噴氣渦流紡紗線熱黏合增強工藝優化與機制

陳玉香， 虞美雅， 董正梅， 繆璐璐， 林燕燕， 鄒專勇

(1. 紹興文理學院 浙江省清潔染整技術研究重點實驗室， 浙江 紹興 312000； 2. 浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)， 浙江 杭州 310018； 3. 喜臨門家具股份有限公司， 浙江 紹興 312000)

自噴氣渦流紡技術開發以來，因其具有紡紗速度快、工藝流程短、用工節省及耗電量低等優勢，被認為具有廣闊的發展空間[1-2]。同時，噴氣渦流紡紗線毛羽少，耐磨性能好，在性能上亦具備一定優越性?，F有研究表明，噴氣渦流紡紗線斷裂強度不及同規格的環錠紡紗線，純棉噴氣渦流紡紗線斷裂強度更低，為環錠紡紗線的70%～80%[3]，這限制了噴氣渦流紡紗線的高效與多樣化應用。

噴氣渦流紡紗線的強力受紡紗工藝、噴嘴結構以及纖維參數等眾多因素影響[4]。ORTLEK等[5]基于純棉紗線，研究了紡紗速度、噴嘴氣壓及紗線線密度對全棉噴氣渦流紡紗線性能的影響；袁龍超等[6]探索了噴嘴結構參數(前羅拉鉗口到空心錠子距離、噴氣孔結構、導引體結構、渦流室結構、空心錠子結構等)對紗線強力、毛羽等的影響。裴澤光等[4]研究了螺旋曲面角度、噴嘴氣壓以及導引針到空心管的距離對純滌綸噴氣渦流紗線強度的影響。

從調控紗線中纖維間接觸界面角度提升噴氣渦流紡紗線強力是一種新的解決方案，前期研究中通過引入低熔點滌綸纖維很好地實現了利用熱黏合機制增強噴氣渦流紡紗線，但采用的熱黏合處理速度較慢，未闡述熱黏合機制[7]。在此基礎上，本文采用Box-Behnken Design(BBD)響應面設計方法，對紗線進行非接觸式熱處理加工，利用統計方法優化探究熱處理工藝對噴氣渦流紡紗線性能的影響規律，闡述熱黏合增強機制，以期為實現噴氣渦流紡紗線熱黏合增強提供研究支持。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

粘膠纖維，線密度為1.33 dtex，長度為38 mm，斷裂強度為2.51 cN/dtex，斷裂伸長率為17.53%，彈性模量為4.82 cN/dtex；低熔點滌綸纖維，線密度為2.22 dtex，長度為51 mm，斷裂強度為5.24 cN/dtex，斷裂伸長率為31.78%，彈性模量為10.01 cN/dtex，熔點為110 ℃。

1.2 原紗制備

利用日本村田MVS No.861型噴氣渦流紡紗機，完成19.67 tex粘膠/低熔點滌綸(92/8)混紡紗線紡制[7]。噴氣渦流紡原紗主要成紗工藝參數為：噴嘴氣壓0.5 MPa，紡紗速度350 m/min，紡錠到前羅拉的距離19 mm，空心錠子內徑1.1 mm。測得未經熱處理的原紗斷裂強力為248.9 cN，斷裂伸長率為11.06%。

1.3 紗線熱處理

在前期研究[7]的基礎上，為深入研究熱處理工藝對粘膠/低熔點滌綸噴氣渦流紗性能的影響規律，并獲得最優熱處理工藝，選取熱處理溫度、熱處理速度以及牽伸倍數為自變量，基于BBD響應面設計完成紗線熱處理方案制定。各因子實際取值與水平見表1。按照表1方案在荷蘭DSM公司XPLORE型平牽加熱裝置上完成原紗的熱處理，每組熱處理試驗方案制備6個樣品，待用。

表1 紗線熱處理工藝因子水平表Tab.1 Factor level table of heat treatment process for yarn

1.4 紗線形貌觀察

對紗線樣品進行噴金處理后，采用SNE-3000型掃描電子顯微鏡(韓國SEC有限公司)觀察熱處理前后紗線的縱向形態。

1.5 紗線性能測試

采用Instron 3365型萬能材料試驗機(美國Instron公司)測試試樣的強伸性能。被測紗樣提前置于標準大氣條件(溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%)下預調濕48 h，測試均在標準大氣條件下完成。強伸性能測試設置拉伸速度為500 mm/min，試樣夾持隔距為500 mm。每組熱處理試驗方案的6個樣品紗分別測試10次，共計60次重復試驗，取平均值。

2 結果與討論

2.1 統計分析

響應面設計方法是利用定量數據進行多元回歸分析的經驗統計方法，常用于工程實際應用中應變量與自變量關系[8]，可用式(1)二次多項式方程表示。

(1)

