環錠紡及轉杯紡和噴氣渦流紡混色紗的纖維混合效果研究

楊瑞華， 潘 博， 郭 霞， 王利軍， 李健偉

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 德州華源生態科技有限公司， 山東 德州 253000； 3. 蘇州多道自動化科技有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

混色紗是由不同顏色的纖維混合而成的一種新型花色紗線[1]。混色紗兼具紡紗技術與色彩藝術，用混色紗紡制的織物表面色彩柔和，艷麗美觀，富有層次感和立體感，有較高的產品附加值[2-4]。

混色紗可以由環錠紡、轉杯紡和噴氣渦流紡這3種成紗方法紡制。環錠紡憑借其原料適應性強、產品多樣的優勢在紡紗行業中占據主體地位[5-6]，轉杯紡、噴氣渦流紡等新型成紗方法因其生產效率高、用工少等優勢也得到迅速的發展[7]。混色紗的性能和品質在很大程度上受紗線橫截面上不同顏色纖維分布規律的影響。現有對混色紗混合效果的研究多是針對某種單一成紗方法的研究[8-9]，鮮有對不同成紗方法紡制混色紗混合效果的對比分析。為充分了解和預測不同成紗方法紡制紗線的性能和混合效果，有必要對混色紗中不同顏色纖維的徑向分布情況進行探究。

條混法是將多根有色條子在并條工序實現纖維混合的方法[10]，也是生產混色紗常用的混色方法。本文以紅、白、藍粘膠纖維為原料，使用條混法分別紡制1道熟條和3道熟條，采用環錠紡、轉杯紡和噴氣渦流紡這3種成紗方法將2種熟條紡制成線密度為27.7 tex的6種混色紗，通過計算混色紗中各色纖維的漢密爾頓指數,測試成紗結構和紗線性能，研究不同成紗方法對混色紗混色均勻程度和成紗質量的影響。

1 成紗機制分析

成紗方法不同，混色紗中纖維的混合效果和成紗性能也不同。

環錠紡的成紗過程為粗紗經過牽伸區被抽長拉細成一定細度的須條，須條從前羅拉鉗口輸出后，經過高速錠子和鋼絲圈加捻和卷繞成管紗。環錠紡混色紗中各色纖維呈螺旋線周期性排列，紗線的徑向結構清晰、緊密，紗線徑向結構上纖維捻合在一起，邊緣纖維聚集，其使用原料范圍廣、成紗強力高，但生產效率不如新型成紗方法[11]。

轉杯紡的成紗過程為纖維須條由給棉羅拉喂入分梳輥并分離成單纖維，纖維在分梳輥的離心力和紡杯內負壓氣流的作用下脫離分梳輥，經過輸棉管道進入紡杯, 在凝聚槽中形成一個完整的纖維環, 纖維環隨紡杯高速旋轉, 在引紗的作用下, 隨捻度不斷地傳遞和連續剝離的纖維束成紗[12]。轉杯紡成紗過程中，分梳輥和轉杯配合完成對須條的抽長拉細及纖維并合作用，有利于各色纖維均勻分布。轉杯紡生產效率高、加工成本低，使用轉杯紡生產的混色紗具有獨特的色彩風格和廣闊的市場空間。

噴氣渦流紡的成紗過程為纖維須條經過羅拉機構超大牽伸后，由前羅拉輸出進入噴嘴，在高速渦流作用下，纖維須條的頭端被引導進入空心管，纖維須條的尾端被高速氣流吹散并在空心管頂端旋轉，給纖維須條加捻，紗線由空心管引出后卷繞成筒子紗。噴氣渦流紡生產流程短、生產效率高，但對原料要求較高，存在使用局限[13-14]，開發混色紗對噴氣渦流紡發揮技術優勢、拓展生產領域具有重要的意義。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

6種混色紗線密度均為27.7 tex(1#為1道并條的環錠紡，2#為3道并條的環錠紡，3#為1道并條的轉杯紡，4#為3道并條的轉杯紡，5#為1道并條的噴氣渦流紡，6#為3道并條的噴氣渦流紡)，火棉膠、羊毛纖維，市售；紗線分別在TH578環錠紡紗機和DS66轉杯紡紗機上紡制。

2.2 性能測試

2.2.1 紗線縱向結構

使用VHX-5000型超景深三維顯微鏡(日本基恩士公司)，將紗線縱向放大40倍，觀察紗線形貌。

2.2.2 紗線強伸性能

根據GB/T 3916—2013《紡織品 單根紗線斷裂強度和斷裂伸長率的測定》，使用YG068C型全自動單紗強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)測試紗線的斷裂強度和斷裂伸長率。拉伸速度為500 m/min，取樣長度為500 mm，預張力系數為0.5 cN/tex，取樣間隔為2 m，測試30次。

2.2.3 紗線條干均勻度

根據GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第1部分：電容法》，使用USTER TESTER 5型條干測試儀(瑞士烏斯特公司)測試紗線的條干均勻度。測試速度為100 m/min，測試時間為1 min，測試2次。

