（纺织材料与纺织品设计专业论文）毛氨纶包芯纱在毛粗纺上的应用与成纱结构性能研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

摘要 毛氨纶包芯纱在毛粗纺上的应用与成纱结构性能研究 摘要 氨纶包芯纱的纺纱方法已经在棉、毛精纺设备上有了广泛的应用和深入的研 究，但是却未见在毛粗纺设备上应用的报道。在毛粗纺细纱机上纺制毛氨包芯 纱，可达到粗纺细化的效果，进一步提高粗纺纱支；可降低原料要求，缩短工艺， 降低成本，使之具有较高的性价比：粗纺包芯纱具有独特的风格特征，因此可以 丰富毛纱品种，使产品具有新颖性特征。本文从理论和实践两方面研究了毛粗纺 弹力产品的力学性能以及该类产品的开发应用，建立了一种用来精确预测毛氨 包芯纱机械性能的理论模型，丰富了纱线的力学性能研究( 长丝纱、短纤纱 ， 并可为织物的性能研究提供理论依据；进行毛粗纺弹力织物的开发和设计，丰富 了毛粗纺产品的种类，具有良好的经济效益；建立了粗纺弹力织物弹性伸长的经 验预测公式，有助于该类产品的生产实践安排；推导出表征粗纺弹力织物拉伸回 复性能的修正方程，提供了研究弹力产品的一种新方法。 在弹性包芯纱理论研究方面，本文以h e a r l e 的基础纱线力学分析理论为起 点，结合包芯纱的结构特点，应用纤维滑脱理论，提出了纤维利用系数这一概念， 并最终建立氨纶包芯纱力学性能的理论模型。通过理论研究，建立起纱线拉伸性 能与纤维参数、纱线参数、纱线结构之间的理论关系，探讨了纤维利用系数和纱 线捻度对包芯纱性能的影响规律，丰富了纱线力学性能的理论分析研究。经对比 分析，理论预测的拉伸曲线具有较好的准确性和实用性。在弹性伸长的经验预测 上，结合各道生产工序对弹性织物的影响，先推导出较精确的理论成品幅宽，进 而得出织物的弹性伸长。此外，本文还在王府梅的织物拉伸理论基础上，研究了 弹性织物拉伸回复性能的理论预测，得出弹性织物拉伸回复曲线的修正方程，建 立起弹性织物组织结构参数、经纬纱拉伸和压缩性能与织物拉伸性能之间的关 系。 在试验研究方面，本文设计并改装了毛粗纺细纱机，使之能够纺出质量合格 摘要 的包芯纱。运用单因子试验和正交试验讨论7 氨纶百分含量、纱线捻度、氨纶牵 伸倍数对弹性纱线性能的影响规律，得出各因子对纱线性能影响的显著程度和最 优加工工艺参数。研究了纱线捻度、氨纶牵伸倍数对弹性织物性能的影响，得出 最优的纱线工艺参数。 在应用研究方面，本文以试验研究工作为基础，总结了弹力织物开发的特点， 并成功开发了毛粗纺弹力织物，丰富了纺织面料种类，经试验验证，所开发织物 的拉伸弹牲和风格特征均毙满足弹性产品的要求，具有良好的实用性鞍推广性。 关锺茹磊氨纶，毛粗纺，弹力包芯纱，力学性能，弹性织物 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o no fw o o l s p a n d e x c o r e s p u ny a r no nw o o l e ns p i n n i n gs y s t e m a n dt h es t u d yo fs t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo ft h ey a r n a b s t r a c t t h es p a n d e xc o r e - s p i n n i n gm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p u e do nc o t t o na n d w o r s ts p i n n i n gs y s t e m ，h o w e v e rt h e r ei sn os u c hr e p o r to nw o o l e ns p i n n i n gs y s t e m w o o l s p a n d e xc o r e - s p u ny a r np r o d u c e do nw o o l e ns p i n n i n gf r a m em a y a c h i e v et h e f o ) i o w i n ga d v a n t a g e s ：主幻。ri 吼d b e l l e rq u a ) i t yy a mw i l ht h es l m er a wm a t e r i a l ； s h o r t e n i n gp r o c e s sa n dc u t t i n gt h ec o s t ；e n d o w i n gw i t hn o v e lc h a r a c t e ra n de n r i c h i n g t h ec a t e g o r yo fy a m bt h i sp a p e r , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw o o l e np r o d u c t sw e r e s