邢麗娟， 劉新金， 蘇旭中， 曹秀明

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 江蘇陽光股份有限公司， 江蘇 江陰 214426)

特種動物纖維具有優(yōu)雅靚麗的光澤，柔軟細膩的手感，其制品因吸濕性強，透氣性高，彈性好，保暖性強等多種優(yōu)良性能已作為高檔綠色紡織原料進行開發(fā)研究[1]，但是動物纖維長度短，短絨率較高，長度及細度離散率大，開發(fā)高支紗仍存在很多的困難[2]，目前對特種動物纖維高支紗的開發(fā)仍是國內外學者關心的課題。

侯秀良等[3]對山羊絨的拉伸性能進行了研究；楊鎖廷等[4]研究了牦牛絨拉伸細化后的產品性能；劉嬋等[5-6]采用氧化脫色工藝對牦牛絨實現(xiàn)脫色。目前對駝絨纖維的研究主要集中在結構與性能，而對特種動物纖維物理性能指標的綜合分析研究較少。本文以駱駝絨、山羊絨、牦牛絨為研究對象，測試表征纖維物理性能的各分項指標，利用灰色聚類方法對特種動物纖維物理性能指標作了綜合分析，以期為特種動物纖維的開發(fā)提供參考。

1 纖維性能測試與對比分析

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：牦牛絨、山羊絨、駱駝絨均由江蘇中孚達紡織科技有限公司提供。

實驗儀器：BEION F10型全自動纖維細度儀(上海北昂醫(yī)療技術有限公司)，YG004型電子單纖維強力機(常州紡織儀器廠)，Y151SM 型纖維摩擦系數(shù)儀(常州第二紡織機械有限公司)，XCP-1 A型纖維卷曲彈性儀(上海新纖儀器有限公司)。

1.2 纖維性能測試

1.2.1纖維長度測試

采用纖維長度排圖法測試毛絨散纖維的平均長度，從所取樣品中抽取0.2～0.3 g毛絨纖維，剔除較粗、較長、易纏結纖維，右手捏緊纖維束平齊的一端，左手將纖維束最外端露出的纖維貼在黑絨板的左側，從左到右輕輕拉出纖維，并將纖維平行于黑絨板的上側貼服在黑絨板上，纖維束在黑色絨板上經過多次排列，使得纖維成為一端平齊，另一端從長到短的有序排列。纖維在排列過程中要求厚薄均勻，圖形底邊長25 cm左右[7]。

1.2.2纖維細度測試

使用纖維細度儀測試纖維的平均直徑，每次測試纖維根數(shù)為1 800根，測試5次，取其平均值，線密度換算公式為

(1)

式中：d為纖維直徑，μm；Ndt為線密度，detx；δ為纖維密度(取δ=1.32 g/cm3)。

1.2.3單纖維強力測試

采用電子單纖維強力機進行單纖維強力測試。試樣夾持長度為10 mm，拉伸速度為10 mm/min，測試30次,取其平均值。

1.2.4纖維卷曲性能測試

使用纖維卷曲彈性儀測試纖維卷曲數(shù)、卷曲率和卷曲彈性率等性能。試樣夾持長度為20 mm，加輕負荷為0.002 cN/dtex，重負荷為0.05 cN/dtex，測試20次，取其平均值。

