噴氣渦流紡工藝對(duì)粘膠/滌綸包芯紗性能的影響

鄒專勇，繆璐璐，董正梅,2，鄭國全，付 娜

(1.紹興文理學(xué)院 浙江省清潔染整技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312000；2.中紡院(浙江)技術(shù)研究院有限公司，浙江 紹興 312000)

噴氣渦流紡是利用噴嘴和空心錠子構(gòu)建的加捻腔中高速旋轉(zhuǎn)氣流對(duì)倒伏在空心錠子入口的開端化自由尾端纖維加捻包纏紗芯而成紗，紗線具有真捻的外觀結(jié)構(gòu)[1]。噴氣渦流紡技術(shù)具有工藝流程短、高速高產(chǎn)和用工少的特點(diǎn)，同時(shí)生產(chǎn)的紗線毛羽少、耐磨性好、抗起毛起球，但紗線強(qiáng)力僅為環(huán)錠紡紗線的80%左右。目前國內(nèi)較多紡紗企業(yè)采用噴氣渦流紡技術(shù)紡制粘膠類紗線產(chǎn)品，但噴氣渦流紡粘膠紗強(qiáng)力相對(duì)偏低，主要用于針織物生產(chǎn)[2]。為了提高噴氣渦流紡紗線的強(qiáng)力，可引入包芯紗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，開發(fā)噴氣渦流紡包芯紗，拓寬下游應(yīng)用領(lǐng)域，打破市場(chǎng)產(chǎn)品同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)僵局。

噴氣渦流紡?fù)ㄟ^引入長(zhǎng)絲喂入裝置，利用高速旋轉(zhuǎn)氣流將短纖維包覆芯絲成紗，形成的包覆結(jié)構(gòu)用于開發(fā)包芯紗產(chǎn)品具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，形成真正意義上的包芯紗[3]。國內(nèi)德州華源紡織有限公司、杭州奧華紡織有限公司等企業(yè)先后在噴氣渦流紡紗機(jī)上成功研制了不同原料組成、不同規(guī)格的包芯紗。Ortlek等[4]研究了噴氣渦流紡棉/氨綸包芯紗芯絲線密度與紗線線密度變化對(duì)紗線性能的影響。劉艷斌等[5]通過優(yōu)選噴氣渦流紡喂入比、芯絲喂入張力等工藝參數(shù)開發(fā)了19.7 tex噴氣渦流紡滌綸包芯紗。Pei等[6]對(duì)噴氣渦流紡前羅拉膠輥進(jìn)行開槽處理，生產(chǎn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)良的金屬絲包芯紗，進(jìn)一步通過流場(chǎng)分析[7]證明了改進(jìn)系統(tǒng)的渦流場(chǎng)利于包芯紗的形成，并研究了該系統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)包芯紗質(zhì)量的影響[8]。噴氣渦流紡包芯紗的成紗性能受長(zhǎng)絲退繞張力、喂入比、紡紗速度、前羅拉鉗口到紡錠前端距離、噴嘴氣壓[9]等工藝參數(shù)的影響。

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗是以滌綸長(zhǎng)絲為芯，充當(dāng)導(dǎo)引針的作用，引導(dǎo)粘膠纖維頭端進(jìn)入紗尾。一方面可降低成紗產(chǎn)生頭端毛羽的概率；另一方面利用滌綸長(zhǎng)絲提高紗線強(qiáng)力，減少成紗過程及后道織造或產(chǎn)品開發(fā)中因紗線強(qiáng)力不足引起的斷頭現(xiàn)象，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)彌補(bǔ)了噴氣渦流紡粘膠紗強(qiáng)力差的缺陷，又保留了粘膠紗柔軟親膚的特性，對(duì)改善紗線性能具有現(xiàn)實(shí)意義。然而在噴嘴氣壓一定的情況下，芯絲線密度和紡紗速度是決定噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗性能的關(guān)鍵，目前尚未見相關(guān)的研究報(bào)道。為此，本文將分析研究噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度變化與紡紗速度變化對(duì)成紗質(zhì)量的影響規(guī)律，以期為噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 紡紗原料及性能

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗的外包纖維為粘膠，芯絲為不同規(guī)格的滌綸長(zhǎng)絲。粘膠：線密度為1.44 dtex、長(zhǎng)度為38 mm、斷裂強(qiáng)度為1.91 cN/dtex、斷裂伸長(zhǎng)率為18.09%、彈性模量為4.84 cN/dtex。滌綸長(zhǎng)絲(拉伸變形絲(DTY))有3.33 tex(72 f)、5.56 tex(36 f)、8.33 tex(36 f)共3種規(guī)格，其性能如表1所示。

