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转杯纺长丝短纤复合纱纺纱工艺与纱线性能研究 摘要 二十世纪的最后1 0 年间，混纺及复合纺纱技术得到了很大的发 展，主要应用环锭纺纱、s i r o 纺纱、s i r o f i l 纺纱等技术。转杯纺纱技 术经过三十多年的发展，已经成为薪型纺纱中发展最为迅速的纺纱方 法，而将转杯纺纱技术应用到复合纺纱中的研究在国内还正处在起步 阶段。 由于现有的转杯纺纱机不能满足生产长丝短纤复合纱的要求， 本文首先在原有转杯纺纱机的基础上进行改造，使其能够达到最终生 产复合纱的目的，同时在改造的过程中，不仅要能在实验室成功实施， 还要考虑在大生产环境下也能进行改造，使之生产出符合要求的长丝 短纤转杯复合纱。针对传统转杯纺纱机的改造，主要是加装了长丝 喂入装置，并使用了有一轴向通孔的转杯空心锭子和与转杯联接的导 丝管。 第二，研究了转杯纺长丝短纤复合纱工艺中捻系数、长丝的牵 伸倍数等工艺参数对复合纺纱工艺过程及成纱质量的单一因素影响。 通过对比在同等条件下生产出来的常规转杯纱和长丝短纤复合纱的 纱线性能，发现：复合纱线的强力及伸长均有所提高，纱线条干得到 改善，细疵点虽然没有显著减少，但是粗疵点如粗节、棉节则明显减 少。研究表明，随着捻系数的增加，棉氨纶弹力复合纱线的断裂强 力在一定的范围内有所增加，但是达到一个极大值后，强力反而下降： 复合纱线的断裂伸长在捻系数很小时很低，但是随着捻系数的增加， 在一定的范围内有所上升，断裂伸长随捻系数的增大而增大。随着长 丝牵伸倍数的增大，复合纱线断裂强力也逐渐提高；对复合纱线的断 裂伸长影响则比较复杂，随着牵伸倍数的变化，其断裂伸长存在两个 峰值，其峰值随不同纱线号数发生变化，l o s 复合纱分别位于2 5 3 5 及3 5 4 之间，1 6 s 复合纱则是位于2 5 3 及3 5 4 之间。但是捻 系数和长丝牵伸倍数的变化对纱线其它指标如粗节、细节、棉节等， 作用规律则不是很明显。 第三，在单一因素的研究基础之上，本文以均匀设计理论为基础 进行实验设计，研究了捻系数及长丝的牵伸倍数对转杯纺复合纱各种 性能的综合影响，对工艺进行了优化。与常用的正交设计相比，均匀 设计只考虑试验点在试验范围内充分“均匀散布”而不考虑“整齐可 比”，因此它的试验布点的均匀性会比正交设计试验点的均匀性更 好，使试验点具有更好的代表性。研究表明，捻系数及长丝牵伸倍数 的综合变化，对转杯纺长丝短纤复合纱纱线的断裂强力、强力变异 系数、断裂伸长、c v 值、平均毛羽值等性能均有不同影响，相应 的回归方程在显著水平q = o 1 下均显著。复合纱的断裂强力与捻系 数呈二次关系，而与长丝牵伸倍数呈线性正比关系，捻系数在自变量 范围内存在断裂强力的极大值点，断裂强力随牵伸倍数增大而增加； 纱线断裂伸长与捻系数也存在二次关系，但其影响较小，捻系数和牵 伸倍数对断裂伸长的影响则由于有交互项存在而变得复杂。综合考虑 最优化分析结果和单因素实验结果得到本实验条件下的最优工艺因 素配置范围：捻系数4 6 0 4 8 0 之间；长丝牵伸倍数3 。5 4 5 之间。 最后，参考前人的研究成果，在实验基础上对转杯纺长丝短纤 复合纱的成纱机理进行了初步探讨。通过对复合纱线纵向结构图及图 中长丝、短纤的几何位置的观察和分析认为：长丝短纤复合纱的结 构取决于长丝张力和短纤纱张力之间的差异，其差异控制着两种组分 在复合纱中几何位置和路径长度。对比常规转杯纱的加捻过程，进而 可以分析认为转杯纺复合纱的加捻成纱分成两个部分：一个是短纤纱 的加捻成纱；另外一个则是复合纱的加捻成纱。短纤纱的加捻同常规 转杯纺纱一样，在凝聚槽上凝聚形成的须条随纺纱杯回转而加上一定 的捻度，形成短纤纱。复合纱的加捻成纱则是短纤纱与长丝在转杯内 复合加捻成纱，而不是由短纤维和长丝直接形成。 关键词：转杯纺纱，复合纱，纱线性能，纱线结构，成纱机理 s t u d y o nt h et e c h n o l o g ya n d p r o p e r t i e so f t h e r o t o r s p u nc o m p o s i t e y a r n a b s t r a c t i nt h el a s tt e ny e a r so ft h e2 0 t hc e n t u r y , t h et e c h n o l o g yo fb l e n d i n g s p i n n i n ga n dc o m p o s i t es p i n n i n g h a db e e nm a d eag r e a tp r o g r e s s ，m a i n l y u s i n gt h em e t h o d so fr i n gs p i n n i n g ，s i r o s p u na n ds i r o f i ls p i n n i n g t h e r o t o rs p i n n i n gh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tq u