郁 蘭，周 彬，王慧玲，閔庭元，王韶輝，楊惠新

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005;2.江蘇省生態(tài)紡織工程技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 鹽城 224005;3.鹽城市纖維檢驗(yàn)所，江蘇 鹽城 224005;4.法國(guó)國(guó)際檢驗(yàn)局南京辦事處，江蘇 南京 210000;5.南通三思機(jī)電科技有限公司，江蘇 南通 226200)

合成纖維熱縮率是影響織物外觀質(zhì)地與內(nèi)在品質(zhì)(蓬松性、彈性、手感和保暖性)的重要因素［1－2］，熱縮率也是織物選材和成本核算的一個(gè)重要參數(shù)。通過掌握這一參數(shù)的變化特征，確定織物生產(chǎn)工藝參數(shù)，既可獲得符合設(shè)計(jì)要求風(fēng)格的織物，保證面料規(guī)格的準(zhǔn)確性和外觀質(zhì)量，還可提高原料使用的經(jīng)濟(jì)性［3－4］。

合成纖維熱縮率的測(cè)試原理為:在規(guī)定條件下用熱處理介質(zhì)(沸水或干熱空氣)處理試樣，測(cè)量處理前后試樣長(zhǎng)度的變化，計(jì)算其對(duì)原試樣長(zhǎng)度的百分比［5］。目前，合成纖維熱縮率的測(cè)試儀器主要有XH-1型纖維熱收縮測(cè)試儀。儀器由攝像裝置依次讀取試樣圓筒架上纖維熱處理前后纖維長(zhǎng)度的變化，并自動(dòng)計(jì)算纖維平均熱縮率和變異系數(shù)。實(shí)驗(yàn)前先將35根纖維試樣逐根懸掛到試樣圓筒上，纖維試樣的一端被圓筒上的上夾持器所夾持，試樣下端懸掛張力夾。將試樣圓筒放入儀器。通過攝像頭采集纖維試樣長(zhǎng)度信息進(jìn)入計(jì)算機(jī)。儀器測(cè)量時(shí)試樣圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)1周得到35個(gè)試樣熱處理前長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。加熱前試樣長(zhǎng)度測(cè)試完畢，轉(zhuǎn)動(dòng)圓筒頂上旋轉(zhuǎn)按鈕使托架上升，纖維處于松弛狀態(tài)。取出試樣圓筒放入烘箱或者將纖維集中放到沸水中，在預(yù)定溫度下加熱處理，到達(dá)預(yù)定時(shí)間，取出試樣圓筒在標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下冷卻和溫濕平衡。再進(jìn)行試樣加熱后長(zhǎng)度測(cè)試，求取纖維的單根熱縮率和平均熱縮率［5－6］。這種裝置和檢測(cè)方法存在以下缺陷:1)圓筒上的纖維加熱前長(zhǎng)度測(cè)試完成后，需要轉(zhuǎn)移到烘箱(或沸水)進(jìn)行加熱，然后再將試樣圓筒放回?zé)崾湛s測(cè)試儀，在轉(zhuǎn)移過程中，纖維受到張力夾的拉伸作用會(huì)產(chǎn)生意外伸長(zhǎng)，影響熱縮率測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)轉(zhuǎn)移過程使實(shí)驗(yàn)員的勞動(dòng)強(qiáng)度增大，由于烘箱(或沸水)在加熱纖維過程中需要提前預(yù)熱，導(dǎo)致熱損失較大;2)纖維懸掛在圓筒上，開始測(cè)試某根纖維時(shí)，圓筒上的纖維需要旋轉(zhuǎn)至CCD(電荷耦合器件)攝像頭正前方，這個(gè)過程纖維由靜到動(dòng)再到靜需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，導(dǎo)致CCD攝像頭采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)效率較低。本文將針對(duì)這些缺陷，在檢測(cè)裝置內(nèi)部集成紅外線加熱器進(jìn)行熱處理，避免了纖維熱處理前后的轉(zhuǎn)移，同時(shí)在檢測(cè)過程中，纖維由原先的掛在圓筒上環(huán)形排布隨圓筒旋轉(zhuǎn)改為直列排布且固定不動(dòng)，由CCD攝像頭平移進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合成纖維熱縮率檢測(cè)裝置如圖1所示。包括樣品箱、測(cè)試箱、試樣架卡板、試樣架、導(dǎo)軌、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、透明防熱隔板、紅外線加熱器、CCD攝像頭、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和排水管。樣品箱內(nèi)固裝試樣架卡板，試樣架可固定在試樣架卡板上，樣品箱底部固裝紅外線加熱器，樣品箱底部有一排水管。測(cè)試箱底部固裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌下方連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，CCD攝像頭安裝在導(dǎo)軌上，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)下，CCD攝像頭可左右往復(fù)平移。CCD攝像頭通過信號(hào)線與測(cè)試箱外的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接。樣品箱和測(cè)試箱之間為透明防熱隔板［1－2］。

