渦流紡紗線的包纏加捻對其力學性能的影響

陳美玉， 劉玉琳， 胡革明， 孫潤軍

(1. 西安工程大學 紡織科學與工程學院， 陜西 西安 710048； 2. 西安工程大學 功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室， 陜西 西安 710048; 3. 陜西華燕航空儀表有限公司， 陜西 漢中 723102)

渦流紡紗技術直接以棉條喂入，集粗紗、細紗、絡筒工序一體化，實現全自動短流程紡紗，紡紗速度高達500 m/min[1]。噴氣渦流紡是利用壓縮空氣將經牽伸單元牽伸后的纖維束，一部分通過中心負壓場吸入噴嘴內部的螺旋通道而成為紗芯,另一部分倒伏在空心錠表面的自由端纖維在噴孔的高速旋轉氣流作用下，對紗芯進行纏繞加捻成紗[2-4]。旋轉氣流作用在渦流紡紗線上的加捻力受到許多因素影響，包括噴嘴結構參數，噴嘴入口到空心錠的距離，倒伏在空心錠外表面纖維的長度、紗線直徑以及噴射口出口的氣流速度等[5-7]。有研究發現該加捻力還受到空心錠表面的溝槽分布密度影響[8]，渦流紡紗線的捻度和捻角隨著開口尾隨自由端纖維角速度的增加而增加[9]。

噴氣渦流紡屬自由端紡紗，其成紗是自由端的尾端纖維在芯紗的四周按照旋轉氣流的方向纏繞加捻成紗[10]。這種包纏加捻的成紗方式與普通加捻完全不同，因此，對渦流紡紗線的結構與力學性能也成為研究熱點。何建等[11]利用在線觀測研究分析了噴氣渦流紡金屬絲包芯紗成紗過程中纖維運動狀態及包纏效果。姚江薇等[12]基于噴氣渦流紡紗線內纖維受力情況分析，對渦流紡紗線的拉伸斷裂強力模型進行了構建和驗證。

根據力學基本原理，紗線受到拉伸而產生斷裂破壞是紗線被拉伸變形至最大值所致。紗線拉伸產生的形變或位移是外部施加的作用力的結果，并取決于紗線的復合結構、形態以及紗線中纖維相互之間的關系等，紗線中各組成部分拉伸變形的特征，直接反映了紗線拉伸斷裂強度。渦流紡紗線是由外層纖維與芯層纖維組成的復合結構，且外層與芯層纖維各自在紗線中原始的排列形態不同，因此在受力拉伸過作程中各自受力形變過程不同。為此，本文詳細分析了渦流紡紗線中外層及芯層纖維在受力拉伸過程中的形變及位移與受力之間的關系;進一步探明拉伸過程中渦流紡紗線外層和芯層纖維在承擔外力作用而形變過程中的力學規律,并探討渦流壓力和紡紗速度兩大因素對渦流紡成紗的包纏加捻特性以及成紗力學性能的影響。

1 拉伸過程中形變與受力分析

1.1 渦流紡紗線包纏加捻特征

首先采用JCM-5000型掃描電子顯微鏡對渦流紡紗線進行連續拍攝并拼接，獲得渦流紡紗線包纏加捻連續特征，結果如圖1所示?？煽闯觯簻u流紡紗線包括紗芯層和外層纖維2個部分，芯層纖維呈平行伸直或弱捻狀態，外層纖維以螺旋形式對芯層纖維進行包纏加捻。渦流紡在成紗過程中不停地有纖維束離開前羅拉，由于離心力和氣流的作用，纖維束尾端的外層纖維產生徑向膨脹擴大，成為對芯層纖維螺旋包纏加捻的自由狀態尾端纖維，因此，渦流紡成紗是由不同的外層纖維束對芯層纖維交替進行包纏加捻而成，這一點在渦流紡紗線連續觀察中也得到了證實，如圖1中的區域1、2處。當尾端纖維的自由端長度不夠進行一個完整的螺旋包纏時，這部分的外層纖維會自動加入到芯層纖維中。此時，如果纖維長度過短而無法被包纏纖維包住時，便成為單纖維毛羽端。