i c k l yd e v e l o p e ds p i n n i n g m e t h o d st h r o u g h3 0y e a r s d e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yo f r o t o rs p u n c o m p o s i t ey a r nb e g a n i no u r c o u n t r y f i r s t ，t h ec o n v e n t i o n a lr o t o r - s p i n n i n gm a c h i n ei sm o d i f i e db yu s i n g ar o t o rw i t hah o l l o ws h a f ta n daf i l a m e n tg u i d et u b ea n db ya d d i n ga f i l a m e n tt a k e o f rd e v i c ei no r d e rt o p r o d u c e a f i l a m e n t s t a p l e f i b e r c o m p o s i t ey a m i ti se x p e c t e d t h a tt h em o d i f i c a t i o nb ef e a s i b l en o to n l y i nl a b o r a t o r yb u ta l s oi nb a t c hm a n u f a c t u r e s e c o n d l y , t h ee f f e c t so f t h et w i s tm u l t i p l i e ra n dt h ed r a wr a t i oo ft h e f i l a m e n to nt h ey a m p r o p e r t i e sa r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y c o m p a r i n g w i t h t h ey a m p r o d u c e db y ac o n v e n t i o n a lm e t h o d ，i ti sf o u n dt h a tt h et e n a c i t y a n dt h eb r e a k i n ge l o n g a t i o no ft h ec o m p o s i t ey a m a r eh i g h e ra n dt h ec v v a l u eb e c o m e sl o w e r t h ef i n a l e x p e r i m e n t d a t ai n d i c a t et h a tt h e i n d e p e n d e n tc h a n g e o ft w i s tm u l t i p l i e ra n dt h ed r a wr a t i oo ft h ef i l a m e n t a f f e c t st h e p r o p e r t i e s o fr o t o r - s p i n n i n g c o m p o s i t ey a r n ，s u c h a st h e t e n a c i t y , b m a k i n ge l o n g a t i o n ，c v v a l u ea n d h a i r y i n d e x t h i r d l y , t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s f o r p r o d u c i n g t h er o t o r s p u n c o m p o s i t ey a m a r eo p t i m i z e db yu s i n gt h eu n i f o r md e s i g nt h e o r y t h e o p t i m u m t e c h n i c a lp a r a m e t e r so r e4 6 0 4 8 0f o rt h et w i s tm u k i p l i e ra n d 3 5 。