t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yi nd e t a i l an e wt y p eo fa c c u r a t et h e o r e t i c a l m o d e lw a se s t a b l i s h e dt op r e d i c tt e n s i l ep r o p e r t i e so fw o o f s p a n d e xc o r e - s p u ny a m , w h i c he n r i c h e dt h et h e o r e t i c a ls t u d yo fm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fy a r na n dw a sh e l p f i l l i nt h e o r e t i c a la n a l y s i so ff a b r i cp r o p e r t i e s t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t0 fw o o l e n e l a s t i cf a b r i cp r o v i d e dr e f e r e n c ef o rm a s sp r o d u c t i o ni nm i l l ，w h i c hh a dp r o v e dt ob e e 0 3 n o m ca n da p p l i c a b l e p r a c t i c a le l a s t i ce l o n g a t i o no ff a b r i cw a sp r e d i c t e da n d t u r n e do u tt ob eg o o dt om a n u f a c t u r i n gi nm i l l c o r r e c t i o ne q u a t i o n sw e r ed e r i v e dt o d e s c r i b et e n s i l ea n dr e c o v e r yp r o p e r t i e so fs t r e t c hw o o l e nf a b r i c , w h i c hp r o v i d e da n e ww a yi na n a l y s i so fe l a s t i cp r o d u c t s t nt h e o r e t i c a la n a l y s i so dt e n s i t ep r o p e r t i e so fe l a s t i cc o r e - s p u ny a m ，an e w p a r a m e t e r , f i b e ru t i l i z a t i o nc o 弓f f i d e n t , w a sp r o v i d e db yc o m b i n i n g w i t hf i b e rs l i p p a g e t h e o r y t h e o r e t i c a lm o d e lw a ss e tu pb a s e do nc l a s s i c a lt h e o r yo fy a mm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h r o u g ht h es t u d y , t h e o r e t i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nc o r e s p u ny a mt e n s i l e p r o p e r t i e sa n df i b e rp a r a m e t e r s ，y a mp a r a m e t e r s ，y a ms t r u c t u r ew e r ee s t a b l i s h e d a l s ot h ei m p a c t so ff i b e ru t i l i z a t i o nc o e f f i c i e n ta n dy a mt w i s to ny a r np r o p e r t i e sw c r e a b s t r a c t d i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l y c o m p a r s o nw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e o r e t i c a l m o d e lw a sa c c u r a t ea n da p p l i c a b l e i nt h ep r a c t i c a lp r e d i c t i o no ff a b r i ce l a s