棉/氨綸彈性包纏復(fù)合紗工藝參數(shù)優(yōu)化

喬啟凡, 韋 倩，孫安彤，王 勇, 王宗乾, 李長龍

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

空心錠包纏紡紗屬于一種新型紡紗技術(shù)，從本質(zhì)上看，屬于紗線再加工設(shè)計技術(shù)[1]。其典型應(yīng)用是將化纖長絲或已成型紗線螺旋狀包纏在芯紗(如化纖長絲或短纖紗等)外層，實現(xiàn)兩種(或多種)纖維材料間的搭配組合，發(fā)揮各組分原料優(yōu)良特性，提升其綜合性能[2]。對于彈性較差或無彈性的短纖紗而言，通過引入彈力絲(如氨綸絲等)，采用機(jī)械[3-7]/空氣包纏紡[8]、包芯紡[9-12]或摩擦紡[13]等復(fù)合紡紗技術(shù)改善短纖紗(或長絲)的彈性。例如，F(xiàn)ENG等通過調(diào)節(jié)氨綸芯絲預(yù)牽伸倍數(shù)實現(xiàn)高包覆率包纏紗的紡制[3]；SCHWARZ等以橡膠絲為芯層，金屬絲為包覆層，通過調(diào)節(jié)芯紗和外包覆紗粗細(xì)規(guī)格等參數(shù)，在空心錠包纏紡紗機(jī)上制備彈力導(dǎo)電功能紗[4-5]；HUANG等基于包芯和包纏紡兩步法，通過調(diào)節(jié)原料粗細(xì)和成紗捻度等關(guān)鍵參數(shù)，制備壓阻式包纏紗傳感器[6]；HO等以橡膠絲為芯層，不銹鋼/滌綸30/70混紡短纖紗為外包覆層，紡制雙包纏彈性紗[7]；WANG等采用空氣包覆機(jī)制備氨綸/尼龍高彈性包纏紗[8]；CAI、ZENG等以碳納米管浸漬后的導(dǎo)電棉粗紗和氨綸絲為原料，基于環(huán)錠包芯紡制備導(dǎo)電彈性包芯紗，并拓展其在可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用[9-10]；HUA等以氨綸和PET/PTT復(fù)合纖維為芯層，制備雙芯彈性包芯紗[11]；WANG等通過改造環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，制備導(dǎo)電高彈紗[12]；MERATI等調(diào)節(jié)氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)，制備彈性摩擦紡紗線[13]；李成卓等基于氨綸/棉包芯紗，合理選配漿料配方，用適量的變性淀粉部分取代PVA，降低包芯紗毛羽率，提高其耐磨性[14]。對于自身彈性較好的羊毛紗而言，DANG等對毛粗紡細(xì)紗機(jī)進(jìn)行改造，紡制毛/氨包芯紗，提高其彈力[15]。

在復(fù)合包芯紗研究方面，很多學(xué)者關(guān)注于成紗工藝參數(shù)優(yōu)化問題。例如，王建坤等探究普通環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡、噴氣渦流紡3種紡紗方法對包芯紗包覆效果的影響，并采用單因素實驗和正交實驗組合方法優(yōu)化細(xì)紗工藝參數(shù)[16]。舒服華等將正交試驗法與VIKOR法相結(jié)合，優(yōu)化噴氣渦流紡紗工藝參數(shù)[17]。HASANUZZAMAN等采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化純棉普梳紗工藝參數(shù)[18]。康輝采用Box-Benhnken響應(yīng)曲面法優(yōu)化轉(zhuǎn)杯紗工藝參數(shù)[19]；CHANDRASEKARAN等優(yōu)化了VA/黏膠混紡紗的關(guān)鍵工藝參數(shù)[20]。此外，AKANKWASA等采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合法和Box-Benhnken響應(yīng)曲面法優(yōu)化T-400/棉包芯紗工藝參數(shù)[21]。

主成分分析法是一種可將多個考察指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少量綜合指標(biāo)，進(jìn)而實現(xiàn)降維處理的優(yōu)化方法。目前，基于主成分分析法客觀評價紡織紗線品質(zhì)方面的報道較少[22-25]。本文基于空心錠包纏紡技術(shù)，紡制棉/氨綸包纏復(fù)合紗，并通過主成分分析法實現(xiàn)成紗工藝參數(shù)的優(yōu)化，以期為粗獷型彈力包纏復(fù)合紗產(chǎn)品的研發(fā)提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