4 5f o rt h ed r a wr a t i oo f t h ef i l a m e n t f i n a l l y ，t h e m e c h a n i s mo fr o t o r s p i n n i n g f o r p r o d u c i n g t h e c o m p o s i t ey a m i s i n v e s t i g a t e dp r i m a r i l y b ya n a l y z i n gt h el o n g i t u d i n a l s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t ey a r na n dt h el o c a t i o no ft h ef i l a m e n ta n dt h e s t a p l ey a r n i ni t i ti s t h o u g h tt h a tt h ey a r ns l r u c t u r ed e p e n d so nt h e d i s c r e p a n c yb e t w e e n t h ef i l a m e n tt e n s i o na n dt h es t a p l ey a mt e n s i o na n d t h e d i s c r e p a n c yc o n t r o l s t h e l o c a t i o na n dt h e p a t hl e n g t h o ft h et w o c o m p o n e n t si n t h e c o m p o s i t ey a m c o m p a r i n gw i mt h e c o n v e n t i o n a l r o t o rs p u ny a m ，t h ec o m p o s i t ey a r ni sn o td i r e c t l ym a d ef r o mt h es t a p l e f i b e r sa n dt h ef i l a m e n t y a r n ，b u tr a t h e rp r o d u c e db yc o m b i n i n g t h es t a p l e y a m a n dt h ef i l a m e n ty a r n i nr o t o rc o m p o s i t ey a r ns p i n n i n g ，t h e r ea r e t w o y a m f o r m a t i o n p o i n t sf o rt h es t a p l ey a m a n dt h ec o m p o s i t e y a m t h e f o r m a t i o np o i n to ft h es t a p l ey a mi sn o ts t a t i o n a r ya n dm o v e sa r o u n d i n s i d et h er o t o r d u r i n gy a mp r o d u c t i o n y a n gp i n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yw a n g x i n h o u k e y w o r d s ：r o t o r s p i n n i n g ，c o m p o s i t ey a m ，y a r ns t r u c t u r e ， y a r n p r o p e r t i e s ，s p i n n i n g m e c h a n i s m 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：衣勿孑 日期：瞬d ) 月日 附件： 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 咀将本学位论文的垒部或部分内容编八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d ： 学位论文作者签名；书勿辱 日期；加面年叫月f 箝 指导教师签名：j ，4 孑痧 日期： n ，年，月f ，日 1 1 转杯纺纱概述 第一章概述 1 1 1 转杯纺纱的发展过程 转杯纺纱( r o a rs p i n n i n g ) 国内也称气流纺纱，是自由端纺纱方法之一， 也是目前各种新型纺纱中较为成熟、并已大量推广应用的一种纺纱新技术。 转杯纺纱最早由丹麦人伯塞耳森( b e r t h e l s o n ) 于1 9 3 7 年提出专利，后来经 过捷克斯洛伐克和法国等有关研究者的不断改进，直至1 9 6 5 年才由捷克斯洛伐 克v u b 棉纺织研究所与柯伏斯塔夫合作，研制成功了一台k s - - 2 0 0 型气流纺纱 机样机，以后又经过研究改造，制成了比较完善的b d - - 2 0 0 型气流纺纱机，该 机在1 9 6 7 年瑞士巴塞尔第五界国际纺织机械展览会上展出，引起人们的普遍重 视【1 】o 日本丰田公司大约在1 9 5 8 年开始从事这方面的研究工作，并于1 9 6 7 年与捷 克斯洛伐克签订了购买专利和图纸的技术协定，仿制了3 9 台。经过改进，丰田 公司从1 9 6 9 年开始，开始了b s 型转杯纺纱机的生产，随着转杯纺纱机的不断 发展，丰田公司在b s 型机的基础上进一步发展、研制成h s 系列转杯纺纱机【2 】。 1 9 6 5 年，英国拨拉脱、瑞士立达、西德因果耳斯塔特三家公司合作研究气 流纺纱机，在1 9 7 1 年法国巴黎展览会上展出了他们各自的气流纺纱机。