（纺织工程专业论文）芯鞘型长丝短纤复合纺纱工艺技术理论及产品研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

坚里：曼l 墨垒星墨 芯鞘型长丝短纤复合纺纱工艺技术理论及产品研究 摘要 本文提出了用天然短纤维和化纤长丝纺制包芯复合纱的新方法，超越了以往混 纺、短纤纱与长丝复合以及现有包芯纺在结构和性能上的局限性。芯鞘型包芯复合 纱是通过短纤须条和长丝在环锭细纱机上复合加工而成的，是突破天然纤维织物， 尤其是高支轻薄面料，的开发和应用中所遇到的原料、后加工_ 萃整理障碍的优良方 法。该复合纱中，组分的差异性及结构的特殊性对复合纱和以其织造的面料的性能 产生很大影响。了解芯鞘型包芯复合纱及织物的结构、性能，有助于为开发不同用 途的功能性面料提供科学依据。论文对该成纱工艺和原理、纱线结构特征及性能以 及织物的性能、风格进行了测试、评价和探讨。 纱线的性能不仅取决于组成纤维的性能，还取决于纱线的结构，纱线的结构可 以通过纤维的几何排列来描述。在现有纤维转移理论的基础上，提出了三维立体模 型对纤维的排列取向进行了详尽的分析，对纤维转移的控制是生产高品质纱线技术 的关键。 环锭纺长丝短纤包芯复合成纱时，长丝的预加张力、含量、长丝喂入短纤须条 的位置对纱线的性能有重要的影响。该复合纱的截面呈圆形，长丝束位于截面的中 央，短纤维包覆于长丝的周围。纱线的纵向外观与传统的环锭纱一样。同时，对衡 量复合纱中组分比例和包覆率的方法作了研究。 对于该复合纱的基本力学性能，本文主要研究了强伸性。芯鞘型长丝短纤复合 纱的强伸性主要随着各组分的含量，长丝的预加张力的变化而变化。本文对不同细 度的纱线的强伸性能作了测试和比较，并对长丝预加张力和含量对纱线的强伸性能 的影响趋势作了探讨。长丝预加张力和含量是同时影响复合纱的强伸性的，预加张 力决定了长丝在纱线中的伸直状态，长丝含量决定了长丝承担拉伸负荷的程度。 由于该复合纱结构稳定，织物织造工艺改动少，后整理简单。由于长丝的存在， 从基本力学性能看，织物的拉伸、撕破和顶破强力均比纯短纤织物有很大的提高： 在织物风格上，抗弯性能降低，表现在悬垂性上，织物的美感和活泼性增加；同时 由于长丝的身骨作用，织物的抗皱、免烫性相对于纯短纤织物得到很大改善，达到 免烫水平，织物保形性好。另外由于短纤对长丝实现了较高的包覆，条干均匀且毛 羽少，织物布面平整，呈现短纤织物的外观和手感，静电少。 关键词：芯鞘型环锭纺复合纱结构性能织物性能 t h es p i n n i n gt h e o r y a n dp r o c e s so fc o r e - s h e a t h c o m p o s i t ey a r na n dt h er e s 】弘皿c ho ni t sp r o d u c t an e wm e t h o do fc o m p o s i t ey a m sw h i c hc o n s i s to fn a t u r a l s t a p l e f i b e r sa n d f i l a m e n tw a sp u tf o r w a r d ，b r o k et h r o u g ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o do fb l e n ds p i n n i n g ， c o m p o u n ds p i n n i n ga n d c o r es p i n n i n gi ny a r n ss t r u c t u r ea n d p r o p e r t y t h cc o r e s h e a t h c o m p o s i t ey a m w a s s p i n n o d o nt h er i n gf r a m e b y t h e s t a p l es l i v e ra n df i l a m e n t s w h i c hi s o n eo fe x c e l l e n tw a y sf o rn a t u r a lf a b r i c st os o l v et h e p r o b l e m sc a u s e db y l a wm a t e r i a l s ， d o w n s t r e a mp r o c e s s i n g , a n df i n i s h i n g , e s p e c i a l l yf o rt h e l i g h tw o r s t e df a b d e s t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nc o m p o n e n t sa n dt h ep e c u l i a r i t yi ns t r u c t u r eh a v em u c hi n f l u e n c eo n p r o p e r t yo ft h ec o m p o s i t ey a r na n dt h ef a b r i cw