t i c e l o n g a t i o n ，t h e o r e t i c a lf i n i s h e df a b l e w i d t hw a sd e r i v e d c o m b i n e dw i t ht h ee f f e c to f e a c hp r o c e s so nf a b r i cp r o p e r t i e s ，f a b r i ce l a s t i ce l o n g a t i o nw a so b t a i n e d f u r t h e r m o r e ， t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no nt e n s i l ea n dr e c o v e r yp r o p e r t yo fe l a s t i cf a b r i cw a ss t u d i e do n t h eb a s i so ff o r m e rf a b r i ct h e o r y c o r r e c t i o ne q u a t i o n sw e r ew o r k e do u tt oe s t a b l i s h t h er e l a t i o nb e t w e e nf a b r i ct e n s i l ep r o p e r t e sa n df a b r i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t e n s i l e a n dc o m p r e s s i o np r o p e r t i e so fw a r pa n de l a s t i cw e f t t ne x p e r i m e n t a lp a r t ，w o o l e ns p i n n i n gf r a m ew a sm o d i f i e dt oa d a p tt op r o d u c e g o o dq u a l i t ye l a s t i cc o r e s p u ny a m s i n g l ef a c t o ra n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u tt od i s c u s st h ei m p a c to fs p a n d e xp e r c e n t a g e ，y a r nt w i s tf a c t o r , s p a n d e x d r a w i n gr a t i o0 1 1y a mp r o p e r t i e s a sar e s u l t , s i g n i f i c a n c el e v e la n do p t i m a ly a m p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d b e s i d e s , t h ei m p a c t so fe l a s t i cy a mt w i s tf a c t o r , s p a n d e xd r a w i n gr a t i oo nf a b r i cp r o p e r t i e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d ，a n dt h eo p t i m a l y a r np a r a m e t e r sw e r co b t a i n e d i i lt h ea p p l i c a t i o n , b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，t h e c h a r a c t e r i s t i ci nd e v e l o p i n gs t r e t c hf a b r i cw a ss u m m a r i z e da n dw o o l e ns t r e t c hf a b r i c w a ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d , w h i c he n r i c h e d t h e c a t e g o r yo ft e x t i l ef a b r i c e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h en e wd e v e l o p e dw o o l e ns t r e t c hf a b r i cc o u l dm e e tt h e r e q u i r e m e n t so ne l a s t i c i t ya n dh a n d l i n g s ot h i sk i n do ff a b r i ci st e c h n i c a l l ym a t u r e a n dc a nb ep o p u l a r i z e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n p h d c a n d i d a t e ：d a n gm i n ( t e x t i l em a t e r i a la n dd e s i g no ft e x t i l e s ) s u p e r v i s e db y ：p r o f 。