此外， 还有法国的s a c m 气流纺纱机，西德的苏逊、青泽、克虏伯气流纺纱机，美国 的巴伯考尔曼气流纺纱机，比利时的乌盖气流纺纱机，波兰的波尔马特克斯气流 纺纱机和意大利的马佐里气流纺纱机以及瑞士立达制造的气流纺纱机等。 目前国内转杯纺纱机的发展主要有三种：一种是上海有关单位协作，自己研 制、设计和制造，现已批量投产的s q l a 型机：另一种是以山西经纬纺机厂为主 机厂，与捷克斯洛伐克e l i l e x 公司技贸结合，采用b d 2 0 0 s n 型机的纺纱器( c e i i 型) 和国产机架、传动部件装配成f a 6 0 1 a 型转杯纺纱机：第三种是由陕西远 东机械制造公司制造的q f - l 型机【”。 1 1 2 转杯纺纱的发展现状 转杯纺纱技术经过三十多年的发展，现在全球转杯纺纱线产量占纱线总产量 的比例按长度计达2 5 ，按重量计达4 0 以上。表1 1 为国际纤维制品制造业 黼( t t m f ) 2 0 0 0 、年鲍篓让结果。 表1 1 环锭纺锭数与转杯纺头数的百分比例 由表1 1 可知，全世界鹫鳓谗务已接近! 螋夏叁! 为环锭纺锭数的4 7 8 ， 我国转杯纺设备已超过8 5 万头，拥有量占国内环锭纺纱设备的比例为2 4 3 一 2 8 3 ，不仅无法与发达国家相比，而且也低于世界的平均水平，这说明转杯纺 在我国还有较大的发展空间。到2 0 1 0 年前后，我国的转杯纺设备有望达到 1 2 0 - - 4 5 0 万头【3 】。 1 1 3 转杯纺纱的发展趋势 转杯纺设备的发展除了尽可能提高转杯转速外，同时还要提高转杯纺纱机的 自动化程度，自动接头或半自动接头、自动落筒、自动清洁、自动控制卷绕张力、 自动检测成纱质量装置和工艺参数自动显示系统都是今后研究的方向；另外，对 转杯的结构和形状进行优化设计，纤维输送通道与流体合理匹配，以保证最佳的 纤维输送和凝聚状态；为了提高纱线洁净度，需改进排杂系统和杂质输送系统； 为了适应高速，解决磨损问题，提高使用寿命，凡是纤维和纱线经过的地方，如 分梳辊锯齿、纤维输送通道、转杯壁面、凝聚槽及假捻盘等，它们所使用的镀层 材料和处理方法需要改进；主要零部件应系列化，如分梳辊锯齿规格、纤维输送 通道、转杯、假捻盘和阻捻器。规格和形状要适应不同的纺纱原料、纱支、转速 及用途。 转杯纺纱产品的应用范围应逐步从粗特纱向中、细特纱发展，从机织品向针 织品领域扩展，除此之外开发化纤、毛、麻、绢等转杯纺产品，扩大转杯纺的应 用领域，丰富转杯纱的花色品种；进一步开发转杯纺花式纱线产品，如转杯纺竹 节纱、转杯纺复合纱等，转杯纺花式纱线的应用将日趋扩大；在装饰用产品方面 开发生产出床单、桌布、窗帘、挂毯等转杯纺产品；产业用产品方面主要是线、 带、篷帐等产业用转杯纱以及p u 革底布和洁具用产品；随着功能性纤维的发展， 可利用这些功能性纤维如阻燃、抗茵和保健纤维等来加工转杯纱，开发转杯纱功 能性产品，扩大转杯纱产品的市场份额【4 l 。 1 2 复合纺纱概述 1 2 1 复合纱介绍 两种以上纤维( 或长丝) 复合( 纺制) 或其他方法制成的纱线，称为复合纱。 复合纺纱的历史可追溯到上世纪4 0 年代的棉与粘胶纤维混纺。当时只是将粘胶纤 维作为棉的代用品，并不以提高纱的性能为目的。将性质不同的纤维复合纺纱以 克服各自的缺点开始于上世纪5 0 年代后期的棉和涤纶混纺，集中了棉的膨松、吸 湿、保暖和涤纶的强力高、耐磨、挺括、免烫等优点。复合纺纱方法主要有混纺 ( b l e n d e ds p i n n i n g ) 、包缠纺( w r a ps p i n n i n g ) 、包芯纺( c o r e - - s p u n ) 、赛罗纺 ( s i r o s p u n ) 、赛罗菲尔纺( s i r o f i l ) 、索罗纺( s o l o s p u n ) 等，都是利用两种或两种以上 组分复合成一种纱线的过程，但这些方法又有本质的区别，主要体现在纺纱机的 机构、复合的组分、喂入方式、工艺参数的差异吲。 1 2 2 复合纱的分类 复合纱根据构造可以分为三种： ( 1 ) 混纺纱。两种或两种以上的短纤维的混合，一般在并条工序将不同纤 维的条子按一定混纺比并合、牵伸 ( 2 ) 混捻纱。各种不同长丝通过并和加捻、假捻变形、空气变形等方法复 合在一起，主要是各种化学长丝 ( 3 ) 长丝短纤复合纱。复合纱中一种或多种组分为长丝，另外一种或多种 组分为短纤纱，通过加捻成纱。主要有包芯纱、包缠纱、合股纱等，以下本文的 研究以该类复合纱为研究对象 1 2 3 长丝短纤复合纺纱现状 由于化学纤维的大量应用，长丝短纤复合纺纱发展非常迅速，目前可以通过 环锭纺、喷气纺、静电纺、空芯锭纺、转杯纺等方法纺制，使用最广泛的是环锭 纺。 ( 1 ) 环锭纺法。在改进的传统细纱机上，长丝不经过细纱机的牵伸部件， 而经过加装的预牵伸机构( 包括预牵伸区和喂入区) 和v 型槽导轮，自前罗拉皮 辊后方的集棉器处喂入，与牵伸后的短纤须条相合并，同时经过集棉器及前罗拉， 由环锭回转加捻而成长丝短纤复合纱1 6 l 【7 1 。