o v e nb yi t i ti su s e f u lt ok n o wo ft h e s t r u c t u r ea n d p r o p e r t yo ft h ef a b r i cw o v e n o fc o r e s h e a t hc o m p o s i t ey a m sf o rp r o v i d i n g s e i e n t i t l ee v i d e n c et od e v e l o pf u n c t i o n a lf a b r i c sf o rd i f f e r e n tp u r p o s e s i nt h i sp a p e rt h e p r o c e s sa n dp r i n c i p l eo fs p i n n i n gc o r e - s h e a t hc o m p o s i t ey a mw e r ei n t r o d u c e d ，t h e s t m c t u r ea n d p r o p e r t yo f t h ey a r na n di t sf a b r i cw e r et e s t e da n de v a l u a t e d n e y a mp r o p e r t i e sn o to n l yd e p e n do nt h et h e i rf i b e rp r o p e r t i e sb u to nt h ey a m s t r u c t u r e s t h ey a ms t r u c t u r ec a nb ed e s c r i b e db yt h ef i b e rg e o m e t r i ca r r a n g e m e n t o n t h ee x t a n tt h e o r e t i c a lb a s i s ，t h ef i b e r s a r r a n g e m e n ta n do r i e n t a t i o nw e r ea n a l y z e di n d e t a i lb y p u t f o r w a r dat h r e e d i m e n s i d n a lm o d e l t oc o n t r o lt h ef i b e rm i g r a t i o ni st h e k e y t op r o d u c eh i g h q u a l i t yy a m s t h es p i n n i n gm e t h o dd e t e r m i n et h e y a ms t r u c t u r ew h i l et h es t r u c t u r ea n dt h e c o m p o n e n ta f f e c tt h ey a m 7 sp r o p e r t y cs p i n n i n gt h ec o r e s h e a t hc o m p o s i t ey a m w i t hs t a p l ef i b e r sa n df i l a m e n t so nt h er i n gf r a m e , t h e p r e - t e n s i o n ，p r o p o r t i o na n dt h e p o s i t i o nw h e nt h ef i l a m e n t se n t e r i n gt h es t a p l es l i v e rh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h e y a m sp r o p e r t y t h ec r o s s - s e c t i o no ft h ey a mi sr i n g - s h a p e d ；t h ef i l a m e n ti si ni t s c e n t e rw i t ht h es t a p l ef i b e r sc o v e r i n g 1 1 l ea p p e a r a n c eo ft h ey a mi st h es a m el i k et h e t r a d i t i o n a lr i n gy a mi nl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n a tt h es a m et i m es o m em e t h o d st oe v a l u a t e t h e p r o p o r t i o na n d t h e c o v e r i n g r a t ew e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r f o rt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y , t h es t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nw a s s t u d i e d t h es t r e n g t h a n d e l o n g a t i o nc h a n g e w i t ht h e p r o p o r t i o n o f c o m p o n e n t s a n dt h e p r e - t e n s i o n o ff i l a m e n t y a m sw i t hd i f f e r e n tc o u n t sw e r et e s t e da n d c o m p a r e d a n dt h et r e n dh o w t h e p r e t e n s i o n a n d p r o p o r t i o na f f e c tt h es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nw a ss t u d i e d 1 1 1 ct w of a c t o r sa f f e c tt h e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o na tt h es a m et i m e t h ep r e t e n s i o nd e t e r m i n e si ft h ef i l a m e n ti s s t r a i g h ti nt h ey a m ，t h ep r o p o r t i o no ft h ef i l a m e n t sd e t e r m i n et h ee x t e n to nw h i c ht h e a b s t r a c t 纽a m e n t st oe n d u r et h eb u r d e n b e c a u s et h es t r u c t u r eo ft h ey a r ni ss t e a d y , t h em o d i f i c a t i o no fw e a v e p r o c e s si sl i t t l e a n dt h ep h a s eo ff i n i s h i n gi ss h o r t i nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y , t h ec o m p o s i t ef a b r i c 7 s s t r e n g t ho f t e n s i l es t r e n g t h 、t e a r i n gs t r e n g t ha n d b u r s t i n gs t r e n g t ha r e a l lm u c h l a r g e r t h a n t h a to f s t a p l ef a b r i c i nt h es t y l e ，t h eb e n d i n g r e s i s t a n c ew a sd e c r e a s e d c o m p a r e dt h a to f s t a p l ef a b r i c , w h i c h c a nb es e e n t h r o u g ht h ef a b r i c s a e s t h e t i cc o e f f i c i e n ta n d l i v e l i n e s sp e r c e n t a g ew a si n c r e a s e di nt h ed r a p i n gp r o p e r t y w i t ht h ef i l a m e n tb e i n ga s t h et i 曲t n e s s ，t h ea n t i - c r e a s ep r o p e r t yw a sm u e h i m p r o v e d a n d t h ec o m p o s i t ef a b r i cw a s n o n - i r o nw i t hs u p e rs h a p e r e t e n t i v ep r o p e r t y a d d i t i o n a l l y , b e c a u s eo ft h eh i g h c o v e r i n g r a t eo ft h es t a p l ef i b e l st ot h ef i l a m e n t s ，t h ey a mi se v e na n dt h e h a i ri sl i t t l e t h ef a b r i c h a sf l a ts u r f a c ew i t ht h es m e a p p e a r a n c ea n df e l l i n ga st h a to fs t a p l ef a b r i c a n dt h e a n t i - s t a t i ci so b v i o u s 鲫w o r d s ：c o r e - s h e a t h ，r i n gs p i n n i n g , c o m p o s i t ey a m ，s t r u c t u r e ) p r o p e r t y f a b r i cp r o p e r t y m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着科技的发展、社会文明的进步，人们的物质生活和观念有了很大改变。