崔 紅 ， 高秀麗 ， 林洪芹 ， 高大偉， 呂立斌

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224000； 2. 河南工程學(xué)院， 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

纖維力學(xué)性能對(duì)自捻紗線自捻程度的影響

崔 紅1， 高秀麗2， 林洪芹1， 高大偉1， 呂立斌1

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224000； 2. 河南工程學(xué)院， 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

為研究纖維力學(xué)性能對(duì)自捻紗線自捻程度的影響，根據(jù)自捻形成過(guò)程的總應(yīng)變能守恒推導(dǎo)出自捻捻回角和纖維抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)系。結(jié)果分析表明：纖維抗彎剛度越大，自捻紗線的自捻捻回角越??；纖維扭轉(zhuǎn)剛度越大，則自捻紗線的自捻捻回角越大；自捻捻回角的大小和纖維的扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度之比成正比，即隨著纖維扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度之比的增大，自捻捻回角增大，所加自捻捻回?cái)?shù)增多。通過(guò)對(duì)苧麻、滌綸、腈綸、羊毛4種纖維所紡的自捻紗線的半周期捻回?cái)?shù)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了上述關(guān)系并得出結(jié)論：羊毛和腈綸紡紗時(shí)所得自捻捻回?cái)?shù)較多，較適合采用自捻紡紗方式進(jìn)行紡紗；而滌綸和苧麻所加自捻捻回?cái)?shù)較少，不太適合采用自捻紡紗方式開(kāi)發(fā)紡織品。

自捻； 總應(yīng)變能； 捻回角； 抗彎剛度； 扭轉(zhuǎn)剛度

自捻紡紗是一種新型紡紗形式[1-2]，自捻紗線的特點(diǎn)是存在3種紗段：有捻-有捻紗段，有捻-無(wú)捻紗段和無(wú)捻-無(wú)捻紗段[3-4]，其中有捻-有捻紗段形成紗線的強(qiáng)捻區(qū)，有捻-無(wú)捻紗段和無(wú)捻-無(wú)捻紗段形成紗線的弱捻區(qū)。自捻紗線就是由強(qiáng)捻區(qū)或弱捻區(qū)交替周期性出現(xiàn)，在紗線上形成一段S捻一段Z捻其間間隔弱捻區(qū)的紗線結(jié)構(gòu)。自捻紗線的捻度是衡量自捻紗線結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)，早在20世紀(jì)70年代Walls[5]就推導(dǎo)出了自捻捻度分布函數(shù)的公式，在此基礎(chǔ)上，由于自捻紡紗從自捻羅拉至匯合鉤匯合方式經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次的演變，故幾種不同匯合方式的捻度分布函數(shù)、不同匯合方式的捻度分布以及通過(guò)2種不同捻度分布函數(shù)計(jì)算方法所得到的自捻紗線的捻度等內(nèi)容得到了研究并取得了一定的結(jié)果[4,6]。自捻捻度分布函數(shù)公式中建立了自捻捻度和紗線周長(zhǎng)、自捻羅拉往復(fù)運(yùn)動(dòng)動(dòng)程、前羅拉鉗口與自捻羅拉鉗口線距離以及自捻羅拉鉗口與匯合鉤之間的距離等之間的數(shù)量關(guān)系，但是沒(méi)有具體反映出自捻捻度與原料性能之間的關(guān)系。紡紗方法決定紗線結(jié)構(gòu)，而紗線結(jié)構(gòu)本身又由原料的性能和加捻方式所決定[7-8]。自捻紡紗的成紗原理是由一對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的自捻羅拉在紗線輸出的同時(shí)對(duì)2根紗線同時(shí)進(jìn)行搓捻，纖維條在獲得捻度的同時(shí)在2根纖維條內(nèi)部積聚了彎曲應(yīng)變能和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能，還包括由于纖維條張力產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變能，當(dāng)2根纖維條在匯合鉤處匯合，并且2根纖維條存在周向約束時(shí)，儲(chǔ)存在2根纖維條中的應(yīng)變能開(kāi)始釋放，轉(zhuǎn)變成自捻紗線的拉伸應(yīng)變能、彎曲應(yīng)變能和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能，在成紗前后，根據(jù)能量守恒定理，總應(yīng)變能保持不變[9-10]，所以自捻形成的過(guò)程和纖維原料本身的力學(xué)性能如彎曲和扭轉(zhuǎn)是息息相關(guān)的。