比较典型的有赛罗纺( s i r o s p u n ) 、赛罗 菲尔纺( s i r o f i l ) 、索罗纺( s o l o s p 吼) 等。其基本纺纱原理如图1 1 所示。 图1 1 环锭纺复合纱原理图 图1 2 喷气纺复合纱原理图 ( 2 ) 喷气纺法。在改进的喷气纺纱机上，从长丝架上引出的长丝经过张力 装置后，通过导丝器进人前钳口。外包纤维以粗纱( 也可以是条子) 形式进入牵伸 装鼍，短纤维经牵伸后与长丝一起经过前钳口后进入喷嘴，再经导纱钩和引纱罗 拉后，卷绕成筒子纠引。其基本纺纱原理如图1 2 所示。 ( 3 ) 静电纺法。采用静电技术把长丝中的根根单丝分散开来，使之能与短 纤维充分混和，在与短纤维粗纱须条在改进的环锭细纱机上纺制复合纱i 们。其基 本纺纱原理如图1 3 所示。 4 图1 3 静电法纺复合纱 图1 4 空芯锭法纺复合纱 ( 4 ) 空芯锭纺法。空心锭子差捻复合纱的成纱是在空心锭子包缠纱的基础 上再加捻，其成纱工艺分为包缠和加捻两个过程，即先经过空芯锭子包缠纺纱机 形成包缠纱，再经过捻线机形成差捻包缠纱。根据差捻包缠纱包缠过程的不同， 可将差捻包缠纱分成两种类型：纱包丝型和丝包须条型。纱包丝型差捻包缠纱的 形成不需经过牵伸系统，芯纱直接由前罗拉喂人空心锭子，而丝包须条型差捻包 缠纱的须条，需经过牵伸才能成为芯纱【1 叭。其基本纺纱原理如图1 4 所示。 ( 5 ) 摩擦纺法。摩擦纺复合纱的成纱原则是长丝被放置在两摩擦辊中间， 经刺辊开松后的外包体纤维通过输棉管进入到楔形凝聚区内，并覆盖在长丝表 层，被一对同向回转的摩擦辊表面的摩擦力的作用下获得转动力矩而加捻成纱。 在这个成纱过积中尚未进入到凝聚区内的长丝，由于摩擦辊的回转得到了一定设 的捻度，当进入到凝聚区后，对长丝来说，由于受到摩擦辊加捻力矩影响，原先 的捻度逐渐退去，所以捻度越来越少，而由输棉管送入的外包单纤维覆盖在长丝 表层，紧紧地包缠在长丝上而形成复合纱。因此复合纱内的长丝是无捻的，而外 包纤维获得一定量的真捻【l l 】。 ( 6 ) 转杯纺法。在原有转杯纺纱技术的基础上，充分利用其优势，生产长 丝短纤复合纱，这也是本课题重点研究的内容。 1 2 4 复合纱优点【l 副 纺织纤维的复合纺纱是一项新近发展起来的工艺，它能： ( 1 )以一种纤维来弥补另一种纤维的不足，并由此提高混和纤维的平均质 量 ( 2 ) 为某种特殊用途生产出具有特殊性能的纱线f 1 3 1 ( 3 ) 使纱线获得全新的效果 ( 4 ) 降低混和成本 在将来的一段时间内，复合纺纱将在纺纱领域占据重要的地位，因为纺制这 种纱线需要特殊的工艺知识及先进的机器。 1 3 转杯纺复合纱概述 1 3 1 转杯纺复合纱的发展 转杯纺复合纱技术是近几年纺纱科研领域兴起的一种新型纺纱技术，主要用 于生产长丝短纤复合纱，其研究可追述到上世纪6 0 年代，发展过程有以下几个 代表性阶段： ( 1 ) 最早见诸于1 9 6 7 年捷克斯洛伐克n o 1 2 4 s 0 8 专利1 4 1 ，其设计原理如图1 s 所示。 图1 5 捷克专利纺纱原理图 该专利使用长丝短纤维连续生产复合纱。预先开松的纤维通过输送通道喂入 6 纺纱器中，之后凝聚到纺纱器的壁面，长丝纤维通过喂入管同时喂入纺纱器，纺 纱器在皮带轮的带动下高速旋转，短纤纱和长丝在引纱管处在高速旋转的纺纱器 作用下，加捻成复合纱。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代初，捷克斯洛伐克的e l i t e xc e r v e n yk o s t e l e c 公司研制 出b d 2 0 0s c e t 型包芯转杯纺纱机，在a t m e 8 2 上展出。在1 9 8 3 年至1 9 9 1 年间 该公司又推出了它的多种改进机型，如b d 2 0 0s c e 2 t t e 、b d 2 0 0s c e 2 t s m 和 b d 2 0 0s c e 2 t l n ，这些机器的用户主要集中在捷克斯洛伐克和法国等国家其 中一些机器至今还在使用15 1 。 ( 3 ) 1 9 8 5 年，a l o i ss t e j s k a l 等人在其专利中详细地分析了长丝的喂入对包芯 纱性能的影响【1 6 1 。其设计原理如图1 7 所示。 一 ，一： ： ! t 毫 磷二 誊 0 良二 誊蕉戛琶 飞i 一 蔷， 羹 裂稔 j 警 - “、， 图1 7a l o i s 专利的纺纱原理图 图1 8c h e n g 研究的纺纱原理图 a l o i ss t c j s k a l 认为在以前的论述中长丝的喂入主要分为两种情况，一种是长 丝喂入时长丝的张力是变化的，并且只在长丝的张力较大的情况下，短纤纱才有 可能包缠在长丝上形成包芯纱，而在其他情况下很难形成包芯纱，由于长丝张力 的这种变化，就不可能生产出质量比较好的包芯纱；另外一种情况是长丝直接喂 入到短纤纱的加捻区，然后直接和短纤纱互相缠绕加捻，在这种情况下，复合纱 成纱时的凝聚点比较难控制，所生产出来的纱线其性能也非常不稳定，不适合大 量生产。