雙喂給雙分梳轉杯紡技術研究進展

汪 軍，史倩倩，李 玲，張玉澤

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

轉杯紡技術始于1937年丹麥人伯尼爾森提出的專利，隨后在歐洲一些研究所和公司的持續研究下逐漸走向應用。1967年，在原捷克斯洛伐克誕生了第1臺世界上真正具有工業應用價值的BD200型轉杯紡紗機，標志著其正式進入市場應用。至今轉杯紡已成為技術最為成熟、應用面最為廣泛的新型紡紗方法之一[1]。

在過去50多年的發展過程中，轉杯紡紗的發展方向是：高速、高產、高支、高自動化與智能化、拓展適紡原料和紗線新產品開發[2-3]。從最初用下腳原料紡制副牌紗到如今采用優質原料生產優質紗，適紡纖維從棉拓展到毛、麻以及化學纖維[4-5]，接頭方式從手工處理發展到全自動接頭，轉杯速度從3萬 r/min提高到20萬 r/min[6]，紡紗線密度從58 tex提升到14.5 tex[4]。紡紗器是轉杯紡的核心部件，故紡紗器的流場模擬與測試[7-9]，轉杯、假捻盤和分梳輥三大件的設計優化，紡紗工藝配置優化以及新產品開發一直是轉杯紡的研究重點。轉杯紗毛羽少、條干好，但強度略低、手感較硬，同時轉杯紡在紡制纖維性能差異較大的混紡紗時也存在問題，主要原因是紡紗器只配置1個分梳輥，1種針布規格很難同時滿足不同纖維的分梳要求，從而造成紡制混紡紗時易對某種纖維損傷過大或者分梳質量不佳的現象，這也限制了轉杯紡的進一步發展。

2003年，Hajilari等[10]提出將單喂給變為雙喂給，但是分梳輥仍然是單個，成紗質量提高有限。2003年，Burkhardt[11]將分梳輥改為上下2個部分，配置不同的針布，條子從上下2個口喂入，分別對應 2種規格的針布，但是2種針布裝在同一分梳輥上，無法在同一時刻實現不同的轉速。2017年，楊瑞華等[12-14]研究了多通道轉杯紡紡制色紡紗技術，但是仍然采用了單個分梳輥。2013年，東華大學[15]開始研究雙喂給雙分梳(dual-feed-opening，簡稱DFO)紡紗器，在持續深入研究的基礎上開發了一些紗線新品。

本文主要就雙喂給雙分梳轉杯紡的設計原理、紡紗器流場分布、紗線結構特征和產品開發等方面進行分析探討，比較其與傳統單分梳轉杯紡的差異，以期為該技術的進一步研究及產品開發提供借鑒。

1 設計原理與可行性分析

1.1 設計原理

為了能夠適應不同纖維的分梳，新設計的紡紗器采用2個喂給裝置和2個分梳裝置。圖1為傳統轉杯紡(簡稱單分梳轉杯紡)和雙喂給雙分梳轉杯紡(簡稱雙分梳轉杯紡)的示意圖[16]。相較于單分梳轉杯紡，雙分梳轉杯紡有2個獨立的條子喂給裝置以及2個獨立的分梳裝置，同時配置2個輸纖通道分別位于轉杯的兩側，可實現2路條子獨立喂給和分梳，轉杯和假捻盤的配置不變。雙分梳轉杯紡成紗機制是：條子1和2分別通過喂給羅拉1和喂給羅拉2經各自的分梳輥梳理后，形成2股獨立的纖維流從各自對應的輸纖通道進入同一轉杯，然后進入轉杯滑移面，在高速旋轉轉杯的離心力作用下，來自2個輸纖通道的纖維經凝聚槽集聚后加捻成紗。

圖1 單分梳與雙分梳轉杯紡對比示意圖Fig.1 Comparison chart of conventional single opening rotor spinning system (a) and DFO rotor spinning system (b)

