捻系數對轉杯紡滌棉包纏紗結構與性能的影響

摘 要：為探討捻系數對包纏紗外觀結構及性能的影響，優化轉杯紡滌棉包纏紗的工藝參數，以白色棉短纖維為芯紗，50 D黑色滌綸長絲為外包紗，紡制了捻系數在385～655范圍內10組細度為68.3 tex的包纏紗，分析了其外觀結構，并對其強伸性能、毛羽、條干、紗疵以及殘余扭矩等進行了測試與比較。結果表明：該包纏紗具有間隔色彩效果；其捻系數變化對各性能影響符合已知理論，進一步驗證了相關理論的科學性；該包纏紗臨界捻系數在475～535范圍內，根據紗線的強伸性、毛羽、條干、紗疵等指標結果，當包纏紗捻系數為505時，紗線質量最優。該研究優化了滌棉包纏紗的工藝參數，提高了包纏紗的紗線質量，為轉杯紡包纏紗的創新與發展提供實驗參考。

關鍵詞：轉杯紡；包纏紗；捻系數；強力；條干CV；毛羽

中圖分類號：TS106.4

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2025）03-0027-06

收稿日期：2024-06-04 網絡出版日期：2024-08-23

基金項目：國家自然科學基金項目（52273034）

作者簡介：周鄭宇（2001—），女，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事新型紡紗技術方面的研究

通信作者：楊瑞華，E-mail：yangrh@jiangnan.edu.cn

包纏紗是將2種或2種以上纖維進行復合的一種紗線，不僅制備工藝簡單、生產效率高，還能充分發揮各纖維的特點，彌補單一組分紗線的缺陷^［1］。短纖與長絲包纏紗的生產工藝已日趨成熟，主要有環錠紡、轉杯紡、空心錠紡等^［2］。目前，轉杯紡技術是技術上最成熟、應用面最廣、經濟效益明顯的一種新型紡紗方法，自誕生后就不斷有人進行轉杯紡復合紗的研究^［3］。然而近幾年來，與環錠紡、空心錠紡等相比，關于轉杯紡包纏紗的研究并不多，尤其是生產實踐中包纏紗的工藝參數優化。

轉杯紡在長絲張力大于短纖維張力時，短纖維會包覆在長絲周圍，形成以長絲為芯紗的包芯紗；當長絲張力與短纖維的張力大小相等時，二者相互纏繞成轉杯平行紗；當長絲張力小于短纖維張力時，長絲包覆在短纖維表面，形成以短纖維為芯紗的轉杯包纏紗^［4］。轉杯復合紡的紡紗原理為在分梳作用下，短纖維被梳理成單纖維并進入凝聚槽，長絲通過軸向空心錠子進入紡杯，紡杯高速回轉產生的加捻作用使長絲與短纖維纏繞成紗^［5］。由此可見，加捻在包纏紗成紗過程中起著關鍵作用，且捻系數與成紗結構和質量息息相關。

本文以黑色滌綸長絲與白色棉短纖維為研究對象，通過轉杯紡技術紡制細度為68.3 tex且具有間隔色彩效果的滌棉包纏紗，以捻系數為變量紡制10組紗線并研究各參數下的紗線性能，找出該包纏紗的臨界捻系數，比較不同參數下紗線的成紗質量，優化滌棉包纏紡的工藝參數，以期為轉杯紡滌棉包纏紗提供實踐經驗。

1 實驗

1.1 實驗材料

原料：黑色滌綸長絲（細度為50 D），浙江匯隆新材料股份有限公司；純棉粗紗（定量為6.9 g/10m），

自制。

儀器：轉杯紡小樣機，江南大學；YG086型縷紗測長儀，常州德普紡織科技有限公司；YG068C型全自動單紗強力儀，南通宏大實驗儀器有限公司；USTER TESTER 5型條干測試儀，瑞士烏斯特公司；YG172型紗線毛羽測試儀，陜西長嶺紡織機電科技有限公司；El303電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；SMZ745T體式顯微鏡，日本尼康公司；YG381型搖黑板機，常州第二紡織機械廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計

