棉/滌皮芯結構粗紗參數對其細紗結構與性能的影響

郭明瑞，顧銀華，高衛東

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

原料是決定紗線性能與外觀的根本，而紗線結構為其性能和外觀提供可變空間，探究新型結構紗線是紡紗領域研究工作的永恒主題。其中包芯紗以其獨特的結構和優異的性能被廣泛地應用，品種層出不窮，現有包芯紗大都是以長絲為芯，外包短纖維紡制而成，形成皮芯結構[1-3]。短纖維環錠紡紗成紗過程存在纖維轉移，根據轉移規律可以分為2類：纖維幾何轉移機制和纖維張力轉移機制。纖維幾何轉移機制認為，加捻三角區的存在使前羅拉鉗口輸出須條中纖維位置影響其在紗線中徑向分布，該機制主要是基于帶狀纖維須條加捻，位于須條中間的纖維趨向于分布在紗體中心[4]；纖維張力轉移機制主要是通過成紗中纖維路徑和纖維原料分析其張力變化，再由張力變化作用使其位置變化，同時，早期研究結果表明：較長纖維會優先向紗內轉移，粗纖維會較多地趨向紗的外層，初始模量較大的纖維趨向于內層，圓形截面纖維易擠入紗線內層[5]。借助上述纖維轉移機制使得調控異質混紡短纖紗結構成為可能。開發短纖包覆短纖的皮芯結構紗，可以充分利用異質纖維性能優勢實現互補，提高紗線性能，改善織物風格。早期開發的滌/棉皮芯結構紗是為了彌補棉帆布力學性能缺陷，滌綸芯紗在潮濕環境下可表現出耐水洗性、抗收縮性等良好性能[6]。目前，針對短纖維皮芯結構紗的研究仍不夠深入，其中包括棉/滌短纖包芯紗[7-9]和棉/棉短纖包芯紗[10]。

基于扁平須條加捻成紗的纖維幾何轉移機制，可構造特定芯纖維與鞘纖維相對位置的復合須條，優化皮芯結構粗紗的結構，并間接改善皮芯結構細紗結構，充分發揮棉/滌異質原料以皮芯結構分布于紗體中的優勢，使得紗線具有表觀棉紗效果與類似滌棉混紡紗的物理性能特點。為此，本文探究皮芯粗紗的紡紗工藝、粗紗定量、粗紗捻度，以及芯纖維含量等因素對皮芯結構細紗包覆效果與性能的影響，實現對棉/滌皮芯結構短纖紗的結構優化，為紡紗生產提供理論與實踐指導。

1 紡紗方法與實驗方案

1.1 紡紗方法

本文采用粗紗—細紗兩步法紡制皮芯結構短纖紗。通過將粗紗機后區集束器替換為上表面橫向中心位置帶孔的喇叭口，將棉條正常穿過喇叭口，上表面的孔中穿入滌綸粗紗，使得滌綸粗紗與棉條以上下層疊加形式經過牽伸區，輸出加捻成棉/滌皮芯結構粗紗，再將棉/滌皮芯結構粗紗經過環錠紡細紗機紡制成皮芯結構細紗。

1.2 實驗材料與儀器

本文選用黑色棉纖維作為鞘纖維，白色滌綸作為芯纖維。選用定量為16 g/(5 m)的黑色精梳棉條，黑色棉纖維主要質量指標見表1；定量為 18 g/(5 m) 的滌綸條為原料，滌綸規格為1.33 dtex×38 mm，根據棉/滌皮芯粗紗中滌綸含量為15%、20%和25%，預先紡制定量為5.65、8.00和10.67 g/(10 m) 的滌綸粗紗，粗紗特克斯制捻系數為70，用于紡制棉/滌皮芯粗紗。文中所紡各品種細紗特克斯制捻系數均為350。