1.2 紗線試樣制備

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗采用日本村田公司的VORTEX Ⅲ 870型噴氣渦流紡紗機(jī)紡制。本文以紡制23.62 tex噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗為例，重點(diǎn)研究芯絲線密度和紡紗速度對(duì)噴氣渦流紡包芯紗性能的影響。芯絲根數(shù)的變化對(duì)長(zhǎng)絲斷裂強(qiáng)度幾乎不產(chǎn)生影響，故噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗性能影響因素分析中不考慮芯絲根數(shù)的變化。選取芯絲線密度和紡紗速度為可變因子，進(jìn)行全因子試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，各因子水平如表2所示，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)安排如表3所示。

表2 因子水平表Tab.2 Factor level table

表3 全因子試驗(yàn)表Tab.3 Full factor test table

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗制備工藝流程：JingLing 8型開清棉聯(lián)合機(jī)→FA1866型梳棉機(jī)→FA389型并條機(jī)(2道)→RSB-D401C型并條機(jī)(帶自調(diào)勻整)→VORTEX Ⅲ 870型噴氣渦流紡紗機(jī)。

紗線試樣制備過程中固定工藝條件如下：喂入紡紗機(jī)的粘膠條子定量為20 g/(5 m)、喂入比為0.98、紡紗張力設(shè)置為120 cN、選用Orient型噴嘴、N1噴嘴氣壓為0.52 MPa、后羅拉起始率為133%、中羅拉與第3羅拉隔距采用隔距塊M-3-D(金屬板厚度為6 mm)進(jìn)行調(diào)節(jié)、第3與第4羅拉隔距采用隔距塊3-4-D(金屬板厚度為7 mm)進(jìn)行調(diào)節(jié)。集棉器型號(hào)需根據(jù)外部包覆纖維紡出線密度計(jì)算確定，選擇對(duì)應(yīng)顏色的集棉器。各試樣選用的集棉器顏色和設(shè)置的牽伸倍數(shù)如表4所示。

表4 工藝參數(shù)設(shè)置Tab.4 Process parameter setting

1.3 紗線結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗的性能測(cè)試包括紗線強(qiáng)伸性能、條干均勻度和毛羽測(cè)試。所有試樣測(cè)試前均需進(jìn)行預(yù)調(diào)濕處理，然后將其持續(xù)放置在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度為(65±2)%)環(huán)境中調(diào)濕平衡24 h。

紗線強(qiáng)伸性能：參照GB/T 3916—1997《單根紗線斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》，采用Instron 3365型萬能材料試驗(yàn)儀測(cè)試紗線的的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率。試樣的夾持隔距長(zhǎng)度為500 mm，拉伸速度為500 mm/min。每組試樣有3個(gè)卷裝，每個(gè)卷裝測(cè)20次，共測(cè)試60次，取平均值。

紗線條干不勻率和毛羽H值的測(cè)試：參照GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗(yàn)方法 第1部分 電容法》，采用YG133B/M型電子單紗條干均勻度測(cè)試儀測(cè)試紗線的條干不勻率和毛羽H值。測(cè)試速度為400 m/min，時(shí)間為1 min，長(zhǎng)度為400 m，每組試樣測(cè)試3次，取平均值。

采用日立SU3800型掃描電子顯微鏡對(duì)噴氣渦流紡紗線的形貌進(jìn)行觀察，加速電壓為15 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 統(tǒng)計(jì)分析

紗線性能測(cè)試結(jié)果如表5所示。利用軟件Minitab 18，對(duì)試樣組的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、條干CV值和毛羽H值進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)分析。在預(yù)分析階段發(fā)現(xiàn)，使用立方回歸模型擬合最佳，系統(tǒng)自動(dòng)剔除不能估計(jì)項(xiàng)X23后，獲得的響應(yīng)變量的四合一殘差圖驗(yàn)證了該回歸模型較為理想，相應(yīng)建立的回歸方程顯示出較高的決定系數(shù)(R2)。表6示出了不同響應(yīng)變量的p值。p值小于0.05的項(xiàng)被認(rèn)為具有95%的置信度，則相關(guān)響應(yīng)變量與項(xiàng)之間具有統(tǒng)計(jì)上的顯著關(guān)系，表中標(biāo)記*的數(shù)據(jù)為顯著項(xiàng)。從表6得出，所選擇的變量，即芯絲線密度和紡紗速度的一次項(xiàng)(X1，X2)及紡紗速度的二次項(xiàng)(X22)、芯絲線密度的三次項(xiàng)(X13)和芯絲線密度與紡紗速度的交互項(xiàng)(X1X2，X12X2和X1X22)對(duì)所得紗線的斷裂強(qiáng)度具有顯著影響；芯絲線密度的二次項(xiàng)(X12)、三次項(xiàng)(X13)對(duì)毛羽H值具有顯著影響；而芯絲線密度、紡紗速度及其交互項(xiàng)都對(duì)紗線的斷裂伸長(zhǎng)率、條干CV值的影響不顯著。

