付馳宇， 王燦燦， 何滿堂， 夏治剛,2

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學(xué) 新材料及其先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 湖北 武漢 430200)

苧麻纖維是從植物韌皮中獲取的[1-2]，其聚合度大，單纖強(qiáng)力大，分子結(jié)晶度和取向度高，強(qiáng)度高[3-4]。苧麻纖維中含有膠質(zhì)，膠質(zhì)由半纖維素、木質(zhì)素、水溶物、脂蠟質(zhì)、灰分和果膠組成[5-6]。膠質(zhì)成分賦予苧麻涼爽、透氣、易濕快干以及抗菌防蛀等特性，使各類(lèi)純紡、混紡麻紡產(chǎn)品層出不窮，深受消費(fèi)者歡迎[7]，但膠質(zhì)中的木質(zhì)素、半木質(zhì)素成分，造成苧麻纖維初始模量高、剛性大，難以撓曲加捻抱合，成紗毛羽過(guò)長(zhǎng)、過(guò)多，可紡性差，其織物易起毛，懸垂性、染色性能差，穿著有刺癢感[8-9]。

針對(duì)上述問(wèn)題，已有研究通過(guò)不同途徑提高了苧麻纖維可紡性能。如：胡遜等[10]采用陽(yáng)離子改性苧麻纖維，提高了纖維模量，改善了苧麻可紡性，但該方法工藝流程長(zhǎng)、耗時(shí)多；吳曉燕等[11]采用燒堿溶液(170 g/L)溶脹苧麻纖維，降低了纖維結(jié)晶長(zhǎng)度，提高纖維延伸性和彎曲扭轉(zhuǎn)性能。Frisoni等[12]采用乙酸酐與植物纖維在恒溫30 ℃、硫酸催化條件下反應(yīng)的方式，改性纖維素纖維，提高了纖維的可紡性。由此可見(jiàn)，化學(xué)改性苧麻纖維的方法，成本高，周期長(zhǎng)，污染環(huán)境。采用無(wú)污染的物理紡紗方法，是解決苧麻高品質(zhì)紡紗的重要途徑。何文等[13]改進(jìn)了麻紡紗紗機(jī)，將粗紗先浸泡潤(rùn)濕，再紡成細(xì)紗，降低了純苧麻纖維成紗毛羽，但這種方法步驟繁瑣，需要改進(jìn)細(xì)紗機(jī)牽伸裝置，且纖維條濕態(tài)牽伸導(dǎo)致成紗條干不勻。申香英等[14]運(yùn)用嵌入式復(fù)合紡紗技術(shù)，優(yōu)化紡紗工藝，開(kāi)發(fā)出優(yōu)質(zhì)苧麻高支紗；方磊等[15]通過(guò)控制經(jīng)典嵌入紡中長(zhǎng)絲張力與相交角度，探討了嵌入紡在苧麻紡紗中的應(yīng)用。然而經(jīng)典嵌入紡采用4種組分紡紗，與普通紡紗相比，生產(chǎn)管理要求較高，操作不夠簡(jiǎn)便。

針對(duì)經(jīng)典嵌入紡紗組分較多的問(wèn)題，本文將中間2根須條合并為1根，形成組分簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)易嵌入紡系統(tǒng)(S-ELS)；針對(duì)苧麻纖維剛度大、難以扭轉(zhuǎn)成紗等問(wèn)題，本文避開(kāi)牽伸濕態(tài)須條的方式，采用在簡(jiǎn)易嵌入紡系統(tǒng)的紗條加捻成形區(qū)加裝浸潤(rùn)海綿接觸裝置，實(shí)施在線浸潤(rùn)軟化的接觸式加捻紡紗；同時(shí)實(shí)施了多種對(duì)照性紡紗實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了各方案成紗性能。本文研究對(duì)于拓展嵌入紡技術(shù)應(yīng)用、完善新型苧麻紡紗體系、開(kāi)發(fā)高支高品質(zhì)苧麻紗線與紡織面料、指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，均具有參考價(jià)值。

1 紡紗方法建立及成紗預(yù)測(cè)

麻纖維剛度大，普通環(huán)錠紡生產(chǎn)的麻紗條干差、毛羽過(guò)多。嵌入紡系統(tǒng)中2根長(zhǎng)絲的配置，有效捕捉苧麻纖維，將纖維頭端嵌入紗體，大幅降低紡紗斷頭和成紗毛羽，實(shí)現(xiàn)了用低品質(zhì)原料紡高支紗線[16-17]。然而嵌入紡的4組分紡紗系統(tǒng)，生產(chǎn)維護(hù)簡(jiǎn)便性有待提高[18]。本文簡(jiǎn)化嵌入紡系統(tǒng)，在保證良好成紗品質(zhì)的前提下，采用2根長(zhǎng)絲對(duì)1根短纖須條進(jìn)行包纏成紗，提高生產(chǎn)操作便捷性。為探究干、濕狀態(tài)下麻須條的加捻成紗性能，本文在加捻成紗區(qū)引入吸水海綿裝置，研究麻纖維須條在干、濕態(tài)下的加捻成紗性能。

1.1 紡紗方法建立

為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易嵌入紡的便捷操作，滿足長(zhǎng)絲嵌入短纖維功能，本文采用1根須條從2根長(zhǎng)絲中間喂入加捻的三組分嵌入式紡紗，具體工藝路徑如圖1所示。在普通環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上加裝精確定位導(dǎo)絲輪，2根長(zhǎng)絲分別依次經(jīng)導(dǎo)絲桿、張力控制器、精確定位導(dǎo)絲輪，從前羅拉后方喂入到前羅拉鉗口；從粗紗卷裝退繞的粗紗經(jīng)細(xì)紗機(jī)牽伸系統(tǒng)牽伸成須條，須條進(jìn)入前羅拉鉗口，并位于2根長(zhǎng)絲中部。