雙分梳轉杯紡設計原理的核心是改變了紡紗器的形式，將傳統紡紗器1個喂給羅拉、1個分梳輥、1個輸纖通道和1個轉杯的配置擴展為2個喂給羅拉、2個分梳輥、2個輸纖通道和1個轉杯的形式[17]。

1.2 可行性分析

1.2.1 成紗機制分析

從紡紗機制角度看，首先雙分梳轉杯紡改變了纖維流喂入、分梳、輸送和進入轉杯的方式，將 1個條子的喂給、分梳和輸送擴展成2個條子分別獨立喂給、分梳和輸送，這些改變不涉及加捻與假捻等機制。其次將傳統形式的1個輸纖通道改為2個輸纖通道同時輸送纖維，雖然對纖維須條的凝聚與并合有所影響，但是應該能夠完成并合與凝聚。最后，須條加捻、假捻、剝離和引紗過程沒有變化。基于以上分析，可以斷定雙分梳轉杯紡能夠正常紡紗。

1.2.2 氣流場分析

轉杯紡是依靠負壓氣流驅動纖維，負壓氣流會影響纖維運動及纖維形態，進而影響纖維在凝聚槽中的分布，最終影響轉杯紗的成紗質量，所以紡紗器內的氣流場分布是紡紗器設計的重要依據。借助于計算流體動力學方法，對具有相同尺寸的單分梳和雙分梳轉杯紡紗器進行幾何建模、網格劃分，如圖2所示[16,18]，然后就可計算并分析氣流場的分布特征。圖中X、Y、Z分別表示笛卡爾直角坐標系的 3個坐標軸，轉杯紡紗器模型出口負壓同為-4 900 Pa，轉杯轉速同為30 080 r/min，紡紗器的幾何尺寸是基于實物測試的數據。

圖2 單分梳和雙分梳轉杯紡紗器幾何模型和網格劃分示意圖Fig.2 Chart of geometric model(a) and meshed computational model(b) of conventional single opening and DFO rotor spinning systems

通過ANSYS Fluent，采用SIMPLE算法和二階迎風格式進行數值求解。由于纖維在轉杯紡紗器中主要受輸纖通道和轉杯內部氣流場的影響，因此著重關注該部分流場特征。圖3示出2種轉杯紡紗器模型在Y軸坐標上不同y值情況下的氣流速度矢量分布情況[16]。在2種轉杯紡紗器中氣流均自輸纖通道入口開始加速，當其到達輸纖通道出口處時速度達到最大，在相同邊界條件下，氣流在單分梳轉杯紡紗器輸纖通道出口處的速度最大值為89.46 m/s，略大于雙分梳轉杯紡紗器在2個輸纖通道出口處的最大值85.13和87.97 m/s。隨后由輸纖通道流出的高速氣流撞向轉杯壁面(如圖3中A、B和C所示)，并在轉杯高速旋轉作用下順轉杯旋轉方向在轉杯內部流動。由圖3可以看出，轉杯內部流動的氣流在轉杯離心力作用下，越靠近轉杯旋轉壁面的氣流速度越大，而靠近轉杯中心處的氣流速度較小。由上述分析可得，氣流速度矢量在2種紡紗器模型的輸纖通道及轉杯內部分布特征十分相似，但雙分梳轉杯紡紗器中氣流速度矢量整體呈中心對稱分布。

注：TC代表輸纖通道。圖3 單分梳和雙分梳轉杯紡紗器氣流場速度矢量分布Fig.3 Airflow velocity profiles in conventional single opening and DFO rotor spinning system