对 纺织品的消费理念由必然性消费转变为选择性消费。对服装、装饰品等提出了功能 性和舒适性结合的要求。在经过了青睐化纤织物的耐用后，具天然纤维外观j x l 格、 手感和舒适性的面料制作的时尚服装，装饰物已成为人们争相追求的热点。 纺织品的功能性和舒适性相结合是纺织品发展的必然趋势。天然纤维织物虽然 穿着舒适、手感柔和、亲和力强，但制成的服装易皱易缩，穿着料理困难，不符合 快节奏生活的要求“。2 。”。织物的形状保持性和记忆功能，尤其是高支面料的生产一 致是困扰其发展的问题。近几年，解决天然纤维尤其是纯棉织物的免烫、沈可穿技 术主要集中在低甲醛和无甲醛免烫整理技术“4 ”。低甲醛整理技术是对整理剂进行 醚化改性，使其成为低甲醛或超低甲醛整理剂，从而降低布面游离的甲醛含量；无 甲醛整理技术是利用整理剂中反应活性大的基团与纤维结合成稳定的化学键，限制 了纤维的移动，从而提高织物的弹性模量和尺寸稳定性”8 ”。 采用化学方法对织物进行整理要获得好的效果有许多限制条件。要求织物在处 理前有很好的吸湿性、布面洁净、p h 值达标，还要保证染色无色光变化。另外，化 学整理带来的游离甲醛、强力降低，以及环境污染等负面影响与人们崇尚自然、环 保的观念相背离。而采用生态、环保的物理方法实现纯棉面料的免烫、洗可穿性能 还未见报道”1 。 因此，如何解决这一问题成为纺织领域研究的热点。在新的纺织品标准不断规 范、提高的情况下，原有化学法对织物进行免烫处理受到严重挑战，人们的注意力 由后整理工艺逐渐转向构成织物的纱线上来。而通过改变纱线的结构和组分的构成 是一个重要研究方向。前几年，混纺织物受到消费者和生产厂家的青睐便是有力的 证明。然而，混纺纱线的后加工生产过程中会遇到纱线磨损、染色等困难，不能保 证织物外观的均一性。因此，针对天然纤维织物的特点，以提高织物风格和改善织 物的功能为宗旨的复合纺纱方法越来越受关注“+ ”。环锭纺芯鞘型包芯复合纺便是 成功的例子。 长丝短纤复合纱( c o m p o s i t ey a r n c o n s i s t e do f f i l a m e n t sa n ds t a p l ef i b e r s ) 同时具有长丝和短纤的优点。具有较强的强伸性，强力不匀小；具有天然短纤的外 观，条干不匀小，耐磨性能好。另外，可以利用复合纺纱方法纺制高支纱，生产高 档服饰面料。其具有的优良性能受到普遍关注。但是，复合纱由于其纺纱方法的不 同，决定了其纱线结构存在很大差异。这种结构的差异势必影响出其构成的纱线和 织物的性能。例如，织物的强伸性主要取决于纱线的拉伸性能，而影响纱线拉仲性 第一章绪论 能的主要因素为纱线的结构和纤维原料的特性。用芯鞘型长丝短纤复合纱为原料， 将短纤和长丝织物的风格优点揉为体，提高了织物的强伸度和模量、悬垂性、保 形抗皱性，纱线本身具有的特性使得面料和服装具有永久的尺寸稳定性、免烫、洗 可穿性能；由棉短纤作皮层的复合纱使得织物具有短纤织物的外观，织物染色容易， 面料和服装具有天然短纤织物的手感、蓬松性、吸湿透湿性及亲合力。 1 2 复合纱概念演变 1 2 1 复合纱定义、目的与分类 两种或两种以上的纤维( 或长丝) 通过复合加工的方法制成的纱称作复合纱。 两种纤维的力学性能可以相似，通过复合加工改善纱线的形态手感等：有时，纤维 的力学性能可以差异很大，通常某种纤维充当骨架起到增强的作用。和一般的复合 材料不同，纤维间不是通过粘合的方法，而是通过不同组分纤维间相互摩擦、抱合 缠结而成“”。 复合纺纱可以将不同素材、不同性能纤维的复合，不仅仅可以弥补单组份的 缺陷，发挥复合纤维的组合优势，更进一步的是由于通过纤维的复合化可以使复合 化的纺织面料表现出单一素材无法表现出的新的风格、高感性及功能“”。 按照纺纱方法和结构复合纱线可以是各种短纤维( 不同的天然纤维或不同的化 学纤维或两者的混合) 通过一般的纺纱方法( 环锭纺、s i r o s p u n ) 复合，称为混纺 短纤纱( b l e n ds t a p l ey a r n ) ：也可以是不同长丝通过并合加捻、假捻变形、空气 变形等复合，称为混纤纱( b l e n df i l a m e n ty a r n ) ：还可以是不同天然纤维和化学长 丝通过加捻并合、各种变形和包缠、s i r o f i l 、包芯等复合成纱，严格来讲，这种纱 线才是真j 下意义上的复合纱。复合纱的结构与纺纱方法见下表。 