圖1 渦流紡紗線整體縱向特征

為了對渦流紡紗線的包纏加捻特征做進一步分析，對同一束外層纖維包纏加捻的渦流紡紗線部分進行局部放大觀察，如圖2所示?？梢钥闯觯涸诙唐螀^域內，渦流紡紗線同一束外層纖維以一定的間隔距離對芯層纖維進行規律地螺旋纏繞。通過對該部分渦流紡紗線進行局部退捻觀察發現，當這一束外層包纏纖維捻度完全退去時，外層包纏纖維尾端基本脫離紗體，但其頭端卻仍在紗芯中，這一特征與文獻[13]研究發現的結果完全相同，因此，渦流紡紗線整體是不可退捻的。

圖2 渦流紡紗線局部縱向特征掃描電鏡照片(×50)

1.2 渦流紡紗線拉伸形變分析

圖3示出渦流紡紗線受外力拉伸模型示意圖。設渦流紡紗線外層纖維的原始螺旋包纏角為θ0(°)，包纏螺距為h(mm)，紗線的直徑為d(mm)。

圖3 渦流紡紗線受軸向拉伸模型示意圖

紗線拉伸屬于等體積變化，當其由于拉伸長度伸長時，紗線直徑會變小。由于外層與芯層分布結構特征的不同，渦流紡紗線在外力拉伸作用下，芯層與外層纖維受力和形變特征完全不同。

芯層纖維基本平行于紗軸，在外力作用下發生伸長變形或滑移，直至纖維被抽拔或斷裂，且渦流紡紗線中芯層纖維的根數要遠多于外層包纏纖維的根數，因此，芯層纖維成為外力作用的主要承擔者。而外層纖維隨著紗線的拉伸，表現出2個方面特征：1)其螺旋屈曲會隨著紗線拉伸展開，螺旋包纏角逐步減小，外層纖維會沿著紗線軸向產生位移，并向伸直狀態發展；2)外層纖維在拉伸過程中纖維會受到軸向拉伸而產生形變。

因此，當渦流紡紗線拉伸至斷裂過程中，芯層纖維由于平行伸直其形變達到了斷裂形變。而皮層纖維由于其螺旋曲線的存在，使得紗線斷裂時外層纖維的拉伸產生的形變小于芯層纖維，其并未達到極限形變。

1.3 渦流紡紗線拉伸受力分析

物體的形變是受力作用的結果，因此，渦流紡紗線在受到外加載荷F拉伸斷裂時，理論上是由芯層纖維和外層包纏纖維共同承擔。即

F=Fc+Fw

(1)

式中：Fc為芯層纖維承擔的載荷，N；Fw為外層包纏纖維承擔的載荷，N；

由1.2節分析可知，渦流紡紗線斷裂時，芯層纖維所承擔的載荷為其斷裂強力，而此時外層纖維由于螺旋的存在，其形變遠遠小于其斷裂形變。且渦流紡紗線的外層纖維與芯層纖維相同，故此時外層纖維所承擔的載荷遠小于芯層纖維。當紗線芯層纖維斷裂后，繼續拉伸外層纖維，其所能承擔的載荷很小，故并不能使渦流紡紗線強力繼續提高。

1.3.1 拉伸過程中外層纖維受力分析

渦流紡紗線拉伸過程中由于紗線直徑的變化致使外層纖維實際的受力情況較為復雜。為便于分析，假設渦流紡紗線拉伸過程中紗線的直徑不變，即忽略外層纖維由于螺旋展開而產生的位移，而考慮外層纖維在拉伸過程中受到的最大形變。圖4示出渦流紡紗線拉伸過程中單根外層包纏纖維AB的受力分析圖。假設當紗線拉伸Δh時發生斷裂，此時隨拉伸位移的增大，外層包纏纖維由拉伸前的B點移動至B1點，包纏角由拉伸前的θ0減小為θ1,外層單纖維AB由于拉伸作用而對芯層產生的橫向壓力為fx(N)?？梢钥闯觯寒敿喚€受到外力拉伸，外層單纖維受到垂直方向的載荷fw作用時，載荷fw分解為沿外層纖維截面方面的剪切力fs和軸向拉伸力fd，則有

fs=fwsinθ1

(2)

fd=fwcosθ1

(3)

圖4 渦流紡紗線拉伸時外層纖維受力分析圖

由于紗線拉伸時紗線直徑保持不變[14]，則有

2LwdLw=2hdh

(4)