纖維原料不同，原料本身的扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度不同，所形成的自捻捻度大小不同，最終會(huì)造成自捻紗線斷裂強(qiáng)度的差異，為此，本文研究了原料的力學(xué)性能包括扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度對(duì)自捻捻度的影響，對(duì)研究不同纖維原料是否適合自捻紡紗，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有非常重要的意義。

1 原料性能和實(shí)驗(yàn)安排

纖維原料選用羊毛、滌綸、腈綸和苧麻。其基本性能如長(zhǎng)度、線密度和斷裂強(qiáng)度如表1所示。

表1 纖維原料性能指標(biāo)Tab. 1 Fiber properties

將上述4種不同的纖維原料采用相同的自捻紡紗工藝紡制50 tex自捻紗線。通過(guò)測(cè)試自捻紗線半周期長(zhǎng)度上的捻回?cái)?shù)得到不同纖維原料自捻程度的大小。自捻紗線半周期長(zhǎng)度上的捻回?cái)?shù)采用直接退捻法在Y331A型紗線捻度儀上進(jìn)行測(cè)試。每種紗線的捻回?cái)?shù)取10組數(shù)據(jù)的平均值。

2 自捻程度分析

自捻程度指的是紗條受到搓捻后發(fā)生自捻的程度，用自捻的捻回角(Q)表示，捻回角越大，說(shuō)明自捻程度越高，自捻捻回?cái)?shù)越多；反之，捻回角越小，自捻程度越低，自捻捻回?cái)?shù)越少。

由于自捻過(guò)程遵循能量守恒定律，紗條先經(jīng)過(guò)搓捻后發(fā)生自捻，在搓捻的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生紗條的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)，相應(yīng)的能量如拉伸應(yīng)變能、彎曲應(yīng)變能和剪切應(yīng)變能(扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生)構(gòu)成總應(yīng)變能積聚在自捻紗條中，積聚的能量會(huì)促使自捻發(fā)生，自捻完成后，總應(yīng)變能不變，并達(dá)到最小值。

如果將自捻紗條中的1根纖維視為等直圓桿，等直圓桿的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)會(huì)使纖維產(chǎn)生變形。

纖維由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切應(yīng)變能Sj可表示為

(1)

式中：G為纖維的剪切模量；Ip為纖維截面極慣性矩；L為纖維的長(zhǎng)度；φsp為扭轉(zhuǎn)角度。

又φsp=2πTsp

(2)

式中Tsp為自捻股線中的紗條捻度。

將式(2)代入式(1)得

(3)

纖維由于拉伸產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變能Sl可表示為

(4)

式中：FN為拉伸應(yīng)力；E為纖維模量；A為纖維截面積。

又FN=Eεsp

(5)

式中εsp為紗條中的纖維伸長(zhǎng)。

εsp=secQ-1

(6)

將式(5)、(6)代入式(4)得

(7)

式中R為纖維橫截面的半徑。

纖維由于彎曲產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變能Sw可表示為

(8)

式中：I為纖維截面慣性矩；K為纖維彎曲曲率。

(9)

式中Rp為自捻紗線的半徑。

將式(9)代入式(8)得

(10)

纖維扭轉(zhuǎn)、拉伸、彎曲所產(chǎn)生的總應(yīng)變能(Sfz)為上述3種應(yīng)變能之和。

Sfz=Sj+Sl+Sw=

(11)

(12)

將式(12)代入式(11)得

(13)

紗條長(zhǎng)度L0時(shí)，紗條中纖維總根數(shù)M為

(14)

式中：V0為紗條長(zhǎng)度L0時(shí)紗條體積；Vf為纖維體積；rf為纖維半徑；lf為纖維長(zhǎng)度。

由于纖維扭轉(zhuǎn)、拉伸、彎曲集聚能量形成自捻紗的總應(yīng)變能SZ為

(15)

