基于噴氣渦流紡的粘膠纖維理想幾何模型構建

石亞男 李浩 邢明杰

（青島大學，山東青島，266000）

粘膠纖維由于具有良好的性能一直為人類所使用。以前因為紡紗技術的局限性，其主要應用于傳統的環錠紡和轉杯紡。隨著科技的發展，誕生了新的紡紗技術。其中具有代表性的便是噴氣渦流紡［1］。其原理就是利用空氣渦流作用，使纖維束開松成單根狀態在噴氣渦流管內凝聚加捻成紗。

現階段國內外主要研究了噴氣渦流紡紡粘膠纖維的工藝，而對粘膠本身的幾何形態是否適用于噴氣渦流紡的研究較少。本研究從粘膠纖維的長度和細度兩方面進行了試驗［2］，不同長度和細度的纖維經過渦流紡加捻成紗線，再通過測試紗線的斷裂強力、毛羽指數、條干均勻度等指標，采用灰色近優綜合判定的方式來尋找最佳的粘膠纖維成紗長度和細度，并使用SPSS Statistics 22.0軟件對纖維長度、纖維細度和成紗強度三者之間的相關性進行檢驗，最終探究出最適合噴氣渦流紡的粘膠纖維幾何模型。

1 噴氣渦流紡紗線結構

噴氣渦流紡具有紡紗流程短、生產效率高、設備自動化程度高等優勢［3］。在投入使用之后，引起了國內外紡織企業的廣泛關注。由于噴氣渦流紡是一種通過氣流對纖維進行加捻的自由端紡紗方式，紡成紗線一般由外層纖維與內層纖維兩部分組成，內層大約30%的平行纖維并沒有被加捻，由外層被加捻的短纖維包覆成紗［4］。基于噴氣渦流紡的紡紗原理，利用SOLIDWORKS 2020模擬軟件建立噴氣渦流紡紗線理想模型，見圖1。

圖1 噴氣渦流紡紗線的理想模型

由圖1可以看出，噴氣渦流紡紗線內層存在平行纖維。這是由于噴氣渦流紡是一種通過氣流加捻的自由端紡紗方式，在加捻過程中須條的尾部纖維在渦流場的作用下產生定向移動，但纖維頭端并未完全加捻，作為無捻度的紗線內層平行排列而被外層纖維所包覆，以此形成了一種噴氣渦流紡紗線獨特的包纏結構。

2 噴氣渦流紡粘膠纖維長度和細度的測試

粘膠纖維的長度和細度對成紗質量有很大的影響。紗線的質量指標是一個灰色系統［5-6］，但纖維的長度、細度與紗線的質量之間的關系缺乏明確的物理模型。為了更加準確地建立最優粘膠纖維幾何模型，本研究采用灰色近優綜合判定的方式來尋找最佳的粘膠纖維長度和纖維細度。

2.1 長度優化測試

選取山東雅美科技有限公司的32 mm、34 mm、36 mm、38 mm、40 mm等5種粘膠纖維，纖維規格見表1。經過開松、梳棉、并條（兩道）、紡紗等工序紡制14.8 tex粘膠紗線。

表1 試驗用粘膠纖維規格

2.1.1 開松工藝

粘膠纖維具有整齊度好、短絨率低、含雜率低等特點。采用FK-500型雙單元開松機。工藝參數：錫林速度480 r/min，給棉羅拉轉速12 r/min，給棉羅拉與錫林間隔距0.3 mm，風扇速度1 235 r/min。

2.1.2 梳棉工藝

梳棉工序遵循“充分梳理，加強轉移”的原則，采用A186H型梳棉機，錫林與刺輥的速度應適當降低，以減少刺輥返花和棉結產生。為提高棉網質量和清晰度，適當增加錫林與蓋板隔距，防止纖維纏繞錫林堵塞蓋板。工藝參數：錫林速度330 r/min，刺輥速度800 r/min，道夫速度25 r/min，蓋板速度224 mm/min，刺輥錫林隔距0.18 mm，生條定量20.2 g/5 m。錫林道夫隔距0.13 mm，錫林蓋板五點隔距0.25 mm、0.23 mm、0.23 mm、0.23 mm、0.25 mm。

2.1.3 并條工藝

并條工序是紡紗過程的關鍵工序，通過并條可以將粘膠纖維充分混和，改善棉條不勻率，從而提高紗線質量。兩道并條均采用FA302型并條機，熟條定量18.27 g/5 m，并合根數5根，牽伸5.8倍。

