棉彈力針織布合理定坯工藝參數的計算

鄧 盼,凌群民,周 琪

我國是紡織品生產和出口的大國,而針織行業對促進紡織行業的發展發揮了不可替代的作用。氨綸的引入使得針織面料的延伸性、彈性和塑形性更加優越,極大地拓展了針織面料的應用。氨綸彈力針織物的定型不僅決定了織物的結構參數,還影響著織物的手感和形態風格。目前實際生產中對氨綸彈性針織物的定型主要依靠經驗來設定工藝,不僅缺乏定型效果的重現性,也帶來了由于定坯受熱過度造成彈性喪失和手感變硬的問題、或者由于定坯熱力欠缺造成成品規格不達標和織物縮率過大的問題,給工廠生產帶來了困擾。因此,對氨綸彈性針織面料定坯工藝參數的計算進行研究具有重大的應用價值。

1 棉彈力針織物的定型

含氨綸的棉彈力針織物的尺寸穩定性主要受氨綸彈性回復性的影響,對含氨綸的棉彈力針織物進行定型時,主要是對氨綸材料進行熱定型處理。

1.1 定型機理

棉彈力針織物定型的本質是將氨綸纖維內部大分子鏈段發生重新排列,從而消除內應力,使定型后織物的形態和尺寸達到穩定[1]。氨綸等合成纖維均具有熱塑性,在高溫條件下,收縮和變形現象明顯[2]。因此,利用熱塑性這一特點對氨綸彈性織物進行預定型及后定型處理,來提高尺寸和形態的穩定性,減少生產中產生的皺痕,控制織物的門幅尺寸和克重大小[3]。

在棉彈力針織物的生產過程中,尤其在高溫高濕的加工環境中(如漂白或染色時),一般都先進行定坯處理,即在有適宜張力的條件下采用比后續工序更高的溫度對織物進行處理,在染色之前先穩定坯布的門幅和克重,以防止織物在染色過程中產生收縮變形。

1.2 影響棉彈力針織物定型效果的主要因素

彈力針織物熱定型通常是將織物在一定溫濕度條件下,加熱一定時間后進行冷卻,使其尺寸和形態達到穩定。影響熱定型的主要工藝參數如下：

(1)溫度 溫度是影響熱定型最主要的因素。織物經過熱定型,原來存在的皺痕被消除的程度,表面平整性的提高,織物的尺寸熱穩定性和其他服用性能,都與熱定型溫度的高低有著密切的關系[4-6]。

(2)張力 熱定型過程中織物所受到的張力對織物的尺寸熱穩定性、強力和斷裂延伸度都有一定的影響。張力由超喂和機架共同控制,超喂的大小影響織物的緯密、縱向縮水性能和織物的克重。定型機架的寬度決定織物定型后的幅寬和橫向縮水性能[7-8]。

(3)時間 定型時間是指布面達到定型規定的溫度時所需加工時間。定型加工時間影響織物的升溫效果,決定了織物定坯的效果。一般,收縮率通常是隨著時間的增加而降低,但延長定型時間會使得面料出現發硬、泛黃、強力下降等情況[9]。

1.3 彈力針織物定坯過程中的工藝參數

在彈力針織物的定坯過程中,工廠對溫度、張力、時間等因素的控制主要是通過調節溫度、機速、機架寬度、超喂等工藝參數來實現。目前,國內外對于氨綸彈力物的熱定型工藝參數的研究較少,對影響定型效果各因素間的耦合關系沒有深入挖掘。基于此,本文深入探究了彈力針織物定坯過程中工藝參數的計算。

2 定坯工藝參數間的能量數學模型

由于棉彈力針織物的定坯生產過程機理復雜,影響織物質量指標的工藝參數較多,導致模擬熱定型生產過程的數學模型變得復雜,模型的具體形式難以確定。從熱力學的角度出發,依據換熱平衡和牛頓熱交換公式,結合熱定型工藝參數與質量指標間的關系,分析定型機供熱(Q)的原理和坯布定型過程中吸熱(q)的原理,從設備供熱(Q)與坯布需熱(q)探究定坯效果與能耗之間的關系,建立定型溫度、機速、機架寬度、超喂這4個關鍵參數間的數學表達式,從定坯過程的能耗探究合理定坯工藝參數的計算。

參考文獻[10]依據牛頓換熱公式,對一定幅寬、長度為Δx的布匹在dt時間內機器通過對流方式提供的熱量Y(W/m2),如公式(1)所示：

式中,Ts：機箱溫度(℃);Vs：機器的供熱速度(K/m2);h(T0,Ts,Vs)：熱交換系數;S：熱交換面積(m2);T0：環境初始溫度(℃),T0隨季節、氣候等因素的變化會有所改變,在下文計算中取20℃。

在彈力針織物的定坯過程中,利用公式(1),長度為Δx的織物通過定型機時,每節定型機機箱的供熱Q如表達式(2)所示：

式中,k：熱交換系數(W/m2·K);W：機架寬度(英寸);L：每節機箱長度(英寸);Ts：機箱溫度(℃);T0：環境初始溫度(℃);v：定型機的機速(碼)。

織物自身的吸熱狀態和成分的熱性能、密度、厚度、受熱長度、熱塑性溫度、環境溫度有關,根據牛頓熱交換公式,每節定型機機箱中織物達到定型溫度時吸收的熱量q,如公式(3)所示：