當(dāng)自捻完成時(shí)，自捻紗的總應(yīng)變能達(dá)到最小值，此時(shí)，求自捻紗的總應(yīng)變能相對(duì)于捻回角的導(dǎo)數(shù)，排除cosQ=1，Q=0的情況，得到：

(16)

3 纖維力學(xué)性能對(duì)自捻程度的影響

3.1纖維的抗彎剛度

纖維在受到外力作用時(shí)抵御纖維形狀進(jìn)行彎曲的能力叫做纖維抗彎剛度Rf[7]。纖維抗彎剛度Rf由公式表示為

1）微機(jī)繼電保護(hù)裝置具有4相電壓3相電流輸出的功能特點(diǎn)，能夠方便進(jìn)行各種組合輸出，進(jìn)行各種類(lèi)型保護(hù)試驗(yàn)；

Rf=EI

(17)

如果將纖維抗彎剛度換算成與1tex相同線密度時(shí)的抗彎剛度，叫做纖維相對(duì)抗彎剛度Rfr。

(18)

式中：ηf為纖維彎曲時(shí)的截面形狀系數(shù)，且ηf<1；ρ為纖維密度。

4種纖維的相對(duì)抗彎剛度如表2所示。由表可知，苧麻纖維、滌綸、腈綸、羊毛纖維的相對(duì)抗彎剛度按照從大到小的順序表示為：苧麻>滌綸>腈綸>羊毛。

表2 纖維原料的力學(xué)性能Tab. 2 Fibers′ mechanical properties

3.2 纖維的扭轉(zhuǎn)剛度

纖維在受到外力作用時(shí)抵御纖維形狀進(jìn)行扭轉(zhuǎn)的能力叫做纖維扭轉(zhuǎn)剛度Rt[7]。纖維扭轉(zhuǎn)剛度Rt由式(19)表示為

Rt=GIp

(19)

如果將纖維扭轉(zhuǎn)剛度換算成相同線密度如1tex時(shí)的扭轉(zhuǎn)剛度，叫做纖維相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度Rtr。

(20)

式中ηt為纖維扭轉(zhuǎn)時(shí)的截面形狀系數(shù)。

4種纖維的相對(duì)扭轉(zhuǎn)性能見(jiàn)表2。由表可知，苧麻纖維、滌綸、腈綸、羊毛纖維的相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度按照從大到小的順序表示為羊毛>苧麻>腈綸>滌綸。3.3 自捻程度與纖維力學(xué)性能的關(guān)系

由式(16)得：

(21)

由式(21)可明顯看出，表示自捻程度的捻回角Q與纖維的力學(xué)性能包括抗彎剛度Rf和扭轉(zhuǎn)剛度Rt的關(guān)系。捻回角Q隨著纖維扭轉(zhuǎn)剛度Rt的增大而增大，隨著纖維抗彎剛度Rf的增大而減小。從而進(jìn)一步可得到，纖維扭轉(zhuǎn)剛度Rt和抗彎剛度Rf之間的比值與表示自捻程度的捻回角Q成正比。分別計(jì)算苧麻纖維、羊毛、滌綸、腈綸扭轉(zhuǎn)剛度Rt和抗彎剛度Rf之比，再分別紡制50 tex苧麻、羊毛、滌綸、腈綸的純紡自捻紗線，并測(cè)量各自捻紗線半周期長(zhǎng)度上自捻捻回?cái)?shù)，得到上述4種不同纖維原料扭轉(zhuǎn)剛度Rt和抗彎剛度Rf的比值與半周期長(zhǎng)度110 mm上的捻回?cái)?shù)對(duì)應(yīng)值之間的關(guān)系，結(jié)果如表3所示。4種不同纖維原料扭轉(zhuǎn)剛度Rt和抗彎剛度Rf的比值按照從大到小的順序依次為：羊毛>腈綸>滌綸>苧麻。通過(guò)測(cè)試半周期長(zhǎng)度上的捻回?cái)?shù)大小，自捻捻回?cái)?shù)從大到小的順序?yàn)檠蛎?、腈綸、滌綸、苧麻，與理論分析結(jié)果一致。由此可見(jiàn)，滌綸和苧麻由于所加自捻捻回?cái)?shù)較少，考慮到成紗強(qiáng)力等問(wèn)題，一般不考慮采用自捻紡紗這種型式開(kāi)發(fā)紡織品。而羊毛和腈綸更加適合采用自捻紡紗型式。