2.1.4 紡紗工藝

本次紗線紡制過程均在山東高密元信紡織有限公司進行，采用Vortex3型噴氣渦流紡紗機。集棉器規格8 mm，空心管內徑1.4 mm，紡紗速度320 m/min。卷繞比0.98，超喂比0.96，紡紗氣壓0.45 MPa。

2.1.5 結果及分析

采用YG061F型紗線拉伸強力測試儀、YG172C型 紗 線 毛 羽測試儀、USTER ME6型 條干測試儀分別測出紗線的強力、毛羽、條干等基本成紗質量，進而選出適合噴氣渦流紡粘膠纖維的最優長度。首先，統計紡紗測試結果，見表2；然后列出成紗質量關于不同纖維長度方案的白化灰矩陣［7］，見式（1）。

表2 紡紗試驗結果

式中：第1、2、3、4、5列分別是32 mm、34 mm、36 mm、38 mm、40 mm纖維方案。第1、2、3、4、5、6行分別是斷裂強度、斷裂伸長率、毛羽指數、條干、細節、粗節數值。然后，把上述白化灰矩陣映射到［0，1］區間，列出相應的灰色近優白化灰矩陣，見式（2）。根據式（3）計算各方案的近優度。

式中：i為矩陣行數，j為矩陣列數。

由上述公式可以得出，32 mm纖維的近優度值為0.629 2，34 m m的近優度值為0.666 4，36 mm纖維的近優度值為0.744 2，38 mm纖維的近優度值為0.964 7，40 mm纖維的近優度值為0.891 2。即噴氣渦流紡粘膠纖維所得紗線的長度近優排列（從優到劣）為38 mm＞40 mm＞36 mm＞34 mm＞32 mm。

通過灰色近優判定的方法分析，38 mm粘膠纖維噴氣渦流紡紗線的近優度值為0.964 7，最接近1。綜合考慮，38 mm粘膠纖維最適宜于噴氣渦流紡，其次為40 mm粘膠纖維，雖然在斷裂強度與條干均勻度方面稍微有所下降，但其毛羽指數要低于38 mm纖維紡成紗線，存在一定可取性。在實際生產中運用這一特點可以生產具有一定針對性的產品，如對毛羽要求較高，但對紗線強力要求不是很高的情況下可以嘗試加大粘膠纖維的長度，來減少毛羽。36 mm粘膠纖維雖存在白度“1”，但其毛羽指數過大，不適合后續的加工過程。從現有試驗來看，32 mm、34 mm、36 mm的粘膠纖維不太適用于噴氣渦流紡。

2.2 細度優化測試

本次試驗采用的粘膠纖維同樣來自山東雅美科技有限公司，細度分別為1.33 dtex，1.44 dtex，1.55 dtex，1.67 dtex，2.00 dtex，纖維規格見表3。紡紗工藝及參數設置同2.1，進而選出適合噴氣渦流紡的粘膠纖維最優細度。首先，統計紡紗測試結果，見表4；然后列出成紗質量關于不同纖維細度方案的白化灰矩陣，見式（4）。

表3 不同細度粘膠纖維規格表

表4 紡紗試驗結果

式 中：第1、2、3、4、5列 分 別 是1.33 dtex、1.44 dtex、1.55 dtex、1.67 dtex、2.00 dtex纖維方案，第1、2、3、4、5、6行分別是斷裂強度、斷裂伸長率、毛羽指數、條干、細節和粗節數值。然后，把上述白化灰矩陣映射到［0，1］區間，列出相應的灰色近優白化灰矩陣，見式（5）。

根據公式（3）計算各方案的近優度，可得1.33 dtex纖維的近優度值為0.956 7，1.44 dtex纖維的近優度值為0.748 3，1.55 dtex的近優度值為0.910 0，1.67 dtex的近優度值為0.798 3，2.00 dtex纖維的近優度值為0.646 7。分析可知，不同細度的粘膠纖維可紡性優先等級為1.33 dtex＞1.55 dtex＞1.67 dtex＞1.44 dtex＞2.00 dtex。整體而言，1.33 dtex粘膠纖維是最優選擇，但在分析過程中起主導因素的是紗線條干均勻度部分，在紗線強度以及毛羽指數方面最優的纖維是1.55 dtex。通過本次試驗，針對實際生產，若對噴氣渦流紡紗線強力有所要求，可以選擇1.55 dtex的粘膠纖維，此細度的粘膠纖維所紡成紗線在力學性能與紗線毛羽指數等方面較其他細度纖維有明顯優勢；若對噴氣渦流紡紗線條干均勻度指標有較高要求，可以選擇1.33 dtex粘膠纖維，此細度粘膠纖維所紡紗線條干均勻，紗線粗節細節等指標均較佳。