1.2.5纖維摩擦性能測試

1.3 測試結果與分析

在相同環(huán)境下對9種纖維進行性能測試，結果見表1。

表1 纖維的物理性能指標Tab.1 Fiber physical performance indicators

由表1數(shù)據可得到：1)纖維長度排序(從長至短)為：黃駱駝絨、白駱駝絨、白山羊絨、青山羊絨、紫山羊絨、白羊羔絨、黑牦牛絨、青牦牛絨、脫色牦牛絨。纖維的長度直接影響纖維的加工性能和使用價值，纖維長度越長，短絨含量越少，所紡紗品質好。2)纖維細度排序(從細至粗)為：白山羊絨、紫山羊絨、青山羊絨、白羊羔絨、黃駱駝絨、白駱駝絨、脫色牦牛絨、青牦牛絨、黑牦牛絨。25 μm以上纖維含量為：青山羊絨1.24%、白山羊絨1.34%、紫山羊絨1.66%、白羊羔絨3.52%、脫色牦牛絨3.6%、黃駱駝絨4.27%、青牦牛絨6.45%、白駱駝絨6.82%、黑牦牛絨7.37%。毛絨纖維的細度不僅決定了成紗的細度、強力，還決定了織物的手感和性能，即在毛纖維相同長度下，纖維越細所紡的紗線支數(shù)越高，條干好，強力高，相應織物的各種特性也越好[8]。白羊絨最細，故可開發(fā)高支紗，且制成的織物柔軟、輕薄。特種動物纖維需要分梳加工提取，可以更好地控制含粗率，提高紗線質量。牦牛絨和駝絨由于部分含有髓質層，含粗率高，羊絨纖維含粗較少。細度不勻率越大，成紗條干均勻度越差，駝絨纖維細度不勻率較其他纖維高，因為駝絨纖維沿生長方向兩端粗細不勻，且駝絨纖維含有不同程度髓質層，致使細度不勻率增加。3)纖維強力排序(從高到低)為：黑牦牛絨、青牦牛絨、白羊羔絨、黃駱駝絨、白駱駝絨、紫山羊絨、白山羊絨、青山羊絨、脫色牦牛絨。強度是評定毛絨纖維的首要性質，影響著紡紗工藝配置。強度低，不宜作精紡用毛，且生產出的織物品質較低檔。黑牦牛絨和青牦牛絨的強力較高，且單纖維強力是羊絨和駱駝絨的1.5倍左右，脫色牦牛絨的單纖維強力最低，主要是因為脫色處理過程中纖維受到一定程度的損傷使得強力降低。4)纖維卷曲性：纖維的卷曲使得纖維間的抱合力大大增加，因此，成紗強力提高，且卷曲性能好的纖維，織物的彈性也隨之提高，織物的抗皺性和保暖性得以改善。一般纖維的卷曲數(shù)在25 mm長度內6～9個為宜；適當?shù)木砬士商岣呃w維的可紡性，一般卷曲率在10%～15%之間為宜，卷曲率小于10%時則越大越好；此外，纖維的卷曲回復率較高，纖維受力后卷曲恢復能力好，因而其紡織品的彈性恢復性能優(yōu)異[9]。脫色牦牛絨卷曲數(shù)最多，紫山羊絨最少，黑牦牛絨的卷曲率最大，紫山羊絨最少，故在紡紗加工中，紫山羊絨抱合性較差。5)纖維摩擦性能：纖維的摩擦性能與紗線的抱合力及織物的柔軟度有關，纖維的摩擦因數(shù)越大，纖維之間的抱合力越大，利于紡紗的順利進行。9種纖維中白山羊絨的摩擦因數(shù)最小，故紡紗過程中紗線抱合力較差，但制成的織物手感柔軟、滑糯。

2 運用灰色聚類法的纖維性能評價

從表1可看出，9種特種動物纖維的物理性能在各指標下的表征不相同，很難根據單項指標對纖維物理性能進行綜合評價，因此，需要采用數(shù)據分析的方法對纖維的物理性能進行綜合評價，而灰色聚類分析可以較好地研究“小樣本， 貧信息”的不確定性，因此，采用灰色聚類分析法對特種動物纖維的物理性能進行綜合評價是比較合理的[10]。

記9種特種動物纖維為聚類對象i，以測試結果中的平均長度、長度不勻率、15 mm以下短絨率、線密度、細度不勻率、強力、卷曲數(shù)、卷曲率、卷曲回復率、摩擦因數(shù)為聚類指標j，將纖維的物理綜合性能分為好、中、差三檔，記為k1、k2、k3，即聚類灰數(shù)為S=3[11]。

2.1 矩陣的構建

聚類計算中所有數(shù)據均以正相關計入[12]，因此，以100/長度不勻率，100/短絨率，100/線密度，100/細度不勻率作為參數(shù)計入，行為聚類對象編號，列為相對應的纖維測試性能的指標測試值，將處理后的數(shù)據進行均值化無量綱處理，構成聚類白化矩陣xij9×13，結果見下式：

(2)

2.2 灰類白化函數(shù)的確定

定義j指標對k個灰類(k=k1，k2，k3)的區(qū)間，方法定義[13]如下：

表2 灰數(shù)白化區(qū)間表Tab.2 Interval of whiting of grey number

定義λjk為j聚類指標k子類的邊界值，見式(3)。

(3)

2.3 標準權系數(shù)的確定

(4)

2.4 灰色聚類權系數(shù)的確定

聚類系數(shù)σik的確定是根據白化權函數(shù)和標準權系數(shù)確定，根據j指標k子類的白化函數(shù)和標準權系數(shù)處理聚類白化矩陣xij9×13，按式(5)計算i對象屬于k灰類的灰色聚類系數(shù)σik，從而確定研究對象處于好、中、差類別的概率，聚類原則是擇取每個行向量中值最大者，以此對應的灰類為所屬類。σik值越大，對象處于某個類別的概率就越大。根據計算出的灰色聚類權系數(shù)構造聚類系數(shù)矩陣σik9×3。

(5)

(6)

從式(6)可看出，特種動物纖維物理性能綜合評價處于好這檔的纖維有：4#、7#、8#、9#，但4#纖維的灰色聚類系數(shù)比7#、8#、9#大，說明4#纖維落在第一檔的概率比較大，即白山羊絨的性能好于白羊羔絨、白駝絨和黃駝絨。特種動物纖維物理性能綜合評價處于中檔的纖維有：5#、6#，即紫山羊絨和青山羊絨的物理性能在9種纖維中屬于中等。特種動物纖維物理性能綜合評價處于差這檔的纖維有：1#，2#，3#即黑牦牛絨、青牦牛絨、脫色牦牛絨，但脫色牦牛絨纖維性能最差。

