劉讓同， 李 亮， 劉淑萍， 李淑靜

(1. 中原工學(xué)院 服裝學(xué)院， 河南 鄭州 710048； 2. 紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 鄭州 710048；3. 河南省功能紡織材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 710048； 4.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 710048)

梳理是使纖維集合體中的纖維分離成單纖維狀態(tài)、達(dá)到伸直取向的主要措施之一。不同纖維的梳理性能存在差異，如何評(píng)價(jià)其梳理性能是許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前關(guān)于纖維梳理性能的探討大都從應(yīng)用層面入手，從工藝角度進(jìn)行描述，如為分析判斷梳棉機(jī)的梳理質(zhì)量，提出用梳理度、梳理力、沖擊力、轉(zhuǎn)移率等指標(biāo)進(jìn)行衡量，同時(shí)研究者指出梳理度僅可作為參考指標(biāo)，不能真實(shí)反映梳棉機(jī)實(shí)際的梳理質(zhì)量[1-2]。從工藝角度、應(yīng)用層面描述纖維的梳理性能時(shí)，由于各種因素交織在一起，易使評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生不確定性，因此，有必要從理論角度進(jìn)行審視，使梳理性能內(nèi)涵更清晰。

纖維的梳理性能與其物理力學(xué)性能密切相關(guān)[3-4]，也就是說通過纖維特性可判定其梳理性能，使問題更簡(jiǎn)化。為此，本文從材料特性入手探討纖維梳理性能的內(nèi)涵，研究纖維性能對(duì)梳理性能的影響：通過對(duì)纖維物理性能的主成分分析，提取梳理性能內(nèi)涵描述數(shù)據(jù)；通過建立梳理指數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維梳理性能的水平評(píng)價(jià)；通過梳理性能分類模型實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維梳理性能的歸屬評(píng)價(jià)。

1 梳理性能的內(nèi)涵

傳統(tǒng)的紡紗理論和實(shí)踐表明[5]，纖維的分離度、伸直度、取向度與平行度越高，越有利于后續(xù)的牽伸工藝，成紗的強(qiáng)力越高，條干越好。實(shí)際上分離伸直與取向平行不是纖維本身固有的狀態(tài)，纖維集合體中的單纖維既不分離伸直也不取向平行，且含有疵點(diǎn)和短絨，要使纖維達(dá)到這種狀態(tài)就需要依靠梳理，因此，梳理的目的就是要提高纖維集合體中各單纖維的分離度、伸直度、取向度、平行度，使纖維疵點(diǎn)、短絨率等減少。通過梳理，纖維可達(dá)到分離伸直、取向平行、低疵點(diǎn)、少短絨的狀態(tài)，這種潛質(zhì)就是纖維的梳理性能，該潛質(zhì)的發(fā)揮與纖維自身及加工條件有關(guān)，纖維梳理性能的評(píng)價(jià)是在加工條件一定時(shí)，針對(duì)纖維自身可梳理潛質(zhì)被發(fā)揮程度的描述。

纖維本身具有易卷曲、易糾纏、易斷裂的特點(diǎn)，在加工過程中易出現(xiàn)纏結(jié)、集束、斷裂成短纖維現(xiàn)象，這與紡紗要求形成了矛盾，對(duì)梳理性能內(nèi)涵的了解是解決這一矛盾的關(guān)鍵。

纖維梳理性能的內(nèi)涵可從其自身狀態(tài)和空間關(guān)系二方面進(jìn)行分析，為便于紡紗過程中纖維的運(yùn)動(dòng)，首先要求纖維之間是一種分離的狀態(tài)(第1個(gè)維度，或者叫作分離維)，這是基本目標(biāo)；其次，從纖維自身狀態(tài)上看，分離可以是單纖維狀態(tài)，也可以是束纖維狀態(tài)(第2個(gè)維度，或者叫作集束維)；同時(shí)，纖維可以是三維卷曲、成結(jié)的分離，也可以是伸直、平行的分離(第3個(gè)維度，或者叫作伸直維)；在加工過程中纖維可能被拉斷損傷(第4個(gè)維度，或者叫作梳斷維)。這4個(gè)維度可全面描述纖維在梳理過程的狀態(tài)。由此可見，梳理性能的內(nèi)涵就是使纖維形成某種狀態(tài)的能力，是分離維、集束維、伸直維和梳斷維四者的有機(jī)組合，本文定義為梳理性能內(nèi)涵4維度。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試 樣

采集到20種纖維，其規(guī)格如表1所示。

表1 纖維規(guī)格參數(shù)