2.2.4 紗線毛羽

根據FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測定方法投影計數法》，使用YG172型紗線毛羽測試儀(陜西長嶺紡織機電科技有限公司)測試紗線的毛羽。測試速度為30 m/min，片段長度為10 m，測試10次。

2.2.5 漢密爾頓指數

用羊毛纖維包埋紗線，使用Y172型哈氏切片器(常州德普紡織科技有限公司)制備紗線橫截面切片，在SSC-DC4889型光學顯微鏡(日本索尼公司)下放大100倍，保存其清晰的截面圖像，計算漢密爾頓指數。每種混色紗選取5處不同位置進行切片及觀察。

漢密爾頓指數(M)可通過表達纖維在紗線中徑向分布情況，定量研究纖維混合效果。漢密爾頓指數以計算纖維在紗線中的徑向分布矩為基礎, 求得某種纖維向內或向外的轉移分布參數。M值一般介于-100%～100%之間。當M=0時，表示纖維混合均勻；當M>0時, 表示纖維有向外轉移的趨勢；當M<0時, 則表示纖維有向內轉移的趨勢。M絕對值的大小, 表示纖維發生內外轉移的程度。M的絕對值越小, 纖維混合效果越好；M的絕對值越大, 纖維混合效果越差[15-16]。

本文以紅、白、藍3種顏色粘膠纖維紡制的混色紗為例, 介紹紅色纖維(A)的漢密爾頓指數計算方法。

1) 制作混色紗截面等分同心圓。使用繪圖軟件(PS)確定混色紗橫截面切片圖像的圓形外邊界和紗心，接著將圓形外邊界的半徑5等分，作5個同心圓。這樣使混色紗橫截面切片圖像被分割成5個纖維層, 從紗心到圓形外邊界依次計為第1層、第2層、第3層、第4層、第5層。混色紗切片樣本等分同心圓如圖1所示。

圖1 混色紗切片樣本等分同心圓Fig.1 Color blended yarn slice sample divided into concentric circles

2) 統計各層各色纖維根數ai、bi、ci(ai表示第i層紅色纖維根數；bi表示第i層白色纖維根數；ci表示第i層藍色纖維根數) , 計算各色纖維的實際占有橫截面積Ai、Bi、Ci(Ai表示第i層紅色纖維的實際占有截面積；Bi表示第i層白色纖維的實際占有截面積；Ci表示第i層藍色纖維的實際占有截面積)。

若存在分布在纖維層邊界線上的纖維，則以纖維橫截面積的1/2及以上是否在纖維層內為判斷依據，若纖維橫截面積的1/2及以上在纖維層內，則計為1根纖維，否則計為0根纖維。本文中紅、白、藍3種顏色纖維均為粘膠纖維，設定粘膠纖維平均橫截面積為1, 則各色纖維的實際占有橫截面積為纖維根數。

3) 根據漢密爾頓指數分析法[17]計算各層纖維的分布矩，如式(1)所示，紅色纖維A的實際面積分布矩FA為

FA=-2A1-A2+A4+2A5

(1)

4) 根據漢密爾頓指數分析法計算纖維均勻分布時的分布矩，如式(2)所示，計算紅色纖維A的均勻分布矩:

(2)

式中：A為紅色纖維總根數；ti為第i層纖維總根數；T為纖維總根數。

5) 計算FU-FA。FU-FA>0，表示紅色纖維A優先分布在內層，則將所有紅色纖維以第1層為起點向外依次填充至全部填充完，依照紅色纖維新的分布情況，計算紅色纖維的最大向內分布矩FI；FU-FA<0，表示紅色纖維優先分布在外層，則將所有紅色纖維以第5層為起點向內依次填充至全部填充完，依照紅色纖維新的分布情況，計算紅色纖維的最大向外分布矩FO。

6) 計算紅色纖維A的漢密爾頓指數M。若FU-FA>0，則根據式(3)計算；若FU-FA<0，則根據式(4)計算。

(3)

(4)

白色纖維、藍色纖維的漢密爾頓指數計算方法與紅色纖維類同。

3 纖維混合特征

每種混色紗選取5處樣本1～5不同位置進行切片及拍攝，6種混色紗的切片樣本如圖2所示。

根據混色紗切片樣本，按照漢密爾頓指數分析法的步驟，首先計算各色纖維相對截面積及其截面積分布矩，最后得出各個樣本中各色纖維的漢密爾頓指數，如表1所示。

分別計算6種混色紗的5個樣本的漢密爾頓指數平均值，得出混色紗中各色纖維的漢密爾頓指數，如表2所示。

由表2可知：6種混色紗中，1#和2#中各顏色纖維的M絕對值之和分別為30.15%、11.37%，二者之和為41.52%；3#和4#中各顏色纖維的M絕對值之和分別為23.48%、12.39%，二者之和為35.87%；5#和6#中各顏色纖維的M絕對值之和分別為47.63%、22.68%，二者之和為70.31%。