w a n gs h a n y u a n k e y w o r d s ：s p a n d e x ，w o o l e ns p i n n i n gs y s t e m ，e l a s t i cc o r e s p u ny a m , m e c h a n i c a l p r o p e r t y , s t r e t c hf a b r i c 符号表 基本符号涵义 纱线力学模型参数 a 口一2 5 d e ， j f f e e f | ji t f 阢 眩l ：! g h k t 1 1 6 之 ， j n t 懈 p 基本符号表 修正系数 氨纶牵伸倍数 毛纤维模量( c n t e x ) 氨纶纤维的拉伸模量( c n t c x ) 整根包芯纱的受力( c 纱线中纤维的真实受力( c 单元体f 内平行于纱线轴线方向上纤维的力托n ) 单元体i 内单根纤维受力( c n ) 单根纤维伸长，时的拉伸力( c 聊 包芯纱中外层短纤层应力，从氨纶半径p 蝴( c 1 田 相应长丝纱中外层应力，从氨纶半径r , - - o , r ( c n ) 氨纶纤维的张力( c n ) 垂直于纤维轴的侧向压应力( c n ( g c m ) ) 单位长度纤维质量( 1 0 m ) 修正系数，修正在纺纱中氨纶在前钳口和钢丝圈间回缩 纤维的滑脱长度( 啪) 毛纤维长度( c i n ) 单元体f 内所含纤维根数( 根) 氨纶纤维的特克斯数( t c x ) 单位纤维表面积上的横向压力( k c m 2 ) 符号表 一个转移周期的纤维长度( c m ) 纤维在纱线中的位置( c m ) 氨纶半径( c m ) 纱线被拉伸e y 后，氨纶的半径( e m ) 毛纤维半径( c m ) 纱线拉伸后的半径减小量( c m ) 氨纶拉伸后的半径减小量( c n l ) 包芯纱的纱线半径( 纱线被拉伸若，后，纱线的半径( e r a ) 纱线被拉伸，后，外层毛纤维层厚度( e r a ) 纱线被拉伸占y 后，将外部毛纤维层分成刀个单元体后， 每个单元体的厚度( 锄) 单位质量纤维表面积( m 2 g ) 纱线捻距( 锄) 纱线被拉伸f ，后，纱线的捻距( e r a ) 纱线捻系数( r 4 t g - 捻c m ) 包芯纱线密度( t e x ) 氨纶的线密度( t e x ) 纱线内纤维的拉伸比应力( c n ( g c m ) ) 纱线表面捻回角( 弧度) 纱线变形后，单元体i 内纤维的螺旋角( 弧度) 纤维的利用系数 纱线比容( m s g ) 毛纤维伸长( ) q r o 办 机 只 殿 u 蓦- s z r 弓 瓦 疋 x 口 芦 o 符号表 ， p | 盯 盯l 仃w o ， v f 织物风格参数 l t 、矿r r t b 2 h b g 2 h g 2 h g 5 l c w c r c m 砌 m m d s m d c o 、c h y 历j 包芯纱伸长( ) 毛纤维密度( g c m 3 ) 包芯纱比应力( c n t c x ) 氨纶泊松比 毛纤维泊松比 纱线轴向泊松比 纱线内纤维比容积( c m 3 g ) 毛纤维摩擦系数 拉伸曲线的线性度 拉伸比功( o n c m c m 2 ) 拉伸功回复率( ) 抗弯刚度( o n c m v c m ) 弯曲滞后量( c n c m c m ) 剪切刚度( c n i c m o ) ) 剪切滞后量( c n c m ) 剪切滞后量( c n c m ) 压缩曲线线性度 压缩比功( o n c m c m 2 ) 压缩功回复率( ) 平均摩擦系数 摩擦系数的平均差不匀率 表面粗糙度( 所) 回归常数 基本风格 求回归方程时所用试样组的第i 项性能指标的平均值 n l 符号表 x i x i 仃i 删 c o 、q 2 k t 膨nq i m i 2 ，a j 2 织物拉伸理论参数 如 2 蚝 曲( 一一岛) c 。，c 2 c l g 墨，疋 t 。