表l 一1 复合纱结构与纺纱方法 s ：短纤维：f ：长丝 第章绪论 图1 1 复合纱结构类型 1 2 2 长丝短纤复合成纱技术 针对天然纤维织物的问题，主要利用长丝的固有特性改善织物的挺括，保形性， 还可以采用长丝来增强纱线的强力，实现高支复合纱织物的功能化。长丝短纤的复 合根掘长丝是否弹性又分为软式复合纱和硬式复合纱两类( 见表l - - 2 ) 。用来改善织 物免烫、保形性能的是硬式复合纱“。 表1 2 长丝短纤复合纱分类 不同天然纤维和长丝复合的方法主要有以下几种： ( 1 ) 静电纺 如图1 2 所示，在环锭细纱机上，长丝经过张力装置，出高压静电丌纤器展开 分散，经过集束器后，在前罗拉后方喂入，与牵伸后的短纤维均匀混合，并相互包 缠，然后加捻成纱。 这种方法可以解决长丝与短纤在低捻时，由于组分之间抱合力小造成两组分相 对滑动而产生“剥皮”现象。并且该方法可以使长丝和短纤充分混合，相互抱合形 成稳定的结构，但是，长丝必须是合成纤维( 静电可以使其方便的分散丌) 。但是该 种方法存在安装和成本问题。 第一章绪论 短鳓 图1 2 静电纺图1 3s i r o f i l 纺 ( 2 ) s i r o f i l 长短纤合捻纱 如图l 一3 示，s i r o f i l 是由s i r o s p u n ( 图l 一4 ) 发展而来的，与s i r o s p u n 合 捻纱的相同之处在于两股纤维束( 单或双种) 原料合捻而成；不同之处为长丝和短纤的 合抢，即用一根长丝代替了一根粗纱条，区别于s i r o s p u n 的短纤短纤合捻。积极式 退绕的长丝经过张力控制装鼹，施加一定的张力，然后由导轮控制进入短纤须条的位 置，在前钳口后经分纱集柬器进入短纤须条与之合捻成纱。 s i r o f i l 复合纱与长丝短纤包芯复合纱的区别在于s i r o f i l 复合纱中长丝与短纤 之间存在一定的隔距，至于长丝在须条的哪一侧，对成纱结构没有影响。由于该复合 纱没有包覆率的要求，长丝的规格有很大的选择范围。但 是由于长丝暴露在复合纱的表面，会影响纱线的外观。+ 州。 图l 一5 空心锭纺 第一章绪论 ( 3 ) 包绕纱( w r a py a r n ) 空心锭包绕纱 如图1 5 示，粗纱经牵伸、加捻系统时，长丝包绕在粗纱纤维束外围表面，由 于短纤维束本身具有一定的捻度，再加上空心锭子的回转，因此纱线的强力比较大， 毛羽较少。适应于弹性纱线的纺制。 平行无捻包绕纱( p a r a ll e ly a r n ) 如图l 一6 示，利用五对或六对罗拉的超大牵伸机构，棉 条艰入牵伸系统后，长丝包绕在短纤条的夕卜围，直接卷绕成筒 子纱，可以减少粗纱与络筒两道工序。纱线的特点为短纤束条 主体没有捻度，纱线质地非常柔软。 0 e 包绕纱 喂入机构如图l 一7 示，纤维经过- 丌纤后进入转子凝聚成 纱，在经过输出纱管时，长丝与之包绕成纱。纱线包绕的均匀 度较前两者差，而且适于纺制粗支纱，局限性大。 m j s 包绕纱 如图1 8 示，利用喷气式纺纱机构纺织包绕纱，长丝在 喷嘴处喂入，与喷嘴内短纤须条包绕成纱。纱线柔软度比o e 包绕纱差。喂纱率的变化会导致包绕纱的包绕均匀度的变化。 图1 - - 6p a r a l l e l 纺 图1 - - 7 转杯包绕纺图 图1 - - 8 喷气包绕纺 ( 4 ) 包芯纱( c o r ey a r n ) 利用一般环锭细纱机，另外加装长丝退绕装置、张力控制装置，将长丝由前罗 拉后方喂入短纤须条的中心位置，然后加捻成纱。粳纱按常规的方式喂入、牵伸。 如图1 9 示。包芯纱的芯组分和外包组分不同，一般外包短纤维，纱芯为长丝或短 纤纱。另外，利用摩擦纺或喷气纺也可以纺制包芯纱。 趣大牵伸区 第一章绪论 包芯纱分为硬式包芯纱和软式包芯纱两种。 前者芯纱为一般的长丝，后者为弹性长丝。纺 制包芯纱时，虽然将长丝对准短纤须条的中心 位置，但是受到牵伸机构、纤维转移的影响， 成纱时长丝的位置仍然可能有变化。如果芯组 分偏移过多，会影响纱线的染色性能和强伸性 等。 1 3 不同纺纱方法的成纱结构特性 当前棉纺领域有5 种实用的、备受关注的 纺纱方法，即传统环锭纺、转杯纺、喷气纺、 涡流纺和改进的环锭纺紧密纺。不同的纺 纱方法有不同的成纱机理，纤维在纱线中的排 列形态以及紧密度也不同“”。 ( 1 ) 传统环锭纱线结构 图卜9 包芯纺 传统的环锭纱中纤维基本上呈螺旋状排列，由于存在加捻三角区，纤维不能全 部被捻到纱体中去，很多边缘纤维一端在纱体内，另一端伸到纱条外形成毛羽。所 以虽然环锭纱的结构紧密，但是表面无序。光洁度差。 ( 2 ) 转杯纺纱线结构 由于加捻区内纤维缺乏积极的握持，纤维松散、伸直程度差且内外转移率低。 纱的结构分为纱芯和外包纤维两部分。纱芯结构与环锭纱相似。外包纤维结构松散 无规则地缠绕在芯纱外面。因此纱体结构蓬松，外观丰满。 ( 3 ) 喷气纺纱线结构 喷气纱是一种双重结构的纱，一部分是近乎平行、无捻的芯纤维，另一部分是 外部的包缠纤维。喷气纱结构较为蓬松，纤维间隙大，包缠纤维的比例很小，包缠 纤维将向心压力施加于芯纤维，给予纱体必要的聚合力以承受外部应力。 ( 4 ) 涡流纺纱线的结构 涡流纱线也是一种双重结构，芯纤维是无序的、平行的、无捻度的。依靠旋转 气流的作用使末端纤维包覆缠绕在芯纤维外部加捻成纱。