注：“—”表示樣品為市購(gòu)，產(chǎn)地不詳

2.2 測(cè)試指標(biāo)和測(cè)試方法

纖維梳理過程中，梳理機(jī)件利用相鄰針面間的分梳、剝?nèi)『吞嵘饔猛瓿蓪?duì)纖維的梳理[9]，其效果取決于纖維的物理及力學(xué)性能，主要包括幾何參數(shù)、力學(xué)、靜電、表面摩擦、吸濕性等方面。測(cè)試指標(biāo)、表征符號(hào)及對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法為：截面形態(tài)系數(shù)X1通過纖維橫截面實(shí)際面積與其理論截面積之比計(jì)算得到[6-7]；扭轉(zhuǎn)截面形態(tài)系數(shù)X4為纖維不同位置的半徑與其理論半徑之比的平方和[6-8]，通過制作纖維橫截面切片，然后分別測(cè)試其面積和不同位置的半徑來實(shí)現(xiàn)；初始模量X2、相對(duì)抗彎剛度X3、相對(duì)剪切彈性X5、相對(duì)抗扭剛度X6、回復(fù)率X9、斷裂伸長(zhǎng)率X12、斷裂強(qiáng)度X13通過 Instron 5565型萬能強(qiáng)力儀測(cè)試[6-7]；質(zhì)量比電阻X7采用YG321型纖維比電阻儀測(cè)試；動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)X8用Y151型纖維摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試；線密度X10采用Y171型纖維切斷器-中段法、密度X14采用密度梯度法、回潮率X15采用烘箱法分別進(jìn)行測(cè)試[6-7]；長(zhǎng)度X11采用Y131梳片式羊毛長(zhǎng)度測(cè)定儀或大容量棉花纖維測(cè)試儀(HVI)進(jìn)行測(cè)試[6]。試樣置于溫度為(25±2)℃、相對(duì)濕度為(65±2)%的環(huán)境中調(diào)濕24 h后進(jìn)行測(cè)試[6-8]。

2.3 測(cè)試結(jié)果及其標(biāo)準(zhǔn)化

為便于統(tǒng)計(jì)分析，需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行無量綱化處理或標(biāo)準(zhǔn)化處理，本文采用min-max方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化整理[10]，即

Di=(Ti-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(1)

式中：Ti為某指標(biāo)的測(cè)試值；Tmax、Tmin分別為該測(cè)試指標(biāo)中的最大值和最小值；Di為該指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果列于表2中。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化整理后的纖維性能指標(biāo)

3 結(jié)果與討論

3.1 梳理性能內(nèi)涵因子的提取

采用主成分分析法對(duì)表2中纖維物理性能數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分提取[11-12]，其結(jié)果列于表3中。可知，纖維的物理力學(xué)性能可重新組合成多個(gè)因子，但其中第4個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.985%，也就是說取前4個(gè)因子即可代表原始變量全部?jī)?nèi)容87.985%的信息，因此，將這4個(gè)因子作為主因子取代原始變量，分別用Yl、Y2、Y3和Y4表示。

通過上述方法提取的主因子，與梳理性能4維度理論上存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，但每個(gè)因子對(duì)應(yīng)的維度還需要進(jìn)一步研究。采用旋轉(zhuǎn)成分矩陣方法探討4個(gè)主因子與各物理性能之間的關(guān)系，其結(jié)果見表4、5。

從表4可以看出，4個(gè)主因子與纖維梳理性能之間有一些可區(qū)分性的相關(guān)關(guān)系：主因子Y1與截面形態(tài)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)截面形態(tài)系數(shù)和斷裂伸長(zhǎng)率顯著正相關(guān)，與相對(duì)抗扭剛度、相對(duì)剪切彈性顯著負(fù)相關(guān)，這些特性集中反映了纖維延伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)的難易程度，與梳理時(shí)纖維分離狀態(tài)有關(guān)，因此，Y1與分離維對(duì)應(yīng)，定義為分離因子。

表3 解釋的總方差Tab.3 Explained total variance

表4 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Tab.4 Rotational Component Matrix

表5 物理性能影響成分得分系數(shù)矩陣Tab.5 Coefficient matrix of component score

根據(jù)表5得到Y(jié)1與纖維物理性能關(guān)系見式(2)。

(2)

主因子Y2與纖維線密度、斷裂強(qiáng)度、初始模量、相對(duì)抗彎剛度和長(zhǎng)度呈顯著正相關(guān)，在梳理過程中，適當(dāng)?shù)膭傂院洼^好的斷裂強(qiáng)度，有利于減少梳理機(jī)件對(duì)纖維的損傷，因此，Y2與梳斷維對(duì)應(yīng)，定義為梳斷因子，根據(jù)表5得到Y(jié)2與物理性能關(guān)系，見式(3)。