表5 紗線性能測(cè)試結(jié)果Tab.5 Yarn performance test results

表6 不同應(yīng)變量的響應(yīng)面三次模型回歸分析(p值)Tab.6 Regression analysis (p value) of response surface cubic model for different response variables

紗線斷裂強(qiáng)度Y1、斷裂伸長(zhǎng)率Y2、條干CV值Y3、毛羽H值Y4的回歸方程和決定系數(shù)R2見表7。R2決定了響應(yīng)變量與對(duì)應(yīng)回歸方程相關(guān)的密切程度，其值越接近1，表明相關(guān)方程式解釋因子/項(xiàng)的參考價(jià)值越高，模型與數(shù)據(jù)充分?jǐn)M合。表7中顯示包芯紗斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和毛羽H值回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.999 6、0.991 9、0.998 5，說明該回歸方程的擬合程度非常高；而條干CV值的回歸方程的決定系數(shù)R2為0.737 3(>0.7)，擬合程度相對(duì)偏低。

表7 不同響應(yīng)變量的回歸方程和決定系數(shù)R2Tab.7 Regression equation and R2 for different response variables

2.2 響應(yīng)曲面分析

2.2.1 紗線斷裂強(qiáng)度

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度與紡紗速度對(duì)包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖1所示。可知，芯絲線密度的變化對(duì)包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響明顯。紡紗速度一定時(shí)，包芯紗的斷裂強(qiáng)度會(huì)隨著芯絲線密度的增加而增大；當(dāng)芯絲線密度超過5.5 tex時(shí)，隨著芯絲線密度的增加包芯紗的斷裂強(qiáng)度保持穩(wěn)定不變的趨勢(shì)。芯絲線密度在5.5～8.33 tex范圍內(nèi)，包芯紗的斷裂強(qiáng)度最佳，保持在18.4 cN/tex附近。這是因?yàn)槠胀▏姎鉁u流紡紗線大部分的應(yīng)力主要由伸長(zhǎng)率較低的皮層包覆纖維承擔(dān)[10]，而噴氣渦流紡包芯紗中心存在1根連續(xù)且具有一定強(qiáng)力的長(zhǎng)絲，外力作用時(shí)紗線的受力主體變成了芯絲，包覆纖維對(duì)包芯紗的強(qiáng)力影響隨芯絲線密度的增加而減弱，芯絲線密度越大，在包芯紗線密度不變的情況下，包覆纖維含量逐漸減少，對(duì)包芯紗強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也相應(yīng)越小，包芯紗強(qiáng)度主要由芯絲的強(qiáng)度決定。紡紗速度對(duì)包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響不如芯絲線密度的影響大，包芯紗的斷裂強(qiáng)度隨紡紗速度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，即紡紗速度不宜過高或過低，紡紗速度在380 m/min附近時(shí)紗線的斷裂強(qiáng)度最大。這是因?yàn)榧徏喫俣扔绊懽杂晌捕死w維在加捻腔中的停留時(shí)間，紡紗速度低時(shí)纖維受高速噴射旋轉(zhuǎn)氣流作用強(qiáng)，外包短纖維被抽拔的概率增大，導(dǎo)致紗線強(qiáng)度下降；相反若紡紗速度過高，氣流對(duì)纖維尾端的包纏加捻作用減弱，包芯紗的外包纏纖維相對(duì)松散，也會(huì)導(dǎo)致紗線的斷裂強(qiáng)度降低。

圖1 芯絲線密度X1與紡紗速度X2對(duì)紗線斷裂強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of core-filament linear density X1 and yarn delivery speed X2 on yarn breaking strength