式中：Y為預測值；xi和xj為變量編碼值，即xi=(Xi-X0)/ΔX，Xi為變量真實值，X0為試驗中心點處自變量，ΔX為自變量步長變化；β0、βi、βii、βij分別為常量、一次項系數、二次項系數以及交互項系數；ε為誤差項。

根據BBD實驗原理，設計了三因素三水平共15個試驗點的分析試驗，包含12個析因點試驗，并在中心點處進行3次重復試驗，以此估計試驗誤差。試驗方案設計與紗線強伸性能測試結果見表2。運用MINITAB 16對響應值與變量數據進行方差分析，剔除非顯著項后，分析結果見表3。

圖1 熱處理工藝對響應值紗線斷裂強力的等高線圖Fig.1 Contour map of heat treatment process response value (yarn breaking strength). (a)Heat treatment temperature and speed; (b)Heat treatment temperature and draw ratio;(c)Heat treatment speed and draw ratio

表2 BBD響應面設計方案與試驗結果Tab.2 BBD response surface design scheme and experimental results

表3 不同應變量的響應面二次模型回歸分析Tab.3 Regression analysis of response surface quadratic model for different strains

最后得到的紗線斷裂強力Y1、斷裂伸長率Y2回歸方程分別為：

Y1=259.948+3.459x1-7.073x2-2.164x3-

(2)

Y2=11.012 9-0.272 5x1+0.481 5x2-0.146 2x3+

(3)

2.2 熱處理工藝對紗線強伸性能的影響

2.2.1 斷裂強力

由表3方差分析可知，熱處理溫度與熱處理速度對紗線斷裂強力影響高度顯著，斷裂強力受牽伸倍數的影響較為顯著，熱處理速度與牽伸倍數存在交互影響。紗線斷裂強力的二次項擬合方程(見式(2))的相關性系數為0.941 4，說明該響應面方程擬合程度高。

圖1為熱處理工藝對噴氣渦流紡紗線斷裂強力(Y1)影響的等高線圖?？芍杭喚€斷裂強力隨著熱處理溫度的增加而增大，表明在試驗范圍內提高溫度有利于低熔點纖維熔融，從而增加纖維間黏合效應，提高纖維間摩擦阻力，減少滑移，最終使紗線強力提高。熱處理速度較低時，可使紗線內部低熔點纖維受熱充分，而增大熱處理速度使紗線斷裂強力總體呈現下降趨勢，主要原因是隨著熱處理速度的增加，紗線受熱時間縮短，使紗線中的低熔點成分無法充分熔融與黏結所致。當熱處理速度較高時，隨著牽伸倍數的增加，紗線斷裂強力呈減小趨勢。而在熱處理速度較低時，隨著牽伸倍數的增加，紗線斷裂強力呈增加趨勢，原因在于牽伸倍數的提高使紗線截面內纖維受徑向壓力作用增大，而一旦低熔點纖維熔融就會產生熱黏合，但熱處理速度較高時會使致密的紗體內低熔點纖維受熱熔融不充分，反之熱處理速度較低，熱處理時間變長可確保致密的紗體內低熔點纖維產生較好的熔融黏結。

2.2.2 斷裂伸長率

由表3方差分析可知，熱處理溫度與熱處理速度對噴氣渦流紡紗線的斷裂伸長率影響顯著，本文試驗范圍內的牽伸倍數對紗線斷裂伸長率的影響并不顯著，熱處理溫度與熱處理速度存在交互作用。紗線斷裂伸長率的二次項擬合方程(見式(3))的相關性系數為0.917 7，說明該響應面方程擬合程度較高。

圖2為熱處理工藝對噴氣渦流紡紗線斷裂伸長率(Y2)影響的等高線圖。斷裂伸長率隨著熱處理溫度的增大而減小，原因在于高溫有助于實現低熔點滌綸纖維熔融部分與粘膠纖維之間的充分黏結，使纖維之間滑移減少，故斷裂伸長率減小；隨著熱處理速度增大，紗線斷裂伸長率增大，原因在于熱處理速度的大小影響紗線加熱時間的長短，當熱處理速度較大時，紗線受熱時間短，低熔點成分黏結不充分，纖維之間滑移較大，使斷裂伸長率增大；斷裂伸長率隨著紗線牽伸倍數的增加呈下降趨勢，主要是因為紗線熱處理過程存在因牽伸倍數大于1導致的既有紗線伸長，且部分纖維受到熱黏合作用而被固定，拉伸時會受到牽制，但這一變化幅度不大，這可能是試驗設定的牽伸倍數變化范圍過窄所致。

圖2 熱處理工藝對響應值紗線斷裂伸長率的等高線圖Fig.2 Contour map of heat treatment process response value (yarn breaking elongation ratio). (a)Heat treatment temperature and speed; (b) Heat treatment temperature and draw ratio; (c) Heat treatment speed and draw ratio