Y2=0.03X1+0.186X2+0.214X3-0.217X4+

0.012X5-0.045X6+0.053X7+0.012X8-

0.129X9+0.228X10+0.276X11-0.029X12+

0.252X13-0.06X14-0.03X15

(3)

主因子Y3與纖維的質(zhì)量比電阻、回復(fù)率、斷裂伸長(zhǎng)率、長(zhǎng)度和扭轉(zhuǎn)截面形態(tài)系數(shù)顯著正相關(guān)，與密度顯著負(fù)相關(guān)。質(zhì)量比電阻、回復(fù)率、斷裂伸長(zhǎng)率、長(zhǎng)度和扭轉(zhuǎn)截面形態(tài)系數(shù)越大，梳理時(shí)纖維容易集束，因此，Y3與集束維對(duì)應(yīng)，定義為集束因子，并根據(jù)表5得到Y(jié)3與各物理性能關(guān)系，見式(4)。

(4)

主因子Y4與纖維的回復(fù)率、斷裂伸長(zhǎng)率和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，與回潮率和密度顯著正相關(guān)。回復(fù)率、斷裂伸長(zhǎng)率和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)越大，纖維集合體中的單纖維越不易伸直取向，回潮率和密度越高，纖維越易伸直取向，因此，Y4與伸直維對(duì)應(yīng)，定義為伸直因子，根據(jù)表5得到Y(jié)4與各物理性能關(guān)系，見式(5)。

(5)

選取的4個(gè)主因子中，其中前2個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率較大，已達(dá)到60.496%，說明這4個(gè)主因子的貢獻(xiàn)率有主次順序，且這4個(gè)主因子對(duì)梳理性能的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)依次遞減的規(guī)律，因此，在一般情況下，可按主因子 1～4 的主次順序來分析評(píng)價(jià)不同纖維的可梳理性。

3.2 梳理性能內(nèi)涵因子討論

通過上述分析認(rèn)為，分離維、梳斷維、集束維和伸直維是纖維梳理性的內(nèi)涵分量。通過式(2)～(5)可對(duì)本文所選纖維試樣的梳理性能分量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果列于表6中。可看出，不同纖維的各梳理性能分量大小也有所不同。

分離因子Y1主要受截面形態(tài)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)截面形態(tài)系數(shù)、相對(duì)剪切彈性、相對(duì)抗扭剛度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響。相對(duì)抗扭剛度表示纖維產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的難易程度[7]，其值越大，纖維越不易纏結(jié)。相對(duì)剪切彈性代表纖維對(duì)剪切變形的回復(fù)程度，其值越大，纖維剪切變形中的塑性變形越少，纖維越不易纏結(jié)。鑒于纖維一般為非正圓截面，引入截面形態(tài)系數(shù)和扭轉(zhuǎn)截面形態(tài)系數(shù)，其值越大，表示纖維較易彎曲和扭轉(zhuǎn)，不易分離。斷裂伸長(zhǎng)率表示纖維承受拉伸變形的能力，變形能力強(qiáng)的纖維不易分離。在5種物理性能的綜合作用下，分離因子呈現(xiàn)如表6所示的規(guī)律，即蠶絲和棉纖維的分離因子較小，而丙綸、滌綸和粘膠纖維的分離因子較大。說明蠶絲和棉纖維在梳理時(shí)易纏結(jié)，而丙綸、滌綸和粘膠纖維易分離。

表6 梳理性分量Tab.6 Combing components

注：Z為纖維梳理性綜合評(píng)價(jià)函數(shù)。

梳斷因子Y2主要受線密度、斷裂強(qiáng)度、初始模量、相對(duì)抗彎剛度和長(zhǎng)度的影響。長(zhǎng)度和線密度是纖維的基本特征參數(shù)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，纖維越粗，斷裂強(qiáng)度越高，纖維被梳斷的概率越低。初始模量和相對(duì)抗彎剛度表示纖維抵抗變形的難易程度[7]，其值越大，纖維越不易變形，越有利于降低纖維的損傷，提高抗梳理能力。綜合上述幾個(gè)物理性能，梳斷因子呈現(xiàn)如表6所示的規(guī)律，即苧麻的梳斷因子較高，腈綸、錦綸、滌綸和蠶絲次之，粘膠纖維、細(xì)羊毛、丙綸和棉纖維較低。也就是說，粘膠纖維、細(xì)羊毛、丙綸和棉纖維在梳理時(shí)容易損傷，而苧麻不易被拉斷受損。

