帳篷用牦牛毛/尼龍芯紗復合繩技術開發及其性能研究

劉海濤 陳悟

摘要：針對牦牛毛可紡性差、高浪費和低利用等問題，以及現有牦牛毛制繩技術成本高、周期長和加工水平低等現象，通過研究傳統毛紡與傳統制繩工藝，并結合現有的麻類、稻草等制繩技術，開發了一種單機生產制作牦牛毛/尼龍芯紗復合高強纖維搓繩的生產工藝及相關設備技術。同時，研究了梳理情況對纖維長度和強度損失的影響，并通過樹脂包埋切片技術觀察了纖維在芯紗上的分布規律。還探討了組分體積占比、重量占比對樣品繩性能的影響，并進行了紡繩效果測試說明。結果表明：該設備技術與工藝適用于生產和使用牦牛毛/尼龍芯紗復合繩；梳理結構快速和多次的梳理均會導致纖維長度和強度損失；橫截面切片堆積密度與劃分方式關聯較小，觀察發現包覆在芯紗上的牦牛毛纖維呈現先逐漸增加后逐漸減少的趨勢，并在徑向相對位置9/16～12/16內達到最大值；在相同芯紗規格且捻度條件相近情況下，芯紗外層包覆牦牛毛纖維含量對復合繩強力影響較大，與不包覆芯紗相比最大增強可達1.6倍。

關鍵詞：牦牛毛；牦牛毛帳篷；復合繩；堆積密度指數；樹脂切片

中圖分類號：TS102 ?????文獻標志碼：A ??文章編號：2097-2911-（2024）02-0063-10

Study on technology development and properties of yak hair/nylon core yarn composite rope for tents

LIU Haitaoa，CHEN Wu b*

（a. Technical Research Institute；b. National Local Joint Engineering Laboratory for Advanced Textile Processing and CleanProduction， Wuhan Textile University， Wuhan 430073， China）

Abstract：In response to the problems of poor spinnability， high waste and low utilization of yak hair， as well as the phenomena of high cost， long cycle and low processing level of the existing yak hair rope making technolo- gy， the production process and related equipment technology of single-machine yak wool/nylon core yarn com- posite high-strength fiber rolling rope are developed by studying the traditional wool spinning and traditional rope making technology， combined with the existing rope making technology of hemp and straw. At the same time， the effect of carding on the loss of fiber length and strength is studied， and the distribution of fiber on the core yarn is observed by resin embedding slice technology. The influence of component volume ratio and weight ratio on the performance of sample rope is also discussed， and the spinning effect is tested. The results show that the technology and process of the equipment are suitable for the production and use of yak hair/nyloncore yarn composite rope. Rapid and repeated carding will lead to loss of fiber length and strength. There is lit- tle correlation between the packing density of cross section slices and the dividing method. It is observed that the yak hair fiber covered on the core yarn gradually in- creased at first and then gradually decreased， and reached the maximum value in the radial relative position from 9/16 to 12/16. Under the same specifications of core yarns and similar twist conditions， the content of yak hair fiber coated with core yarns has a greater influ- ence on the strength of the composite rope， and the maximum strength is up to 1.6 times compared with that without core yarns.

Keywords：yak hair; yak hair tent; composite rope; packing density index ;resin slice

我國擁有世界上最豐富的牦牛資源[1]，在毛類副產品中，粗毛占70%，絨毛占30%，但是只有極少數昂貴的牦牛絨經過復雜的毛紡分梳工藝處理紡紗，而大量作為下腳料的廉價[2]牦牛毛因可紡性差[3]而被廢棄。雖然牦牛毛可紡性較差，但因其獨特的保暖、抗輻射和防水特性等性能，在帳篷、毛氈等領域得到廣泛應用[4-5]。其中，在構成牦牛毛帳篷三大組件中，牦牛毛繩在帳篷結構中用量大，約占20-30%，根據帳篷大小和需求調整[6]。大型帳篷或需更強結構支持的帳篷，使用量更高。為確保帳篷安全穩定，需選高品質牦牛毛繩。然而，當前牦牛毛繩的制作技術主要還停留在手工搓紡捻制的階段，這一過程不僅耗時費力，而且效率低下。由于缺牦牛毛繩乏機械捻制的相關設備，制作成本也一直居高不下。因此，為了提高效率和降低成本，同時充分利用牦牛毛的優良特性，需深入研究原料特性和加工手段[7-8]。本文將重點探討原料、設備以及樣品繩的性能檢測，并在課題組新型紡織空調實驗室中完成所有試驗，在濕度65±4%、溫度20±2℃的環境條件中進行。

