紗線斷裂功對經編織造性能的影響

張靈婕， 繆旭紅

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

經編織物具有獨特的風格和性能，其身骨、彈性、尺寸穩定性、保形性、懸垂性等介于機織和緯編織物之間，不易脫散。目前棉紗在機織及緯編織物上已有廣泛應用，而經編對紗線的強力要求較高，以往大都采用合成纖維長絲，棉紗應用較少，限制了經編產品類型及應用。經編裝備、控制系統[1-2]和新型紡紗技術[3]的發展，為棉紗在經編機上的高速生產提供了可能。近年來，消費者越來越追求天然纖維制品，因而棉經編織物生產及開發引來越來越多的關注及探索。雖然經編裝備以及紗線質量有所提高，但相比滌綸而言，棉紗在經編機上生產難度仍較大。很多人針對此問題進行相關研究：如國外很多學者對經紗動態運動進行研究[4]，并對其運動過程進行模擬[5-6]；胡瑜等[7]研究經紗織造對紗線損傷情況的影響；張靈婕等[8]針對經編機張力補償裝置進行了研究。另外相關學者也針對棉紗在經編機上的織造工藝[9]、紗線性能[10]等進行探討：劉行等[11]針對紗線張力測試方法進行探索，并提出相關的評價方法[12]。從以往研究結果來看，棉紗以及滌綸在經編織造中的張力遠小于紗線斷裂強力。目前還沒有學者對棉紗與滌綸的經編張力進行對比研究，也沒有結合紗線斷裂功[13]進行紗線張力的研究。本文通過對棉紗及滌綸進行經編織造張力以及紗線斷裂性能測試，根據測試數據計算紗線張力做功以及紗線斷裂功。在經編織造過程中除張力作用外，紗線還受到與機器部件以及紗線間的摩擦及空氣阻力等作用，與張力值相比相差較大，且受力較為復雜。為簡化分析，忽略摩擦作用，通過實驗對棉紗與滌綸的織造張力、張力做功及斷裂功的關系進行研究，探討斷裂功對經編織造性能的影響，為棉紗的經編織造提供一定的理論參考。

1 實驗部分

1.1 儀器和原料

儀器：TM4-EL型高速特里科經編機(E28)，江蘇潤源控股集團有限公司；TS1-200-A2-CE1型張力儀，德國Schmidt有限公司；SCM01型四通道聲振分析儀、LMS Test.Lab軟件，比利時LMS公司；YG061-1500型電子單紗強力測試儀，北京北信科儀分析儀器有限公司。

原料： 原料1為14.58 tex 長絨棉集聚紡棉紗；原料2為9.72 tex 集聚賽絡紡棉紗；原料3為 8.33 tex(72 f)滌綸；原料4為6.11 tex(24 f) 滌綸高彈絲(PBT)，僅用于后梳織造。

1.2 實驗方法

1.2.1張力測試

選用張力儀、四通道聲振分析儀同步采集張力和主軸信號，再用LMS Test.Lab軟件配套進行信號處理分析，搭建完整的動態張力測試系統。實驗時以高達 1 kHz 的采樣頻率進行張力采集，采集時間為30 s，目的是測試棉紗以及滌綸的織造張力。為避免機器、梳櫛位置等因素造成的數據差異，選擇在同一臺機器上進行測試。實驗時，盡量選擇在相同位置對紗線進行數據采集。張力儀使用配套支架固定如圖1 所示，按儀器標注的纏繞方向固定紗線。調整張力儀傾角與紗路保持一致。

圖1 張力儀固定位置Fig.1 Position of tension sensor

工藝參數的設置盡量保證各紗線一致。在送經量設置上針對織造情況稍作調整，整體上保證織造情況以及產品質量穩定，即調整為適合生產的狀態進行實驗。待機器運行穩定后開始張力測試。織造時選擇2把梳櫛對稱墊紗，前梳GB3分別使用原 料1～3，后梳GB4使用原料4進行織造。實驗條件及參數設置如表1所示。實驗在溫度為25 ℃，相對濕度為65%條件下進行。

表1 織造參數Tab.1 Parameters of knitting

注：機上縱密為21橫列/cm；測試機速為1 000 r/min。

1.2.2紗線拉伸性能測試

采用電子單紗強力測試儀對紗線進行拉伸斷裂實驗。依據GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(cre 法)》，設置測試溫度為(25±2)℃，濕度為(65±2)%，紗線夾持距離為250 mm，拉伸速度為 500 mm/min，預加張力為0.5 cN/tex，分別對原料1～3進行10次拉伸斷裂測試，得到紗線的伸長與強力關系曲線，根據測試得到的伸長與強力值計算紗線斷裂功。

1.2.3紗線張力做功量計算

經編織造過程中，紗線從經軸1退繞，依次經過導紗桿2，分紗筘3，張力桿4，導紗梳5，具體路徑如圖2所示。

圖2 經紗紗路圖Fig.2 Route of warp yarn

紗線從經軸1上退繞到編織成圈一直受到張力作用，在張力作用下紗線產生伸長，因此可以認為，張力對紗線做功。由于經編機張力桿4的作用，紗線經過張力桿4前后張力大小會有較大差異，所以單循環內質點受張力作用可看成2個階段：第1個階段是從經軸1退繞經過導紗桿2，分紗筘3到達張力桿4，簡稱x段；第2階段是從張力桿4到導紗梳5，簡稱y段。則從經軸1到導紗梳5，簡稱z段。分別對x和y段的紗線進行張力測試。紗線張力累積做功計算公式為：