集束因子Y3主要受質(zhì)量比電阻、回復(fù)率、斷裂伸長(zhǎng)率、長(zhǎng)度、扭轉(zhuǎn)截面形態(tài)系數(shù)和密度的影響。質(zhì)量比電阻越大，纖維梳理時(shí)易出現(xiàn)黏結(jié)現(xiàn)象，不利于纖維分離。斷裂伸長(zhǎng)率和回復(fù)率表示纖維抵抗變形和變形回復(fù)能力，其值越高，纖維越易集束。長(zhǎng)度越長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)截面形態(tài)系數(shù)越大的纖維，越易集束，不利于分離。密度越高，越有利于纖維在梳理中的分梳、剝?nèi)?，可降低纖維集束現(xiàn)象的產(chǎn)生。綜合上述幾種物理性能，集束因子呈現(xiàn)如表6所示的規(guī)律，即錦綸6、錦綸66和柞蠶絲的集束因子較高，棉纖維的集束因子較低，說明錦綸6、錦綸66和柞蠶絲梳理過程中易發(fā)生集束，棉纖維不易發(fā)生集束。

伸直因子Y4主要受動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)、斷裂伸長(zhǎng)率、回復(fù)率、密度和回潮率的影響。纖維動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)越大，纖維間的作用力越大，越易影響纖維的取向伸直。斷裂伸長(zhǎng)率和回復(fù)率值越高，纖維越易變形，不利于纖維的伸直取向。密度越大，纖維結(jié)構(gòu)越緊密，越易伸直取向。綜合上述幾個(gè)物理性能，伸直因子呈現(xiàn)如表6所示的規(guī)律，即天絲、富強(qiáng)纖維和粘膠纖維伸直因子較高，丙綸和腈綸伸直因子較低，說明天絲、富強(qiáng)纖維和纖維粘膠梳理時(shí)容易伸直取向，而丙綸和腈綸不易伸直取向。

經(jīng)過分析可知，纖維梳理時(shí)，分離因子Yl、梳斷因子Y2、伸直因子Y4越大，纖維越易分離和伸直，不易出現(xiàn)梳斷，這對(duì)梳理是有益的，即分離因子、梳斷因子、伸直因子與梳理性呈正相關(guān)；而集束因子Y3越大，纖維越易集束，而不易分離，這對(duì)梳理是不利的，說明集束因子與梳理性呈負(fù)相關(guān)。

3.3 梳理性指數(shù)及分類模型

根據(jù)上述分析，可用Yl、Y2、Y3和Y4來描述纖維的梳理性，以各項(xiàng)主因子對(duì)應(yīng)的特征值占總特征值的比例(即累積貢獻(xiàn)率)為權(quán)重[11]，對(duì)4個(gè)主因子進(jìn)行加權(quán)求和，可得到纖維梳理性綜合評(píng)價(jià)函數(shù)Z，稱其為梳理性指數(shù)，其計(jì)算方法如式(6)所示。

Z=Y1f1+Y2f2+…+Ymfm

(6)

按照4個(gè)主因子與梳理性能的相關(guān)關(guān)系，在集束因子Y3前加負(fù)號(hào)，可得：

(7)

基于該定義可知，梳理性指數(shù)越大，纖維的梳理性能越好。通過式(7)可對(duì)每個(gè)試樣的梳理性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果列于表6中。不難發(fā)現(xiàn)，梳理性指數(shù)可反映不同纖維的梳理性能水平，相對(duì)而言，苧麻的梳理性指數(shù)較高，蠶絲類纖維較低；且大多數(shù)纖維的梳理性指數(shù)為負(fù)，說明纖維梳理都是有難度的。

從表6中Z值大小可得到不同纖維的梳理性指數(shù)分布，針對(duì)本文的纖維樣品，其梳理性從易到難可分為5類：Ⅰ類(苧麻等：7#)、Ⅱ類(天絲、滌綸、粘膠纖維等：13#、12#、15#和14#)、Ⅲ類(維綸、錦綸、丙綸等：16#、20#、17#和19#)、Ⅳ類(各種棉纖維、羊毛等：5#、4#、3#、6#、1#、2#和18#)和Ⅴ類(桑蠶絲、柞蠶絲等：8#、11#、9#和10#)。該分類所表現(xiàn)的纖維梳理難易程度與實(shí)際紡紗梳理是吻合的，因此，可實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維梳理性能的分類歸屬及水平評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