表1 棉纖維質量指標Tab.1 Cotton fiber quality index

本文首先以表2所示實驗方案Ⅰ優選皮芯粗紗制備過程中前羅拉鉗口輸出粗紗須條，粗紗須條的加捻區寬度通過粗紗機加裝前區集束器和未加裝前區集束器實現，如圖1所示。

表2 實驗方案ITab.2 Experimental scheme I

表3 實驗方案IITab.3 Experimental scheme II

表4 實驗方案IIITab.4 Experimental scheme III

圖1 皮芯粗紗工藝Fig.1 Roving process.(a) With front buncher;(b) Without front buncher

實驗方案Ⅱ與方案Ⅲ在實驗方案Ⅰ優選后的條件下進行，紡皮芯粗紗時粗紗工藝采用圖1(b)中方式取消前區集束器。

實驗設備：THC2015型粗紗機，常州市同和紡織機械制造有限公司，紡紗錠速為600 r/min；FA507B型環錠細紗機，無錫第七紡織機械有限公司，紡紗錠速為12 000 r/min。

1.3 性能測試

拉伸斷裂性能：YG063型全自動單紗強力儀，蘇州長風紡織機電科技有限公司，參照標準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》，試樣夾距為500 mm，取樣間隔為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，預加張力為0.5 cN，每管紗測試20次取平均值。

條干CVm值：USTER TESTER 5型條干均勻度測試儀，瑞士烏斯特公司，測試速度為400 m/min，測試長度為400 m，每個品種測試10管取平均值。

毛羽指標：ZWEIGLE HL400型紗線毛羽儀，瑞士烏斯特公司，測試長度為100 m，每個品種測試 10管取平均值。

2 結果與討論

2.1 基于圖像方法的紗線結構分析

2.1.1 細紗表面皮芯纖維分布比例測量方法

傳統研究滌/棉混紡紗結構和定量的方法主要是切片觀察[11]和化學法[12]，此類方法對定量研究組分纖維在棉/滌皮芯結構短纖紗的表面分布具有明顯的局限性。本文基于計算機圖像處理技術，對棉/滌皮芯結構短纖紗表面皮芯纖維的分布情況進行表征。采用數碼相機系統(大恒MER-132-30GM黑白工業相機、COMPUTAR MLM3X-MP鏡頭、COSMICAR X2 TV EXTENDER增倍鏡)采集紗線，通過GalaxyView軟件控制相機的曝光時間、圖像采集幀率等參數。經過反復試驗，固定光源亮度，確定相機曝光時間為 100 μs，相機分辨率為1 292像素×964像素，采樣圖片所對應的實物尺寸為 3.9 mm×2.9 mm，此時選取紗線運行速率為 3.36 m/min，為滿足連續拍攝圖片之間無重疊區域，相機拍攝幀率設置為14.3幀/s。對圖像中紗體部分進行截取獲得部分紗體圖像(30行像素點)，如圖2所示。

圖2 棉/滌皮芯結構短纖紗原圖Fig.2 Original picture of cotton/polyester sheath-core spun yarn

采用MatLab軟件處理紗線圖像，先選取不同的灰度值對一張具有代表性的圖片進行二值化，遍歷不同灰度值作為閾值對紗線圖像進行分割，通過人工比對所獲得閾值分割圖像與原圖像，選取最優閾值(灰度值90)，閾值分割圖像如圖3所示。可認為灰度值大于閾值的像素點為紗線表面白色滌綸，灰度值小于閾值的像素點為紗線表面黑色棉纖維，計算出芯纖維外露比例。紗線樣品測試長度為100 m。

圖3 棉/滌皮芯結構短纖紗二值化圖Fig.3 Binarization diagram of cotton/polyester sheath-core spun yarn

2.1.2 皮芯粗紗芯纖維束偏心度表征

本文采用兩步法紡制皮芯結構細紗，其中，皮芯結構粗紗中芯/鞘纖維在粗紗橫截面中的分布對最終細紗的影響需要進行探究。皮芯結構粗紗橫截面形貌如圖4所示，采用偏心度來表征芯纖維束在粗紗中的偏心程度，偏心度計算公式為