2種轉杯紡紗器氣流場中的靜壓分布如圖4所示[16]。由圖4(a)可知，氣流靜壓在2種轉杯紡紗器輸纖通道中均迅速下降至-4 000 Pa以下，并在輸纖通道出口處由于氣流壓力勢能向動能的不斷轉化形成局部低壓區(如圖4(a)中B、E和F所示)。隨后由于出輸纖通道的高速氣流撞向轉杯壁面，使得氣流流動的動能轉化為壓力勢能，從而在輸纖通道出口所對的轉杯壁面上形成了局部高壓區(如圖4(a) 中A、C和D所示)。2種轉杯紡紗器模型轉杯中的靜壓分布相對穩定，但雙分梳轉杯紡紗器轉杯中的靜壓為-4 700 ～-3 700 Pa，略高于單分梳轉杯紡紗器轉杯中的靜壓(-4 800 ～-4 000 Pa)。

圖4 單分梳和雙分梳轉杯紡紗器氣流場靜壓分布Fig.4 Air pressure distributions in conventional single opening and DFO rotor spinning system.(a) Air pressure three-dimensional distributed;(b) Air pressure distribution on plane along x-direction

圖4(b)給出了2種轉杯紡紗器中靜壓在y=14.0 mm時沿x坐標方向的分布。圖中ⅰ、ⅱ 和 ⅲ分別對應所述2種轉杯紡紗器中靜壓分布的局部高壓區、轉杯內穩定負壓區和局部低壓區。由圖4(b)及其分析可知，靜壓在2種轉杯紡紗器模型中的分布特征亦相似，但相比于單分梳轉杯紡紗器模型，雙分梳轉杯紡紗器模型中的靜壓分布也呈中心對稱。

由上述氣流場分布可知，氣流在2種轉杯紡紗器中輸纖通道和轉杯內部分布特征幾乎相同，但由于雙分梳轉杯紡紗器中2套喂給和分梳系統以及2個輸纖通道的結構設計，使其氣流場特征整體呈中心對稱分布[16,19]，從而使得雙分梳轉杯紡紗器裝置可實現2路獨立輸入條子的協同穩定成紗。

2 成紗特征與成紗質量

2.1 雙分梳轉杯紗結構基本特征

為研究雙分梳轉杯紗的結構，以滌綸和棉纖維為原料，在搭建的雙分梳轉杯紡紗試驗機上紡制滌/棉(55/45)混紡紗，紗線線密度為58 tex。其中棉條使用OK40分梳輥，滌綸條使用OK37分梳輥。轉杯轉速為40 000 r/min，分梳輥轉速均為7 000 r/min，捻系數為420。同時為與傳統轉杯紗比較，采用同樣的條子在單分梳紡紗器上紡制相同規格的紗，使用OK37分梳輥，其余試驗參數同上。對紗線的縱向和橫截面分別拍攝了電鏡照片，如圖 5、6所示。

圖5 2種轉杯紗的縱向形態Fig.5 Longitudinal morphology of two rotor spun yarns spun with two rotor spinning systems.(a) Conventional single opening rotor spun yarn;( b) DFO rotor spun yarn

從圖5可見，在縱向上2種紗線結構相似，均呈現出典型的轉杯紗結構特征，即具有外層包纏的分層結構和毛羽較少的特點。由圖6可知，2種混紡紗中滌綸和棉纖維的轉移規律基本相同。滌綸優先向內轉移，形成紗芯；棉纖維趨向于紗外層，形成包纏結構[20]。可見，雙分梳轉杯紗總體上屬于轉杯紗的范疇。

2.2 雙分梳轉杯紗成紗質量

2.2.1 滌綸/粘膠混紡紗

為進一步分析雙分梳轉杯紗質量，在轉杯紡試驗機上紡制不同混紡比例的35 tex滌綸/粘膠混紡紗，然后進行紗線性能測試與分析。制備混紡纖維條的工藝流程：纖維原料→SX01型纖維成條儀→DHU301并條試驗機。

雙分梳紡紗參數：捻系數450；轉杯轉速70 000 r/min；分梳輥1型號OK37(滌綸)，轉速7 000 r/min;分梳輥2型號OK40(粘膠)，轉速7 000 r/min。在紡紗試驗時，混紡比例可根據條子定量在控制面板上設置。單分梳紡紗參數：分梳輥型號OK37，轉速7 000 r/min，其余參數同雙分梳紡紗參數。不同混紡比的2種轉杯紗質量數據如表1[21]所示。

