楊瑞華， 韓瑞葉， 徐亞亞， 薛 元， 王鴻博， 高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡是一種新型紡紗技術(shù)，有數(shù)碼印花的功效，可使幾種顏色或幾種類(lèi)別的纖維沿紗線(xiàn)縱向混合且混紡比例在線(xiàn)可控，實(shí)現(xiàn)不同組分混紡或者不同顏色纖維混色的紗線(xiàn)柔性化生產(chǎn)。這種紡紗技術(shù)打破了傳統(tǒng)紡紗單根棉條喂入、紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)單一的局限性，主要依靠可編程邏輯控制器(PLC)控制程序和異步喂入裝置實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)的在線(xiàn)可控。在數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)中經(jīng)異步喂入裝置分別獨(dú)立控制多根纖維條的喂入速度，實(shí)現(xiàn)各纖維條的混紡比例在紗線(xiàn)縱向上的隨時(shí)變化，從而改變紗條的顏色或種類(lèi)，能夠紡制多色彩、多組分、多線(xiàn)密度紗線(xiàn)，大大豐富了紗線(xiàn)品種，滿(mǎn)足現(xiàn)代人個(gè)性時(shí)尚的生活需求[1]。

色紡紗是將多色纖維均勻混合后紡制的紗線(xiàn)，用其生產(chǎn)的紡織品與染色產(chǎn)品相比，色彩活潑生動(dòng)，空間立體感強(qiáng)[2]。數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡混色紗的生產(chǎn)過(guò)程不同于傳統(tǒng)色紡紗的生產(chǎn)流程。傳統(tǒng)色紡紗生產(chǎn)過(guò)程中在前紡工序完成纖維的混合，不同顏色的散纖維或條子首先按照一定比例搭配，通過(guò)工藝調(diào)整控制條干不勻、棉結(jié)和短絨率等，在確保纖維混合程度達(dá)到要求后成條或者成粗紗，通過(guò)細(xì)紗機(jī)紡制成紗，其產(chǎn)品遠(yuǎn)看是素色，近看是彩色，給人以夢(mèng)幻感[3-4]。數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡生產(chǎn)混色紗時(shí)纖維混合在細(xì)紗工序完成，不同顏色的纖維條通過(guò)喂入機(jī)構(gòu)控制喂入速度實(shí)現(xiàn)混紡比例的控制，經(jīng)分梳輥梳理混合后的纖維流在高速回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)并合加捻成紗，這種色紡紗受混合比例、喂入位置、纖維條捻度、分梳輥轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速多種因素的影響，成紗結(jié)構(gòu)(如紗線(xiàn)條干、纖維混合均勻度等)與傳統(tǒng)色紡紗不同。纖維的均勻混合是色紗生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)之一[5]，有必要對(duì)這種新結(jié)構(gòu)紗線(xiàn)的纖維混合特征做詳細(xì)研究。

現(xiàn)有對(duì)纖維在紗線(xiàn)中混合程度的研究主要集中在不同種類(lèi)纖維的混紡生產(chǎn)，依據(jù)漢密爾頓指數(shù)分析不同性質(zhì)、不同種類(lèi)纖維在紗線(xiàn)徑向的分布規(guī)律[6-8]，或者研究某種新型紡紗技術(shù)下纖維的徑向分布規(guī)律[9]。在色紡領(lǐng)域，通過(guò)條干間接控制纖維混合均勻度，然后依據(jù)紡織品色差來(lái)判斷產(chǎn)品是否滿(mǎn)足要求[10]，很少以漢密爾頓指數(shù)定量分析有色纖維的混合情況。本文主要依據(jù)漢密爾頓指數(shù)研究數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡純棉色紗中不同顏色纖維的混合情況，借助切片儀、顯微鏡觀察紗線(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)，計(jì)算纖維漢密爾頓指數(shù)，分析喂入位置和喂入比例對(duì)數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡紗中有色纖維混合程度的影響，研究數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡混色紗中有色纖維的混合規(guī)律。

1 數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)