圖4 皮芯結構粗紗橫截面Fig.4 Cross section of sheath-core roving

式中：γ為偏心度，%；R0為芯纖維束外接圓圓心與粗紗外接圓圓心的距離，mm；R1為粗紗外接圓半徑，mm。

本文中偏心度的測試方法如下：首先用捻度儀對皮芯結構粗紗再加捻，獲取纖維排列緊密、截面接近圓形的高捻粗紗，用火棉膠浸透該粗紗使其固化，待干燥硬化后，用刀片均勻切取粗紗截面切片，在數碼顯微鏡下觀察截面形態，并得到清晰的紗線截面圖像，利用基恩士VHX5000超景深顯微鏡的測量軟件測得芯纖維束所處外接圓和皮芯結構粗紗外接圓的半徑以及二者圓心距，每種規格的紗線各測量30個切片，其橫截面如圖4所示。

2.1.3 皮芯粗紗芯纖維束偏心度分析

表5示出粗紗機有無加裝前集束器時所紡皮芯結構粗紗中芯纖維束的偏心度測試結果。可以看出取消粗紗機前集束器可提高輸出纖維須條寬度，并有效降低皮芯粗紗中芯纖維束的偏心度，在芯紗含量為15%時，芯纖維束偏心度減小了36.6%。保持皮芯粗紗定量為5 g/(10 m)不變，芯纖維比例由15%增加至25%，無前集束器條件下，芯纖維偏心度由19.2%增大至26.5%，說明在所紡皮芯粗紗定量不變的條件下，芯紗比例增加會使芯纖維束偏心度增大，增加芯纖維包覆難度。從環錠紡紗原理可推斷，采用皮芯結構粗紗紡制細紗時，芯纖維束越靠近紗體中心，粗紗在牽伸過程中由于捻度存在而導致的粗紗沿紗軸方向的旋轉，以及粗紗由圓柱狀向扁平狀轉變過程中，芯纖維都更容易分布于扁平輸出須條的中心位置，有利于分布在細紗內部。優選皮芯粗紗紡紗工藝為圖1(b)中方式，即取消粗紗機前區集束器，以增大粗紗加捻區纖維須條寬度。

表5 皮芯結構粗紗芯纖維束偏心度Tab.5 Degree of eccentricity of core fiber bundle of sheath-core roving %

2.2 芯纖維外露比例的影響因素分析

2.2.1 皮芯粗紗加捻區須條寬度的影響

按照實驗方案Ⅰ紡紗，表6示出不同粗紗加捻區寬度對細紗芯纖維外露比例的影響。由表可知，紡制皮芯結構粗紗時，加捻區寬度較寬，所紡粗紗對應的細紗芯纖維外露比例較低，而所紡細紗越粗，芯纖維外露比例越低。皮芯粗紗加捻須條寬度由10.2 mm 增大至16.3 mm，細紗芯纖維外露比例降低11.3%(29.2 tex) 和12.3%(19.4 tex)。

表6 粗紗加捻區寬度對芯纖維外露比例的影響Tab.6 Influence of width of roving twisting zone on core fiber exposure ratio

根據觀察實際紡紗過程并結合理論分析可知，由于滌綸粗紗與棉條同時喂入喇叭口，得到滌綸須條位于棉纖維須條上表面橫向中央位置的復合纖維須條，經牽伸后輸出，根據加捻區的纖維幾何轉移機制，位于加捻區橫向中間位置的纖維趨于分布在紗線中心，而加捻區兩側邊緣的纖維趨于分布在紗線外圍，所以滌/棉復合條在前羅拉鉗口輸出時具有較大寬度有利于兩側棉纖維包覆中間的滌綸。