實驗成紗原料規(guī)格參數(shù)及相關(guān)力學(xué)性能如表1所示。

表 1 原料規(guī)格參數(shù)及拉伸力學(xué)性能

1.1.2 設(shè)備

LB-192型全電腦成型包覆絲機(jī)(新昌縣萬久精工機(jī)械有限公司)；YG(B)021DL型電子單紗強(qiáng)力儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)；LLY-63型紗線耐磨儀( 萊州市電子儀器有限公司)。

1.2 棉/氨綸彈性包纏復(fù)合紗的制備

以氨綸彈力絲為芯紗，純棉單紗為外包紗，采用全電腦成型包覆絲機(jī)紡制棉/氨綸彈性包纏復(fù)合紗。具體地，將純棉單紗均勻卷繞在包纏紡紗機(jī)的空心錠子上，作為外包覆層；氨綸彈力絲經(jīng)羅拉喂入，并給予其一定倍數(shù)的預(yù)牽伸，作為芯層。在錠速5 000 r/min的條件下，通過調(diào)節(jié)外包覆捻度和氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)，紡制4種規(guī)格的包纏復(fù)合紗，具體規(guī)格參數(shù)如表2所示，外貌形態(tài)如圖1所示。

表 2 4種規(guī)格包纏復(fù)合紗工藝參數(shù)

(a) 樣品1 (b) 樣品2

1.3 測試與表征

為綜合評判成紗質(zhì)量，測試包纏復(fù)合紗的回彈性、強(qiáng)伸性、耐磨性以及垂直芯吸行為, 所有測試均在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下執(zhí)行，即溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±3)%。

1.3.1 回彈性能測試

采用定重法測試包纏復(fù)合紗的彈性伸長率ε和彈性回復(fù)率R。以包纏復(fù)合紗平均斷裂強(qiáng)力的50%作為負(fù)載載荷，在預(yù)加張力作用下取初始紗線長度l為25 cm，將載荷逐漸施加在紗線上，經(jīng)過60 s后記錄紗長l1，然后卸去載荷，停置120 s后記錄紗長l2。測試10次求彈性伸長(ε)、彈性回復(fù)率(R)的均值。測試原理如圖2所示。

圖 2 拉伸回彈性能測試原理示意圖

(1)

(2)

1.3.2 強(qiáng)伸性能測試

參照GB/T 3916—2013和FZ/T 50006—2013，采用YG(B)021DL型電子單紗強(qiáng)力儀，隔距50 mm，拉伸速度500 mm/min，預(yù)加張力0.5 cN/tex，測試10次求均值。

1.3.3 耐磨性能測試

參照FZ/T 01058—1999，采用LLY-63型紗線耐磨儀測試紗線耐磨性，摩擦速度60 次/min。由于本文所用氨綸絲較粗，短時間內(nèi)難以磨斷，因此，耐磨性評價對象為外包覆純棉單紗，即只考慮不同規(guī)格包纏復(fù)合紗的外包覆純棉單紗的平均耐磨次數(shù)。每組紗樣測試10次求均值。

1.3.4 垂直芯吸性能測試

參照FZ/T 01071—2008，取一定長度的包纏復(fù)合紗樣，在其下端施加適當(dāng)質(zhì)量的張力夾，使紗樣保持自然垂直(未拉伸態(tài))。將復(fù)合紗下端浸入5 g/L高錳酸鉀溶液中15 min，實時捕捉規(guī)定時間內(nèi)液體沿紗樣的上升高度，以便了解紗線芯吸高度隨時間的變化趨勢。每組紗樣測試5次求均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工藝參數(shù)對包纏復(fù)合紗回彈性能的影響

不同工藝參數(shù)下4種規(guī)格包纏復(fù)合紗的彈性伸長率和彈性回復(fù)率如圖3所示。

圖 3 4種包纏復(fù)合紗的彈性伸長率和彈性回復(fù)率

從圖3可以看出：1)捻度對棉/氨綸包纏復(fù)合紗的彈性伸長率有著顯著影響。當(dāng)紗線捻度較低時(600 T/m)，隨著氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)由2.0增大至4.0，其彈性伸長率出現(xiàn)大幅增加，即由132.0%增大至227.6%。說明在一定捻度范圍內(nèi)，較大預(yù)牽伸可給予氨綸一定的預(yù)伸長，使氨綸產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力作用，進(jìn)而賦予復(fù)合紗良好的彈性伸長率。然而，當(dāng)紗線捻度較高時(800 T/m)，紗線的彈性伸長率增加有限，僅由161.6%增至185.2%。說明捻度過高不利于復(fù)合紗的彈性伸長。究其原因可能是過高的包覆捻度會使紗線過于緊密，一定程度上“限制”復(fù)合紗兩組分紗體的相對運動， 造成高捻狀態(tài)下氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)對復(fù)合紗的彈性伸長率增幅較小；2)紗線彈性回復(fù)性能相對穩(wěn)定，均維持在85%左右。可能原因為：氨綸預(yù)牽伸狀態(tài)下其內(nèi)部可產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)作用在紗線上的外力去除后，包纏紗會因氨綸內(nèi)應(yīng)力作用而產(chǎn)生良好的彈性回復(fù)率。