式中：Lw為外層纖維包纏加捻1個捻回的長度，mm；h為外層纖維包纏加捻的螺距，mm。

當渦流紡紗線發生拉伸斷裂時有

Δh=hεy

(5)

式中：εy為紗線斷裂時的伸長應變率，%。設紗線斷裂時外層包纏纖維的長度增量為ΔLw，則結合式(4)、(5)，可得到外層纖維的伸長應變率εw[14]為

(6)

假設纖維是連續介質固體，則

fd=πr2Ewεw

(7)

式中：Ew為外層纖維的彈性模量，N/mm2；r為外層纖維的截面半徑，mm。將式(6)代入式(7)可得

fd=πr2Ewεycos2θ1

(8)

假設外層纖維的根數為m，則由式(3)和(8)聯立可得，外層包纏纖維承擔的載荷Fw為

Fw=πmr2Ewεycosθ1

(9)

1.3.2 拉伸過程中芯層纖維受力分析

渦流紡紗線拉伸斷裂時，芯層纖維承擔的載荷Fc是芯層纖維之間的切向阻力與芯層纖維強力共同作用的結果[15]。假設芯層纖維的根數為n，纖維強力在短纖維芯層束中的利用程度為Cs，則根據文獻[14]，可得

(10)

式中：r為纖維半徑，mm；N為纖維表面受到的橫向壓力，cN；μ為纖維表面摩擦因數；f為單纖維強力，cN；L為單纖維長度，mm；lc為滑脫長度，mm。

渦流紡紗線拉伸時芯層纖維受到的橫向壓力N來源于3個方面：1)渦流紡成紗時外層纖維束受渦流壓力進行螺旋包纏而產生的橫向壓力N1；2)芯層纖維束在成紗過程中發生的內外轉移，使得纖維之間的相互糾纏而產生的橫向壓力N2；3)外層纖維束由于拉伸作用而產生的橫向壓力N3。

N=N1+N2+N3

(11)

根據渦流紡成紗原理可知，當渦流壓力、紗線線密度以及纖維的長度一定時，N1理論上取決于渦流壓力，并受紡紗速度的影響。即N1可認為是渦流壓力P和紡紗速度V的一個函數，則

N1=f(P,V)

(12)

由1.1節對渦流紡的觀察分析可知，渦流紡芯層纖維幾乎呈平行排列狀態，纖維發生內外轉移的現象較弱，因此纖維之間的相互糾纏而產生的橫向壓力N2可忽略不計，即

N2≈0

(13)

如圖4所示，渦流紡紗線拉伸斷裂時，外層纖維兩端A和B受到的軸向拉伸力fd的合力形成了渦流紡紗線的向心擠壓力，即抱合力fx，則

N3=mfx=2mfdsinθ1

(14)

將式(8)代入式(14)得

N3=2πmr2Ewεycos2θ1sinθ1

(15)

將式(12)、(13)、(15)代入式(11)可得

N=f(P,V)+2πmr2Ewεycos2θ1sinθ1

(16)

將式(16)代入式(10)，可得渦流紡紗線斷裂時芯層纖維承擔的載荷：

(17)

將式(9)和(17)代入式(1)，可得渦流紡紗線斷裂時所承受的外加載荷：

(18)

由此可知，當渦流紡纖維原料以及條子的狀態一定時，外層纖維螺旋包纏特性對渦流紡成紗的力學性能起著決定性的作用。當其他參數不變時，外層纖維螺旋包纏角除了取決于渦流壓力外，還受到紡紗速度的影響[7,16]。本文著重探討當其他條件不變時，不同的渦流壓力和紡紗速度對渦流紡紗線的包纏加捻性能以及最終成紗力學性能的影響。

2 樣品制備及性能測試

2.1 樣品制備

本文以粘膠條為原料，采用陜西華燕航空儀表有限公司生產的HYF型噴氣渦流紡紗機進行紡紗，所有紗線樣品的線密度均為19.67 tex。所用粘膠單纖維線密度為1.33 dtex，長度為38 mm。HYF型噴氣渦流紡紗機的設備參數如表1所示。在其他條件相同時，本文通過改變不同的渦流壓力以及不同的紡紗速度制備了8種渦流紡紗線樣品，其具體的加工工藝參數如表2所示。