表1 不同混紡比的2種轉杯紗性能對比Tab.1 Comparison of yarn properties of two rotor spun yarns with different blending ratios

由表1可得：對相同線密度、不同混紡比例的滌綸/粘膠混紡紗而言，雙分梳轉杯紗的斷裂強度均明顯高于單分梳轉杯紗，提升幅度在10%以上；在斷裂伸長率方面，二者無明顯差異；雙分梳轉杯紗的3 mm以上毛羽數明顯少于單分梳轉杯紗，其改善幅度在20%以上；雙分梳轉杯紗的條干不勻率均顯著好于單分梳轉杯紗。總體而言，雙分梳轉杯紗的質量優于單分梳轉杯紗。

2.2.2 棉/大麻混紡紗

采用轉杯紡試驗機紡制不同線密度的棉/大麻(50/50)混紡紗，并與同規格的單分梳轉杯紗進行比較。纖維條的制備同2.2.1節。

雙分梳紡紗參數：捻系數480，轉杯轉速70 000 r/min；分梳輥1型號OK37(大麻)，轉速7 500 r/min；分梳輥2型號OK40(棉)，轉速7 500 r/min。單分梳紡紗參數：分梳輥型號OK40，轉速7 500 r/min，其余參數同雙分梳紡紗參數。不同線密度的2種轉杯紗質量數據如表2[21]所示。

表2 不同線密度的2種轉杯紗性能對比Tab.1 Comparison of yarn properties of two rotor spun yarns with different linear density

從表2同樣可見，對于不同線密度的棉/大麻混紡紗，雙分梳轉杯紗質量總體也是優于單分梳轉杯紗。

相較于單分梳裝置，雙分梳裝置對纖維的開松梳理更加充分、對纖維的損傷更小，排雜效果有所改善。同時，2個輸纖通道喂入，有助于改善紗線條干。

2.3 纖維在紗體內的分布特征

在雙分梳轉杯紡技術中，纖維流經2個輸纖通道進入轉杯，這可能會導致纖維在轉杯內的混合規律有所變化，所以分別使用轉杯紡試驗機在轉杯內制備2類纖維環，通過分析纖維環不同部位不同纖維所占比例來表征纖維混合效果。纖維環設計的混紡比為55/45(滌綸/棉)。具體操作步驟：1)分別在單、雙分梳轉杯紡試驗機上喂入纖維條，但不進行生頭操作。雙分梳滌綸條和棉條從2個通道分別喂入，單分梳則是滌綸條和棉條從1個通道喂入，持續一段時間可在轉杯內形成纖維環；2)將每個纖維環等分成4部分，纖維環及分割示意圖如圖7所示。分別標記為第1部分、第2部分、第3部分和第4部分，用哈氏切片器對每一部分的纖維束制作切片；3)用掃描電子顯微鏡對纖維束切片進行觀察，每部分纖維束各做10個切片。

圖7 纖維環及分割示意圖Fig.7 Chart of fiber band(a) and division(b)

對電鏡照片按照Hamilton指數方法，將纖維環截面分成5個等間距的同心圓，纖維環的橫截面圖像如圖8所示；然后對2種纖維在各層的根數進行統計，得到每層纖維的頻數分布數；取10個切片的平均值，將單/雙分梳纖維環中各層滌綸所占比例繪制成圖，如圖9[21]所示。可以看出：單分梳轉杯紡中滌綸在纖維環4個部分所占的比例基本相同，可以認為滌綸和棉纖維的混合是較均勻的。而對雙分梳轉杯紡而言，滌綸的占比在纖維環不同部分的差別較大，這意味著滌綸和棉纖維在轉杯內的混合不均勻。應該是由于2股纖維流同時進入轉杯的不同位置導致的，這方面的機制還有待進一步研究。