數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡結(jié)合了數(shù)碼紡與轉(zhuǎn)杯紡成紗特點(diǎn)，在保證成紗速度的情況下實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)混紡比/線(xiàn)密度在線(xiàn)控制和成紗結(jié)構(gòu)多元化。圖1為數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡成紗流程圖。3個(gè)喂入羅拉速度可任意配置，是實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)多樣化的主要機(jī)構(gòu)。不同種類(lèi)或不同顏色的粗紗由3個(gè)羅拉1、2、3分別獨(dú)立控制喂入，集棉裝置4控制纖維條的運(yùn)動(dòng)方向，使3根纖維條在集合喂入羅拉5前匯集，由高速分梳輥6剝?nèi)　⒒旌虾蟮睦w維流進(jìn)入梳棉通道7，短絨、雜質(zhì)由排雜通道8排除，纖維流經(jīng)梳棉通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯9并合加捻成紗，紗線(xiàn)由引紗羅拉10引出，卷繞羅拉11將引出的紗線(xiàn)繞在筒子上。

1,2,3—喂入羅拉；4—集棉裝置；5—集合喂入羅拉；6—分梳輥；7—梳棉通道；8—排雜通道；9—轉(zhuǎn)杯；10—引紗羅拉；11—卷繞羅拉。圖1 數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡成紗流程圖Fig.1 Digital rotor spinning process

2 漢密爾頓指數(shù)及其計(jì)算

在漢密爾頓指數(shù)M計(jì)算過(guò)程中，以纖維在紗線(xiàn)中的分布矩為基礎(chǔ)，求某種纖維向內(nèi)或向外轉(zhuǎn)移的分布參數(shù)，主要表達(dá)纖維徑向分布情況，也可用以說(shuō)明纖維混合均勻度。M值一般在-100%～100%之間。M值大于零，表示纖維有向外轉(zhuǎn)移趨勢(shì)；M值小于零，表示纖維有向內(nèi)轉(zhuǎn)移趨勢(shì)。M絕對(duì)值的大小，表示纖維發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移的程度。M的絕對(duì)值越大，纖維轉(zhuǎn)移越明顯；M的絕對(duì)值越小，纖維混合越均勻[11-14]。

本文以三原色棉紗為例，介紹紅色纖維A的漢密爾頓指數(shù)計(jì)算步驟。

1)制作紗截面等分同心圓。攝取顯微鏡下紗線(xiàn)橫截面切片圖像，在繪圖軟件(PS)中按照?qǐng)D像確定紗外輪廓的圓形或橢圓形邊界，再確定紗心，五等分輪廓邊界的半徑，作外輪廓同心圓或同心橢圓，截面被分割成5個(gè)纖維層，從紗心到外邊界依次計(jì)為第1層、第2層、……、第5層。圖2示出三原色棉紗截面等分同心圓示意圖；圖3示出各層纖維分布示意圖。

2)點(diǎn)數(shù)各層色纖維根數(shù)nAi、nBi、nCi(nAi表示第i層紅色纖維根數(shù)；nBi表示第i層黃色纖維根數(shù)；nCi表示第i層藍(lán)色纖維根數(shù))，計(jì)算各色纖維的實(shí)際占有橫截面積。在點(diǎn)數(shù)纖維根數(shù)時(shí)，部分纖維分布在纖維層界線(xiàn)上，此時(shí)以纖維橫截面積的1/2為界，纖維橫截面積大于或等于1/2時(shí)計(jì)數(shù)為1，否則計(jì)數(shù)為0。在計(jì)算纖維的實(shí)際占有橫截面積時(shí)，需對(duì)纖維根數(shù)與纖維平均截面積求積。本文研究的三原色棉紗只含有1種纖維，各色纖維的平均截面積相等，可簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，設(shè)定棉纖維平均截面積為1，則各色纖維的實(shí)際占有截面積為纖維根數(shù)。

圖2 三原色棉紗截面等分同心圓Fig.2 Three primary colors of cotton yarn cross-section concentric circles

圖3 各層纖維分布示意圖Fig.3 Distributions of various fiber layers

3)按照式(1)計(jì)算紅色纖維A的實(shí)際面積分布一次矩：

SA=-2nA1-nA2+nA4+2nA5

(1)

4)按照式(2)計(jì)算紅色纖維A的均勻分布一次矩：

(2)