轉杯紡紗機部分工藝參數設計為：轉杯轉速22000 r/min，分梳轉速6250 r/min，吸風功率70 Hz。采用滌綸長絲與棉纖維紡制包纏紗，捻系數范圍為385～655（每30一個梯度，共10組），通過設置喂入速度和輸出速度來控制包纏紗定量，如表1所示。對所制備包纏紗的外觀結構、斷裂強力、斷裂伸長率、條干、毛羽、螺距等進行測試，分析捻系數變化對紗線性能的影響，優化紡紗參數，確定紗線獲得最大強力時的臨界捻系數。

1.2.2 紗線結構與性能測試

使用體式顯微鏡分別放大10倍和30倍進行照片拍攝和觀察。

紗線強伸性：根據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（CRE法）》，使用全自動單紗強力儀測試紗線的斷裂強度和斷裂伸長率。拉伸速度為500 m/min，取樣長度為500 mm，預張力系數為34 cN/tex，取樣間隔為2 m，測試20次。

紗線條干均勻度：根據GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第1部分：電容法》，使用條干測試儀測試紗線的條干均勻度。測試速度為200 m/min，測試時間為1 min，測試3次。

紗線毛羽：根據FZ/T 01086—2020《紡織品 紗線毛羽測定方法 投影計數法》，使用紗線毛羽測試儀測試紗線的毛羽。測試速度為10 m/min，片段長度為10 m，測試10次。

紗線殘余扭矩：握住一根50 cm的紗線，紗線自然下落，然后將紗線兩端沿水平方向逐漸靠攏，直至紗線兩端重合。為了防止在計算折疊長度為25 cm的扭結數時紗線被扭開，測試后將紗線的兩端固定在板上，則可以計算出紗線的扭結數。

2 結果與分析

對10組細度為68.3 tex的紗線進行體式顯微鏡觀察，斷裂強力、斷裂伸長率、條干不勻率、條干不勻變異系數、細節（-50%）、粗節（+50%）、棉結（+280%）、

1～9 m毛羽指標、紗線殘余扭矩的測試，并對其數據進行分析，研究捻系數對紗線外觀形態、強伸性、條干、毛羽等性能的影響，找到成紗質量最優時的捻系數和臨界捻系數。

2.1 外觀形態

為了更好地觀察包纏紗線的外觀形態，以工藝方案1紡制的紗線為例，采用體式顯微鏡拍下紗線縱向放大10倍和30倍的圖像，結果如圖1所示。其中，黑色部分是滌綸長絲，白色部分是棉纖維。從圖1中可以觀察到，棉短纖維是伸直形態，黑色滌綸長絲均勻地纏繞在棉短纖維表面上，處于松弛狀態，對棉纖維有很好的包纏效果，紗線表面光潔，具有間隔色彩效果^［6］。

使用搖黑板機將包纏紗纏繞在黑板上，得到掃描后的包纏紗圖片以模擬筒紗在自然光下拍攝的圖像，結果如圖2所示。根據表1的編號，結合圖2可以觀察到，隨著捻系數增大，紗筒顏色由淺變深。這是由于捻系數增大使單位長度上的黑色長絲圈數增多，黑色長絲對棉短纖維的纏繞更加緊密，因此紗筒呈現出的顏色越深。

圖3是10組紗線在體式顯微鏡下拍攝的放大10倍后的圖像。從圖3中可以看出，同樣的放大倍數下，隨著捻系數的增大，長絲纏繞的圈數增加且纏繞更加緊密，其螺距相應減小，包纏角增大。使用image J測量工具分別對10組包纏紗螺距、包纏角和直徑進行測量并取得平均值，結果如圖4所示。從圖4中可以觀察到，隨著捻系數增大，包纏紗的螺距減小，包纏角逐漸增大，紗線直徑有先減小后增大的趨勢。在轉杯速度不變的條件下，影響紗線包纏角大小主要是喂入速度與輸出速度兩個因素。單位時間內進入轉杯的纖維束數量多時，纖維之間的相互作用增強，導致包纏角減小；當引紗速度增加時，纖維被迅速拉出轉杯，纖維與紗芯的纏繞時間減少，這會導致包纏角變小。隨著捻系數的增加，喂入速度與輸出速度同時減小，因而包纏角有增大的趨勢。但由于喂入速度與輸出速度同時變化，這使包纏角變化無法像捻系數一樣“等差”變化。隨著捻系數增加，紗線中纖維包纏越發緊密，纖維之間的空間被壓縮而使直徑減小。然而，捻系數的持續增大后，纖維之間的可壓縮性變得很小，紗線直徑變化不大，這時纖維發生過度傾斜反而使紗線直徑增加。