3種成紗方法的成紗機制不同，纖維在紗線中的排列狀態也不相同，這導致不同成紗方法所紡紗線的纖維混合效果有很大差異。環錠紡和噴氣渦流紡都采用羅拉牽伸的方式實現對須條的抽長拉細，加捻過程中內外層纖維因疊加效應而形成混合，在成紗階段整體上混合效果較差，主要依靠并條階段的混合效應。轉杯紡成紗過程中纖維主要經分梳輥的梳理，經纖維輸送通道的伸直平行和在轉杯內并合、集聚及加捻等階段的作用，由高速旋轉的分梳輥和轉杯共同配合完成對須條的抽長拉細的同時可以完成纖維的并合效應，各色纖維總體分布均勻，呈現的混合效果最好。結合實驗結果可知，由于轉杯紡在并條階段和細紗階段都有混合效應，因此成紗混合效果優異，環錠紡和噴氣渦流紡混合效果次之。

圖2 切片樣本Fig.2 Slice samples

測試結果同時表明，3種成紗方法所采用的2種條混方式中，經過3道并條工序的混色紗中各色纖維的M絕對值基本都低于經過1道并條工序，即3道并條工序成紗混合效果優于1道并條。纖維條經過3道并條工序，各色纖維充分混合，纖維條截面內的各色纖維分布更加均勻，所紡混色紗的混合效果更好。

4 混色紗縱向結構

混色紗的縱向微觀結構如圖3所示。可以看出：環錠紡混色紗中纖維呈螺旋線排列；轉杯紡依靠高速氣流回轉成紗，紗線表面有典型的包纏纖維；噴氣渦流紡混色紗為雙層結構，包括芯層纖維和皮層纖維，芯層纖維平行排列，皮層纖維纏繞于芯層纖維外。從混色紗的縱向微觀結構可以看出：3種成紗方法中，轉杯紡混色紗縱向顏色分布最均勻，渦流紡混色紗縱向顏色分布最不均勻。2種條混方式中，3道并條工序紡制的混色紗縱向顏色分布較1道并條工序紡制的混色紗均勻。通過混色紗縱向微觀結構的分析可以側面印證混色紗橫截面混色效果。

表1 1#～6#各色纖維漢密爾頓指數Tab.1 Hamilton index of 1#-6#colored fibers

表2 6種混色紗各色纖維的漢密爾頓指數Tab.2 Hamilton index of 6 kinds of color blended yarn

圖3 紗線縱向結構Fig.3 Longitudinal structure of yarn

5 成紗性能

6種混色紗的成紗性能如表3所示。可以看出：3種成紗方法中，環錠紡成紗的強伸性能最好，其次是噴氣渦流紡，轉杯紡最低；噴氣渦流紡成紗的毛羽指數最小，其次是轉杯紡，環錠紡最高；條干均勻度相差較小，其中3道并條的環錠紡條干最優。2種條混方式中，3道并條所成紗的強伸性能和條干均勻度優于1道并條；但3道并條成紗的毛羽指數高于1道并條。

表3 6種混色紗的成紗性能Tab.3 Yarn forming properties of 6 kinds of color blended yarn

3種成紗方法的成紗機制不同，成紗性能也存在差異。環錠紡中纖維伸直平行度好，使得成紗的強伸性能最好，但存在的加捻三角區使邊緣纖維不能完全進入紗體，造成較多毛羽；轉杯紡中的纖維伸直度受到限制，且分梳輥易造成纖維損傷，使得成紗的強伸性能較低；噴氣渦流紡在壓縮空氣下加捻成紗，毛羽指數遠低于另外2種成紗方法。

2種條混方式中，纖維條經過3道并條的并合、牽伸和混合，纖維條中的纖維伸直平行度高，內在結構得到改善，所紡混色紗的強度、伸長率和條干均勻度優于只經過1道并條的纖維條；由于3道并條經過的并條工藝道數較多，纖維損傷增多，導致毛羽增多。

6 結 論

本文對使用3種不同成紗方法(環錠紡、轉杯紡和噴氣渦流紡)、2種條混方式(1道并條、3道并條)所紡制的6種混色紗的混合效果、成紗結構和紗線性能進行了研究。

1)3種成紗方法中，轉杯紡成紗的漢密爾頓指數絕對值最小，各色纖維混合效果最好；2種條混方式中，3道并條工序成紗纖維混合效果優于1道并條。

2)3種成紗方法所形成的混色紗結構有明顯的區分度，其中環錠紡混色紗中纖維呈螺旋形排列；轉杯紡混色紗表面有典型的包纏纖維；噴氣渦流紡混色紗為皮芯層結構。

3)3種成紗方法中，環錠紡成紗的強伸性能最好；噴氣渦流紡成紗的毛羽指數最小；條干均勻度相差較小。2種條混方式中，3道并條工序成紗的強伸性能和條干均勻度較好；1道并條工序成紗的毛羽較少。