正是基于以上的考虑，a l o i ss t e j s k a l 改进了原来的实验装置，在长丝喂 入转杯前附加了一个张力控制罗拉，使得纺纱过程中长丝的张力能够很好的控制 在一定的范围内，这样纺出来的复合纱结构稳定，同时纱线性能也比较稳定。 ( 4 ) 1 9 9 0 年，k b c h e n g 在日本申请专利，认为喂入长丝的导丝管伸 入转杯内的长度对复合纱的结构有一定的影响【 】。其设计原理如图1 8 所示。 当导丝管伸入转杯内的长度较长，接近导纱管入口时，复合纱的结构为典型 转杯包芯纱，它是以长丝为芯纱，短纤维包缠在外；若导丝管未伸入转杯内，或 者是和转杯面齐平，复合纱的结构为转杯包缠纱，它是以短纤纱为芯，长丝包缠 在外，但是长丝包缠不是很有规律，纱线结构不稳定，有可能形成长丝短纤纱 合股交缠，结构形态类似与一般股线；若导丝管伸入转杯内的长度适中， k b c h e n g 实验认为在5 m m 左右时，复合纱的结构也为转杯包缠纱，长丝包缝 效果较好，纱线结构较稳定。 ( 5 ) 2 0 0 2 年，瑞士r i e t e r 公司推出了b t 9 0 4 型包芯转杯纺纱机，在c i t m e 2 0 0 2 上展出，包芯转杯纺纱技术再次为纺织行业所瞩目。其设计原理如图1 9 所示： 图1 9 砌e t e r 公司纺纱原理图 图1 1 0f a r s h i d 研究时纺纱原理图 b t 9 0 4 型包芯转杯纺纱机除原有转杯纺纱功能之外，另外加装了长丝筒子退 绕装置、长丝及复合纱断头感应器、y c u 自动接头装置。可纺5 - 2 1s 复合纱线， 原料适应性很广，其生产的r o t o n a 品牌弹力包芯纱能广泛用于运动装、紧身内衣 等日常服装领域。 ( 6 ) 2 0 0 2 年f a r s h i dp o u r e s f a n d i a r i 等利用改造的b d 2 0 0 型转杯纺纱机研究长丝 喂入速度相对复合纱卷绕速度的超喂比、复合纱设计捻度对复合纱结构、物理性 能的影响【1 9 1 。其设计原理如图1 1 0 所示。 由于长丝喂入速度与复合纱引纱速度的差异，将直接影响到复合纱的结构和 物理性能。当长丝喂入速度小于复合纱引纱速度时，长丝沿着复合纱的纵向方向 分布成为纱芯，而短纤纱缠绕在其表面，形成复合包芯纱( r o t o rc o r ey a m ) ， 同时复合纱的剥离点位于长丝喂入管处；若长丝喂入速度与复合纱引纱速度大致 相同时，受加捻作用，长丝和短纤纱互相缠绕在一起，形成合股纱( r o t o rf o l d e d y a m ) ，同时剥离点的位置发生变动，不确定在一个地方，一般在凝聚槽与导丝 管入口处之间移动；又若长丝喂入速度大于复合纱g l 纱速度，长丝绕在复合纱的 外层，呈螺旋状，同时包缠着沿复合纱纵向完全伸直的短纤纱，形成复合包缠纱 ( r o t o rw r a p p e dy a m ) ，复合纱的剥离点仍然位于凝聚槽处。 ( 7 ) 2 0 0 4 年，浙江目发纺纱设备有限公司推出了自己研发的r f r s 2 0 包芯转 杯纺纱机【2 0 1 。它的原理是在转杯的空心轴中引入芯纱，在转杯凝聚槽中形成的 o e 纱包缠到芯纱外面形成包芯纱。 r f r s 2 0 包芯转杯纺纱机能生产5 2 1 s 复合纱线，由于纱线的包缠捻度等于 o e 纱的捻度，受o e 纱捻度的限制，包缠捻度不可能很高，造成芯纱不能被外包 纱完全包覆，这限制了转杯纺包芯纱的适用范围，需要在后道工序中开发适当的 工艺进行弥补。 转杯纺复合纱的研究虽然较早，但是真正应用于实际生产的研究近几年才开 始。充分利用转杯纺纱技术的优势，生产氨纶包芯纱、涤纶缝纫线等在市场广泛 应用的复合纱线，其研究还是很有市场价值的。 1 3 2 转杯纺复合纱结构 一般情况下，虽然转杯纺长丝短纤复合纱只有两种组分，但是由于喂入长 丝张力和短纤维纺纱张力之间的差异，从而控制了两种组分在复合纱中的几何位 9 置和路径长度，长丝，短纤复合纱的结构也就较为复杂。从前面的论述可以得知 通过控制和选择长丝超喂比( 长丝芯纱的喂入速度与引纱速度的比值) 、捻系数、 导丝管伸入转杯内的长度等参数，可获得不同结构的转杯复合纱。研究1 表明 通过适当工艺参数选择，一般可制得三种理想结构的转杯复合纱，如图1 1 l 所示： ( a )( b )( c ) 图1 1 1 转杯纺复合纱三种理想结构示意图( 白色：短纤纱黑色：长丝) ( 1 ) 转杯包缠纱( r o t o rw r a p p e dy a m ) 。如图1 1 1 中( a ) 所示。短纤纱位 于复合纱的中心，呈伸直状态，长丝绕在复合纱的外层，里螺旋状，同 时包缠着短纤纱 ( 2 ) 转杯合股纱( r o t o r f o l d e d y a m ) 。如图1 1 l 中( b ) 所示，长丝和短纤 纱相互交缠，都有一定的螺旋角度，结构形态类似一般股线 ( 3 ) 转杯包芯纱( r o t o r c o r e y a m ) 。如图1 1 1 中( c ) 所示，长丝位于复合 纱的中心，伸直状态，而短纤纱包缠在长丝的外层，复合纱线外观同普 通转杯纱较相似 i 3 3 转杯纺复合纱优点 与传统的环锭纺复合纱相比，转杯纺长丝，短纤复合纱有其独特的优势： ( i ) 原料适应性广泛。