表1 HYF型噴氣渦流紡紗機的設備參數

表2 渦流紡紗線樣品紡紗工藝參數

2.2 性能測試

2.2.1 形貌觀察

采用JCM-5000 Neoscope型臺式掃描電子顯微鏡對渦流紡紗線樣品進行觀察，測試加速電壓設為10 kV，并測試渦流紡紗線的包纏角和螺距。為盡可能地減小測量誤差，所有樣品的包纏角和螺距分別在300倍和50倍條件下進行測試，每個指標連續測試15次，取平均值。

2.2.2 力學性能測試

采用INSTRON 5565型萬能材料試驗機對渦流紡紗線樣品進行拉伸性能測試，測試樣品的夾持距離為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，預加張力為(0.5±0.1) cN/tex。每個樣本測試10次，取平均值。

3 結果與分析

3.1 壓力對渦流紡紗線包纏加捻效果影響

圖5示出紡紗速度為280 m/min時，不同渦流壓力條件下的包纏加捻效果對比圖?？煽闯觯寒敿徏喫俣群愣?80 m/min時，隨著渦流壓力的增大，渦流紡紗線的外層纖維的螺旋包纏角慢慢增加，然而螺旋包纏的間隔距離在慢慢縮小，紗線的結構由原來的蓬松結構慢慢變得緊實。特別是當渦流的壓力增大至0.65 MPa時，整個渦流紡紗線的芯層纖維排列變得較為凌亂，芯層纖維的排列整齊度差，不僅嚴重影響了渦流紡成紗的外觀，并可能會影響渦流紡紗線的力學性能。

圖5 不同渦流壓力成紗的掃描電鏡照片(×50)

圖6示出紡紗速度為280 m/min時，不同渦流壓力與渦流紡成紗的包纏加捻指標之間的關系。

圖6 渦流壓力與成紗包纏加捻指標之間的關系

由圖6可看出：當渦流壓力從0.45 MPa增大至0.65 MPa時，所紡制的渦流紡紗線外層纖維的螺旋包纏角從30.2°增加至40.1°，然而螺距則由0.45 MPa時的644 μm下降為0.65 MPa 時的566 μm?？梢姰敿徏喫俣纫欢〞r，渦流壓力會顯著影響渦流紡的螺旋包纏特性，使成紗結構發生變化，最終會影響渦流紡紗線的力學性能。值得注意的是，測試時發現渦流紡紗線的螺旋包纏均勻性較差，究其原因可能在于以下幾點：1)噴氣纖維進入管中的長度不一致；2)單根纖維一端伸直部分與外邊的另一端的長度的比例不一致；3)噴氣輸送纖維均勻度不好，這些因素最終會影響渦流紡成紗的力學性能的均勻性。

3.2 速度對渦流紡紗線包纏加捻效果影響

圖7為渦流壓力0.45 MPa時，不同紡紗速度下渦流紡紗線的包纏加捻效果對比圖?？煽闯觯寒敎u流壓力固定為0.45 MPa時，隨著紡紗速度的增大，渦流紡紗線的外層纖維的螺旋包纏角變化不是很明顯，但當紡紗速度提高至400 m/min時，成紗的螺旋包纏的間隔距離有明顯的增加。

圖7 不同紡紗速度成紗的掃描電鏡照片(×50)

為進一步探究紡紗速度對渦流紡成紗包纏加捻效果的影響，通過對不同紡紗速度成紗的螺旋包纏角和螺旋包纏間隔距離進行測試，結果如表3所示。可看出：當渦流壓力恒定為0.45 MPa時，隨著紡紗速度從280 m/min增大至400 m/min，所紡制渦流紡紗線的外層纖維的平均螺旋包纏角從30.2°略微下降到26.1°，而平均螺距則由280 m/min的644 μm增加為962 μm。說明當渦流壓力為0.45 MPa時，隨著渦流紡紗線紡紗速度的提升，成紗結構略有變化，進而可能會導致成紗的力學性能發生變化。