与喷气纺纱不同点在涡流 纱的外层覆盖纤维的比例大( 约6 0 ) ，以至于内部纤维几乎完全被覆盖，表面纤 维排列更近乎于环锭纱。 ( 5 ) 紧密纺纱线结构 紧密纺纱线中纤维的排列最为整齐，由于气流的收缩和聚合作用，纤维的头端 均捻入纱线内，成纱结构最为紧密，纱线外观光洁、毛羽少，加捻螺旋结构清晰可 见，纤维几乎没有内外转移。这也是通过消除加捻三角区使得纱线体现出的最显著 第一章绪论 的特征。 1 4 本研究的主要内容及意义 本文在综合复合纺纱方法及不同方法成纱结构的基础上，主要研究在环锭细纱 机上纺制芯鞘型长丝短纤复合纱的加工工艺和成纱机理，为不同纤维的复合提供新 的技术平台和低成本短流程工艺流程。并对以其为原料织制的复合面料的性能进行 测试评价，将短纤和长丝织物的优点加以揉合，是一种解决棉及纤维素织物免烫问题 的物理方法，同时也是一种实现织物功能化的有效加工方法和手段，为丌发新型功 能面料提供了科学依据。 ( 1 ) 纤维转移机理 回顾了纤维的转移方式和机理，提出了新的纤维转移模型，并对模型的尺寸。 变化趋势进行了描述，阐述了新的“加捻细颈区”纤维排列转移机理。 ( 2 ) 芯鞘型包芯复合纱成纱机理与工艺 介绍了已有的环锭纺包芯纱成纱方法及其特点，在此基础上阐述了环锭纺芯鞘 型长丝短纤复合纱的成纱工艺与机理，然后进行了工艺试验，对工艺参数进行了优 化。该工艺对传统的细纱机改动少，工艺简单，纱线结构稳定，改善了包覆效果。 与s i m f i l 纱中长丝与短纤纱条捻合效果不同，是一种皮芯结构的纱线，短纤维与长 丝一起进行复合加捻，短纤须条以单纤维的形式包覆长丝，该工艺适纺性好。 ( 3 ) 芯鞘型复合纱结构及评价方法 在对芯鞘型包芯复合纱的结构评价中，本文对纱线的毛羽、条干以及纱线截面、 外观进行了测试和观察。提出了衡量包芯纱组分比和包覆率的方法。纱线的外观结 构与传统的环锭纱相同。外包短纤维实现了对长丝的良好的包覆，而且条干均匀、 毛羽少。 ( 4 ) 芯鞘型复合纱强伸性能测试 对长丝预加张力和含量对纱线的强伸性能的影响趋势作了探讨，对复合纱和短 纤纱以及不同细度的复合纱线的强伸性能作了测试和比较。长丝预加张力和含量是 同时影响复合纱的强伸性的。预加张力决定了长丝在纱线中的伸直状态，长丝含量 决定了长丝承担拉伸负荷的程度。 ( 5 ) 芯鞘型复合纱织物的特性 在研究织物的特性时，介绍了织物的制备工艺，织物截面和外观形态。采用对 比的方式，测试评价了复合织物的基本力学性能，另外针对长丝在纱线中的作用， 着重测试了织物的悬垂性和抗皱免烫性来分析评价了织物的风格和保形性，为该面 料的开发应用提供了依据。 ( 6 ) 新产品开发探讨 根据芯鞘型包芯复合纱对各种短纤和长丝的适纺性，采用不同的功能性原料可 以开发各种适于不同用途的面料。 第二二章纤维转移机理 第二章纤维转移机理 2 1 前言 纱线的性能不仅取决于组成纤维的物理性能，还取决于纱线结构，这个结构可 根据纤维的几何排列来描述。纤维在纱线中发生位胃的转移，表层和内部的纤维间 相互穿插、纠缠，产生相互握持的稳定结构。纤维本身具有张力，尤其是表层纤维 的张力产生向心压力，使纤维相互作用。纤维间接触和挤压增强，产生摩擦和抱合， 纱线强力、抵抗变形的能力增加，纱线不易解体。而纱线产生强力和抱合，两点是 必须的：一是捻度，它能产生抱合纤维的横向力：另一个是纤维在纱中位罱的变化， 使得纤维的各个部分都被抱紧。p e i r c e 肯定了位簧相互转移的必要，而m o r t o n 给 它起了个名字为“转移”“。 2 2 加捻状态下纤维转移机理理论模型综述 2 2 1 理想化的转移 在理想的纤维转移几何模型中，纱的横截面是圆形的，并且纱线是由各层纤维 转移形成的半径不变的同。t l , 圆柱状体组成，纤维有规律、均匀地从纱的外围转移到 纱中心，然后再回到外围。在这样的模式中，整根纱线的纤维卷装密度是不变的。 假设将整个长度上的纱线分成随半径增加的几个区域。像图2 一l 所表示，那么，经 过每个区域的纤维的长度必定和该区域的体积成比例陆。 a ) 枣佩严与q 髓关确曲姥 ( b ) 口同与q * 菊搀缝 图2 1 理想化的转移图2 - - 2 理想化的转移周期 图2 2 表示如果r 2 随纤维长度q 线性变化，假定在一个转移周期内纤维的长度 为q ，则从中心开始的纤维的第一个循环的转移公式为： 8 第二二章纤维转移机理 当o q q 2 时，( 么) 2 2 而q “2 1 判z n 呲( 么) 2 - - 一学咯参z ) 2 2 2 圆柱状转移 如图2 3 ，不同位置的纤维的相对位置：根据捻度的大小绕纤维束中心转动，横 截面发生和捻度一致的角位移，纤维束中不发生纤维的内外层转移。 图2 3 圆柱状转移图2 4 扁平带加捻 2 2 3 扁平带加捻 纱线经常被想象为以纤维圆柱束的形式加捻，但 是，在实际加捻过程中，扁平带状形式加捻可能更常 见。如图2 4 所示，扁平带可以两种不同的方法加 捻：简单的加捻和圈捻两种形式。只要须条具有一定 的宽度和厚度，后一种加捻方式会易于发生”1 。 图2 5 为扁平带上各点捻入缠绕带前和捻入后 的关系。在扁平带的外表面的点加捻后仍处于中空圆 柱体的外表面，而在扁平带内表面的点，加捻后仍处 于中空圆柱体的内表面。