3 模型的構建

根據以上試驗數據分析，得出了最佳的纖維長度與纖維細度。而要具體得出在噴氣渦流紡加捻過程中的最佳成紗理想纖維模型，還需驗證兩者之間是否存在交互作用。本研究采用SPSS Statistics 22.0軟件進行相關性檢驗。由于相關性檢測需要3個自變量。成紗強度作為紗線質量指標之一，在實際的生產過程中起到重要的作用。因此，選擇上文中測得的最優長度38 mm粘膠纖維，與最優細度1.55 dtex粘膠纖維作為置信水平，分別選擇上梯度與下梯度的粘膠纖維水平作為試驗組方案，共9種纖維模型，測試出9種纖維噴氣渦流紡紗線的成紗強度。此三者作為相關性分析的自變量，將9種纖維模型的灰色近優綜合判定灰白度作為因變量，從而分析四者之間兩兩相關以及總體相關性，具體數值見表5。

表5 SPSS灰白度測定性能表

回歸分析用于研究X（自變量）對Y（因變量）的影響關系。回歸分析之前，可使用箱盒圖查看是否有異常數據［8］，或使用散點圖直觀展示X和Y之間的關聯關系；回歸分析之后，可使用正態圖觀察和展示保存的殘差值正態性情況，或使用散點圖觀察和展示回歸模型異方差情況（殘差與X間的散點完全沒有關系則無異方差）。

將粘膠纖維長度、纖維細度作為自變量，成紗強度作為因變量，對相關數據進行Pearson相關性檢驗，檢驗結果：成紗強度和纖維長度之間的相關系數為-0.699、P值為0.036 0（＜0.05），成紗強度和纖維細度之間的相關系數為-0.533、P值為0.013 9（＜0.05）。可以得出：成紗強度和纖維長度、纖維細度之間有著顯著的相關關系。

驗證以上因變量相關性之后，將9組噴氣渦流紡紗線灰白度作為因變量，對數據進行線性回歸分析，線性回歸分析結果見表6，方差分析見表7，得出的回歸方程見式（6）。

表6 線性回歸分析結果（n=9）

表7 方差分析

式中：H為紗線灰白度，d為纖維長度，S為纖維細度，F為紗線斷裂強度。

從表6可知，P＞0.05，表明與正態分布無差異，即符合正態分布，可以構建線性回歸方程；VIF＜10，表明該模型沒有多重共線性問題，此模型構建良好。

從表7可知，該模型通過F檢驗（F=6.751，P=0.033＜0.05），說明建立的回歸方程是顯著的。經計算，線性回歸的相關系數為0.802，說明建立的回歸方程擬合度較好，意味著纖維長度、纖維細度、成紗強度可以解釋灰白度的80.2%變化原因，剩余的19.8%可能是受纖維的其他性能以及紡紗工藝影響所致。

根據公式（6）計算，成紗質量最優的纖維為細度1.55 dtex、長度38 mm的粘膠纖維。

4 結語

為建立噴氣渦流紡粘膠纖維可紡性最優化纖維模型，采用SPSS軟件進行相關性分析。量化評定紗線質量綜合指標為紗線質量灰白度，并將其作為因變量，自變量選取粘膠纖維長度、粘膠纖維細度以及成紗強度。通過線性回歸分析可知，纖維長度、纖維細度、成紗強度與噴氣渦流紡紗線質量灰白度之間存在顯著關系，灰白度與纖維長度呈負相關，與纖維細度呈正相關，與成紗強度呈正相關。纖維長度、纖維細度、成紗強度可以解釋灰白度的80.2%變化原因。根據纖維長度、纖維細度、成紗強度與紗線灰白度之間的模型公式計算得出粘膠纖維噴氣渦流紡可紡性最優纖維規格為38 mm×1.55 dtex。