式中：nA為5層紅色纖維總根數(shù)；ni為第i層所有色纖維總根數(shù)；n為紗線(xiàn)截面所有色纖維總根數(shù)。

5)比較3)、4)結(jié)果，若式(3)成立，則紅色纖維A優(yōu)先向內(nèi)層分布，將所有紅色纖維依次填滿(mǎn)第1層、第2層、……，至所有紅色纖維填完，依照紅色纖維新的分布情況，計(jì)算紅色纖維A的最大向內(nèi)分布一次矩Sin；若式(4)成立，則紅色纖維A優(yōu)先向外層分布，將所有紅色纖維依次填滿(mǎn)第5層、第4層、……，至所有紅色纖維填完，依照紅色纖維新的分布情況計(jì)算紅色纖維最大向外分布一次矩Sout。Sin和Sout按式(1)計(jì)算。

6)計(jì)算紅色纖維A的漢密爾頓指數(shù)M。若式(3)成立，按式(5)計(jì)算；若式(4)成立，按式(6)計(jì)算。

SU-SA>0

(3)

SU-SA<0

(4)

(5)

(6)

黃色纖維、藍(lán)色纖維的漢密爾頓指數(shù)計(jì)算過(guò)程與紅色纖維相同。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為定量研究數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡色紗中纖維的混合情況，在數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)上紡制5種紗線(xiàn)，在每種紗線(xiàn)上隨機(jī)取10段紗線(xiàn)，用Y172型哈氏切片儀為每段紗制作1個(gè)清晰的橫截面切片，共計(jì)50個(gè)。將紗線(xiàn)截面切片在VHX-5000型超景深顯微鏡下放大600倍，并保存截面圖像，按照漢密爾頓指數(shù)計(jì)算步驟處理圖片并點(diǎn)數(shù)各層纖維根數(shù)，計(jì)算各纖維的漢密爾頓指數(shù)M。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以定量為4 g/10 m的紅、藍(lán)、黃三色棉粗紗為原料，按表1所示工藝紡制紗線(xiàn)。

表1 紡紗工藝Tab.1 Spinning process

注：“”表示無(wú)喂入。

3.3 切片制作

制作切片時(shí)，先在紗線(xiàn)表面涂薄層火棉膠，干燥后以適量羊毛包覆紗線(xiàn)，將羊毛及其中間紗線(xiàn)一起放入Y172型哈氏切片凹槽，插入配套金屬板，稍微施加壓力后，用手輕扯羊毛，纖維束有輕微移動(dòng)即可，否則通過(guò)增減羊毛纖維量調(diào)整。裝好纖維后，左手緊握切片器兩端，右手理順伸在切片器凹槽外側(cè)的纖維，然后用鋒利刀片緊貼切片器表面快速切掉伸出凹槽外側(cè)的纖維。安裝切片器的緊密螺絲，并輕輕旋轉(zhuǎn)螺絲，待纖維束稍微伸出金屬板表面，涂1層火棉膠，待干燥后切取第1個(gè)截面試樣，第1個(gè)切片的薄厚不好掌握，一般丟棄不用。再次旋轉(zhuǎn)螺絲，一般旋轉(zhuǎn)1格左右為宜，輕而快涂火棉膠，待剛剛干燥，快速切取切片，切片時(shí)發(fā)力要均勻，保證切片薄厚均勻，便于觀察紗線(xiàn)截面。將切片置于滴有甘油的載玻片上，用蓋玻片壓平，在顯微鏡下觀察截面。若得到截面清晰圖像，保存圖片，若截面不清晰，重復(fù)上述旋轉(zhuǎn)螺絲的切片步驟，直至得到清晰的紗線(xiàn)截面，換裝另一段紗線(xiàn)繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，共攝取50段紗線(xiàn)的橫截面圖像。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 漢密爾頓指數(shù)分析

在成功攝取50段紗線(xiàn)橫截面圖像后，計(jì)算各截面纖維的漢密爾頓指數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 各纖維的漢密爾頓指數(shù)Tab.2 Hamiltonian indices of fibers %

