周夢(mèng)嵐，王府梅，2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

纖維的性質(zhì)及其紡紗工藝因素影響纖維在紗中的內(nèi)外轉(zhuǎn)移規(guī)律。為揭示木棉纖維在環(huán)錠紗中的內(nèi)外轉(zhuǎn)移規(guī)律，需要研究木棉纖維在混紡紗橫截面內(nèi)的徑向分布。一般，混紡紗中各組分纖維在紗截面徑向所處的位置及其分布數(shù)量不是均勻一致的，由于纖維應(yīng)力應(yīng)變性能和表面摩擦性能等不同，某些纖維可能優(yōu)先分布在外層，而另一些纖維可能優(yōu)先分布在內(nèi)層［1］。對(duì)于木棉混紡交織織物，很多性能取決于木棉纖維含量，特別是木棉纖維在紗線中的內(nèi)外分布規(guī)律，因?yàn)槟久蘩w維是天然超細(xì)和高中空纖維，其纖維中空度為80% ～90%［2］，是良好的保暖纖維，并且具有抑菌驅(qū)螨特性。若木棉纖維較多地分布在紗線的表層，其織物觸感柔軟溫暖，抑菌驅(qū)螨特性突出，視覺(jué)風(fēng)格新穎。但是，至今鮮有關(guān)于木棉混紡紗中纖維徑向分布規(guī)律的研究報(bào)道，原因除了木棉纖維的整體研究滯后以外，還存在如下技術(shù)難度:紗線中各根木棉的中空保持程度不一，導(dǎo)致木棉體積密度不是常量;采用漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)的傳統(tǒng)計(jì)算方法無(wú)法計(jì)算木棉纖維的內(nèi)外分布指標(biāo)。

本文比較了多種定量研究多孔網(wǎng)絡(luò)、顆粒尺寸的圖形處理軟件［3－5］，在此基礎(chǔ)上，提出借助Photoshop軟件，通過(guò)像素法確定木棉纖維的橫截面面積，該方法既直觀、準(zhǔn)確、快速，又避開(kāi)了使用木棉纖維體積密度。木棉纖維在紗中的內(nèi)外分布規(guī)律，還取決于混紡的其他纖維特性，本文主要研究目前常見(jiàn)的木棉與棉及粘膠混紡紗中各種纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移規(guī)律，實(shí)踐證明這些纖維混紡能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，其產(chǎn)品是近年市場(chǎng)上受歡迎的品種。

1 測(cè)試方法研究

1.1 試樣制作

為更清晰地分辨紗中的不同纖維，本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝紗線的橫截面照片，用于測(cè)試分析各種纖維在紗中的分布規(guī)律。首先用羊毛包覆紗試樣裝入哈氏切片器制作橫截面切片，用于拍攝紗線橫截面圖像。實(shí)際也可用生物顯微鏡拍攝紗線橫截面照片，只要運(yùn)用液氮脆斷法制作橫截面切片，不引起紗線變形即可。

每次裝入哈氏切片器切片的試樣是隨機(jī)選取的3～4段紗，用羊毛纖維分離包覆后放入哈氏切片器，對(duì)每段紗樣選取1個(gè)清晰切片拍攝SEM照片，對(duì)每種紗樣保證制得分別來(lái)自10段紗的10個(gè)清晰切片。

1.2 傳統(tǒng)漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)分析法

傳統(tǒng)的漢密爾頓(Hamilton)轉(zhuǎn)移指數(shù)分析法［6］是根據(jù)紗線截面切片的顯微照片將紗截面分成5個(gè)等間距的同心圓(或橢圓)，即將紗體分成從內(nèi)到外的若干層。通過(guò)統(tǒng)計(jì)紗線截面中各層的根數(shù)，假定體積密度恒定，由各種纖維的平均線密度值和體積密度值，將根數(shù)換算成纖維的面積，從而計(jì)算出各層纖維的面積相對(duì)于最中1層的分布矩、纖維均勻分布時(shí)的分布矩、最大向外分布矩及最大向內(nèi)分布矩。