1試驗原料

在制繩過程中有兩個關鍵點，一方面要求繩索的制造材料強度盡可能的高；另一方面要求制造原料的強度盡可能有效的轉換為成品繩的強度[9]。

本文試驗所用的牦牛毛來源于牦牛絨分梳落物，由西藏圣信工貿有限公司提供。表1為牦牛毛原料纖維基本物理性能，內容包括牦牛毛長度（mm）、強力（cN）以及細度（μm）特性。

2設備工藝及制繩相關測試

繩索按照加工方式分為加捻繩和編織繩兩種[10]。常規的牦牛毛繩索制作工藝復雜，周期長。因此參照大量麻類[11-12]、稻草[13]等制繩設備技術及工藝經驗，確定了一種使用牦牛毛/尼龍芯紗復合纖維進行捻繩制作的工藝及設備方案。

設備3D 模型采用 SolidWorks 軟件設計搭建，如圖1所示。整臺設備安了0.75 kW三相異步電機提供動力，具有耗能低，安裝方便，運行性能好等優點。電機通過皮帶輪驅動主軸皮帶輪，然后再由主軸通過鏈輪傳動、帶輪傳動、齒輪傳動等方式傳給各個機構，具體制作流程包括：喂料臺（用于預處理原料）→開松機構（原料初步梳理開松）→梳理機構（對毛料充分梳理開松并喂入芯紗）→加捻卷繞收繩機構（進行加捻、合股以及卷繞收繩工作）。設備傳動控制部分采用變頻調速技術，由變頻器和制動開關構成，可通過調節電源輸入頻率來調整各部件運行速度， 操作簡單、調速方便且穩定性較好[14]。設備主要工作部件轉速參數見表2。

2.1適應性梳理相關測試

2.1.1適應性梳理準備

試驗所用牦牛毛是牦牛絨分梳落物，原毛內含有大量的絨毛、兩型毛、以及毛皮等雜質，且經過包裝運輸等操作后部分纖維因表面鱗片[15]順逆摩擦系數差異大而呈現氈化狀態，纖維分層且緊密程度不一，其中夾雜著許多非牦牛毛的其它雜質。并且牦牛毛纖維本身長度離散大，卷曲，易團結在一起，增大梳理難度。因此在制繩試紡前，需要對試驗原料進行預處理。

具體步驟包括：對纖維試樣進行調濕處理，預調濕、調濕處理以及后續試驗所待空間范圍內的標準大氣依據 GB/T 6529《紡織品調濕和試驗用標準大氣》標準執行。在濕度65±4%、溫度25±2℃的環境中靜置時間超過1h，使原料充分加濕以達到公定回潮率，減少靜電的產生；同時需要進行手工挑揀排雜和扯松等工作，挑出明顯氈并毛條類雜質，隨后通過對改進后的開松機構完成適應性分梳測試（15、20和25 Hz 三組電源輸入頻率）。經過梳理部件對其進行多次充分的開松梳理除雜后，牦牛毛呈現纖維間少勾連、空隙大的松散狀態。隨后分別探究了氈化狀態與松散狀態牦牛毛的顯性長度損失，以及經過多次梳理后，牦牛毛纖維隱性強力損失[16-17]。

2.1.2顯性長度損失測試

參照 GB/T 35936-2018標準，從牦牛毛纖維梳理前（氈化狀態）和梳理后（松散狀態）的樣品袋中隨機各抽取三份試樣，每個樣本的重量都是50～100 mg 。將其中兩份做長度測試的平行試驗，一份留作為備樣。

測試內容：牦牛毛纖維細度測試試驗按標準 GB/T 35936-2018執行，對纖維試樣調濕處理后，調濕處理后，首先對抽取的樣品在純色絨板上手工對毛料試樣進行梳理，挑揀除去明顯非牦牛毛纖維的外來雜質，之后將試樣一端梳理整齊，并將其貼附至純色絨版上，之后繼續對試樣反復進行手工分梳整理，盡量使纖維試樣呈現平齊、順直的狀態，之后再用鑷子將纖維試樣貼附至純色絨版上，并用直尺對纖維試樣長度進行測量，每份試樣測量纖維根數在245～255之間。并將纖維按從長到短得順序排列至純色絨版上，通過手排長度法得到纖維長度分布數據。最后對纖維試樣長度測試數據進行處理并計算長度損失。

2.1.3隱性強力損失測試

參照 GB/T 35936-2018標準，從牦牛毛纖維經過15、20、25 Hz對應電源頻率下三次分梳后樣品中各隨機抽取三份試樣，每個樣本的重量都是50～100 mg 。將其中兩份做強力測試的平行試驗，一份留作為備樣。

測試內容：牦牛毛纖維強力測試試驗按標準 GB/T 4711-1984執行，測試儀器選用YG001E型電子單纖維強力儀，對纖維試樣調濕處理后，首先設置電子單纖維強力儀隔距為30mm，拉伸速度為50mm/ min 。用鑷子抽取單根樣品纖維，之后使用指定克重的夾持器夾在單根纖維試樣一端，然后調整纖維試樣，將其另一端使用強力儀的夾持器夾緊，之后數據清零并開始點擊運行儀器。共測量180～220組數據。最后對纖維試樣強力測試數據進行處理并計算強力損失。