圖1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of device structure

2 裝置的檢測(cè)原理

熱縮率測(cè)試前，按照 FZ/T 50004—2011《滌綸短纖維干熱收縮率試驗(yàn)方法》或GB/T 6505—2008《化學(xué)纖維長(zhǎng)絲熱收縮率試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求，首先對(duì)纖維試樣進(jìn)行熱處理前平衡，然后打開樣品箱，準(zhǔn)備預(yù)加張力夾子，試樣的預(yù)加張力F按下式來計(jì)算:

式中:F為預(yù)加張力負(fù)荷，cN;T為試樣的線密度，dtex;p為單位線密度的預(yù)加張力，cN·dtex，對(duì)于牽伸絲和纖維素纖維，p取(0.050±0.005)cN/dtex;對(duì)于變形絲，p取(0.20±0.02)cN/dtex。

取出試樣架，先將待測(cè)纖維試樣逐根懸掛到試樣架上，試樣的一端被試樣架上的上夾持器所夾持，下端夾上預(yù)加張力夾子。然后將試樣架輕輕固定在樣品箱內(nèi)試樣架卡板，蓋上罩蓋。開始測(cè)試，CCD攝像頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上平移，逐一采集熱處理前纖維試樣長(zhǎng)度信息，并將信息通過信號(hào)線導(dǎo)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

根據(jù)測(cè)試要求，選擇不同的熱處理方式處理纖維試樣，如果是干熱空氣處理，先將纖維試樣下端的預(yù)加張力夾子去掉，使纖維試樣呈松弛狀態(tài)懸掛在試樣架上，然后打開紅外線加熱器，根據(jù)不同產(chǎn)品要求，設(shè)定不同的加熱溫度和熱處理時(shí)間，熱處理時(shí)間為14～16 min。紅外線加熱器功率為1～12 kW，溫控范圍為50～300℃，紅外線波長(zhǎng)范圍在0.76～1000 μm之間。紅外線加熱器所產(chǎn)生的電磁波以光速直線傳播到達(dá)纖維表面，當(dāng)紅外線的發(fā)射頻率和纖維內(nèi)大分子運(yùn)動(dòng)的固有頻率(即紅外線的發(fā)射波長(zhǎng)和纖維內(nèi)大分子的吸收波長(zhǎng))相匹配時(shí)，引起纖維中大分子強(qiáng)烈振動(dòng)，在纖維的內(nèi)部發(fā)生激烈摩擦產(chǎn)生熱從而快速均勻地對(duì)纖維試樣進(jìn)行熱處理，熱處理結(jié)束后，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行纖維試樣熱處理后的平衡［7－8］。平衡結(jié)束后，開始測(cè)試?yán)w維熱處理后長(zhǎng)度，纖維試樣的一端被試樣架上的上夾持器所夾持，在纖維試樣下端夾上預(yù)加張力夾子。CCD攝像頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上平移，逐一采集熱處理后纖維試樣長(zhǎng)度信息，并將信息通過信號(hào)線導(dǎo)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。根據(jù)熱處理前后纖維試樣的長(zhǎng)度變化，計(jì)算熱縮率［9］。如果是沸水收縮處理，取下纖維試樣，將其呈放松狀態(tài)放入網(wǎng)袋中，在樣品箱內(nèi)注入含有質(zhì)量濃度為1g/L表面活性劑的去離子水或蒸餾水，確保試樣完全浸沒且不能碰樣品箱內(nèi)壁，然后打開紅外線加熱器，根據(jù)不同產(chǎn)品要求，設(shè)定不同的加熱溫度和熱處理時(shí)間，煮沸。加熱到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間，停止加熱，打開排水管排水，然后對(duì)纖維試樣進(jìn)行紅外線烘燥，烘燥溫度為50～160℃，時(shí)間為60 min，按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行熱處理后的平衡。平衡結(jié)束后，開始測(cè)試?yán)w維熱處理后長(zhǎng)度，再將纖維試樣逐根懸掛到試樣架上，試樣的一端被試樣架上的上夾持器所夾持，下端夾上預(yù)加張力夾子。CCD攝像頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上平移，逐一采集熱處理后纖維試樣長(zhǎng)度信息，并將信息通過信號(hào)線導(dǎo)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)［10］。根據(jù)熱處理前后纖維試樣的長(zhǎng)度變化，計(jì)算合成纖維熱縮率［1－2］。其計(jì)算公式為:

式中:S為熱收縮率，%;L0為試樣處理前的長(zhǎng)度，mm;Ls為試樣熱處理后的長(zhǎng)度，mm。

3 合成纖維熱縮率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 合成纖維干熱空氣處理熱縮率檢測(cè)

以滌綸為例，測(cè)試其在干熱空氣處理后的熱縮率，滌綸線密度為1.3 dtex，其過程如下。

1)對(duì)滌綸試樣進(jìn)行熱處理前平衡。在溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%的標(biāo)準(zhǔn)溫濕條件下進(jìn)行熱處理前平衡，平衡時(shí)間為2 h。