短纤原料可以是棉、毛等天然纤维、也可以是粘胶等 化学纤维，只要是适用于常规转杯纺纱的原料都可以，丽长丝原料既可以是常规 的普通长丝，也可以是弹力丝等 ( 2 ) 有效解决转杯纱强力低、伸长小的缺点。由于复合纱中有化纤长丝组分， 不仅可以增加复合纱的强力，同时纱线的伸长也能有所提高 1 0 ( 3 ) 纱线条干不匀率低。这源于转杯纺纱的固有特性，是纤维在转杯纺凝聚 过程中被高倍并合的结果 ( 4 ) 纱线毛羽少，蓬松度则要高于环锭包芯纱 ( 5 ) 生产效率高。由于不必将短纤维分别经过粗、细纱机变成棉纱，省去了 粗、细纱机设备及相应的工序，因此转杯纺长丝短纤复合纱的工艺流程较传统 环锭纺复合纱要短，大大降低生产成本 ( 6 ) 产量高。由于转杯纺纱机单锭产量是现有包芯纱使用设备的4 倍左右。 大大提高了包芯纱的产量【2 1 】 1 3 4 转杯纺复合纱应用 转杯纺复合纱强力高、条干均匀度好，使得此技术具有相当高的加工可靠性， 并可充分利用传统转杯纺纱的生产能力。利用复合转杯纺纱技术可纺制变化多样 的复合纱，这不只是单纯指构成纱线的两种组分在位置上的变化，还包括两种原 料本身复合效果，转杯纺复合纱兼具有转杯纱和复合纱的优点，因此它具有相当 广的应用范围。 从应用的角度，可将转杯复合纱分为以下几类： ( 1 ) 弹力复合纱( 典型转杯纺弹力复合纱) ( 2 ) 一般纱线( 典型转杯非弹力复合纱和转杯平行纱) ( 3 ) 花式纱线 根据这种分类，转杯复合纱可用于一般股线和花式纱的使用场合，它还可以 代替目前的o e 股线用于生产服用织物。由于它强力高、均匀度好的特点，使之 可用作装饰布。另外，它还可以代替传统的股线纱用于产业用纺织品，如涂层基 布、帆布等。转杯纺弹力复合纱可用于n i 弹力织物，用作运动服装、弹力成衣 等，这个市场正呈现出良好的上升势头1 2 2 1 。 1 4 本课题的目的、意义、研究内容 1 4 1 本课题理论意义和实际意义 转杯纺纱技术由于其高速高产、大卷装、短流程的特点，成为仅次于环锭纺 纱技术的一种较为成熟与广泛应用的纺纱技术。但是业内普遍认为o e 纱存在强 力较低、断裂伸长较低的缺陷，而将化纤长丝与短纤复合纺纱则能较好地解决该 问题。本课题将在原有的转杯纺纱机上，使用改进的纺纱杯直接纺制长丝短纤 弹力复合纱，充分利用成熟的转杯纺纱技术，克服转杯纺纱结构限制，研究生产 出市场大量需求的弹力纱。如果能在大部分的转杯纺纱机上实现改造、同时实现 国产化的话，将极大提高弹力复合纱的产量，满足市场的需求。 在理论上，本课题将详细研究转杯纺复合纱的成纱机理以及加捻机理。由于 长丝的喂入，复合纱的成纱机理以及加捻机理明显不同于一般的转杯纺纱，课题 研究的方向则是找出其中的不同之处，从而更好地为以后的转杯纺复合纱研究提 供理论上的依据。 1 4 2 本课题主要内容 ( 1 ) 实验用转杯纺复合纱设备的研制。将f a 6 0 1 型自排风式转杯纺纱机改造 后使其能纺制出长丝短纤复合纱 ( 2 ) 对转杯纺长丝短纤复合纱过程中各工艺参数做单一因素分析，掌握各因 素对纺纱过程及复合纱线性能的影响 ( 3 ) 利用均匀设计理论，优化转杯纺长丝短纤复合纱的工艺参数，得出某些 纱线性能指标的回归方程，并对各工艺参数综合优化 ( 4 ) 对转杯纺复合纱的成纱机理、加捻机理，以及不同长丝牵伸倍数对纱线 结构的影响进行初步探讨。 1 2 第二章转杯纺复合纺纱机的改造 在前面的论述中，我们知道现有的转杯纺纱机还不能满足生产长丝短纤复合 纱的要求，因此有必要在原有转杯纺纱机的基础上进行改造，使其能够达到最终 生产复合纱的目的，同时在改造的过程中，不仅要能在实验室成功生产，还要考 虑在大生产环境下也能进行改造，使之生产出符合要求的长丝短纤转杯复合纱。 在本课题中，考虑到当前实验条件成本，将在一台f a 6 0 1 a 型自排风式转杯 纺纱机上进行实验室性质改造，但同时兼顾常规改造时的可行性。所要进行的机 器改造主要有以下两个方面： ( 1 ) 需要加工特殊用途的转杯。为了保证长丝能喂入转杯中，需要有特殊 的转杯纺纱杯和与转杯配套的导丝管 ( 2 ) 加装氨纶长丝喂入装置。考虑市场的供求情况，本课题将选用氨纶弹 力长丝作为长丝原料，纯棉短纤维纱为短纤纱，生产棉，氨纶弹力复合纱，因此 需要氨纶长丝安放筒子架以及氨纶长丝退绕装置 2 1 长丝喂入装置改造 棉氨纶弹力复合纱生产的一个重要过程是在常规转杯纺纱机上加装一套氨 纶丝积极喂入装置和导丝机构，以控制氨纶丝的喂入： ( 1 ) 导丝机构保证能使氨纶丝通过转杯而没有被加捻，并且能方便于开始 纺纱时的接头操作 ( 2 ) 喂入装置要能稳妥地放置氨纶丝筒子，并能顺利退解，保证氨纶长丝 没有被额外牵伸。而且能形成氨纶丝的预牵伸并能根据产品的用途要求进行任意 牵伸倍数的调整【2 3 1 。 环锭纺棉，氨纶弹力复合纱加装氨纶长丝积极喂入装置，哥前较普遍采用的 是在细纱机上加装一对积极喂入罗拉，芯丝放在其上，靠摩擦来完成退绕。积极 喂入罗拉的传动是通过细纱机前罗拉轴端加装的链轮( 或齿轮) ，按一定的牵伸 比率带动过桥轮，再由交换链轮( 或齿轮) 来传动的。氨纶丝积极喂入罗拉与前 罗拉保持所需的传动比氨纶丝的预牵伸倍数。