2.2樣品繩性能測試

本文共選取18、20、22、24和26五種電源輸入頻率（Hz）的轉速工況，在課題組新型紡織水冷空調實驗室，濕度65±4%，溫度20±2℃的環境條件中進行，并完成制繩試驗，制備獲得樣品繩。本課題試驗所用尼龍芯紗由市場渠道采購得到，線直徑1.5 mm，捻度27捻/10 cm 。A～E五組樣品繩參數如表3所示。

2.2.1體積組分占比測試

堆積密度[18]被指來描述纖維在長紗上的包覆程度，本文采用紡織纖維截面切片技術[19]作為主要手段，引入此參數觀察牦牛毛纖維在尼龍芯紗上的分布規律[20]。

具體方法選擇樹脂包埋切片法[21]，并使用 PDMS樹脂和固化劑按照10∶1配比對樣品繩進行固化處理，以避免在自然狀態下切割過程中樣品繩發生退捻。在濕度65±4％、溫度20±2℃的環境條件下靜置24h后，通過刀具獲取橫截面切片，并利用電子顯微鏡觀測并拍攝樣品繩橫截面切片，在之后使用 viewpoint、CAD 和 orign 等相關軟件對樣品繩橫截面切片圖片進行數據處理，如圖2所示。

2.2.2重量組分占比測試

本課題所研究設備捻制的樣品繩組成結構如圖3（a）所示。與常規捻繩結構不同，如圖3（b）所示，圖3（a）樣品繩組成結構是具有芯紗的復合結構。因此需要對樣品繩復合結構的組成成分重量占比進行確定。

參照 CI1500（TEST METHODS FOR FIBER ROPE）標準執行。分別從A～E五種樣品繩中各取3節標距長度為300mm的試樣，共15組，在濕度65±4％、溫度20±2τ的環境條件下靜置24h 后，對樣品繩結構分離，并稱重測量記錄數據，之后對A～E五組樣品繩標距長度（300mm）內各組分平均重量數據進行處理。

2.2.3樣品繩物理性能測試

分別對牦牛毛纖維原料、單根和雙股尼龍以及樣品繩（18、20、22、24和26 Hz）等進行斷裂強力測試，旨在探究牦牛毛/尼龍芯紗復合纖維繩中各組成部分的強力占比。

試驗采用美國英斯特朗公司生產的 Inston-68TM-10型萬能材料勻速拉伸試驗機；參照 CI1500（TEST METHODS FOR FIBER ROPE）標準執行，分別從A～E五種樣品繩中各取6節標距長度為300 mm 的試樣，共30組，將試樣安置夾具中間位置，并使用Inston-68TM-10型勻速拉伸試驗機進行軸向拉伸試驗。首先以20 mm/min 的加載速率加載至張力為100 N的預定條件下，待穩定后以100mm/min的測試速度進行加載直至斷裂，之后對樣品繩數據進行處理。

2.3實驗結果與分析

2.3.1顯性長度數據分析

纖維長度損失率，是指通過使用機械構件打擊、撕扯等方式對纖維進行分梳處理后纖維長度與梳理前纖維長度的比值。其計算公式為：

圖4介紹了在15、20和25三組電源輸入頻率（Hz）工況下，經過預梳理后牦牛毛纖維在氈化狀態（圖4（a））和充分梳理后松散狀態（圖4（b））下的纖維長度分布頻數圖，從兩張圖可以看出，擬合曲線波峰位置都發生了不同程度的偏移，偏移程度與損傷程度相關。偏移程度越大則表示損傷程度越高，其中15、20和25三組經過梳理后與原料相比，對應的顯性長度損失率分別為2.36%、3.86%和6.92%。

2.3.2隱性強力數據分析

纖維強力損失率，是指通過使用機械構件打擊、撕扯等方式對纖維進行分梳處理后纖維強力與梳理前纖維強力的比值。其計算公式為：

從圖5可以看出，擬合曲線波峰也都發生了不同程度的偏移。與前述內容相類似，偏移程度越大表示損傷程度越高，15、20和25三組在分別經過三次梳理后與原料相比，對應的隱性強力損失率分別是2.59%、4.73%和6.76%；10.33%、14.29%和19.68%；11.28%、14.97%和17.42%。