2.2 紗線強伸性

由于本文所紡制的包纏紗均是長絲包纏伸直短纖維的結構，在包纏紗受到力作用時，短纖維紗首先伸長直到斷裂，之后長絲將單獨伸長到斷裂。因此，該情況下包纏紗的斷裂強力主要受短纖維斷裂強力的影響。10組包纏紗斷裂強力與斷裂伸長率測試結果如表2所示，從表中可以看出，在其他條件相同的情況下，紗線的斷裂強力隨著捻系數的增加先增大再減小。這是因為紗線在拉伸外力作用下，斷裂總是發生在紗線強力最小的弱環處，隨著捻系數的增加，弱環處捻回增加，紗線強力提高；當捻系數增大到某一值，即達到臨界捻系數時，加捻使紗中纖維傾斜并產生預應力，使纖維承受的軸向分力減小，承擔外力的能力降低，從而使紗線的強力降低。在本文條件下，臨界捻系數在475～535之間。

斷裂伸長率是表征紗線的柔軟性能和彈性性能的指標，決定著紗線的用途。紗線斷裂伸長率大，則手感柔軟、彈性好，在紡織加工時毛絲、斷頭較少；但斷裂伸長率不宜過大，否則織物易變形。表2說明其他條件相同的情況下，由于捻系數的提高，加捻后的纖維抱合更加緊密，纖維與纖維之間更不容易發生滑移現象，使斷裂伸長率降低。

依據紗線強伸性這一指標，工藝方案5即捻系數為505時紗線的斷裂強力最大且斷裂伸長率適中，紗線性能最優。

2.3 紗線條干

不同捻系數包纏紗條干和紗疵情況如表3所示。從表3中可以看出，隨著捻系數的提高，紗線條干不勻率均呈現先增后降的趨勢，條干不勻率隨捻系數的增大其變化不明顯，浮動十分微小。紗線捻系數在565～625內條干不勻率數值最高，條干最差。且該工藝下的包纏紗紗疵少，不同參數下包纏紗細節數、棉結數皆為0。這是由于隨著紗線捻系數的增大，紗線橫截面積減小，紗線粗節更加明顯，條干不勻率增加，使捻系數在535～625時紗線出現一定數量的粗節。然而，隨著捻系數繼續增大，紗線抱合作用增強，紗線中的粗節與紗線主體細度差距減小，粗結數量減少，紗線條干均勻度提高。依據紗線條干這一指標，工藝方案1即捻系數為385時條干最好，紗線質量最優。

2.4 紗線毛羽

紗線表面毛羽分布不僅會影響織造、染整工藝及織物外觀，毛羽過多還會引起生產過程中飛花多、斷頭增加等問題^［7］。較長毛羽特別是3 mm以上毛羽會對紗線后續加工產生嚴重影響^［8］。由表4紗線毛羽測試結果可知，該包纏紗的毛羽少，其他條件不變時，隨著捻系數增大，纖維纏繞更加緊密，抱合力越大，紗線表面越光潔，因而毛羽數隨捻系數增大而減少，且多為1～2 mm的短毛羽，3 mm以上的有害毛羽數少。依據紗線表面毛羽分布這一指標，工藝方案10即捻系數為655時紗線質量最優。

2.5 紗線殘余扭矩

紗線的殘余扭矩主要是在紡紗過程中特別是加捻時產生的，加捻時纖維被拉伸、彎曲和扭轉，紗線之間儲存了相應的扭應力，其中一部分可能會在紡紗過程中被釋放，但是還會有少部分被保留下來，形成紗線的殘余扭矩，捻系數大所保留下來的扭應力也就越大，殘余扭矩也越大^［9］。殘余扭矩是評估紗線穩定性的重要指標，測量紗線扭結數量通常是評估和表征紗線的殘余扭矩重要的間接方法^［10］。每個樣品分別進行10段紗線的測試，測試結果如圖5所示，平均扭結數隨著捻系數增大而逐漸增大，實驗測試結果符合上述理論。