表2中，1#～4#紗是黃藍(lán)二色混紡紗，這4種紗線(xiàn)的成紗條件相同，只有混紡比例不同。以黃色纖維為研究對(duì)象，比較4種混紡比例下纖維的漢密爾頓指數(shù)均值發(fā)現(xiàn)：隨著纖維含量的增加，漢密爾頓指數(shù)先減小后增大；混合比例為50%時(shí)，漢密爾頓指數(shù)均值較小，為2.79%；在黃色纖維含量為10%、30%和70%時(shí)，漢密爾頓指數(shù)均值較大。數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡?fù)ㄟ^(guò)異步喂入實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維混合比例的控制，由于這種特殊的混合、梳理和并合效應(yīng)，當(dāng)有色纖維比例相近時(shí)，纖維在紗線(xiàn)中的混合更加均勻。但表2中漢密爾頓指數(shù)的離散系數(shù)較大，這說(shuō)明漢密爾頓指數(shù)的均值對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表性不強(qiáng)烈，混紡比對(duì)纖維混合均勻度的影響不顯著。在一般紡紗條件下，由混紡比引起的混合不勻可忽略不計(jì)。

5#紗是紅藍(lán)黃三色混紡紗，紅、藍(lán)和黃顏色的3種粗紗分別喂入左、中和右喂入羅拉，混紡比例約為1∶1∶1。各粗紗的規(guī)格和牽伸倍數(shù)相同。比較5#紗中3種纖維的漢密爾頓指數(shù)均值，結(jié)果顯示：藍(lán)色纖維對(duì)應(yīng)數(shù)值最小，紅色纖維對(duì)應(yīng)數(shù)值為正，黃色纖維對(duì)應(yīng)數(shù)值為負(fù)。這表示左邊羅拉喂入的纖維有向外轉(zhuǎn)移趨勢(shì)，右邊羅拉喂入的纖維有向內(nèi)轉(zhuǎn)移趨勢(shì)，中間羅拉喂入的纖維混合較均勻。

用SPSS軟件對(duì)表2列出的110個(gè)漢密爾頓指數(shù)做正態(tài)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 漢密爾頓指數(shù)分布直方圖Fig.4 Hamiltonian index exponential distribution histogram

用SPSS軟件計(jì)算得：均值為0.18，標(biāo)準(zhǔn)偏差為12.62，偏度系數(shù)為-0.011，峰度系數(shù)為-0.967。偏度和峰度的系數(shù)都小于1，說(shuō)明數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紗纖維的漢密爾頓指數(shù)呈近似正態(tài)分布。其中51%的絕對(duì)值分布在0～10區(qū)間，40%分布在10～20區(qū)間，9%在20～25區(qū)間，沒(méi)有大于25的值?？梢?jiàn)數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡色紡紗纖維的漢密爾頓指數(shù)在-25%～25%間呈正態(tài)分布的趨勢(shì)。

4.2 紗線(xiàn)表層纖維分布

混色紗外觀主要受表層纖維影響，本文以3#紗10個(gè)橫截面表層纖維的分布為例，說(shuō)明數(shù)碼轉(zhuǎn)杯混色紗表層纖維的分布規(guī)律，這里表層纖維以紗截面等分同心圓的第4、5層纖維計(jì)。圖5示出10個(gè)截面表層藍(lán)黃色纖維的實(shí)際比例分布。

注：圖中60/40、50/50、40/60為藍(lán)黃纖維設(shè)計(jì)混紡比。圖5 紗線(xiàn)表層纖維實(shí)際混紡比Fig.5 Actual blending ratio of yarn surface fiber

3#紗線(xiàn)藍(lán)黃纖維設(shè)計(jì)混紡比為50/50，圖5中隨機(jī)取的10個(gè)橫截面表層纖維的實(shí)際混紡比與設(shè)計(jì)混紡比有一定差異，集中分布在設(shè)計(jì)混紡比的兩側(cè)，但未超出比例為40/60和60/40；同時(shí)，10個(gè)截面表層纖維實(shí)際混紡比均值為1.013，與設(shè)計(jì)比例50/50非常接近，這說(shuō)明在細(xì)化到很小的位置點(diǎn)時(shí)，紗線(xiàn)表面的纖維雖比例不同，但宏觀上紗表層纖維比例接近設(shè)計(jì)比例；正是紗線(xiàn)各點(diǎn)表層色纖維實(shí)際混紡比在一定范圍內(nèi)各異，克服了單一染色紗線(xiàn)色彩沉悶的特點(diǎn)，使混色紗給人以典雅生動(dòng)的特殊感覺(jué)。