2.3.3體積組分占比分析

引入堆積密度指數，來研究樣品繩橫截面內尼龍芯紗周圍牦牛毛纖維的分布規律，進一步說明牦牛毛纖維在尼龍芯紗上的包覆效果。從圖6可以看出，無論是采用等間距圖6（a）還是等面積圖6（b）同心圓劃分的方式，橫截面切片上的堆積密度都呈現先單調增加后減少的趨勢，在徑向相對位置9/16～12/16位置內達到最大值。在結合圖3可知，此位置正好是纖維包纏芯紗的堆積密度指數達到峰值，也代表此位置環形區域范圍內纖維包覆芯紗最密集，證明通過本課題所研究的牦牛毛制繩工藝技術及設備生產制作的牦牛毛復合結構繩中，牦牛毛纖維對芯紗具有較好的包覆效果。

2.3.4重量組分占比分析

A～E 五組樣品繩重量占比情況如表4所示。圖7介紹了15組樣品繩標距長度（300mm）內各組分平均重量占比的餅狀圖。

結合圖7和表3、表4內容可見，樣品繩直徑和線密度與牦牛毛纖維重量及占比相關，樣品繩直徑越大，則尼龍芯紗外層會包覆更多牦牛毛纖維，導致牦牛毛纖維重量及占比增加。其中E組在A～E五組中具有最大直徑和牦牛毛重量占比；而D組則在A～E五組中具有最小直徑、線密度以及牦牛毛重量占比。

2.3.5物理性能數據分析

通過圖8和圖9，再結合表3內容分析可知，在相同芯紗規格條件下，樣品繩斷裂強力與外層包覆纖維含量密切相關。在受到外力拉伸時，強力主要來源于纖維主體和纖維間鱗片之間相互交疊摩擦以及纖維與芯紗之間摩擦；雖然斷裂伸長率也與外層包覆纖維含量有關，但同時還受捻度影響。雖然斷裂伸長率雖然與外層包覆纖維含量有關，但同時還受捻度影響。當捻度過大時，外層纖維與軸向傾斜角容易過大，并且股線上的外層纖維也存在捻回，導致其在軸向投影變短從而使得伸長率降低。E組具有最大直徑、捻度和牦牛毛重量占比，在斷裂強力方面，平均值最大，但是表現出較小的伸長率；D組雖然具有較大捻度但是直徑最小且牦牛毛重量占比最小，因此在斷裂強力和斷裂伸長率方面平均值均表現最小；A和B組具備類似毛纖維重量占比條件下捻度增加的情況，斷裂強力和斷裂伸長率均增大。B、C和D三組具備捻度增加但毛纖維含量占比減小的情況，斷裂強力和斷裂伸長率均減小。可以看出，在芯紗規格一致且捻度條件相近情況下，芯紗外層包覆牦牛毛纖維含量對強力影響是最顯著的。根據圖9可以得知，A～E五組牦牛毛/尼龍芯紗與不包覆牦牛毛相比，強力增強倍數分別可達1.5、1.5、1.3、1.1和1.6。由此可以看出，在芯紗規格一致且捻度條件相近情況下，芯紗外層包覆牦牛毛纖維含量對復合繩強力影響較大。

3結論

（1）本文研發出一套可以實現單機生產制作牦牛毛/尼龍芯紗復合纖維捻繩的生產工藝，然后結合 SolidWorks軟件虛擬建模技術，完成相關設備設計及結構優化。利用該工藝及設備生產加工的牦牛毛/尼龍芯紗復合繩，由于牦牛毛纖維在加捻卷繞包纏尼龍芯紗的加工過程中，形成了類似包芯紗的股線結構，并且通過合股步驟，形成了多股的牦牛毛/尼龍芯紗復合繩結構，因此具有較好的物理性能。

（2）在經過梳理結構快速和多次梳理都會對纖維的長度、強力會造成損失。隨著設備梳理結構部件轉速增大，纖維經過充分梳理后的顯性長度損失和隱性強力損失也會增加，并且隨著梳理次數增加而進一步增大，本次試驗在電源頻率26 Hz 下制得捻度為4.9捻/10 cm 的復合繩斷裂強力最佳；在電源頻率20 Hz下制得捻度4.2捻/10 cm 的復合繩斷裂伸長率最佳。因此在實際生產加工時要根據功能需求設定合適的電源頻率參數。

（3）在體積組分測試中，引入堆積密度指數來說明牦牛毛纖維在尼龍芯紗上有良好的包覆效果，并且樣品繩橫截面切片堆積密度與劃分方式關聯較小，包覆在芯紗上的牦牛毛纖維根據到芯紗軸心距離，呈現先增加后減少的趨勢并在徑向相對位置9/16～12/16內達到最大值，說明牦牛毛纖維對尼龍芯紗有較好的包覆效果。

（4）本次試驗通過重量組分和拉伸斷裂測試，得出在芯紗規格一致且捻度條件相近情況下，芯紗外層包覆牦牛毛纖維含量對牦牛毛/尼龍芯紗復合繩強力影響較大，與不包覆芯紗相比最大增強可達1.6倍。

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（責任編輯：周莉）