表3 自捻紗線半周期捻回?cái)?shù)與力學(xué)性能的關(guān)系Tab. 3 Relationship between twist number on half cycle length and fiber mechanical properties

4 結(jié) 論

運(yùn)用自捻紡紗過(guò)程的應(yīng)變能守恒定理，推導(dǎo)出自捻捻回角Q與纖維力學(xué)性能之間關(guān)系的計(jì)算公式。公式表明自捻紗線的自捻程度(捻回角Q的大小)與纖維的抗彎剛度Rf和扭轉(zhuǎn)剛度Rt有關(guān)，纖維的抗彎剛度Rf越大，紗線的自捻捻回角越小；纖維的扭轉(zhuǎn)剛度Rt越大，紗線的自捻捻回角越大。自捻捻回角Q的大小和纖維的扭轉(zhuǎn)剛度Rt和抗彎剛度Rf之比成正比，即隨著纖維的扭轉(zhuǎn)剛度Rt和抗彎剛度Rf之比的增大，自捻捻回角增大，自捻紗線的半周期捻回?cái)?shù)越多。通過(guò)對(duì)苧麻、滌綸、腈綸、羊毛4種纖維紡制50 tex自捻紗線測(cè)試其半周期長(zhǎng)度上的捻回?cái)?shù)發(fā)現(xiàn)，羊毛的扭轉(zhuǎn)剛度Rt和抗彎剛度Rf的比值最大，所紡自捻紗線半周期捻回?cái)?shù)最多，苧麻的扭轉(zhuǎn)剛度Rt和抗彎剛度Rf的比值最小，所紡自捻紗線半周期捻回?cái)?shù)最少。羊毛和腈綸較適合采用自捻紡紗方式紡紗，而滌綸和苧麻則不太適合采用自捻紡紗方式進(jìn)行紡織品開(kāi)發(fā)。

FZXB

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Effect of fiber mechanical properties on twisting degreeof self-twist yarn

CUI Hong1, GAO Xiuli2, LIN Hongqin1, GAO Dawei1, Lü Libin1

(1. College of Textiles and Clothing, Yancheng Institute of Technology, Yancheng, Jiangsu 224000, China;2. College of Textiles, Henan University of Engineering, Zhengzhou, Henan 450007, China)

In order to study the effect of fiber mechanical properties on twisting degree of self twist yarn, and the relationship formula between the twist angle and fiber bending stiffness, torsional stiffness is derived from the conservation of total strain energy during the process of self-twist spinning. The formula shows that the larger bending stiffness has the smaller twist angle and the bigger torsional stiffness has the larger twist angle. So the size of the twist angle is proportional to the radio of fiber torsional stiffness and bending stiffness, namely with the ratio of fiber torsional stiffness and bending stiffness raises, twist angle increases, and the number of the self-twist twists is greater. By testing the number of the self-twist yarn twists respectively spun from ramie, polyester, acrylic and wool, the above relationship is verified and the conclusion can be drawn as: wool and acrylic are more suitable for self-twist yarn by self-twist spinning with greater self-twists number, but polyester and ramie are not suitable for textile development by self-twist spinning with smaller self-twists number.

self-twist; total strain energy; twist angle; bending stiffness; torsional stiffness

10.13475/j.fzxb.20150201804

2015-02-09

2016-03-02

江蘇省高校自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(15KJB430032)；鹽城市2014年度農(nóng)業(yè)科技指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(YKN2014017)；鹽城工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目(KJC2014012)

崔紅(1972—)，女，高級(jí)工程師，博士。主要研究方向?yàn)榧徏喸砑皯?yīng)用。E-mail:cuih72@163.com。

TS 134.7

A