2.2 不同工藝參數(shù)對包纏復(fù)合紗強(qiáng)伸性能的影響

不同工藝參數(shù)下包纏復(fù)合紗強(qiáng)伸性能結(jié)果見圖4。

(a) 4種包纏復(fù)合紗強(qiáng)伸性 (b) 氨綸低牽伸時，斷裂不同時性

由圖4(a)得知3點結(jié)論。1)4種規(guī)格包纏復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)力均大于純氨綸彈力絲，但斷裂伸長率均有大幅下降。2)在外包覆捻度保持不變的前提下，較大氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)有利于成紗強(qiáng)力的提高。主要原因是氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)較大時，紗體中氨綸芯絲發(fā)生一定程度的預(yù)伸長，變形時能承受較大外力作用，對成紗強(qiáng)度貢獻(xiàn)率較大[12]。3)氨綸預(yù)牽伸較低時，強(qiáng)伸曲線呈現(xiàn)兩段式。當(dāng)拉伸至外包覆棉紗斷裂時，在斷裂發(fā)生處，螺旋狀纏繞在氨綸絲上的棉紗迅速從斷裂點兩側(cè)發(fā)生脫散、脫圈等現(xiàn)象，導(dǎo)致拉伸載荷驟降，出現(xiàn)第一峰值；伴隨著拉伸的持續(xù)，氨綸芯絲不斷伸長直至芯紗斷裂，出現(xiàn)第二峰值[1]，如圖4(b)所示。當(dāng)氨綸預(yù)牽伸較高時，由于高度張緊態(tài)氨綸絲和純棉紗模量差異減少，芯層和外包覆層間的抱合力較強(qiáng)，包纏復(fù)合紗芯層和外包覆層幾乎同時斷裂。

包纏紗的斷裂伸長率受氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)和外包纏捻度共同影響。一方面，當(dāng)氨綸預(yù)牽伸較低(如2.0)時，外包纏捻度起積極主導(dǎo)作用，復(fù)合紗的斷裂伸長率隨著捻度的增大而增大。這是由于隨著包纏捻度的增大，外包棉紗的螺旋包纏角度同步增大，造成棉紗在軸向拉伸作用下產(chǎn)生相對滑移。加上此時兩種組分紗體斷裂不同時性的影響，最終包纏紗的斷裂伸長率有所增加。當(dāng)氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)較高(如4.0)時，外包纏捻度對成紗斷裂伸長率起消極作用。這是由于較高預(yù)牽伸下氨綸絲與外包棉紗的力學(xué)性質(zhì)差異性相對減小，兩組分紗體受拉發(fā)生同時斷裂的概率提高。同時，較高的外包纏捻度會“限制”兩組分紗體的相對運動，因此，包纏紗的斷裂伸長率反而有所降低。

2.3 不同工藝參數(shù)對包纏復(fù)合紗其他性能的影響

圖5(a)為4種包纏復(fù)合紗外包覆層的平均耐磨次數(shù)。可以看出：在氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)保持一定時，隨著外包纏捻度的增大，包纏紗耐磨性越好。這是由于在一定的外包纏捻度范圍內(nèi)，增大捻度可使紗線中纖維間產(chǎn)生較大的抱合力，纖維不易相互分離，有利于紗線耐磨性的提高。此外，氨綸預(yù)牽伸對成紗耐磨性影響顯著。這是因為氨綸預(yù)牽伸較低時，其內(nèi)應(yīng)力較小，紗線內(nèi)部各組分紗及纖維之間的移動余地較大，對耐磨性有利。此外，較低預(yù)牽伸下氨綸絲相對柔軟而非剛硬，當(dāng)包纏紗經(jīng)受摩擦?xí)r，粗旦氨綸絲易受拉(或壓)而扁平化，使外包覆棉紗表面與摩擦輥的接觸面積增大，紗線整體而非局部受磨，也可改善成紗耐磨性。為此，氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)2.0、捻度800 T/m時包纏復(fù)合紗外包覆層耐磨次數(shù)較優(yōu)異。