2)滌綸熱處理前平衡后，打開樣品箱罩蓋，按照上述標(biāo)準(zhǔn)的要求選取張力夾子，由于滌綸線密度為1.3 dtex，預(yù)加張力為0.065 cN，準(zhǔn)備0.065 cN的預(yù)加張力夾子，取出試樣架，先將10根待測(cè)纖維試樣逐根懸掛到試樣架上，纖維試樣的一端被試樣架上的上夾持器所夾持，在纖維試樣下端夾上預(yù)加張力夾子。然后將試樣架輕輕固定在樣品箱內(nèi)試樣架卡板，蓋上罩蓋。

3)CCD攝像頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上平移，逐一采集熱處理前纖維試樣長(zhǎng)度信息，并將信息通過信號(hào)線導(dǎo)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

4)將滌綸試樣下端的預(yù)加張力夾子去掉，使滌綸試樣呈松弛狀態(tài)懸掛在試樣架上，然后打開紅外線加熱器，紅外線加熱器功率為1 kW，熱處理溫度為200℃，熱處理時(shí)間為15 min。

5)熱處理結(jié)束后，在溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%的標(biāo)準(zhǔn)溫濕條件下進(jìn)行熱處理，然后平衡2 h［1－2］。

6)平衡結(jié)束后，開始測(cè)試滌綸熱處理后長(zhǎng)度，滌綸試樣的一端被試樣架上的上夾持器所夾持，在滌綸試樣下端夾上預(yù)加張力夾子，其張力負(fù)荷為0.065 cN。CCD攝像頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上平移，逐一采集熱處理后纖維試樣長(zhǎng)度信息，并將信息通過信號(hào)線導(dǎo)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

7)根據(jù)熱處理前后試樣的長(zhǎng)度變化，計(jì)算出熱縮率為8.34%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 干熱空氣處理熱縮率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results using hot air treatment

3.2 合成纖維沸水收縮處理熱縮率檢測(cè)

以錦綸為例，測(cè)試其在沸水收縮處理后的熱縮率，錦綸線密度為1.1 dtex，其過程如下。

1)對(duì)錦綸試樣進(jìn)行熱處理前平衡。在溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%的標(biāo)準(zhǔn)溫濕條件下進(jìn)行熱處理前平衡，平衡時(shí)間為2 h。

2)熱處理前平衡后，打開樣品箱罩蓋，因錦綸的線密度為1.1 dtex，預(yù)加張力為0.055 cN，準(zhǔn)備0.055 cN的預(yù)加張力夾子，取出試樣架，先將10根待測(cè)纖維試樣逐根懸掛到試樣架上，試樣的一端被試樣架上的上夾持器所夾持，下端夾上預(yù)加張力夾子。然后將試樣架輕輕固定在樣品箱內(nèi)試樣架卡板，蓋上罩蓋。

3)CCD攝像頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上平移，逐一采集熱處理前錦綸試樣長(zhǎng)度信息，并將信息通過信號(hào)線導(dǎo)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

4)取下錦綸試樣，將其呈放松狀態(tài)放入網(wǎng)袋中，在樣品箱內(nèi)注入含有質(zhì)量濃度為1 g/L表面活性劑的去離子水或蒸餾水，確保試樣完全浸沒且不能碰樣品箱內(nèi)壁，水完全沒過錦綸，然后打開紅外線加熱器，紅外線加熱器功率為1 kW，溫度為150℃，熱處理時(shí)間為30 min。

5)煮沸30 min后，停止加熱，打開排水管排水，然后將纖維試樣進(jìn)行紅外線烘燥，烘燥溫度為50℃，烘燥時(shí)間為60 min。在溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%的標(biāo)準(zhǔn)溫濕條件下進(jìn)行熱處理后平衡，平衡時(shí)間為 2 h［1－2］。

6)平衡結(jié)束后，測(cè)試錦綸熱處理后長(zhǎng)度，再將錦綸試樣逐根懸掛到試樣架上，試樣的一端被試樣架上的上夾持器所夾持，在纖維試樣下端夾上預(yù)加張力夾子，其張力負(fù)荷為0.055 cN。CCD攝像頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上平移，逐一采集熱處理后試樣長(zhǎng)度信息，并將信息通過信號(hào)線導(dǎo)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

7)根據(jù)加熱處理前后錦綸試樣的長(zhǎng)度變化，計(jì)算出熱縮率為7.33%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 沸水處理熱縮率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results using boiling water treatment

4 結(jié)論

改進(jìn)后的合成纖維熱縮率檢測(cè)裝置摒棄了現(xiàn)有檢測(cè)裝置熱處理過程和檢測(cè)過程分步導(dǎo)致合成纖維熱縮率結(jié)果不準(zhǔn)確的弊端，同時(shí)在檢測(cè)過程中纖維試樣由原來的在試樣圓筒帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)逐次檢測(cè)改為纖維試樣靜止不動(dòng)，由CCD攝像頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上平移，逐一采集纖維試樣長(zhǎng)度信息的方式，大大節(jié)約了纖維試樣由靜到動(dòng)再靜止所花費(fèi)的時(shí)間，因此其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，工作效率高，效果好，耗能低，操作簡(jiǎn)便、快速，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，具有較高的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

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