圖8 纖維環的橫截面圖像Fig.8 Cross-sectional view SEM image of fiber band

3 雙分梳轉杯紡產品開發

3.1 環保牛仔紗

雙分梳轉杯紡2路喂入的纖維在梳理和并條階段沒有混合，僅在轉杯內混合，因此2種纖維在紗線表面分布有可能不均勻。為直觀表達，分別將2種和3種顏色的纖維條從2個喂給裝置喂入，各種纖維的混比固定，圖10示出不同顏色纖維雙分梳混紡紗表觀照片。

從圖10可明顯看出，紗線外觀上不同顏色纖維的分布并不均勻。以圖10(a)為例，藍色和白色2種纖維在一定范圍內呈現間隔隨機分布。究其原因，除了上述2種纖維分布不勻的因素外，另一原因是轉杯紡是分層加捻，在剝離點附近進入凝聚槽的纖維大概率會成為紗線外表的包纏纖維層，不能轉移到紗線內部。進一步研究橫截面纖維的分布發現，紗線橫截面中藍色和白色2種纖維分布的比例基本固定，但是2種纖維在截面徑向的分布是沿著長度方向變化的[22]。

圖10 不同顏色纖維雙分梳混紡紗表觀照片Fig.10 Appearance images of blended yarn with different colored fibers.(a)Blue and white blended yarn;(b) Red,orange and white blended yarn

根據藍色和白色在紗線表面呈現出在一定范圍內隨機不均勻分布的特點認為，可以開發環保牛仔紗來制作牛仔面料。限于實驗室的條件，采用藍色和白色棉型粘膠原料(規格1.67 dtex×38 mm)在雙分梳轉杯紡試驗機上紡制40 tex轉杯紗。轉杯轉速40 000 r/min；分梳輥型號OK40，轉速7 000 r/min；捻度800捻/m；藍色粘膠與白色粘膠的比例為30/70 。

織造時經緯紗均為上述藍色和白色粘膠混紡紗，經密為380根/(10 cm)，緯密為114根/(10 cm)，采用三上一下右斜紋組織織造，在SGA598型半自動織樣機上制成幅寬為25 cm的牛仔面料樣品，如圖11所示。可見，織物表面藍中透白，呈現出典型的牛仔面料風格。

圖11 由雙分梳牛仔紗制成的牛仔面料Fig.11 Denim fabric made of DFO denim yarn

3.2 其他產品

雙分梳轉杯紡的特點是2個喂給系統可單獨控制，因此除開發混紡紗，還可紡制各類花式紗。第1類是顏色變化系列紗線，通過精確控制2種顏色的條子喂入，可紡制轉杯段彩紗等花式紗[23]。第2類是紗線結構變化系列紗，如竹節紗、負竹節紗以及2種組分的交替式結構的紗線[24]。第3類則是顏色和結構綜合變化的花式紗。

總之，雙分梳轉杯紡技術拓展了轉杯紡的內涵，可以開發出獨具特色的紗線新產品。

4 結 論

1)雙分梳轉杯紡是轉杯紡技術的發展，通過紡紗器流場研究和試紡試驗驗證了可行性，其成紗結構具有轉杯紗的一般特征，同時又具有自身獨特的風格。

2)雙分梳轉杯紡在紡制混紡紗時，由于具有2個不同配置的分梳輥，能更好地分梳不同性能的纖維，其混紡紗的成紗質量優于單分梳轉杯混紡紗。

3)2個通道喂入的纖維在雙分梳轉杯紗內分布的不均勻性遠大于單分梳轉杯紗，利用這個特點可以開發如環保牛仔紗等產品。

4)雙分梳轉杯紡技術利用2個獨立的喂給和分梳裝置，可開發多種顏色變化、結構變化以及二者結合的花式紗。

5)紡紗器是雙分梳轉杯紡裝備的關鍵核心部件，未來需要在纖維進入轉杯的運動、凝聚加捻以及纖維在紗線內分布的規律等方面進行深入研究，在此基礎上持續完善雙分梳轉杯紡技術。

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