表3 不同紡紗速度對渦流紡成紗包纏加捻指標的影響

3.3 壓力對成紗力學性能的影響

圖8示出不同渦流壓力對渦流紡紗線力學性能的影響。

由圖8可看出：隨著渦流壓力的增加，渦流紡紗線的斷裂比強度和彈性模量呈先增加后下降的變化趨勢，斷裂伸長率基本不變。特別是當渦流壓力達到0.65 MPa時，紗線的斷裂比強度呈快速下降。究其原因在于隨著渦流壓力的增大，外層纖維的螺旋包纏角增大，螺距則減小。表明外層纖維對芯層纖維的包纏形成的抱合力增加，這樣當渦流紡紗線受力拉伸時，纖維之間的切向摩擦阻力增加，纖維抵抗外力拉伸的能力增加，所以斷裂比強度增加。當渦流紡壓力增加至0.6 MPa時，紗線的斷裂比強度出現下降。其原因在于當紡紗速度一定時，過大的渦流壓力使得外層起包纏加捻作用的自由纖維的數量減少，且由于須條解捻激烈，外層自由纖維包纏過于緊密(見圖5(d))，從而會使成紗斷裂強力和斷裂伸長降低[4]。特別是當渦流壓力增至0.65 MPa時，過大的壓力不利于纖維須條有序地吸入噴嘴中，導致渦流紡紗線的芯層纖維排列整齊度變差(見圖5(e))，這樣紗線的任意一個截面所握持的纖維向紗軸兩端伸出的長度均勻度差，導致紗線在受力拉伸時，存在不少纖維滑脫而被拔出，使得成紗強力大大下降，因此，當紡紗速度為280 m/min時，渦流壓力選用0.55 MPa時渦流紡成紗力學性能最優。

圖8 不同渦流壓力對渦流紡紗線的力學性能的影響

此外，實驗發現渦流紡紗線的力學指標均勻度較差。原因在于渦流紡成紗在渦流加捻的過程中會有5%左右的落纖，從而造成紗線條干變差[17]，局部細節較多[18-20]。

3.4 速度對成紗力學性能的影響

表4示出不同紡紗速度對渦流紡紗線力學性能的影響?？煽闯觯寒敎u流壓力恒定為0.45 MPa時，隨著渦流紡紗速度的增加，渦流紡紗線的斷裂比強度、斷裂伸長率均呈略微下降趨勢，彈性模量呈現先下降后基本不變的趨勢。渦流紡的包纏加捻效果取決于紡紗速度、渦流壓力以及噴嘴結構參數等。當渦流壓力恒定時，隨著紡紗速度的加快，須條在噴嘴中停留的時間較短，外層自由端纖維還未來得及包纏就被向前輸送，進而導致外層纖維對芯層纖維束螺旋包纏的角度下降和螺旋間隔距離增加(見表3)，這樣外層包纏纖維對芯層纖維的包纏產生的抱合力下降，紗線在受到外力拉伸時，纖維出現滑脫的機會增加，纖維的斷裂強力利用率下降，因此，導致渦流紡紗線的力學性能下降?？傮w來說，當渦流壓力恒定為0.45 MPa時，紡紗速度對成紗力學性能的影響不如渦流壓力那么顯著。

表4 不同紡紗速度對渦流紡紗線力學性能的影響

4 結 論

1)通過分析渦流紡紗線的不同尺度包纏加捻特征，發現渦流紡成紗是由不同的外層纖維束對芯層纖維交替進行螺旋包纏加捻而成的，且渦流紡紗線整體不可退捻。渦流紡紗線拉伸過程形變與受力分析表明：渦流紡成紗時的外層纖維對芯層纖維螺旋包纏特性對渦流紡紗線的力學性能起著決定性的作用。

2)當其他條件不變時，隨著渦流壓力從0.45 MPa增大至0.65 MPa，所紡制紗線的外層纖維的螺旋包纏角從30.2°增加至40.1°，然而螺距則由0.45 MPa的644 μm下降為0.65 MPa 時的566 μm。隨著渦流壓力的增加，渦流紡紗線的斷裂比強度和彈性模量呈先增加后下降的變化趨勢，斷裂伸長率基本不變。當紡紗速度為280 m/min時，渦流壓力選用0.55 MPa時渦流紡成紗力學性能最優。

3)當渦流壓力恒定為0.45 MPa時，隨著渦流紡紗速度的增加，渦流紡紗線的斷裂比強度、斷裂伸長率均呈略微下降趨勢，彈性模量呈現先下降后基本不變的趨勢。