根據(jù)漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)的定義式(1)～(4)求取各纖維的轉(zhuǎn)移指標(biāo)，其中:MA為A纖維的面積相對(duì)于最中間一層的分布矩;MU為A纖維均勻分布時(shí)的分布矩;M0為最大向外分布矩(即將所有A纖維的截面積依次填入最外層，多余的填入次外層……直至填完);M1為最大向內(nèi)分布矩(即將所有A纖維的截面積依次填入第1層，多余的填入第2層直至填完);SA為A纖維的總面積;S總為各種纖維的面積之和;Min和Mout分別為向內(nèi)和向外轉(zhuǎn)移指數(shù)。

漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)的范圍:100%≤Min≤0，而100%≥Mout≥0。若A纖維的Min＜0，表明A纖維優(yōu)先向內(nèi)轉(zhuǎn)移;若A纖維的Mout＞0，表明A纖維優(yōu)先向外轉(zhuǎn)移。

1.3 Photoshop像素法

傳統(tǒng)的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)分析法用于木棉混紡紗時(shí)存在的問(wèn)題是纖維面積計(jì)算困難，由于木棉纖維是高中空纖維，紗中纖維中空度或橫截面形態(tài)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致紗中木棉纖維的橫截面積測(cè)量計(jì)算非常困難，即通過(guò)根數(shù)、徑向尺寸和體積密度三者之間的關(guān)系來(lái)確定木棉纖維面積并不合理，因此，本文對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，利用Photoshop軟件對(duì)紗截面中的纖維進(jìn)行分類［7］，并采用Photoshop像素法換算出不同纖維的面積［8－9］，進(jìn)而計(jì)算其漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)M，具體方法如下。

1)圖1示出Photoshop處理前后紗橫截面的SEM照片。以圖1(a)為例，采用Photoshop軟件處理紗截面切片的圖像，以圓為紗的邊界，先畫(huà)出紗的外輪廓線再選定紗心，然后以半徑五等分作外輪廓線的相似形線，作5個(gè)同心圓，將紗的橫截面分成5個(gè)圓環(huán)，即將紗體分為5層同心圓管。

2)用Photoshop軟件，將SEM照片的3種纖維分別用黑灰混合色、黑色和灰色進(jìn)行標(biāo)記，黑灰混合色代表A纖維(木棉纖維)，黑色代表B纖維(粘膠纖維)，灰色代表C纖維(棉纖維)，如圖1(b)所示。標(biāo)記完成后，各層中纖維的實(shí)際分布情況如圖2所示。

圖1 Photoshop處理前后的紗橫截面SEM照片F(xiàn)ig.1 Cross section SEM images of yarns before(a)and after(b)Photoshop treatment

圖2 各圓環(huán)層中的纖維分布圖Fig.2 Schematic diagrams of circle layers.(a)The first layer;(b)The second layer;(c)The third layer;(d)The fourth layer;(e)The fifth layer

3)通過(guò)像素法分別獲取落入第i層圓環(huán)中各纖維的面積 SAi、SBi、SCi，即通過(guò) Photoshop 直方圖功能求取第i層圓環(huán)中3個(gè)顏色的像素點(diǎn)數(shù)，如表1所示。具體操作如下:打開(kāi) Photoshop軟件，點(diǎn)擊窗口→直方圖→選中目標(biāo)圖層→選中目標(biāo)顏色→獲取選中圓環(huán)中選中顏色纖維的像素點(diǎn)數(shù)。表1中像素點(diǎn)數(shù)的測(cè)試條件是纖維橫截面最外圓的半徑為6.95 cm、分辨率為68.11像素/cm。單根纖維橫截面的像素點(diǎn)數(shù)不但與纖維粗細(xì)和放大倍數(shù)有關(guān)，還與系統(tǒng)的分辨率有關(guān)。