假定以连续长丝为研究对象，图2 5 转移的位置关系 由于加捻，纱线外面的长丝将从带的一面环绕到另一面。将在纱中内外转移，由于中 心是中空的，所以它实际上将在纱表面和靠近纱轴线问转移。 假设一条宽为a 厚度为b 的扁平带加捻成包缠的形式。在加捻前后由直角坐标 鬻譬 j 圄园 i l d 第二章纤维转移机理 系( x ，y ，z ) 到极坐标系( r ，巾，) 的转变如下图2 6 所示。 图2 - - 7 ( b ) 表示以长丝为示踪纤维的一个转移周期。如果一个捻回的周期为a ， 根据长丝的路线的4 部分，它可以分成4 块相等的长度。一个周期内长丝的转 移路线可以定义为： ( a ) 当o z 4 时，经过一个较宽的平面 x = 嘭= c ( 常数) ( 2 3 ) y = 专= 眈一) ( z 埘 ( b ) 当 4 z 2 时，经过一个较窄的平面 x = 一= c ( 常数) ( 2 5 ) y = 眈： 卜销_ z 删 z = 一( 2 7 ) y ：( _ 叹f t 一掣“z 删 第二章纤维转移机理 ( d ) 当3 4 z 入时 x _ ，( 2 - 9 ) 4 ： ，一销“z 圳， 随后的捻回将重复同样的模式。 2 3 环锭纺“加捻细颈区”纤维转移机理分析 2 3 1 引言 在环锭纺纱机上，经摇架牵伸机构牵伸、并由前罗拉输出后，细纱须条进入加 捻区。由加捻系统产生的捻回沿须条轴向自下而上地传递，并到达前钳v i 处。在加 捻力矩的作用下，由前罗拉输出的须条截面形状由扁平状逐步转变为相对稳定的圆 形，在须条上产生了一个“加捻细颈区”，传统理论称 之为“加捻三角区”口“。众所周知，在该区内，纤维具 有较复杂的转移规律和不同的配列、取向趋势，它是 须条形成纱线前纤维最后一个较为活跃的阶段。经过 细颈区后，纱线的结构就处于一个相对稳定的状态。 传统的环锭纺纱工艺理论，一直沿用二维模型( 图2 - 8 ) ，即“加捻三角区”理论来描述三维立体的“加 捻细颈区”。而基于传统的“加捻三角区”二维模型理 论对纤维的配列取向和转移规律进行的描述和分析是 不充分的。图2 8 加捻三角区 通过建立三维模型对“加捻细颈区”的形态进行描述，对该区内纤维的流动取 向和排列规律进行详尽分析，进而揭示“加捻细颈区”内存在的特定纤维转移规律。 工艺实践证明，在三维立体的“加捻细颈区”理论指导下，通过对纤维的配列、取 向和转移规律进行有效控制，是进行多组份复合纺纱和生产高品质无毛羽光洁纱的 技术关键。 2 3 2 环锭纺纱“加捻细颈区”的三维模型 如图2 9 所示，须条经牵伸后，由前罗拉输出并进入细纱机加捻区。由锭子回 转而产生的捻回向前罗拉钳口处传递，使须条围绕加捻中心回转而产生角位移。以 扁平状截面分布的须条两侧的纤维由于加捻效应的作用，按螺旋线方式被折叠卷入 纱条。随着须条移动，在捻度的作用下，须条宽度逐渐变窄，其截面形状由扁平状 第二章纤维转移机理 逐步收紧而转变为圆型，形成了“加捻细颈化区”。为此，设须条被前钳口握持的平 面为平面i 。其宽度为瓯；经过细颈化区并形成稳定纱线结构处为平面，此时纱 线的直径为d 。平面i 与平面之间距离为h 。 为了对“加捻细颈区”内纤维配列、取向规律和转移机理进行描述和分析，建 立三维模型如图2 1 0 所示，从运动学角度出发，研究纤维的运动轨迹和配列取向 规律。假定进入细颈化区前，须条内纤维沿轴线具有相当一致的耿向性。进入加捻 细颈化区后，须条内位于不同位置的纤维会沿不同的螺旋线轨迹卷入纱条。考察加 捻细颈化区的两端平面i 与平面，在平面i 上须条表层纤维的各点用a 、b 、c 、d 、 e 、f 、g 、h 表示，由于捻回的传递作用，上述各点分别转移到平面i v 的a 、b 7 、c 、d 、 e 。、f 、g 。、h 。点。可以假定在须条内不同环形层面上各点的转移也符合上述规律。 围 图2 9 环锭纺图2 一1 0 细颈区模型 如图2 1 1 2 1 5 所示，沿纱轴取细颈区的截面i 、i i 、i i i 、来描述转移过 程中加捻细颈区横截面的变化，截面i 是前钳口握持的截面；截面纱线成型点处 的截面。点g 、h 、e 、f 的位置变化反映了截面间的角位移。图2 1 6 、图2 1 7 分 别为点g 、h 和e 、f 的转移轨线的投影图。 图2 1 1 加捻细颈区 】 l 薹1 e l 雹厂 l 矗 图2 1 2 截面i 第二章纤维转移机理 图2 一1 3 截面i i 。k 厂气始 圣 j、 y 1 1 图2 一1 5 截面 图2 1 4 截面i i i 麋爻 氢 _ 。 雒 鎏 移 图1 7 转移轨迹i i 图2 一1 6 转移轨迹ii i 图2 一1 8 综合转移图 综合以上分析。该区内纤维的转移图可以图2 1 8 表示。 第二章纤维转移机理 2 3 3 “加捻细颈区”形状尺寸的计算 传统的“加捻三角区”，实际上是“加捻细颈区”的二维化描述。在“加捻细颈 区”的模型中( 图2 一1 0 ) ，在纵截面g h h g 上，能反映出加捻三角区的某些几何特征。 设经牵仲后的短纤须条在前罗拉钳口处的宽度为砜， 成纱后纱的直径为d 。，细颈区的高度为h 在细颈区 纵截面g h h g 上，设母线hg 与加捻中心的夹角为b ， 如图2 1 9 所示。 