紗線的殘余扭矩會導致紗線扭結、針織物的卷邊、機織物的緯斜等現象，低扭矩紗線與傳統紗線相比紗線扭結數和毛羽都較少，從而使編織的織物表面光滑均勻^［11］。因此，低扭矩的紗線更加穩定，紗線質量更好。該實驗中依據殘余扭矩這一指標，工藝方案1即捻系數385時紗線結構穩定，質量最好。

3 結論

本文以棉短纖維為芯紗，滌綸長絲為外包紗，使用轉杯紡技術紡制了捻系數在385～655范圍內10組細度為68.3 tex的包纏紗。具體研究結論如下：

a）從外觀和紗線結構來看，滌棉包纏紗具有間隔色彩效果，隨著捻系數的增大，包纏紗的螺距減小，包纏角逐漸增大，紗線直徑有先減小后增大的趨勢。

b）從紗線性能上來看，捻系數增大，紗線的斷裂強力先增大再減小，斷裂伸長率降低；條干不勻率呈現先增后降的趨勢，毛羽數減少；紗線的平均扭結數增大，結構不穩定，紗線質量差。

c）綜合各指標來看，紡制68.3 tex細度的滌棉包纏紗，捻系數為505時，紗線斷裂強力大，條干好，毛羽少，紗線結構較穩定，成紗質量最優，該包纏紗的臨界捻系數在475～535之內。

本文優化了滌棉包纏紗的工藝參數，提高了包纏紗的紗線質量，為轉杯紡包纏紗的創新與發展提供實驗基礎。在將來，有必要繼續進行轉杯紡包纏紗的研究，探索不同原料和多參數變化對紗線性能的影響，促進轉杯紡包纏紗的創新與發展。

參考文獻：

［1］李保榮，朱樂樂，王軍慶，等.包覆紡紗技術發展、現狀及存在的問題［J］. 紡織科技進展，2020（8）：8-11.

LI Baorong， ZHU Lele， WANG Junqing， et al. Develo-pment， present situation and problems of cover-spinning technology［J］. Progress in Textile Science amp; Technology，2020（8）：8-11.

［2］YANG R H， XUE Y， WANG S. Comparison and analysis of rotor-spun composite yarn and sirofil yarn［J］. Fibres and Textiles in Eastern Europe，2010，78（1）：28-30.

［3］汪軍.轉杯紡技術發展回顧與趨勢展望［J］. 棉紡織技術，2023，51（10）：33-40.

WANG Jun. Review and trend prospect of rotor spinning technology development［J］. Cotton Textile Technology，2023，51（10）：33-40.

［4］任秀紅，王新厚.轉杯復合紡紗方法［J］. 紡織導報，2005（3）：33-37.

REN Xiuhong， WANG Xinhou. Rotor composite spinning method［J］. China Textile Leader，2005（3）：33-37.

［5］陳小莉，于偉東.復合紡紗的演變及新方法［J］. 武漢科技學院學報，2006，19（2）：20-24.

CHEN Xiaoli， YU Weidong. The evolution and new methods of complex spinning［J］. Journal of Wuhan Textile University，2006，19（2）：20-24.

［6］湯清倫，韋煒，陳軍，等.具有間隔色彩效果的紗線制備及性能研究［J］. 現代紡織技術，2021，29（2）：29-33.

TANG Qinglun， WEI Wei， CHEN Jun， et al. Manu-facturing and performance study of interal color yarn［J］. Advanced Textile Technology，2021，29（2）：29-33.

［7］段娜微，郭亞嬌，張志強，等.紗線毛羽測試及影響因素分析［J］. 紡織器材，2023，50（2）：65-69.

DUAN Nawei， GUO Yajiao， ZHANG Zhiqiang， et al. Test and influencing factors analysis of yarn hairiness［J］. Textile Accessories，

2023，50（2）：65-69.

［8］曹竹燕，陳平南，郁崇文，等.黃麻/黏膠股線與單紗捻系數比對其性能的影響［J］. 上海紡織科技，2022，50（9）：58-61.