2.2.2 紗線斷裂伸長(zhǎng)率

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度與紡紗速度對(duì)包芯紗斷裂伸長(zhǎng)率的影響規(guī)律如圖2所示?？芍徏喫俣纫欢〞r(shí)，噴氣渦流紡包芯紗斷裂伸長(zhǎng)率隨芯絲線密度增加而增大。這得益于包芯紗的芯絲選用了具有一定彈性性能的DTY，芯絲線密度越大則芯絲的彈性越好，包芯紗表現(xiàn)出的斷裂伸長(zhǎng)率也就越大。還可看出，紡紗速度的變化也會(huì)引起紗線斷裂伸長(zhǎng)率的變化，紡絲速度增大將使紗線的斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小，且芯絲線密度較小時(shí)這一變化越明顯，反之不明顯，原因在于芯絲線密度較大時(shí)，外包纖維占比小，對(duì)紗線的斷裂伸長(zhǎng)率影響較小，其主要受芯絲的性能影響?？傮w上看，紡絲速度為380 m/min時(shí)制備的包芯紗斷裂伸長(zhǎng)率最大。這是因?yàn)樾窘z線密度較小時(shí)，在包芯紗線密度不變的情況下，包覆纖維含量越高，當(dāng)紡絲速度較低時(shí)，則纖維束在加捻區(qū)中停留時(shí)間延長(zhǎng)，外包纖維對(duì)芯絲的包纏會(huì)更加緊密，拉伸時(shí)會(huì)限制外包纖維的滑移及芯絲的伸長(zhǎng)；而紡紗速度過高，一方面會(huì)因包纏纖維的加捻包纏作用不充分，使外包纖維對(duì)紗線的強(qiáng)力貢獻(xiàn)不足，拉伸時(shí)紗線易過早斷裂，另一方面因?yàn)楦叩募徏喫俣仁剐窘z退繞過程受到更大的牽伸力，導(dǎo)致芯絲的斷裂伸長(zhǎng)率下降，從而使得紗線斷裂伸長(zhǎng)率有所降低。

圖2 芯絲線密度X1與紡紗速度X2對(duì)紗線斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.2 Effect of core-filament linear density X1 and yarn delivery speed X2 on yarn breaking elongation

2.2.3 紗線條干CV值

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度與紡紗速度對(duì)包芯紗條干CV值的影響規(guī)律如圖3所示?？芍?dāng)芯絲線密度小于2.1 tex時(shí)，隨紡紗速度的增大，包芯紗條干CV值先減小后增大，紡紗速度在380 m/min附近時(shí)紡出的紗線條干最好。這是因?yàn)榧徏喫俣冗^高，纖維在加捻腔內(nèi)的滯留時(shí)間短，自由尾端纖維加捻效應(yīng)減弱，紗體較為蓬松，惡化了包芯紗條干；而紡紗速度過低，纖維受高速噴射旋轉(zhuǎn)氣流作用時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)外包自由尾端纖維的抽拔加劇，同樣會(huì)造成包芯紗條干惡化。當(dāng)芯絲線密度超過4.1 tex時(shí)，條干CV值總體會(huì)隨紡紗速度的增大而減小，原因在于此時(shí)外包纖維含量相應(yīng)減少，低的紡紗速度使纖維在加捻腔停留時(shí)間越長(zhǎng)，越易受高速旋轉(zhuǎn)氣流作用，反而惡化了紗線條干，因此紡紗速度宜偏大控制。從等高線的疏密程度可以看出，當(dāng)芯絲線密度大于2.1 tex、紡紗速度高于370 m/min或芯絲線密度為2.1～4.1 tex時(shí)，包芯紗條干CV值變化受芯絲線密度和紡紗速度的影響較小，介于11.8%～12.1%之間變化。當(dāng)紡紗速度一定，總體上看，芯絲線密度的增加會(huì)使包芯紗條干CV值呈增大趨勢(shì)。引起這一現(xiàn)象的原因可能是芯絲線密度越大，相應(yīng)外包纖維粘膠須條所受牽伸倍數(shù)也越大，高的牽伸倍數(shù)會(huì)增加纖維須條的條干不勻，從而增加包芯紗的條干不勻。

圖3 芯絲線密度X1與紡紗速度X2對(duì)條干CV值的影響Fig.3 Effect of core-filament linear density X1 yarn delivery speed X2 on yarn evenness CV value