，e ： f f i ，f ，2 j 氏 厶 面料的第f 项基本性能指标( 或其对数) 标准化处理后的第f 项性能指标 求回归方程时所用试样组的第f 项性能指标的标准差 综合风格 回归常数 对本类面料的综合风格有影响的主要风格的项数 第i 项基本风格 求回归方程时所使用试样组内第i 项基本风格的平均值 和标准差 求回归方程时所使用试样组内第f 项基本风格平方的平 均值和标准差 初始状态下纱轴线的最大屈曲波高( 锄) 初始状态下经纱与纬纱的交叉点上纱线的厚度( c m ) 经、纬纱的交织点上纱线的压缩变形( a 吣 初始状态下织物中经、纬纱的屈曲率( ) 拉伸曲线修正方程和回复曲线修正方程 回复曲线修正方程和回复曲线修正方程 织物经、纬向承受的拉伸力( 经、纬纱的交织点上两系统纱线相互挤压产生压力( c 单根经、纬纱承受的平均拉伸力( c 叼 单位结构织物中纱线根数，如平纹j - - 2 ，2 陀斜纹j = 4 初始状态下单位结构织物中纱线的长度( 伽) 织物变形时单位结构织物中纱线的长度( c m ) 符号表 初始状态下( 未变形) 织物中经、纬纱的密度( 根i c m ) 初始状态下单位结构的织物的长度( c m ) 织物经、纬向产生的伸长率( ) 初始状态下纱轴线与织物中立面的夹角( o ) 江 屯 m k 九 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：宅与叉 日期：6 - ) 年，月g 日 ， 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：费蚁 日期：。7 年1 月f 日 指导教师签名勺 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 第一节氨纶包芯纱研究现状概述 舒适、时尚已成为现代服装的特点，为此，科研人员投入大量精力进行新材 辩和新产品的开发，2 d 世纪3 0 年代，德国拜耳公司成功开发出了一种弹性极佳 的纤维，后来美国杜邦公司首先实现y - r 业化生产，称为l y c r a ( 莱卡) 。此后， 氪纶纤维不断应用于纺织的各个领域，人们也展开了围绕氨纶及其产品的研究工 作。 1 1 氯纶纤维性质简介 氨纶纤维是聚氨基甲酸酝纤维的篱称，是鑫重量不少于8 5 的聚氨基甲酸 酯链段的嵌段共聚物制成的合成纤维。我国商品名称叫氨纶，美国通称为 s p a n d e x ，而西欧的合纤生产商则乐于接受e l a s t a n ef i b e r 的缩写e l 。 1 1 1 氨纶纤维的生产方法与化学组成 氨纶纤维纺丝方法有四种，即干法纺丝、湿法纺丝、反应纺丝和熔体纺丝【1 1 。 其中目前干法纺丝应用最多约占整个弹性纤维生产的8 0 以上，杜邦公司 的l y m a 瘟也是采用干法纺丝。 氨纶的优异性能首先和它具有特殊化学组成和结构有关。氨纶的主要化学组 成是聚氨基甲酸酯，但均聚的聚氨基甲酸酯纤维不但性硬，也不具有良好的弹性。 氨纶的良好弹性首先是由于它是由所谓软链段和硬链段组成的嵌段共聚物组成 的网络结构所致，即具有“区段 网络结构。“区段刀结构通过二异氰酸酯分段 加聚而获得。由低分子二异氰酸酯与低分子二羟基化合物反应制得高熔点的易结 晶的“硬段，它也可能由异氰酸酯与链增长剂二胺化合物反应形成。软段 则 为长链二羟基化合物仗分子二醇) ，其分子量大部分为1 5 0 0 - 3 0 0 0 ，熔点在5 d 1 c 以下，链段长度为1 5 3 0 衄( 约为硬链段长度的1 0 倍) ，且具有很低的玻璃化 温度( 5 0 一7 0 c ) t 2 1 。根据分子链中软链段的聚酯型和聚醚型，聚氨酯纤维可以分 为聚酯类和聚醚类两大类，按交联方式分，氨纶有物理和化学交联两种，前者藉 硬链段的紧密敛集产生结晶，使大分子间发生横向连接：后者藉硬链段间发生一 东华大学博士学位论文 定的化学作用而使大分子间发生连接，形成网络状结构的嵌段共聚物。总体上说， 氨纶的硬链段短，软链段长。硬链段起结点作用，阻止受力时分子链产生滑移， 软链段间分子作用力小，易运动，链段往往弯曲不规则，是产生弹性的必要条件 专一【3 j ，一 o 1 1 2 氨纶纤维的特点 氨纶纤维开始是作为橡胶丝的替代物出现的，与橡胶丝相比，氨纶纤维细度 范围大，一般在2 2 , - - + 4 7 7 8 d t e x ，最细的氨纶可达1 1 d t e x ，而最细的挤出橡胶丝比 氨纶丝粗十几倍。比重一般在1 0 - 1 2 5 9 c m 3 ，比橡胶丝( 0 9 1 0e , c m 3 ) 略高。 氨纶是一种粘结复丝，是由多根单丝粘结而成，单丝之间不发生分离。由于这种 粘结复丝的单丝细度较细( 5 5 1 1 o d t e x ) ，并且单丝间有适当的间隔，所以手 感柔软，耐折挠性好，缝纫机针穿透时不易断裂。而挤出橡胶丝是直径较粗，所 以手感发硬，耐折挠性差【4 1 。 氨纶纤维强度高，是橡胶丝强度的3 5 倍，弹性模量较小，柔软性好：伸 长率和弹性回复率大；耐曲磨比橡胶丝好1 0 倍以上，耐平磨好1 0 0 倍以上，耐 折挠性和耐疲劳性比橡胶丝好得多；吸湿性较好，染色性好；耐光性比橡胶丝好 得多，耐热性也优于橡胶丝：具有热塑性，在氨纶及其织物的生产中可通过热定 形来调节伸长性能和织物的幅宽，而橡胶丝不能进行热定形；耐化学性能较好， 具有良好的耐油性，但次氯酸钠等漂白剂会使纤维变黄、强力下降1 5 1 。氨纶和橡 胶丝的强伸度对比曲线见图1 - 1 ，氨纶纤维的主要性能如表1 - 1 所示。 