2.2.2 皮芯結構粗紗定量與捻度的影響

采用表3所示的實驗方案Ⅱ紡紗，粗紗定量與捻度對細紗芯纖維外露比例影響結果見表7、8可知。粗紗捻系數對芯纖維外露比例有極顯著影響，皮芯粗紗定量對芯纖維外露比例有顯著影響。在其他工藝參數不變的條件下，隨著皮芯結構粗紗定量的增加，芯纖維外露比例呈減小趨勢。原因是所紡粗紗定量越大，粗紗牽伸小，在粗紗機牽伸區皮圈鉗口中握持的粗紗纖維厚度較大，在加捻成紗后，位于須條中心位置的鞘纖維厚度較大，不易在此處形成薄壁層，減少滌綸芯纖維外露，進而所紡細紗芯纖維外露比例較低。

表7 粗紗定量與捻度對芯纖維外露比例的影響Tab.7 Influence of linear density and twist of roving on core fiber exposure ratio

表8 粗紗定量與捻度對29.2 tex細紗芯纖維外露比例影響的方差分析結果Tab.8 Result of two-way ANOVA of core fiber exposure ratio of 29.2 tex yarn by roving count and twist

另外，從表7可知，粗紗捻系數由90增大至110，細紗芯纖維外露比例最多增大16.7%(19.4 tex，6 g/(10 m))，增大粗紗捻度，不利于細紗包覆。主要原因是在細紗機牽伸過程，由于粗紗捻度的存在，粗紗在細紗機牽伸區運行會沿紗線軸向有一定旋轉，這就導致前羅拉鉗口輸出芯纖維須條的橫向位置波動，而粗紗捻度越大，這種波動就會越大，所以較低的粗紗捻度有利于減少芯纖維在前羅拉鉗口須條中的橫向運動，使芯纖維盡可能地位于須條中間位置，進而提高紗線的包覆效果。

2.2.3 芯纖維含量的影響

采用表4所示實驗方案Ⅲ紡紗，結果見表9、10可知，細紗線密度和芯纖維含量對芯纖維外露比例都有極顯著影響。在其他工藝參數不變的條件下，隨著芯纖維比例的增加，芯纖維外露比例增加。滌綸芯纖維含量由15%增加至25%，芯纖維外露比例分別增加35.6%(29.2 tex)和30.5%(19.4 tex)。因為紡制相同線密度的細紗時，芯纖維比例越大，則鞘纖維含量減少，分布在紗線外層的鞘纖維變薄，鞘纖維分布的均勻性會變差，因此紗線產生露芯，導致紗線包覆效果變差。

表9 芯纖維含量和細紗線密度對芯纖維外露比例的影響Tab.9 Influence of core fibre proportion of roving and yarn count on core fiber exposure ratio

表10 芯纖維含量與細紗線密度對芯纖維外露比例影響的方差分析結果Tab.10 Result of two-way ANOVA of core fibre exposure ratio by yarn count and core fibre ratio

2.3 各因素對紗線性能的影響分析

本文以29.2 tex細紗為例分析各工藝條件下紗線性能變化規律。

2.3.1 皮芯粗紗須條加捻區寬度對成紗性能影響

表11示出粗紗加捻區寬度對成紗質量的影響。可知，紡制棉/滌皮芯結構粗紗時，粗紗機前集束器對細紗成紗條干和毛羽有明顯影響，取消前集束器，細紗成紗條干CVm值增大0.39個百分點，短毛羽增多38.7%，3 mm及其以上長毛羽增加50.6%，而斷裂強力僅變化1.3%。這是由于無前集束器時，粗紗加捻區寬度較大，纖維須條以較大寬度的扁平狀加捻為圓柱狀，加捻區邊緣纖維傾斜程度較大，使得纖維在粗紗中的排列平行度較差，進而影響到粗紗在細紗工序的牽伸質量，會降低細紗質量。

表11 粗紗加捻區寬度對成紗質量的影響Tab.11 Influence of roving twisting zone width on yarn quality