Δl=FE,l=L480,n=Sl

w=∫Fdl,W=nw

式中：Δl為紗線伸長量，mm；F為紗線張力，cN；E為紗線模量，cN/mm；L為紗線送經量，mm/臘克；n為指定紗段內成圈循環數；S為紗段長度，mm；l為單個線圈長度，mm；w為指定紗段單循環張力做功，cN·mm；W為指定紗段紗線張力累積做功，cN·mm。

則本文實驗條件下紗線張力做功計算公式可表示為:

Wx=Sxlwx，Wy=Sylwy

Wz=Wx+Wy

式中：Sx為x段紗線長度；Sy為y段紗線長度；Wx、Wy分別為x段和y段內紗線張力累積做功， cN·mm；wx、wy分別為x段和y段單循環張力做功，cN·mm；Wz為z段內紗線張力累積做功，cN·mm。

1.2.4紗線斷裂功計算

紗線在拉伸力作用下不斷伸長最終斷裂，這個過程中拉伸力對紗線所做的功叫紗線斷裂功，其計算公式為

Wd=∫fdls

式中：Wd為紗線斷裂功，cN·mm；f為紗線所受拉伸力，cN；ls為紗線受拉伸力作用下的伸長量，mm。

2 結果與分析

2.1 張力測試結果

對實驗采集的張力數據進行處理，得到相應的最大值、最小值、均值、標準差及CV值如表2所示。可知，x段3種紗線張力水平較小且較為接近，對經編織造影響較小，因此，重點對y段張力進行分析。此前的研究理論認為，由于棉紗與滌綸之間因強力以及伸長性能的差異，導致棉紗在織造過程中紗線張力波動大，承受能力低，進而影響棉紗織造，在此階段發生斷紗。從表2所示結果可以看出，棉紗張力平均值及最大值大于滌綸，但也遠遠小于紗線斷裂強力。從標準差結果來看，3種紗線結果差距較小，理論上意味著3種紗線張力基于平均值的浮動值接近；從CV值來看，滌綸相比其他2種棉紗更大，也就是說滌綸張力整體上相較平均值的波動程度反而比棉紗大。

表2 紗線張力Tab.2 Tension of yarn

紗線y段直接反映紗線張力隨成圈運動的變化，因此，對此段紗線進行角度域轉化，對單循環張力數據作圖，得到棉紗與滌綸隨主軸角度變化的張力曲線，如圖3所示。比較棉紗和滌綸的張力曲線發現，紗線張力隨主軸角度變化趨勢一致，說明紗線張力單循環內主要受成圈動作影響。從單循環張力曲線難以得出棉紗張力與滌綸張力波動存在較大差異這一結論。

圖3 紗線張力隨主軸角度變化曲線Fig.3 Curve of yarn tension change with spindle angle

2.2 紗線斷裂功測試結果

圖4示出紗線張力與伸長曲線。可以看出，選用的棉紗與滌綸的斷裂強力差別較小，而斷裂伸長相差很大：14.58 tex棉紗(原料1)斷裂強力為 259 cN，斷裂伸長約為16.48 mm，初始模量約為 16.21 cN/mm，斷裂功為2 150.41 cN·mm； 9.72 tex棉紗(原料2)斷裂強力為255 cN，斷裂伸長約為 16.57 mm，初始模量約為15.36 cN/mm，斷裂功為 1 972.69 cN·mm； 8.33 tex滌綸(原料3)斷裂強力約為250 cN，斷裂伸長約為 35.34 mm，初始模量約為25.98 cN/mm，斷裂功約為 7 151.28 cN·mm。

圖4 紗線伸長與強力曲線Fig.4 Elongation-strength curve of yarn

2.3 張力做功計算結果與分析

無論棉紗還是滌綸，紗線張力均未超過其初始模量對應的紗線強力值，因而紗線模量選用其初始模量進行計算。通過實際測量得到，Sx長度約為 1 154 mm，Sy長度約為700 mm。

表3示出紗線張力做功及斷裂功。從結果發現，3種紗線張力做功總和小于紗線斷裂功，因此，紗線可用于經編織造。棉紗張力做功值雖小于其斷裂功，但二者差值和滌綸張力做功與斷裂功之間的差值相比要小很多。綜合摩擦力、空氣阻力等其他影響經編織造性能的因素后，棉紗整體上表現為處于即將斷裂的邊緣。

表3 紗線張力做功及斷裂功Tab.3 Tension and rupture work of yarn cN·mm

3 結 論

為更深入認識經編織造對紗線力學性能的要求，本文從紗線張力做功以及紗線斷裂功角度進行實驗研究。結果表明，紗線張力從經軸退繞到導紗梳階段累積做功小于紗線斷裂功，認為這可以作為紗線是否符合經編織造要求的初步判定指標。與滌綸相比，棉紗張力做功與其斷裂功差值要小很多，由此認為紗線斷裂功與其織造張力做功差值大小可用來衡量紗線經編織造能力的大小，差值越大紗線經編織造適應能力越強。

在經編織造過程中紗線除受到張力外，還受到摩擦力、空氣阻力等作用，但認為與紗線張力相比其作用力較小且受力復雜，因而本文忽略摩擦力、空氣阻力等其他因素對紗線經編織造性能的影響。下一步將對本文研究結果進行驗證，并考慮摩擦力、空氣阻力等因素對經編織造性能的影響做進一步研究。

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