01 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0g , 0 0 誓度x 1 - - 7 8 d t e x 氨纶2 - - 3 1 1 d t e x 氨纶3 - - 9 3 3 d t c x 氨纶4 一天然橡胶丝5 一合成橡胶丝 图1 1 氨纶和橡胶丝的强伸度曲线 2 第一章绪论 表1 - 1 氨纶纤维的主要性能【6 】 性能 聚醚型( 莱卡)聚酯型( 维林) 断裂强度( c n d t e x ) 延伸度( ) 回弹率( ) 弹性模量( c n d t e x ) 比重( g c 面 回潮率( ) 耐热性 耐酸碱性 耐溶剂性 耐气候性 耐磨性 0 6 1 8 0 7 9 40 4 8 5 0 5 7 4 4 8 0 - 5 5 06 5 0 - 7 0 0 9 5 ( 伸长5 0 0 )9 8 ( f 申长6 0 0 ) 0 n 一 1 2 1 1 2 0 1 3o 3 1 5 0 发黄，1 7 5 1 2 发粘1 5 0 热塑性增强，1 9 0 c 强力下降 耐酸，在稀盐酸和硫酸中发黄 耐冷稀酸，不耐热碱液 良好良好 长时问照日光后强度会下降长时间照日光强力会有下降并变色 良好良好 1 1 3 氨纶纤维的用途 氨纶的应用领域很广，氨纶裸丝主要是用于紧身衣、运动衣、护腿袜、外科 用绷带和袜口、袖口，以及钟表、仪表行业的小型或轻型传送带。氨纶实际上多 以氨纶为纱芯，外包棉、毛、涤棉、腈纶、涤纶等纤维，制成各种包芯纱、包覆 纱、合捻线，再织造成弹性织物 7 1 。也有用氨纶裸丝和其它纤维合并加捻而成的 加捻丝，主要用于各种经编、纬编织物、机织物和弹性布等。 表1 2 氨纶弹力织物的用途和延伸率【8 】 3 东华大学博士学位论文 氨纶织物主要用于制造各种运动衣、游泳衣等体育运动服：还有宇航服、飞 行服、工作服等各种专用服装的束带紧身部分；紧身衣、健美服、内衣、束腰带、 高弹袜、手套、裙子等女性用品；弹力灯心绒、弹力劳动布、弹力毛华达呢和毛 花呢服装用料；家具、汽车座椅外裹装饰面料织物：医药方面作外科弹性绷带、 皮管等。氨纶弹力织物的用途和延伸率如表l - 2 所示。 1 1 4 氨纶纤维的生产与发展 截至2 0 0 4 年，氨纶纤维亚洲总产能为1 9 6 3 万吨，占全球总产量的7 0 5 ； 北美洲4 5 4 万吨，占1 6 3 1 ：欧洲的总产能为2 9 5 万吨，占1 0 6 。而世界氨 纶生产主要集中在韩国、中国大陆、美国、日本和中国台湾，以上国家和地区合 计产能已占世界总产能的8 0 5 1 ，其中位居前三位的分别是韩国2 7 5 5 、中国 大陆2 2 9 2 和美国1 4 3 6 。从氨纶生产公司看，产能最大的是杜邦公司，其生 产的l y c r a ，占世界产能的2 3 9 5 ，其生产企业分布于美国、新加坡、中国大 陆、韩国、日本等国家；其次是韩国晓星公司，其主要的生产品牌为t o p l o n 和 c r e o r a ，产能为3 9 5 万吨，占1 4 4 9 ，生产企业分布在韩国和中国大陆；再次 是韩国的泰光公司和东国公司，分别占到7 7 6 和6 5 0 t g j 。 目前，国际氨纶产能已经迅速向中国大陆转移，在世界化纤格局进行巨大结 构性调整的大背景下，特别是国际上大的氨纶公司快速向中国大陆转移，以期充 分利用中国大陆廉价的资源，占领更多的市场份额。外资的进入，会给国内氨纶 市场带来较大的竞争压力，但客观上也将促进行业的技术进步和产业升级【姗。 1 2 氨纶包芯纱纺纱方法与工艺概述 1 2 1 氨纶弹力纱线简介 廑 o 圜 隧 1 3 8 霞圜函 i。圜 2 经编纬编包芯纱包覆纱其他 图1 - 2 氨纶在纺织中的应用比例 4 骗嘿鼹嘴溉帆鼹嘶巩咙 5 4 4 3 3 2 2 1 1 第一章绪论 目前应用最为广泛的氨纶弹力纱线有三种形式：包芯纱、包覆纱和合捻线【l l 】。 三种弹力纱线都是氨纶纤维的深加工产品，其不同的加工原理是形成不同纱线风 格的基础，不同的纱线风格丰富了氨纶的应用领域。氨纶在纺织中的应用比例如 图1 2 所示【1 2 1 。 氨纶包芯纱是以氨纶纤维为纱芯，外包一种或几种非弹力短纤维纺成的纱 线。氨纶包芯纱可获得良好的手感与外观，以天然纤维为外包纤维的纱线吸湿性 好，并可根据产品的用途选择不同的弹性值。氨纶包芯纱与其它弹力纱线相比有 一个显著的特点是纱线在紧张拉伸状态下芯丝不外露，因此染色效果好，宜做包 括深色在内的各种颜色的产品，但其强力较低，一般单纱强力只相当于同规格外 包纤维单独成纱的8 0 9 0 。 氨纶包覆纱是以氨纶纤维为芯，无弹性的长丝或短纤维纱线按螺旋形的方式 对伸长状态的氨纶纤维予以包覆而形成的弹力纱。氨纶包覆纱是在具有空心锭子 的专用设备上加工的。包覆纱与其它弹力纱线的最明显区剐之一是芯丝无捻度。 包覆纱中氨纶纤维与外包层之间的芯鞘关系明显，芯丝与外包层之间的抱合程度 明显低于包芯纱和合捻线，因此其弹性高于前两者。包覆纱在张紧状态下有露芯 现象，因此不宜做深色产品。包覆纱的手感较包芯纱硬，其强力是外包层长丝或 纱线的强力，因此比同规格包芯纱的强力高。包覆纱为松弛卷绕，卷取率根据用 途的不同一般范围是6 0 9 5 这一点有别于包芯纱和合捻线，对织造工艺 参数的影响较大。 氨纶合捻线又称合股线，是将氨纶边拉伸边和其它无弹性的两根纱并合加捻 而成，一般在加装了特殊喂纱装置的环锭捻线机上生产。