(a) 平均耐磨次數(shù) (b) 垂直芯吸高度

3 包纏復(fù)合紗工藝參數(shù)優(yōu)化

主成分分析是通過對原始數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，有效剔除原始數(shù)據(jù)間的冗余信息，以達(dá)到降維目的，更合理地對包纏復(fù)合紗品質(zhì)進(jìn)行綜合評判。本文選取包纏復(fù)合紗6項指標(biāo)為對象，詳見表3。

表 3 4種規(guī)格棉/氨綸包纏復(fù)合紗測試結(jié)果

基于主成分分析，對4種規(guī)格包纏復(fù)合紗的6項指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(記為S)，消除量綱不同的影響。

利用MATLAB計算相關(guān)系數(shù)矩陣R，即

相關(guān)系數(shù)矩陣R中的數(shù)值代表變量間的相關(guān)程度，絕對值越大，則相關(guān)性越強(qiáng)。可以看出：斷裂伸長率(X2)與斷裂強(qiáng)力(X1)、彈性伸長率(X3)、耐磨(X5)、芯吸高度(X6)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0.848 4、-0.797 2、0.590 5、-0.958 2；耐磨(X5)與斷裂伸長率(X2)、彈性伸長率(X3)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.590 5、-0.601 9。由此可見，各指標(biāo)間存在大量的信息重疊現(xiàn)象，對其進(jìn)行主成分分析有助于剔除冗余信息，更加合理地對包纏復(fù)合紗品質(zhì)進(jìn)行綜合評價。

由相關(guān)系數(shù)矩陣R計算的特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率見表4。

表 4 相關(guān)系數(shù)矩陣特征提取

一般情況下提取的主成分累計貢獻(xiàn)率要達(dá)到85%以上。因此，本文選取前3項主成分作為包纏復(fù)合紗綜合品質(zhì)的評價因素。前3個主成分的特征向量α分別為

α1=(-0.397 1，0.512 9，-0.444 8，

0.197 0，0.347 4，-0.471 1)

α2=(0.479 2，-0.102 7，-0.330 2，

0.673 8，0.316 3，0.311 1)

α3=(0.089 3，-0.037 3，0.372 2，

-0.313 1，0.867 4，0.041 4)

進(jìn)一步，得到前3個主成分的表達(dá)式分別為

Y1=-0.397 1X1+0.512 9X2-0.444 8X3+

0.197 0X4+ 0.347 4X5-0.471 1X6

(3)

Y2=0.479 2X1-0.102 7X2-0.330 2X3+

0.673 8X4+0.316 3X5+0.311 1X6

(4)

Y3=0.089 3X1-0.037 3X2+0.372 2X3-

0.313 1X4+0.867 4X5+0.041 4X6

(5)

通過Y1、Y2、Y3得到前3個主成分的綜合得分表達(dá)式為

Y=0.621 3Y1+0.296 2Y2+0.082 5Y3

(6)

將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣S代入Y1、Y2、Y3得到相關(guān)得分，再代入式(6)可得綜合得分，結(jié)果見表5。

表 5 主成分綜合得分統(tǒng)計

表5的最終得分可準(zhǔn)確、客觀地反映包纏復(fù)合紗的綜合品質(zhì)，數(shù)值越高，成紗品質(zhì)越好。主成分分析綜合得分最高為1.061 2，即棉/氨綸包纏復(fù)合紗較優(yōu)工藝為外包覆棉紗捻度800 T/m、氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)2.0，此時紗線綜合性能較佳。

4 結(jié) 論

1) 與純氨綸相比，所紡制的4種包纏復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)力均明顯改善，但其斷裂伸長率均呈下降趨勢；當(dāng)外包覆捻度保持不變時，較大氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)有利于改善成紗強(qiáng)力；隨著氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)增加，紗線斷裂模式由不同時向同時斷裂轉(zhuǎn)變。

2) 包纏復(fù)合紗具有優(yōu)良的回彈性，氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)與復(fù)合紗的彈性伸長率正相關(guān)；氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)對芯吸性能起著積極作用；成紗耐磨性與外包覆捻度正相關(guān)。

3) 主成分分析可較為全面地綜合評判成紗品質(zhì)。當(dāng)外包覆捻度800 T/m、氨綸預(yù)牽伸倍數(shù)2.0時，棉/氨綸彈性包纏復(fù)合紗綜合性能較優(yōu)。