2.3.2 皮芯粗紗定量與捻度對成紗質量影響

表12示出粗紗定量與捻度對成紗質量的影響。隨著粗紗定量的增大，細紗成紗條干惡化，粗紗定量不變的條件下，在一定范圍增大粗紗捻度有利于提高成紗條干均勻度，這是由于粗紗定量大，后道細紗工序的總牽伸倍數增大，根據牽伸原理，增大總牽伸倍數不利于纖維的均勻牽伸，同時也會放大纖維移距偏差，而一定程度增大粗紗的捻系數可增加纖維之間的抱合力，穩定纖維變速點，有利于提高成紗條干均勻度；紗線毛羽隨著粗紗定量的增大有明顯增多，粗紗捻系數增大可減小須條橫向擴散，小幅度地減少紗線毛羽；而紗線強伸性受粗紗定量和捻度的影響不明顯，紗線強伸性能主要由纖維強力和紗線結構決定。

表12 粗紗定量與捻度對成紗質量的影響Tab.12 Influence of linear density and twist of roving on yarn quality

2.3.3 芯纖維含量對成紗性能影響

表13示出芯纖維含量對成紗質量的影響。

表13 芯纖維含量對成紗質量的影響Tab.13 Influence of core fiber proportion of roving on yarn quality

從表13可知，增大芯纖維滌綸含量會使紗線條干惡化，由于滌/棉皮芯結構粗紗不同于普通混紡粗紗，其結構內滌綸和棉纖維具有明顯界限，在牽伸過程中，滌綸與棉纖維的性能差異較大，工藝配置不能完全兼顧2種纖維，在增加小組分纖維含量時會使這一工藝配置矛盾放大，使得紗線條干惡化。強力最多減少2.7%，說明對紗線強力影響不明顯，而強力變化規律與普通滌/棉混紡紗一致[13]。紗線 3 mm 以上毛羽減少23.0%，1 mm和2 mm短毛羽最多減少31.6%，毛羽減少明顯。增大芯纖維滌綸含量可增加纖維長度整齊度，有利于減少成紗毛羽。

2.4 棉/滌皮芯結構紗制成的緯編針織物

實踐中評價包芯紗包覆效果好壞的指標主要有2方面：一是紗體表面有無明顯塊狀芯紗外露而形成的明顯異色斑點；二是紗線上有無明顯周期性外露芯紗，在針織物上形成橫檔疵點。圖5示出用皮芯結構紗制成的緯編針織物。紗線為本文中芯纖維比例為25%的29.2 tex滌/棉皮芯結構短纖紗。布面上無明顯塊狀芯纖維外露而形成的異色斑點，同時也沒有明顯橫檔產生，說明紗線包覆效果比較理想。

圖5 皮芯紗緯編針織物布面效果圖Fig.5 Image of weft knitted fabric with sheath-core spun yarn

3 結 論

開發短纖包覆短纖的皮芯結構短纖紗，可充分利用異質纖維性能優勢互補，提高紗線性能；另外紗線皮芯結構對于芯纖維免染和原料降等使用方向有較大應用潛力，可以降低成本。本文明晰皮芯粗紗參數對粗紗-細紗兩步法紡制棉/滌皮芯結構短纖紗的外觀效果及性能的影響，有助于對紡紗工藝、芯/鞘纖維原料種類和比例的優選，提高短纖皮芯結構紗性能。結果表明：粗紗前集束器改變前鉗口纖維須條寬度，使其由10.2 mm 增大至 16.3 mm，細紗芯纖維外露比例降低11.3%(29.2 tex滌/棉紗)和12.3%(19.4 tex滌/棉紗)；芯纖維滌綸含量由15%增加至25%，芯纖維外露比例增加35.6%(29.2 tex)和30.5%(19.4 tex)；粗紗捻度和定量增大不利于細紗包覆效果提升。由29.2 tex滌/棉皮芯結構短纖紗制成的布面上無明顯異色斑點和橫檔產生，成紗狀態穩定。

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