此种喂入装置传动方式的特点 是积极喂入罗拉由前罗拉通过附加机构传动，氨纶丝预牵伸倍数大小的改变是通 过改变变换链轮( 或齿轮) 的齿数来改变前罗拉与积极喂入罗拉之间的速比来实 现的。由于变换链轮( 或齿轮) 的个数有限，因此这种传动方式只限定于某几个 定型预牵伸的大小，而且变换时费时费力，弊端较多【2 4 j 。 为了在转杯纺纱机上加装氨纶长丝积极喂入装置，同时避免环锭纺棉氨纶 弹力复合纱的弊端，我们采用了新型的氨纶长丝喂入装置。将原f a 6 0 1 a 型转杯 纺纱机顶棚加高，在上层引纱架上侧加装一对长丝退绕罗拉，将氨纶丝筒子置于 罗拉上，筒子表面和罗拉表面紧密接触，两氨纶筒子之间以隔丝柱隔开，以防止 两氨纶筒子相互影响。长丝退绕罗拉的传动也进行了改进，其传动设计如下图2 1 所示： 7 p 卜( ! 亟i 1 0 噙 圃 6 0 7 卜 乎田 图2 1氨纶丝退绕的传动示意图 r l ，r 2 一长丝退绕罗拉m 一三相异步电机i 一变频器 图2 1 为加装的氨纶长丝退绕机构的传动示意图，长丝退绕罗拉r l 、r 2 同向 同速回转，其转动通过单独的变频器控制减速电机传动一级减速齿轮输出来传动 的。定义氨纶丝的牵伸倍数为卷绕罗拉线速度与长丝退绕罗拉线速度的比值。通 过改变变频器i 的频率就可以改变长丝退绕罗拉速度，从而控制氨纶丝的牵伸 倍数。通过变频器的频率改变可调节减速电机的输出转速，来达到改变长丝退绕 罗拉的速度，从而得到氨纶长丝所需不同牵伸倍数要求的目的。氨纶丝退绕采用 积极退绕方式可保证氨纶丝牵伸倍数从大筒子到小筒子时的牵伸倍数是一致的， 这样可有效克服自由退绕时牵伸倍数随筒子大小变化的缺点【2 5 】。 变频器的变频范围可由6 0h z 0 h z 之间以o 0 1 级容差调整因而此装置实 现了长丝退绕罗拉的无级调速，并可根据工艺设计要求任意改变氨纶丝的预牵伸 倍数；同时使用变频调速后，由于实行软启动，改变了传统传动方式启动时长丝 1 4 退绕罗拉瞬间速度变化大而造成氨纶长丝牵伸倍数起伏波动的影响，因而也提高 了成纱质量【2 4 1 。 变频器的频率可以由面板上的按键直接输入，方便而又精确。根据传动图可 计算出在要求的氨纶预牵伸倍数下所需输入的频率赫兹数。或者直接根据预先测 定好的变频器频率赫兹数与长丝退绕罗拉转速之间的正比关系来计算出所需输 入的赫兹数。 另外，氨纶是一种高弹长丝，它的弹性比普通的合成纤维要高十多倍，比棉 一类的纤维素纤维高一百多倍。但是氨纶纤维的摩擦系数大，模量很低，这就导 致在氨纶长丝牵伸过程中很容易产生粘滑效应2 6 1 ，严重影响弹力纱线的弹性伸 长，因此我们在转杯纺纱机的中部安装了导丝钩。导熊钩基部固定在机架上，其 前端做成环状，以便长丝穿过。 2 2 关键纺杯的改造 现有转杯纺纱机使用的纺杯由于受结构的限制，其本身不能直接纺制长丝 短纤复合纱，主要由于长丝无法直接喂入纺杯内。如果需要生产长丝短纤复合 纱，需要在后道增加包覆纱机等设备及多个工序才能完成。目前采用环锭纺纺制 复合纱的生产都较复杂，涉及较多设备，工艺流程长，产量较低。为了克服上述 现有技术缺陷，有必要对现有的纺杯和与纺杯联接的转杯轴进行改造，突破以往 纺杯不能直接纺制复合纱的局限，在原有的转杯纺纱机上使用该纺杯直接纺制复 合纱，提高复合纱产量。改造的最主要目的就是为了方便将长丝真接喂入转杯内， 同时不影响转杯原有的功能。下图为改造的纺纱杯和与纺杯配套的导丝管： 管 图2 2 改造的纺纱杯和与纺杯配套的导丝管示意图 与常规转杯相比，其特点是转杯轴有一轴向通孔。其设计思路就是在原来实 心的转杯轴中心加工出一通孔，通孔沿转杯轴往外延伸。轴向通孔的直径不能太 小，否则不能起到直接喂入长丝的作用：但是又不能太大，否则转杯轴的强度不 能达到原有转杯轴设计的要求。轴向通孔内套一导丝管，所述的导丝管使用一般 的中空钢管，有一定的刚度和韧性，在较小力作用下不易弯曲，其外径稍小于轴 向通孔的内径，两者之间的配合有一定的间隙，主要为了保证转杯轴高速转动过 程中，转杯轴的轻微振动而不会碰到导丝管，避免导丝管受磨损。纺纱过程中， 转杯和转杯轴在高速旋转，而导丝管固定在纺纱机架上并不随转杯转动，长丝经 导丝管直接喂入转杯中。不随转杯转动的导丝管能避免长丝被加捻而影响弹力纱 线的弹性。所述导丝管的一端与转杯轴杯面齐平，另一端伸出于轴向通孔外，并 延伸到纺纱机架的正砸，方面开始纺纱时长丝的接头操作。 2 3 转杯纺复合纱原理 转杯复合纺纱技术的基本思想就是使用转杯空心锭子，所谓转杯空心锭子是 指上述的纺纱杯和与纺杯联接的具有轴向通孔转杯轴。具体的纺纱方法如下纺纱 原理示意图所示： - 螺， 量 图2 3 转杯复合纺纱原理示意图 从纺纱原理示意图可以看出，氨纶长丝经由一对长丝退绕罗拉同速同向回转 1 6 后使氨纶丝积极送出、牵伸，积极送出的氨纶丝通过安装在机架上的导丝罗拉后， 在转杯高速回转时产生的负压作用下，被吸入额外加装的导丝管内。导丝管为一 空心钢管，具有一定的刚度，为了方便开始纺纱时氨纶丝的接头操作，需要将导 丝管预弯曲，固定在纺纱机上，并穿过转杯轴的轴向通孔延伸至转杯内，与转杯 轴平齐。氨纶长丝在气流输送下沿着导丝管被引入转杯内，再与外包纱复合后直 接从引纱管中引出