帅= - a r c t g ( 等) ( 2 - 1 1 ) 式说明，“加捻细颈区”的圆锥角0 ， 在纱线支数一定的情况下，粗纱定重越大时，b 越 大。 图2 1 9 “加捻细颈区”的形状尺寸 设前罗拉输出速度为v 。钢丝圈回转的速度为n 。前罗拉输出的须条内的纤维 在轴向速度v ，和回转速度v 。的双重作用下向前运动， 其中，厂巧= z o l e = 蒯o n ，( 2 1 2 ) 设经时间t ，点h 由前罗拉输出后因捻回的作用转移到h ， 则r _ f = h l _ 。f ：旦些( 2 m ) 从而得出： h ：皂。( d o + a o ) ( 2 1 4 ) 旷2 。 在( 2 一1 4 ) 式中砜由粗纱定重和细纱牵伸倍数确定，d 。为纱线的直径，一旦纺纱 支数和捻系数确定，则凼为一确定值。即在一定的纺纱工艺条件下，隗和文都是确 定值。所以，细颈区的高度由前罗拉输出速度和细纱的加捻速度决定。单位时间的 捻回数大，则h 小：前罗拉输出速度越大，则t t 大。 第二章纤维转移机理 2 3 4 “加捻细颈区”内纤维取向、排列及运动规律 为讨论方便，我们定义位于须条内距加捻中心大于1 4 须条宽度区域的纤维为边 缘区纤维；位于距加捻中心小于i 4 须条宽度区域的纤维为中央区纤维。位于须条表 面附近的纤维称为外部层纤维，位于须条内部靠近加捻中心的纤维称为内部层纤维。 这样我们就可以把须条内的纤维分为四个部分，即边缘区的外部层纤维、边缘区的内 部层纤维、中央区的外部层纤维、中央区的外部层纤维。进入细颈化区前须条内纤维 沿轴线具有高度一致的取向性。如图2 8 所示，平面i 外部层各点的纤维运动到平面 上后，原来b c d 间的纤维转移到平面上的b 。c + d 间d a b 闻的纤维转移到d ab 。 问。即各点的纤维由平面i 转移到平面后。e f 间的距离大于e f 问的距离，h g 的距离小于h g 距离。如图2 2 0 说明中央区的外部层纤维有相互背离移动的趋势，边 缘区的外部层纤维有相向运动的趋势。在随同须条一起移动和转动的动坐标系下，须 条的“加捻细颈区”内会形成一个如图2 - - 2 1 所示的纤维运动流。由于此纤维流的存 在，导致加捻细颈区内不同纤维的相对位置关系会发生较大变化。即在加捻力矩的作 用下，“加捻细颈区”内细纱须条截面出扁平形转变为圆形时，位于须条边缘区域的外 层纤维会相互靠近位于须条中央区域的外层纤维会相互分离。如图2 - - 2 2 所示。图 中箭头的长短表示不同位置纤维转移速度的大小。同时捻效应导致须条表层纤维与内 层纤维的取向也是不同的。位于须条表层、离加捻中心较远的纤维则会沿着加捻螺旋 线方向取向，位于须条内层、靠近加捻中心的纤维束沿加捻中心取向。 g e 图2 - - 2 0 “加捻细颈区”投影图 图2 2 1 “加捻细颈区”纤维流动趋势 图2 - - 2 2 不同位置纤维的运动趋势i 第二章纤维转移机理 在图2 2 2 中，以g 点为起点，以顺时针方向为正方向，得到不同位置纤维的转移 速度图，如图2 2 3 所示。 v ( 速度) 弋弋 o 图2 2 3 不同位置纤维的运动趋势i i 纤维在转移过程中，转移速度是前罗拉输出速度、捻回作用产生的回转速度以 及纤维流速度的合成，以须条中心为原点，三者的速度可以如图2 - - 2 4 所示。 i 。v 吲l b q k v d 、 影。 n 孕妇 ； 诳鬈豁 v f 驰l 筑的速度 图2 2 4 速度合成 图2 - - 2 5 不同位置纤维的转移 2 3 5 捻度对“加捻细颈区”内不同位置纤维的牵伸作用 如图2 - - 2 5 所示，在截面i 中相距须条中心距离为r 的i 点的纤维经过“加捻 细颈区”后到达截面的i 点，该点距离细纱轴心为r ( 即加捻半径) 。在h 点的须 条边缘纤维经过该区后到达h 点。 则该纤维的加捻转移螺旋角y ( 螺旋线与轴线方向的夹角) 为： y ：甜咖f 掣1 ( 2 啪) 仃， 该式是关于螺旋角v 的函数。在加捻细颈区内，螺旋角是纤维离须条中心的距 离r 和加捻半径r 的函数。r 越大，r 越大，则y 越大。 相对于中心位置的纤维，由加捻所产生的纤维的长度变化为： 址：旦一h ( 2 - 1 6 ) c o s y 第二章纤维转移机理 上随y 的增大而增大。也就是说，捻度越大越l 越大；越位于须条边缘的纤 维，三越大，捻效应对边缘纤维的拉伸作用越大。比如对位于须条边缘h 点的纤 维r = ，r = ，则： 舻州培 警) ； 在加捻效应的作用下，其长度变化为 m a x 址= 峨= 旦一h ( 2 1 8 ) c o s y o 说明在细颈区内，加捻力矩对须条边缘纤维束和中央纤维束的拉伸作用是不同 的。假设纺纱张力足够大，足以克服细颈区内纤维因加捻而产生的回缩。则位于边 缘的纤维束在加捻力矩的作用下可能产生最大伸长为厶，而位子中央的内层纤维 几乎不产生伸长。加捻力矩对边缘纤维束的拉伸作用有两种补偿方式，即纤维的弹 性伸长和纤维间的滑移。由于边缘纤维间的滑移，纤维问相衔接的头端在转移时相 互脱离，脱离的头端会伸出形成毛羽。同时，由于捻效应导致的须条边缘纤维与中 心纤维之问的张力差异，还会造成内部、边缘纤维的转移。 2 3 6 结论 在环锭纺纱机上经牵伸后，由于加捻力矩的作用，由前罗