表1 3種纖維像素分布Tab.1 Pixel distributions of three fibers 像素

橫截面積最小的單根木棉纖維一般占603個(gè)像素點(diǎn)數(shù)，所以，該法求纖維橫截面的精度高于現(xiàn)行直徑測(cè)試方法，其更大優(yōu)勢(shì)在于可以測(cè)試非圓形纖維的橫截面面積。

4)將表1的像素值直接當(dāng)做各圓環(huán)內(nèi)各色纖維的面積，利用式(1)～(4)計(jì)算轉(zhuǎn)移指數(shù)。原本應(yīng)該用式(5)將各顏色纖維的像素值轉(zhuǎn)化為該分辨率下各種纖維的面積，因?yàn)槔檬?3)～(4)計(jì)算轉(zhuǎn)移指數(shù)時(shí)，分子、分母各項(xiàng)包含的相同乘除因子相約，此處的圖像放大倍數(shù)和由像素到面積的換算都與轉(zhuǎn)移指數(shù)Min和Mout的計(jì)算結(jié)果無(wú)關(guān)。

式中:S為某種纖維的面積，cm2;P為該纖維所占像素值;D為分辨率，是測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)。

2 環(huán)錠紗中木棉纖維指標(biāo)測(cè)試

纖維的徑向分布是各組分纖維長(zhǎng)度、細(xì)度、表面摩擦性質(zhì)等特性共同作用的結(jié)果。表2示出試樣的成分及含量。為分析環(huán)錠紗中木棉纖維的轉(zhuǎn)移規(guī)律，選取了表中所示的3種常見(jiàn)混紡紗進(jìn)行漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)的測(cè)量計(jì)算。制造3種混紡紗時(shí)木棉纖維與其他纖維的混纖都在開(kāi)清棉工序進(jìn)行，14.58 tex木棉混紡紗所用原棉長(zhǎng)度、等級(jí)略高于19.67 tex木棉混紡紗。

表2 環(huán)錠紗試樣的成分及含量Tab.2 Compositions and contents of ring yarn samples

2.1 木棉纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)

圖3示出表2中3種木棉混紡紗的典型橫截面。由于紡制的時(shí)間不同，紗中木棉纖維的中空度差異明顯，之前紡制的后2種紗中木棉纖維的中空度明顯比較高，而之后紡制的第1種紗中木棉纖維幾乎完全被壓扁。這說(shuō)明木棉纖維自身具有回復(fù)中空的潛能，后整理中如何挖掘這一潛能值得今后探索。

圖3 木棉混紡紗的典型橫截面圖Fig.3 Cross sections of kapok blended yarns

定性觀察每種紗的10個(gè)截面后，選出橫截面差異較大的5個(gè)典型截面進(jìn)行定量測(cè)試，測(cè)得3種混紡紗中木棉纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。可看出，與常用的棉及棉型粘膠纖維混紡時(shí)，木棉纖維的轉(zhuǎn)移指數(shù)都在20%左右，木棉纖維向紗體表層轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)明顯，并且隨著木棉含量的提高，木棉纖維向外轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)越來(lái)越強(qiáng)。木棉含量為20%時(shí)，其漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)是16.2%;當(dāng)含量為30%時(shí)，其漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)是20.7%;當(dāng)含量增加到40%時(shí)，其漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)增加到22.4%。離散系數(shù)均在20%以下，小于文獻(xiàn)［10］關(guān)于轉(zhuǎn)移指數(shù)的離散系數(shù)。

表3 不同紗中木棉的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)Tab.3 Hamilton migration index of kapok fibers of different blending ratios %

造成以上結(jié)果的原因是環(huán)錠紗中纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移。在環(huán)錠紗的加捻三角區(qū)，原本平行排列的纖維因加捻作用使紗外層的纖維張緊，向紗芯擠壓，內(nèi)層纖維被擠出成為外層纖維，每根纖維都會(huì)由外向內(nèi)、再由內(nèi)向外反復(fù)變換多次位置，而每根纖維的首尾端因無(wú)法張緊一般都會(huì)被擠出到紗的表層。與棉纖維和粘膠纖維相比，木棉纖維表面光滑［11］、彎曲剛度低、長(zhǎng)度短，這些特性都使得木棉纖維被擠出到紗表層的機(jī)會(huì)更多。