1)提出了纖維梳理性能內(nèi)涵的4個(gè)維度，其與纖維物理性能提取的主成分具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，梳理性能的內(nèi)涵為分離維、梳斷維、集束維和伸直維的有機(jī)組合。研究表明，分離維、梳斷維、伸直維與梳理性能呈正相關(guān)，集束維與梳理性能呈負(fù)相關(guān)。

2)建立梳理性4維度分量與纖維物理性能之間的相關(guān)關(guān)系，闡述了不同纖維梳理性存在差異的內(nèi)因。以主因子累積貢獻(xiàn)率為權(quán)重，建立可梳理性指數(shù)的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同纖維梳理性能的水平評(píng)價(jià)，梳理性指數(shù)值越大越有利于梳理。

3)提出了纖維梳理性分類模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維梳理性能的分類歸屬，提出了與梳理實(shí)踐吻合良好、從易到難的纖維梳理性能分類實(shí)例。

FZXB

參考文獻(xiàn)：

[1] 王學(xué)元. 梳理度與梳理強(qiáng)度的探析[J]. 紡織器材，2014, 41(1): 55-59.

WANG Xueyuan. My view on the carding extent and carding intension [J]. Textile Accessories, 2014, 41(1): 55-59.

[2] 謝家祥. 關(guān)于梳棉幾個(gè)梳理參數(shù)的分析[J]. 棉紡織技術(shù)，2017, 45(2): 19-24.

XIE Jiaxiang. Analysis of several carding para-meters[J]. Cotton Textile Technology, 2017, 45(2): 19-24.

[3] 吳俊. 再生纖維梳理紡紗性能[J]. 紡織學(xué)報(bào)，1989, 10(9): 43-45.

WU Jun. Spinning property of recycled fiber [J]. Journal of Textile Research, 1989, 10(9): 43-45.

[4] 李新榮, 蔣秀明, 楊建成, 等. 基于纖維斷裂的棉精梳機(jī)“柔性精梳”分析[J]. 紡織學(xué)報(bào)，2013, 34(9): 130-133.

LI Xinrong, JIANG Xiuming, YANG Jiancheng, et al. Analysis of "soft combing" of cotton comber based on fiber breakage [J]. Journal of Textile Research, 2013, 34(9): 130-133.

[5] 倪士敏. 梳棉梳理工藝研究[J]. 棉紡織技術(shù)，2011,39(8)：1-4.

NI Shimin. Research of carding processing in carding process [J]. Cotton Textile Technology, 2011, 39(8): 1-4.

[6] 余序芬, 鮑燕萍, 吳兆平, 等. 紡織材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)紡織出版社，2012: 56-72.

YU Xufen, BAO Yanping, WU Zhaoping, et al. Experimental Technology of Textile Materials [M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 2012: 56-72.

[7] 于偉東. 紡織材料學(xué) [M]. 北京：中國(guó)紡織出版社, 2006: 41-53.

YU Weidong. Textile Materials [M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 2006: 41-53.

[8] 聶毓琴, 孟廣美. 材料力學(xué)[M]. 北京：中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社，2003: 60-61.

NIE Yuqin, MENG Guangmei. Materials Mecha-nics [M]. Beijing: China Mechanical Industry Press, 2003: 60-61.

[9] 任家智, 許瑞超, 李營(yíng)建. 紡紗原理[M]. 北京：中國(guó)紡織出版社，2002: 39-50.

REN Jiazhi, XU Ruichao, LI Yingjian. Principle of Spinning [M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 2002: 39-50.

[10] 張紅坡, 張海峰. SPSS統(tǒng)計(jì)分析實(shí)用寶典[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2012: 27-38.

ZHANG Hongpo, ZHANG Haifeng. Booklet of SPSS on Statistics and Analysis [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2012:27-38.

[11] 劉讓同，田廣菓，劉淑萍，等. 假發(fā)審美物性及其評(píng)價(jià)[J]. 服裝學(xué)報(bào)，2017, 2(4): 283-287.

LIU Rangtong，TIAN Guangguo，LIU Shuping，et al. Aesthetic property of wig and its evaluation[J]. Journal of Clothing Research, 2017, 2(4): 283-287.

[12] 茍捷, 劉建立, 高衛(wèi)東. 應(yīng)用主成分分析的原棉可紡性指數(shù)構(gòu)建[J]. 紡織學(xué)報(bào)，2015, 36(8): 16-21.

GOU Jie，LIU Jianli，GAO Weidong. Construction of raw cotton spinnability index based on principal component analysis [J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(8): 16-21.