CAO Zhuyan， CHEN Pingnan， YU Chongwen， et al. Effects of twist coefficient ratio on properties of jute/viscose plied strand［J］. Shanghai Textile Science amp; Technology，2022，50（9）：58-61.

［9］王玲玲，楊昆，蔣躍東.紗線殘余扭矩對緯平針織物線圈歪斜的影響［J］. 針織工業，2012（11）：22-23.

WANG Lingling， YANG Kun， JIANG Yuedong. Yarn residual torque and its influence on the stitchdistortion of jersey fabric［J］. Knitting Industries，2012（11）：22-23.

［10］CHEN J， DU Z. Structural design and performance characterization of stable helical auxetic yarns based on the hollow-spindle covering system［J］. Textile Research Journal，2020，90（3/4）：271-281.

［11］于保康，楊昆.紡紗參數對紗線殘余扭矩和扭矩的影響［J］. 紡織導報，2015（10）：93-94.

YU Baokang， YANG Kun. The effect of spinning parameters on yarn residual torque and torque［J］. China Textile Leader，2015（10）：93-94.

Effect of twist factor on the structure and properties of rotor-spun polyester-cotton wrapped yarns

ZHOU Zhengyu， YANG Ruihua

（College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： The wrapped yarn is a new structure of yarn that is composed of two or more kinds of fibers. In terms of performance， it can compensate for the deficiencies of single-component fibers and leverage the advantages of composite fibers. Through the composite of fibers， it can make textile fabrics show new styles， high elasticity and special functions that cannot be shown by a single material. The wrapped yarn is a kind of composite yarn that is not only simple and efficient in production but also fully utilizes the characteristics of the fibers， making up for the defects of single-component fibers. The production technology for staple fibers and filament wrapped composite yarns has become increasingly mature， mainly including ring spinning， rotor spinning， hollow spindle spinning and so on. At present， rotor spinning technology is the most mature， widely used， and economically beneficial new spinning method. Since its inception， research in this area has been continuously conducted. However， in recent years， compared with ring spinning and hollow spindle spinning， not much research has been done on rotor spinning wrapped composite yarns， especially the optimization of process parameters for wrapped yarns in practical production. Therefore， this paper selects polyester filament and cotton staple fiber composite spinning polyester-cotton wrapped yarn on the basis of existing materials， and carries out the research and optimization of process parameters of polyester-cotton wrapped yarns.

The spinning principle of rotor composite spinning is that under the combing action， the staple fibers are carded into single fibers and enter the coalescing tank. The filament enters the spinning cup through an axial hollow spindle. The high speed rotation of the spinning cup produces a twisting effect that causes the filament and the staple fiber to be entangled into a yarn. It can be seen that twisting plays a key role in the yarn formation process of entangled yarn， and the twist factor is closely related to the structure and quality of the yarn. In order to explore the influence of twist coefficient on the appearance and structure as well as the performance of wrapped composite yarns， and to optimize the process parameters of polyester-cotton wrapped yarns by rotor spinning technology， the article used white cotton staple fiber as the core yarn and 50 D black polyester filament yarn as the outer wrapped yarn. As a result， ten sets of wrapped yarns with fineness of 68.3 tex were spun with twist coefficients in the 385-655 range. The appearance and structure of the yarns were analyzed， and their tensile properties， hairiness， dryness， defects and residual torque were tested and compared. The results show that the wrapped yarns have spacer color effect; the influence of the twist coefficient on the properties is in accordance with the known theory， which further verifies the scientific validity of the relevant theory. Moreover， the critical twist coefficients of the wrapped yarns are in the 475-535 range， and the yarn quality is optimal when the twist coefficient of the wrapped yarns is 505 according to the results of the comprehensive indexes.

The twist factor influences the appearance， structure， and performance of wrapped composite yarns. Through the experimental research and analysis conducted in this paper， the experimental results align with the theory， further verifying the scientific validity of the relevant theories and providing practical experience for the spinning and performance of rotor-spun wrapped yarns. In the future， it is necessary to continue exploring relevant experimental studies on rotor-spun wrapped yarns， considering the influence of multiple factors on yarn performance， and further adjusting and improving them to promote the innovation and development of rotor spinning wrapped yarns.

Keywords：rotor spinning; wrapped yarn; twist factor; strength; evenness CV; hairiness