同一種紗線中不同纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)如表4所示。顯然，木棉纖維的平均轉(zhuǎn)移指數(shù)為20.7%，在混紡紗中的分布呈現(xiàn)向外轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。分析原因，木棉纖維線密度約為棉纖維的一半，彎曲剛度很低，而且纖維比較短、表面光滑，這些特性都使其向外轉(zhuǎn)移趨勢(shì)穩(wěn)定。粘膠和棉纖維的平均漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)分別為－11.0%和－2.8%，呈現(xiàn)向內(nèi)轉(zhuǎn)移趨勢(shì)。這說(shuō)明木棉纖維包覆在紗線外層，粘膠和棉纖維在內(nèi)層，混紡紗表層更能體現(xiàn)木棉的特性。分析木棉、粘膠、棉等纖維的離散系數(shù)可知，木棉、棉纖維轉(zhuǎn)移情況比較穩(wěn)定，粘膠纖維需要加大樣本進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

表4 同一紗中不同纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)(2#紗線)Tab.4 Hamilton migration index of fibers of the same yarn %

2.2 紗表層的纖維混紡比及木棉纖維分布

紗線表層的木棉纖維含量對(duì)木棉混紡紗的外觀和性能影響很大，因此，用表層纖維混紡百分率可很好地表征這個(gè)特性。利用轉(zhuǎn)移指數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，以紗截面最外層木棉纖維面積SAS占最外層纖維總面積S5的百分比來(lái)表示表層木棉纖維混紡百分率 K［10］，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

木棉纖維含量與表層木棉纖維混紡比之間的關(guān)系如圖4所示。從中可觀察到表層木棉纖維最高混紡百分率可達(dá)79.5%，木棉纖維絕大多數(shù)分布在表層。并且隨著木棉含量的增加，表層木棉纖維混紡百分率也逐漸增加，線性擬合后發(fā)現(xiàn)2個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性較高，達(dá)0.93。

圖4 各表層木棉纖維混紡比與木棉纖維含量關(guān)系圖Fig.4 Surfacial kapok fibers blending ratios vs.kapok fibers contents

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)紗中的木棉纖維有集束現(xiàn)象，特別是在紗線的表層，集束現(xiàn)象更明顯。說(shuō)明梳棉、并條等現(xiàn)行加工并沒(méi)能使木棉與其他纖維做到完全的單纖維狀混合，這對(duì)用途并無(wú)大礙。此外，還發(fā)現(xiàn)混紡紗表層木棉纖維的中空結(jié)構(gòu)保持得更加完整，如圖5所示。

圖5 木棉混紡紗全局及局部放大圖Fig.5 Global(a)and local(b)enlargement figures of kapok blending yarn

從以上實(shí)驗(yàn)方法可以看出，采用Photoshop像素法可以定量測(cè)試、計(jì)算木棉/棉混紡紗的混紡比、粘膠/棉混紡紗的混紡比等。

3 結(jié)論

利用Photoshop軟件，可直接觀察和定量測(cè)試紗橫截面內(nèi)各種纖維的面積，包括非圓形纖維的橫截面面積，并且快速、準(zhǔn)確，進(jìn)而可以定量測(cè)試木棉纖維在紗中的徑向分布或轉(zhuǎn)移規(guī)律、混紡比等特性。針對(duì)木棉纖維在環(huán)錠紗中的徑向分布等紗的結(jié)構(gòu)特征，得到如下結(jié)論。

1)在目前常見(jiàn)的混紡紗內(nèi)，木棉纖維有向紗的表層轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，木棉纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)達(dá)20%左右，并且隨著木棉含量增加，木棉纖維向外轉(zhuǎn)移程度增加。這使得紗表層的木棉混紡百分率大于平均混紡百分率，并且隨著木棉含量的增加，紗表層木棉纖維混紡百分率在線性增加。這是木棉纖維偏短、表面光滑、柔軟等性能聯(lián)合作用的結(jié)果。