式中,Cf：坯布的比熱容(J/kg·℃);ρ：織物密度(根/10 cm);p為織物厚度(mm);Tp：織物表面達到氨綸熱塑性定型的溫度(℃)。氨綸在150℃以上熱塑性顯著增加[11],下文計算中Tp取150℃;T0：環境初始溫度,在下文計算中取20℃。

定型機機箱的供熱量Q和織物在機箱中吸熱量q直接反映了熱量的供需關系,結合式(2)和(3),將機箱提供的熱量Q比上織物在定型機中吸收的熱量q,得到一個比值β,建立定坯工藝參數間的能耗數學模型,如表達式(4)：

式中,(ρ·L·p·W)代表每節機箱內織物的重量,式(4)可轉化為：

式中,k、Cf均為常數,L機箱長度也為固定值。因此式(5)可轉化為：

3 工藝合理性分析

利用能耗數學模型計算的β值,對工廠生產頻率較高的JC14.58 tex+2.2 tex棉氨綸平紋彈力布的線上數據進行工藝合理性分析。對不同定前封度、不同克重的坯布進行線上數據分析,得出已有定坯工藝中的最優工藝。

根據表1分析：第2、3組數據β值較大,說明相比第1組工藝,第2、3組的機器供熱程度大于坯布需熱程度。這是因為第2、3組采用的超喂值較小,單位時間內機箱內受熱坯布量少,單位重量坯布受熱多,坯布定型程度高,坯布下機后回縮少,使得定后克重要小于目標克重。在三組工藝中,第1組的β值是通過此機臺加工此種坯布已獲得的線上生產數據中最優的。

根據表2分析：這四組工藝數據中,第4組的β值最小,供熱、需熱比值最合理;第5、6、組數據中,在設定的機架寬度條件下,設定的超喂值偏小,使得定后克重偏大。第4組的β值是通過此機臺加工此種坯布已獲得的線上生產數據中最優的。

根據表3分析：這四組工藝數據中,第8組的β值最小,第10組工藝中主要是由于在設定的機架寬度條件下,設定的超喂值偏小,單位時間內機箱內受熱坯布量少,單位重量坯布受熱多,坯布定型程度高,坯布下機后回縮少,使得定后克重偏大;第7、9組數據中,由于設備性能的隨機性,定坯溫度略高,設備供熱較大,造成第7、9組的β值偏大。第8組的β值是通過此機 臺加工此種坯布已獲得的線上生產數據中最優的。

表1 定前封度為1.78 m、克重190 g定坯數據分析

表2 定前封度為1.78 m、克重196 g定坯數據分析

表3 定前封度為1.73 m、克重195 g定坯數據分析

4 利用能耗數學模型設計最優工藝參數

在對線上生產工藝進行最優化分析后,針對每一臺定型機加工的每一布種,可以獲得最合理的β值和最優上機幅寬和超喂,在已知定前門幅、定前克重和客戶要求的目標封度和目標克重的前提下,由公式(6),可以逆向設計出最優的機速,制定針對每一臺定型機加工的每一布種的最優工藝。現用最優工藝參數計算法確定不同定前封度、不同克重的JC14.58 tex+2.2 tex棉氨綸平紋彈力布最優定坯工藝。

(1)β值的確定

根據生產數據的工藝合理化分析,可獲得在已有的線上生產數據條件下每一定型機加工的每一布類對應的最優β值。隨著生產數據的增加,β值的最優化程度會不斷提高。

(2)定坯溫度的確定

由于布類定坯溫度是相對穩定,實際生產中對同一機臺加工同一布類的定坯溫度的調整也較少。彈性氨綸織物較理想的熱定型溫度在180～190℃[12],考慮機臺的損耗情況,工廠將加工JC14.58 tex+2.2 tex棉氨綸平紋彈力布的定坯溫度設為194℃。

(3)理論設計機架寬度和理論設計超喂

在工廠實際定坯過程中,根據定前封度、定前克重和客戶要求的目標封度和目標克重可以計算出理論的機架寬度和超喂。具體關系式如下：

δ應當根據織物的纖維材料特征、織物結構的厚薄和織物進入定型機前的含水狀態來決定δ值的大小,通常δ值的范圍為5～13 cm,為方便計算過程,下文中的計算暫取δ=0。

基于以上確定的工藝參數,結合公式(6)可獲得在已有的線上生產數據條件下每一定型機加工的每一布類對應的最優機速值。

通過最優工藝參數計算建立不同定前封度、不同克重下設計的最優工藝,如表4所示。

表4 不同定前封度、不同克重的定坯最優工藝參數表

5 結語

從熱力學的角度出發,依據換熱平衡和牛頓熱交換公式,探究定坯的溫度、時間、機架、超喂這4個因素與織物下機后門幅、克重等方面的關系以及這三者的耦合作用對定型效果的影響,在氨綸彈力針織布定坯工藝的研究上得出：

(1)建立了定坯溫度、定坯機速、機架寬度和超喂量這4個關鍵因素的能耗數學模型,確定了工藝參數對設備供熱與坯布需熱比值β的影響。

(2)運用能耗數學模型對生產數據進行工藝合理性分析,分析了定坯過程中機器供熱和坯布需熱達不到最佳平衡狀態的原因,并從工藝參數上提出了調整方案。

(3)通過建立的能耗數學模型和理論設計機架寬度、理論設計超喂表達式,可逆向求解針對特定機臺加工特定時的理論機速,并在已有線上生產數據的條件下計算出了針對每一機臺加工每一布種的最優定坯工藝參數,為規范工廠生產提供有效理論依據。