氨纶纤维能与各种纱线 或长丝配合生产弹力合捻线，并适合小批量多品种生产，甚至一台捻线机可同时 加工几个品种类型。在张紧状态下，氨纶丝与其它纱之间是互相捻绕的关系，因 此纱线在张紧状态下氨纶纤维外露，染色时易造成色花色差，因此不宜做深色产 品。氨纶合捻线的强力就是与氨纶丝配合的非弹力纱线的强力，因此较同规格氨 纶包芯纱的强力高。氨纶合捻线中氨纶纤维与其它非弹力纱线之间的抱合程度高 于氨纶包芯纱中氨纶纤维与外包纤维之间的抱合程度，体现为氨纶纤维的回缩程 度高于包芯纱，因此合捻线的弹性高于包芯纱【1 3 】。 5 东华大学博士学位论文 1 2 2 氨纶包芯纱的加工方法与原理 氨纶包芯纱可采用环锭纺、转杯纺、涡流纺、静电纺等方法纺制1 1 4 j ，使用最 广泛的是环锭纺【1 5 】1 1 6 1 ，其纺纱原理如图1 3 所示。环锭细纱机除原有的短纤维 粗纱牵伸机构外，再加装一套氨纶丝喂入机构和预牵伸机构，采用积极方式控制 牵伸量。短纤维须条和氨纶纤维分别经过牵伸后，同时从细纱机的前钳口喂入并 合，经过导纱钩、钢领、钢丝圈的加捻卷绕作用形成氨纶包芯纱，最后经过汽蒸 定捻和络筒。因此，氨纶包芯纱的工艺流程可概括为： 1 氨纶丝积极喂入罗拉2 氨纶丝平行筒子3 氨纶丝4 氨纶丝预牵伸罗拉 5 导丝辊6 粗纱7 后罗拉8 中罗拉9 翦罗拉1 0 导纱钩1 1 锭子 图1 3 环锭细纱机纺弹力包芯纱示意图 1 氨纶丝2 张力装置3 导丝器4 转杯中空轴5 短纤维输送通道6 转杯 7 凝聚橹8 引纱管9 氨纶包芯纱1 0 引纱罗拉 图1 _ 4 转杯纺纱机纺弹力包芯纱示意图 6 第一章绪论 转杯纺【1 7 】纺制氨纶包芯纱的纺纱原理如图1 4 所示，将转杯轴中心开孔，氨 纶丝经由转杯轴中孔进入转杯，通过调整氨纶纤维的张力来生产包芯纱。 在细纱机上加装适当装置后可纺制赛络纺【1 8 】( s i r o s p u n ) 弹性包芯纱。这种 纱除了具有赛络纺纱和氨纶包芯纱的优点之外，还可避免包芯纱生产过程中由于 工艺缺陷或设备状态不良等造成的露芯、空鞘等包芯纱的特有纱疵，所纺制的纱 线芯丝包覆效果好，毛羽少，外表光滑，耐磨性能好，成纱质量高，是一种很有 发展前景的产品l 坳，其纺纱过程如图1 5 所示。 图1 - 5 赛络纺弹性包芯纱纺纱过程示意图 纺制赛络纺包芯纱时例，氨纶长丝在芯丝退绕装置控制下，通过与前罗拉的 速度差给予芯丝一定的预牵伸倍数，通过导丝轮从前罗拉喂入。赛络纺两根粗纱 通过一定隔距的粗纱喂入器从后罗拉喂入，经一定倍数的牵伸后在前罗拉出口处 与氨纶芯丝捻合，从而形成具有一定弹性的赛络纺氨纶包芯纱。在此过程中，前 罗拉出口处氨纶芯丝与两根经牵伸过的粗纱捻合时要控制好芯丝位置，使其位于 纱芯正中，不致产生露芯和空鞘等包芯纱纱疵，赛络纺包芯纱的加捻区示意图如 图1 - 6 所示。 7 东华大学博士学位论文 图1 - 6s i r o s p u n 纺包芯纱的加捻区 氨纶包芯纱的弹性【2 1 2 3 】主要取决于氨纶纤维的细度、预牵伸倍数和氨纶的百 分含量。氨纶纤维越粗其弹性越大。氨纶纤维的预牵伸至关重要，它不仅直接影 响弹性，还影响成本。氨纶纤维预牵伸倍数过低时不能充分发挥氨纶的潜在弹性， 造成氨纶含量高，成纱强力低，成本增加。而氨纶纤维预牵伸倍数过高时，则容 易引起断头，使纺纱困难。氨纶纤维的预牵伸倍数一般控制在3 5 倍内。不同规 格的氨纶纤维预牵伸倍数不同，4 4 d t e x 的氨纶纤维预牵伸倍数一般为3 - 4 倍； 7 8 d t e x 的氨纶纤维一般为3 5 4 5 倍；1 5 5 d t e x 的一般为4 5 倍。 氨纶纤维含量高，则纱的弹性大。但由于氨纶纤维比较昂贵，并且氨纶纤维 含量高会影响成纱强力，所以在保证弹力及织物性能的情况下，必须严格控制其 含量以降低成本并保证成纱强力。根据纱线规格和用途，氨纶纤维含量一般控制 在3 1 5 范围内较好，普通氨纶弹力包芯纱中氨纶纤维含量一般不超过1 0 。 1 3 短纤纱与包芯纱拉伸理论研究概述 1 3 1 短纤纱拉伸理论研究概述 纱线结构力学是研究纤维性能、纱线结构与纱线力学性质间的理论关系的基 础，它对设计和生产高模量、高强度纱线、纺织品以及纺纱生产中纤维、原料的 选择等具有指导意义。因此，人们对纱线结构力学的研究从未停止过。这项研究 最早是从平行纤维束的力学性质研究开始，之后又进行了低捻度纱线、长丝纱和 短纤纱的力学性质研究。从研究方法上来看，大致可分为力学分析法和能量分析 法。 在拉伸曲线近似服从虎克定律的纤维束拉伸条件下，依据p e i r c e 理论【2 4 】可写 出束纤维的拉伸负荷公式，而n a c h o n e 和k r i s l m ai y e r l 2 5 】则在考虑断裂伸长及其 概率分布函数的基础上，还考虑了断裂负荷及其概率分布的影响，得到比直接运 8 第一章绪论 熙p c i r c c 理论更精确的预测值。从束纤维拉伟蕊线可以预溅单纤维的平均颤裂强 力，断裂伸长率及其变异系数，这部分研究已在8 0 年代得到完善【掘捌。 在短纤纱实际拉伸过程中，存在着纤维间的握持与滑移作用，这一关系一直 得到人们的关注，却没办法得到真正的解决。