2)在木棉/粘膠/棉混紡紗中，木棉纖維向紗的表層轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)最強(qiáng)，棉型粘膠纖維向紗芯轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)最強(qiáng)。

3)混紡紗中，木棉纖維有成束現(xiàn)象，即在開(kāi)清棉工序混纖的混紡紗中木棉與其他纖維并未達(dá)到單纖維完全混合狀態(tài)。成紗后放置時(shí)間越久，紗中木棉纖維的中空度越高，木棉自身具有回復(fù)中空的潛能。環(huán)錠紗表層的木棉纖維中空度保持得更高。

［1］邰文峰，徐鑫華，宮菡菡.紡紗線中纖維的分布測(cè)試探討［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2010(1):42－45.TAI Wenfeng， XU Xinhua， GONG Hanhan.Testing method of the fiber distribution in the blended yarns［J］.Advanced Textile Technology，2010(1):42 －45.

［2］肖紅，于偉東，施楣梧.木棉纖維的特征與應(yīng)用前景［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005(2):121－125.XIAO Hong，YU Weidong，SHI Meiwu.Characters and application prospects of kapok fiber［J］.Journal of Donghua University:Natural Science Edition，2005(2):121－125.

［3］湯國(guó)華，楊俊和，張琢，等.一種定量分析多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)的新方法［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2004(1):71－74.TANG Guohua，YANG Junhe，ZHANG Zhuo，et al.A new method of quantitatively analyzing pore structure from porous materials［J］.Coal Conversion，2004(1):71－74.

［4］ROBSON D.Animal fiber analysis using imaging techniques:part II:addition of scale height data［J］.Textile Research Journal，2000，70(2):116 －120.

［5］仲岑然，金春奎.混紡紗線橫截面結(jié)構(gòu)參數(shù)分析［J］紡織學(xué)報(bào)，2010，31(1):40 －43.ZHONG Cenran，JIN Chunkui.Analysis on cross section structural parameter of blended yarn［J］.Journal of Textile Research，2010，31(1):40 －43.

［6］于偉東，儲(chǔ)才元.紡織物理［M］.上海:東華大學(xué)出版社，2009:305－306.YU Weidong，CHU Caiyuan.Textile Physics［M］.Shanghai:Donghua University Press，2009:305－306.

［7］禹素萍，曾培峰，陳建平.基于圖像掩碼的棉纖維截面分割［J］.計(jì)算機(jī)工程，2007(13):188－190.YU Suping， ZENG Peifeng， CHEN Jianping.Segmentation on cotton fiber cross sections based on mask［J］.Computer Engineering，2007(13):188 －190.

［8］謝亮.Photoshop像素法在計(jì)算地圖面積中的應(yīng)用［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2010(15):4020－4021.XIE Liang.Application of photoshop pixel method in the calculation of the map area［J］.Computer Knowledge and Technology，2010(15):4020 －4021.

［9］泮樟勝，葉連寶.淺談利用PhotoShop精確計(jì)算圖形面積［J］.綠色科技，2012(8):261－263.PAN Zhangsheng，YE Lianbao. On theaccurate calculation using photoshop graphics area［J］.Journal of Green Science and Technology，2012(8):261－263.

［10］于偉東，王錦成.纖維分布和混紡比對(duì)毛滌混紡紗毛型感的影響［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001(1):24－28.YU Weidong，WANG Jincheng.Effect of blend ratio and fiber distribution on woolen－type feeling of wool/PET yarns［J］.Journal of Donghua University:Natural Science Edition，2001(1):24－28.

［11］WANG Jintao，ZHENG Yian，WANG Aiqin.Coated kapok fiber for removal of spilled oil［J］.Marine Pollution Bulletin，2013，69(1/2):91 －96.