2.3 熱處理工藝優化與驗證

以紗線斷裂強力Y1與紗線斷裂伸長率Y2為響應值，通過MINITAB 16軟件的響應優化器，按表4取值進行多響應值優化，得到1組最佳熱處理工藝：熱處理溫度為192.728 ℃(根據實際條件修正為193 ℃)，熱處理速度為90 m/min，牽伸倍數為1.00。按最佳熱處理工藝參數進行3組平行試驗，得到的預測值與實測值對比見表5?？芍簾崽幚砗蟮募喚€斷裂強力預測值與實測值偏差為2.6%，斷裂伸長率的預測值與實測值偏差為1.1%，進一步驗證了構建響應面方程的可靠性。最優熱處理工藝條件下獲得的紗線與未處理的原紗相比，斷裂強力提高了10.7%，斷裂伸長率提高了2.8%。

表4 多響應值優化Tab.4 Multi-response optimization

表5 熱處理工藝優化與驗證Tab.5 Optimization and verification of heat treatment process

2.4 熱黏合增強紗線機制分析

熱處理前后粘膠/低熔點滌綸噴氣渦流紗中低熔點滌綸纖維形態如圖3所示。由圖3(a)可知：低熔點滌綸纖維在噴氣渦流紗的芯部以及外層包纏纖維部分均有分布，但基于噴氣渦流紗中纖維的空間軌跡與內外轉移理論研究[9-10]表明，因本文選擇的低熔點滌綸纖維長度較粘膠纖維長，線密度較粘膠纖維大，低熔點滌綸將更多向噴氣渦流紗的內部轉移，這為低熔點滌綸纖維受熱黏合粘膠纖維提供了有力保障。紗線斷裂是其中纖維斷裂與相互滑移所致，而噴氣渦流紡紗線中，纖維內外轉移次數較少，則易產生相對滑移，利用低熔點滌綸受熱熔融黏結粘膠纖維可解決紗線受力引起的纖維間滑移。

圖3 熱處理前后噴氣渦流紗中低熔點滌綸形態圖Fig.3 Fiber morphology of low melting point polyester air jet vortex spun yarns before and after heat treatment.(a) Untreated fiber (×300); (b) Thermal deformation after heat treatment (×1 000); (c) Point-like shape of melt bond (×1 000); (d) Agglomerated shape of melt bond (×1 000)

低熔點滌綸纖維熱黏合增強噴氣渦流紗的機制可由圖3(b)～(d)進行解釋。低熔點滌綸纖維熱處理過程的牽伸張力及粘膠纖維的徑向擠壓作用，會使其產生熱擠壓變形；進一步隨著熱處理溫度的升高，低熔點滌綸纖維還會產生熔融現象，與粘膠纖維產生點狀或團塊狀黏結。無論是低熔點滌綸受熱擠壓變形還是與粘膠纖維產生點狀和團塊狀黏結，均有助于提高纖維間的抱合能力，減少纖維之間滑移，從而實現對噴氣渦流紗的熱黏合增強。但熱處理過程應避免低熔點滌綸纖維受熱過度出現熔融現象，否則將產生較大的團塊狀黏結現象，低熔點滌綸纖維主體易熔融解體反而影響強力，且團塊狀黏結過多、過大易使熱處理后紗線手感變硬。

3 結 論

借助MINITAB 16軟件，采用統計分析方法，研究探索了熱處理溫度、熱處理速度、牽伸倍數對粘膠/低熔點滌綸噴氣渦流紗斷裂強力及斷裂伸長率的影響規律。熱處理溫度、熱處理速度、牽伸倍數對噴氣渦流紗斷裂強力及斷裂伸長率存在不同程度的影響。熱處理溫度升高有助于提高噴氣渦流紗的斷裂強力，但不利于提高紗線的斷裂伸長率。熱處理速度增大可使紗線斷裂強力下降，提高紗線的斷裂伸長率。牽伸倍數對噴氣渦流紗斷裂強力的影響受熱處理速度的影響，不同熱處理速度下牽伸倍數對紗線的斷裂強力影響規律不一樣。在較高的熱處理速度下，增大牽伸倍數將導致紗線斷裂強力減??；在較低的熱處理速度下，增大牽伸倍數可提高紗線的斷裂強力，但牽伸倍數對紗線斷裂伸長率的影響不大。

利用熱黏合增強可有效限制噴氣渦流紗中纖維滑移，提高纖維間的抱合力，增強紗線強力。經優化獲得的最佳熱處理工藝為：熱處理溫度193 ℃，熱處理速度90 m/min，牽伸倍數1.00。采用該熱處理工藝，可使紗線斷裂強力較原紗提高10.7%，斷裂伸長率提高2.8%。