难点在于无法知道纱线内有多少纤 维发生了滑移，是从纤维的哪个部分开始发生滑移以及处于纱线什么半径位置的 纤维发生滑移。另外，发生滑移后，与周围纤维发生摩擦作用，而摩擦力的大小 也无从得知。这是由摩擦力的计算公式决定的。最早，人们采用a m o n t o n s 定律 计算摩擦力，即f u n ，但很快人们就发现这一公式不适应于纤维材料间摩擦 的表征。针对这一情况，曾有各种经验方程来描述其相互关系，典型的有： f = + 岱 ( 1 - 1 ) 导一a b i g n ( 1 2 ) fea n + b n ( 1 3 ) 其中，f 为摩擦力，为正压力，s 为接触面积，u o ，口，a ，b ，a ，6 ， c 均为常数。最终式1 3 发展成为被大多数人所接受的形式，如式1 - 4 所示。 f a n 8 ( 1 4 ) 其中参数a ，力值由l i n c o l n l m l 、h o w e u 和m a z u r l 3 0 1 应用于纤维材料而得出。 接下来，为了计算摩擦力值，需得出纤维间的法向压力值，而这一值最早由 h e a r l e 在长丝纱理论【3 1 】中推导得出，之后应用于短纤纱的理论1 3 2 】分析中。值得 注意的是，长丝纱法向压力推导的假设条件是长丝纤维拉伸后只发生伸长，而不 存在短纤维纱线中纤维的握持与滑移。另外，h e a r l e 长丝纱的几何结构模型也完 全不同于短纤纱的几何结构模型，因此，直接以长丝纱理论中的法向压应力作为 计算摩擦力中的法向压力是不合适的。那么，是否还有其他人得出过纤维压力的 推导吗? 是的，潘宁曾经在没有纤维间滑脱作用的高捻度短纤纱【3 3 】中得出纤维问 的压力值，而后又将此值应用到考虑滑脱作用的短纤纱理论【3 4 1 中。显然，这与 h e a r l e 的情形相似，均无法得出短纤纱中纤维间压力的真实值。 为了避开短纤纱中握持与滑移的作用关系，人们尝试了各种方法。g r o s b c r g 在无捻须条强力【3 5 】的基础上，计算出低捻度须条的强力计算公式【3 6 1 ，并验证了 9 东华大学博士学位论文 公式的正确性。潘宁【3 3 】则从高捻度纱着手，回避了纱线内纤维的滑脱，即纱线具 有很高的捻度，使其在拉伸过程中，可以忽略滑移作用的影响。另外一个回避滑 移的有效方法就是能量法【3 7 3 9 “列。按照能量守恒定律，外力对系统所作功等于 系统中各纤维单元所产生的变形能之和。由于能量是标量，其运算为代数相加， 避免了应力分析矢量相加的麻烦。但能量分析法的缺点是它只能得到纱线最终的 比应力或比模量，无法获得应力分析法中纱线不同位置处纤维的张应力分布和纤 维间的压应力分布情况。 h e a f l e 也曾试图以力学分析的方法求解纱线单元体片段的受力。他考虑了单 元体内纤维间所有可能的摩擦力作用情况，臣口纤维可能发生滑移或握持时的受 力，然后将这些力积分求解，但是，一方面这种分析方法受到质疑，另一方面在 当时条件下无法求解出积分的数值解。因此，这种方法并没有得到继续的研究和 拓展。 在无法精确表征滑移效果的情况下，人们选择了近似计算。h e a r l e 3 2 j 在短纤 纱机械性能的近似计算中，引用了一减小系数声，作为短纤纱同长丝纱相比的应 力减小倍数。产生应力减小的原因，是由于短纤纱中纤维的不连续，产生滑移效 果。潘宁【3 3 3 4 】在对短纤纱受力研究中，指出对于所有纤维，在纤维中点处附近， 纤维始终受握持，从纤维末端逐渐积累起摩擦力。即在纤维末端，纤维间粘滞力 不足以大到握持住纤维，所以所有纤维在末端处都会发生部分滑移，而在中心处， 粘滞力经积累，大到可以握持住纤维。进而引入滑移比九，滑移部分的纤维长度 r r 为等a ，其中工，为纤维长度，受握持部分的纤维长度为了- i ( 1 一a ) ，则整根纤维 ll 受力为两部分受力之和。虽然这一观点清晰、合理地解释了滑脱理论，但同h e a r l e 提出的减小系数卢类似，滑移比九提供的是适用于整根纱线的整体概念，即对于 纱线内任意半径层内的任意一根纤维都存在同样的滑移比，忽略了纤维在纱线中 所处位置的影响因素。 从宏观上说，影响纱线力学性质的因素有纱线捻度和纱线结构。捻度使倾斜 一定角度的纤维集合成束，使其产生侧向压力，在拉伸时表现为摩擦力。捻度不 同，纤维侧向压力不同，导致摩擦力不同，从而决定纤维是受握持还是发生滑脱。 而在同一捻度的纱线内部，不同纱线半径位置处的纤维压力亦不同，表层最小， 1 0 第一章绪论 芯层最大，这就使问题更加复杂。潘宁1 3 3 1 介绍了一临界捻度k ，只要纱线捻度 小于k ，则纱线中的纤维将全部发生滑移，而决定k 的是纤维纵横比和纤维间 的摩擦系数。从纱线结构上看，传统环锭纺短纤纱的结构模型多采用的是理想螺 旋模型，当然，纱线不同半径处的螺旋半径是不一样的且纤维存在内外转移。 不同的纺纱方法会产生不同的纱线结构，c y b u l s k a 【加】讨论了环锭、自由端、喷气 纺和涡流纺纱的拉伸行为，建立了基于纤维分布、截面内纤维根数等因子的纱线 拉伸模型。k r a u s e 4 1 】对包覆纱、j c d d i 【4 2 1