4.3 紗線(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)

色紡紗中纖維混合均勻性還受到束纖維影響，漢密爾頓指數(shù)只能表征纖維在紗線(xiàn)徑向的分布情況，不能充分說(shuō)明束纖維的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，本文通過(guò)數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紗縱橫向微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)纖維在紗線(xiàn)中的混合均勻性。圖6示出紗線(xiàn)橫截面的微觀結(jié)構(gòu)。圖7示出紗線(xiàn)縱向微觀結(jié)構(gòu)。

圖6 紗線(xiàn)橫截面結(jié)構(gòu)Fig.6 Yarn cross-section structure

圖6(b)中紗線(xiàn)外側(cè)空白處是切片時(shí)紗線(xiàn)外側(cè)涂覆膠棉液不勻形成的，從橫截面來(lái)看，纖維大都以束狀結(jié)構(gòu)混合，纖維束主要由3～8根纖維構(gòu)成，極少數(shù)纖維束在10根纖維以上；結(jié)合圖7中紗線(xiàn)縱向結(jié)構(gòu)，沿著紗線(xiàn)捻向有明顯的束纖維，呈單根混合的纖維含量較少，紗線(xiàn)縱向上主色調(diào)雖然一樣，但表層顏色并不均勻一致，有些位置偏藍(lán)，有些位置偏黃，這個(gè)現(xiàn)象與所觀察到的紗線(xiàn)上表層各位置處的色纖維實(shí)際混紡比在一定范圍內(nèi)各異的結(jié)論相一致。

4.4 布面效應(yīng)

纖維混合效果最終體現(xiàn)在織物外觀上，圖8分別示出數(shù)碼轉(zhuǎn)杯混色紗織物的外觀效應(yīng)。布面總體呈現(xiàn)紫紅色，由有很多的偏紅、偏黃、偏藍(lán)色點(diǎn)構(gòu)成，典雅又不死板。遺憾的是針織物布面有明顯的色點(diǎn)，但機(jī)織物經(jīng)緯紗的交織作用淡化了這種色點(diǎn)，比針織布面更素雅。

圖7 紗線(xiàn)縱向結(jié)構(gòu)Fig.7 Yarn longitudinal structure

圖8 數(shù)碼轉(zhuǎn)杯混色紗針織和機(jī)織物的外觀效應(yīng)Fig.8 Appearance effect of knitted fabric (a) and woven fabric(b) of digital colored yarn

5 結(jié) 論

采用數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)生產(chǎn)混色紗實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)混配色，將混色由前紡轉(zhuǎn)移至細(xì)紗工序，縮減了混色紗生產(chǎn)流程，豐富了混色紗線(xiàn)品種，市場(chǎng)前景廣闊。纖維混合效果是影響混色紗外觀效應(yīng)的主要因素，本文分析了數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紗中有色纖維的混合效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡混色棉紗纖維的漢密爾頓指數(shù)在-25%～25%之間；混紡比與喂入位置對(duì)纖維混合均勻度的影響不顯著，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可忽略；紗線(xiàn)各點(diǎn)表層有色纖維的實(shí)際比例并不相同，以設(shè)計(jì)比例為中心在一定范圍上下波動(dòng)；纖維大都以3～8根的束狀結(jié)構(gòu)混合。束纖維、表層纖維比例不勻、織物色點(diǎn)等對(duì)紡織品外觀效應(yīng)影響巨大，受到紡紗機(jī)構(gòu)、纖維條捻度、分梳輥轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速等多種因素的綜合作用，要提高纖維混合均勻度，還需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)紡紗工藝與紡紗機(jī)構(gòu)。機(jī)織物經(jīng)緯紗相交的組織結(jié)構(gòu)可在一定程度上優(yōu)化混色紗外觀效果。

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