較高，棉纖維的集束因子較低，說明錦綸6、錦綸66和柞蠶絲梳理過程中易發生集束，棉纖維不易發生集束。

伸直因子Y4主要受動態摩擦系數、斷裂伸長率、回復率、密度和回潮率的影響。纖維動態摩擦系數越大，纖維間的作用力越大，越易影響纖維的取向伸直。斷裂伸長率和回復率值越高，纖維越易變形，不利于纖維的伸直取向。密度越大，纖維結構越緊密，越易伸直取向。綜合上述幾個物理性能，伸直因子呈現如表6所示的規律，即天絲、富強纖維和粘膠纖維伸直因子較高，丙綸和腈綸伸直因子較低，說明天絲、富強纖維和纖維粘膠梳理時容易伸直取向，而丙綸和腈綸不易伸直取向。

經過分析可知，纖維梳理時，分離因子Yl、梳斷因子Y2、伸直因子Y4越大，纖維越易分離和伸直，不易出現梳斷，這對梳理是有益的，即分離因子、梳斷因子、伸直因子與梳理性呈正相關；而集束因子Y3越大，纖維越易集束，而不易分離，這對梳理是不利的，說明集束因子與梳理性呈負相關。

3.3 梳理性指數及分類模型

根據上述分析，可用Yl、Y2、Y3和Y4來描述纖維的梳理性，以各項主因子對應的特征值占總特征值的比例(即累積貢獻率)為權重[11]，對4個主因子進行加權求和，可得到纖維梳理性綜合評價函數Z，稱其為梳理性指數，其計算方法如式(6)所示。

Z=Y1f1+Y2f2+…+Ymfm

(6)

按照4個主因子與梳理性能的相關關系，在集束因子Y3前加負號，可得：

(7)

基于該定義可知，梳理性指數越大，纖維的梳理性能越好。通過式(7)可對每個試樣的梳理性指數進行計算，其結果列于表6中。不難發現，梳理性指數可反映不同纖維的梳理性能水平，相對而言，苧麻的梳理性指數較高，蠶絲類纖維較低；且大多數纖維的梳理性指數為負，說明纖維梳理都是有難度的。

從表6中Z值大小可得到不同纖維的梳理性指數分布，針對本文的纖維樣品，其梳理性從易到難可分為5類：Ⅰ類(苧麻等：7#)、Ⅱ類(天絲、滌綸、粘膠纖維等：13#、12#、15#和14#)、Ⅲ類(維綸、錦綸、丙綸等：16#、20#、17#和19#)、Ⅳ類(各種棉纖維、羊毛等：5#、4#、3#、6#、1#、2#和18#)和Ⅴ類(桑蠶絲、柞蠶絲等：8#、11#、9#和10#)。該分類所表現的纖維梳理難易程度與實際紡紗梳理是吻合的，因此，可實現對纖維梳理性能的分類歸屬及水平評價。

4 結 論

1)提出了纖維梳理性能內涵的4個維度，其與纖維物理性能提取的主成分具有良好的對應關系，梳理性能的內涵為分離維、梳斷維、集束維和伸直維的有機組合。研究表明，分離維、梳斷維、伸直維與梳理性能呈正相關，集束維與梳理性能呈負相關。

2)建立梳理性4維度分量與纖維物理性能之間的相關關系，闡述了不同纖維梳理性存在差異的內因。以主因子累積貢獻率為權重，建立可梳理性指數的計算模型，實現對不同纖維梳理性能的水平評價，梳理性指數值越大越有利于梳理。

3)提出了纖維梳理性分類模型，實現對纖維梳理性能的分類歸屬，提出了與梳理實踐吻合良好、從易到難的纖維梳理性能分類實例。

FZXB

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