3 紡紗工藝實驗

紗線性能取決于紡紗工藝的配置及纖維物理性能的好壞，采用四羅拉網格圈緊密紡分別紡制線密度分別為14.29 tex和20.83 tex的白山羊絨、黃駱駝絨和黑牦牛絨紗，對灰色聚類分析所評價的特種動物纖維綜合物理性能的結果進一步驗證。

3.1 紗線基本性能測試

3.1.1紗線拉伸性能測試

采用YG020 A型電子強力機測試紗線斷裂強力和斷裂伸長率等性能指標，測試30次，取其平均值。

3.1.2捻度測試

采用YG155 A型紗線捻度儀測試單紗捻度，設置實驗方式為一次退捻加捻法，實驗轉速為1 500 r/min，試樣長度為250 mm，測試30次，求其平均值。

3.1.3條干測試

采用YG133 B/M型條干均勻度測試儀測試單紗的條干均勻度。測試速度為200 m/min，測試時間為1 min，測試30次，求其平均值。

3.2 紡紗原理

四羅拉網格圈緊密紡是在環(huán)錠紡的基礎上改進的，即在前羅拉和前膠輥前面加裝異形管和引出羅拉及網格圈，形成吸風集聚裝置，使纖維軸向集聚，減少加捻三角區(qū)，紡紗系統(tǒng)如圖1所示。

1—引出膠輥； 2—異形管； 3—前膠輥； 4—中膠輥；5—后膠輥； 6—引出羅拉； 7—網格圈； 8—撐桿；9—過橋齒輪； 10—前羅拉； 11—中羅拉； 12—后羅拉。圖1 四羅拉網格圈緊密紡裝置Fig.1 Four-roller lattice apron compact spinning system

須條受到負壓氣流的作用，吸附到網格圈對應的吸風口處，并在傾斜于其運動方向的氣流綜合作用下，繞其自身軸向旋轉，從而使纖維全部卷入紗體中，極大地降低了成紗毛羽，且強力得到提高[14]。對細紗機中膠輥開槽1 mm，形成滑溜牽伸，當纖維通過時，中羅拉與膠輥之間形成彈性握持，摩擦力界均勻分布，保證成紗條干。

3.3 紡紗工藝及紗線測試結果

紡紗方式采用四羅拉網格圈緊密紡，細紗機型號為JWF2506，根據特種動物纖維的物理性能，合理設置紡紗工藝參數(shù)，紡紗工藝設計見表3。紡制的紗線性能測試結果見表4。

表3 紡紗工藝設計Tab.3 Spinning process design

表4 紗線條干和拉伸性能Tab.4 Evenness and tensile performances of yarn

由表4可知：采用四羅拉網格圈緊密紡紡制的2種線密度的白山羊絨、黃駝絨、黑牦牛絨紗線，紡紗過程中合理設置工藝，紡制的2種線密度紗均是白山羊絨紗的強力、伸長率最高，條干均勻度最好，粗、細節(jié)及毛粒最少，黃駝絨紗的強力、條干僅次于白山羊絨，黑牦牛絨紗線的強力最低，條干最差。紗線的性能取決于纖維的綜合物理性能和紡紗工藝的合理配置，由于白山羊絨纖維綜合物理性能最好，纖維長度長，細度不勻率低，因此所紡紗線的性能最好。黃駝絨纖維內部含有髓質層結構，細度不勻率較高，纖維的綜合物理性能僅次于山羊絨，因此在選擇最優(yōu)紡紗工藝的前提下，黃駝絨紗線性能次于白山羊絨，黑牦牛絨纖維的綜合物理性能最差，黑牦牛絨纖維所紡紗線性能較差。

4 結 論

利用灰色聚類分析對9種特種動物纖維物理性能進行綜合評價，可比較有效地協(xié)調各項指標，綜合評價特種動物纖維物理性能。結果表明：白山羊絨纖維和駝絨纖維的物理性能優(yōu)于其他動物纖維，脫色牦牛絨由于脫色過程中纖維受到損傷，因此綜合物理性能最差；纖維的物理性能直接決定了紗線的物理性能，9種動物纖維的綜合物理性能評價結果經江蘇省中孚達紡織科技股份有限公司紡紗實驗，進一步驗證了灰色聚類分析對特種動物纖維綜合物理性能評價的正確性。白山羊絨纖維紡制的紗線性能最好，黃駝絨紗線次之，黑牦牛紗線性能最差，灰色聚類分析結果為特種動物纖維的開發(fā)提供了參考。

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