2.2.4 紗線毛羽H值

噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗芯絲線密度與紡紗速度對(duì)包芯紗毛羽H值的影響規(guī)律如圖4所示?？梢钥闯?，噴氣渦流紡包芯紗的毛羽較少，芯絲線密度和紡紗速度對(duì)毛羽H值的影響有限。當(dāng)芯絲線密度一定時(shí)，包芯紗毛羽H值隨紡紗速度的增加而增大，主要原因是紡紗速度過高，高速噴射旋轉(zhuǎn)氣流對(duì)包纏纖維加捻作用不充分，導(dǎo)致尾端纖維未能完全束縛住紗體，紗線毛羽增加。紡紗速度一定時(shí)，芯絲線密度的增加會(huì)一定程度上影響紗線毛羽，但影響不如紡紗速度變化大，會(huì)使紗線毛羽H值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要原因在于隨著芯絲線密度的增加，外包纖維的比例降低，纖維尾端的數(shù)量也相應(yīng)減少，尾端形成毛羽的概率下降，從而使包芯紗的毛羽H值減小。

圖4 芯絲線密度X1與紡紗速度X2對(duì)毛羽H值的影響Fig.4 Effect of core-filament linear density X1 and yarn delivery speed X2 on yarn hairiness H value

2.3 紗線外觀分析

圖5示出部分代表性噴氣渦流紡紗線試樣的掃描電鏡照片?？芍?，對(duì)比噴氣渦流紡包芯紗L3與其他噴氣渦流紡包芯紗L6～L9、L12，所有試樣的有害毛羽都非常少，噴氣渦流紡包芯紗較普通噴氣渦流紗擁有更少的毛羽數(shù)量，這一現(xiàn)象也可從表5中的毛羽H值獲得驗(yàn)證。紡紗速度為410 m/min時(shí)，比較試樣L6、L9和L12，噴氣渦流紡包芯紗的紗線結(jié)構(gòu)形態(tài)受芯絲線密度影響，隨著芯絲線密度的增大，紗線表面更加光潔不易形成毛羽，但對(duì)芯絲的包覆效果越差，芯絲外露越明顯，主要因芯絲線密度增加，導(dǎo)致外包纖維含量減少所致。芯絲為5.56 tex(36 f)時(shí)，比較試樣L7、L8和L9，噴氣渦流紡包芯紗的外觀毛羽數(shù)量隨紡紗速度增加略有增加的趨勢(shì)，但增加并不明顯，同時(shí)包覆效果隨紡紗速度的增加有惡化的趨勢(shì)。此外，當(dāng)采用更高的紡紗速度，即紡紗速度超過380 m/min時(shí)，也觀察到了芯絲外露的現(xiàn)象。

圖5 部分代表性噴氣渦流紡紗線試樣的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of some representative air-jet vortex spinning yarn samples

3 結(jié) 論

本文采用統(tǒng)計(jì)分析方法，并借助掃描電子顯微鏡，研究分析了紡紗速度和芯絲線密度對(duì)噴氣渦流紡包芯紗斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、條干CV值和毛羽H值的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

1) 紡紗速度、芯絲線密度及其交互作用對(duì)噴氣渦流紡粘膠/滌綸包芯紗各響應(yīng)值有不同程度的影響。包芯紗斷裂強(qiáng)度受芯絲線密度、紡紗速度及其交互作用影響顯著；毛羽H值受芯絲線密度影響顯著；而斷裂伸長(zhǎng)率、條干CV值受芯絲線密度和紡紗速度影響不顯著。

2)紡紗速度過高或過低均不利于成紗的強(qiáng)伸性提高和條干均勻性改善。此外，紡紗速度對(duì)噴氣渦流紡包芯紗條干的影響還受芯絲線密度制約。噴氣渦流紡包芯紗的毛羽H值總體較小，隨紡紗速度的增大而增大。綜合分析，紡紗速度在380 m/min附近時(shí)，噴氣渦流紡包芯紗的強(qiáng)伸性能較好、條干CV值較低、毛羽H值適中。

3)紡紗速度一定時(shí)，包芯紗的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)隨芯絲線密度的增加而增大，但芯絲線密度超過5.5 tex時(shí)，包芯紗強(qiáng)度不再隨芯絲線密度的增加而增大。噴氣渦流紡包芯紗條干CV值總體上隨著芯絲線密度的增加而增大；此外芯絲線密度對(duì)噴氣渦流紡包芯紗條干的影響還受紡紗速度的制約。芯絲線密度的增加會(huì)使包芯紗毛羽H值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但變化范圍較小。

4)噴氣渦流紡包芯紗結(jié)構(gòu)外觀受芯絲線密度和紡紗速度的影響，芯絲線密度越大，紗線表面越光潔，但芯絲外露現(xiàn)象越明顯；紡紗速度越高，紗線毛羽數(shù)量有增加的趨勢(shì)，但增加不明顯，但過高的紡紗速度也會(huì)導(dǎo)致芯絲外露現(xiàn)象。

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