圖1 簡(jiǎn)易式嵌入紡紗組分工藝路徑圖Fig.1 Component process schematic diagram of S-ELS

為解決苧麻纖維剛度大、彎曲加捻困難、成紗品質(zhì)差等問(wèn)題，本文一方面在紗線成紗段添加了多個(gè)握持面，保證了紗線在加捻過(guò)程中握持面對(duì)其表面纖維的有效握持與卷繞；另一方面，握持面持續(xù)提供液態(tài)水的補(bǔ)給，在線浸潤(rùn)與柔化紗線表面的苧麻纖維，紗線在柔化與握持的協(xié)同作用下，更利于苧麻纖維進(jìn)行卷繞包纏如圖2所示。

圖2 各嵌入紡模型圖Fig.2 Models of S-ELS. (a) S-ELS system model; (b) Dry contact S-ELS model; (c) Wet contact S-ELS model and relative position of sponge contactor and yarn

1.2 成紗關(guān)鍵機(jī)制分析

簡(jiǎn)易嵌入紡實(shí)質(zhì)上是采用2根長(zhǎng)絲構(gòu)成賽絡(luò)紡大三角平臺(tái)、短纖維須條從長(zhǎng)絲賽絡(luò)紡大三角中間喂入，相當(dāng)于長(zhǎng)絲賽絡(luò)包芯短纖維。簡(jiǎn)易嵌入紡系統(tǒng)中，長(zhǎng)絲三角平臺(tái)形態(tài)尺寸至關(guān)重要，當(dāng)長(zhǎng)絲三角過(guò)大，受紡紗張力波動(dòng)時(shí)三角大小波動(dòng)過(guò)大，長(zhǎng)絲不能穩(wěn)定纏繞和捕捉短纖維須條；當(dāng)長(zhǎng)絲三角平臺(tái)過(guò)小，極限值就是長(zhǎng)絲與短纖維須條左右邊緣重合，此時(shí)長(zhǎng)絲就不能對(duì)須條外露出長(zhǎng)絲三角區(qū)外的纖維實(shí)施包纏和捕捉，因此長(zhǎng)絲三角平臺(tái)應(yīng)與短纖維須條加捻成紗區(qū)相對(duì)應(yīng)，以保證左右對(duì)稱分布的長(zhǎng)絲均勻纏繞在短纖維紗條表面，有效束縛短纖維頭端，抑制短纖維頭端外露，實(shí)現(xiàn)短纖維被長(zhǎng)絲嵌入在復(fù)合紗體中，成紗表面光潔。針對(duì)苧麻簡(jiǎn)易嵌入紡，本文將2根長(zhǎng)絲分別置于須條左右各2 mm以穩(wěn)定長(zhǎng)絲三角平臺(tái)(見(jiàn)圖2)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)絲均勻包纏。成紗區(qū)紗條毛羽過(guò)多、過(guò)長(zhǎng)，毛羽伸出穩(wěn)定的長(zhǎng)絲三角平臺(tái)，無(wú)法被完全捕捉和纏繞，需要實(shí)施二次捕捉纏繞。干態(tài)接觸式紡紗[19-20]是在紗條成紗區(qū)中增設(shè)接觸面，與加捻轉(zhuǎn)動(dòng)的紗條進(jìn)行接觸，握持紗條表面毛羽進(jìn)行有效包纏，但干態(tài)接觸握持包纏時(shí)，如果纖維剛度較大、握持包纏時(shí)紗條扭轉(zhuǎn)困難，毛羽包纏效果改善幅度較低。接觸式紡紗時(shí)，在接觸握持面上開(kāi)設(shè)溝槽、增加握持力度，同時(shí)引入液態(tài)水、在線浸潤(rùn)柔化纖維須條[21]，紗條表面毛羽握持包纏效果更加。因此本文在簡(jiǎn)易嵌入紡模型的基礎(chǔ)上，在環(huán)錠成紗區(qū)增設(shè)凹槽海綿接觸裝置，形成干態(tài)接觸式簡(jiǎn)易嵌入紡紗模型；海綿易吸附和保持液態(tài)水，海綿體持續(xù)浸潤(rùn)，對(duì)成紗區(qū)內(nèi)的須條纖維進(jìn)行連續(xù)給濕處理，建立了濕態(tài)接觸式簡(jiǎn)易嵌入紡模型(如圖2所示)。

圖2(a)、(b)、(c)所示的3種紡紗模型均由1根短纖須條與左右2根長(zhǎng)絲構(gòu)成，左右2根長(zhǎng)絲距中心短纖維距離均為2 mm，控制2根長(zhǎng)絲喂入張力相同，長(zhǎng)絲對(duì)中心短纖須條包纏作用力平衡，三角區(qū)總體形狀保持對(duì)稱。在前羅拉輸出口與導(dǎo)紗鉤之間接觸式嵌入紡模型均放置一塊帶有凹槽的海綿，海綿凹槽與紗線緊密貼合，區(qū)別是一種方式為干燥海綿與另一種方式為潤(rùn)濕海綿。

2 實(shí)驗(yàn)部分

在HFX-B4多功能細(xì)紗機(jī)上，加裝長(zhǎng)絲喂入裝置和凹槽海綿握持器，如圖3所示。采用注射器將液態(tài)自來(lái)水手工連續(xù)注入凹槽海綿體中，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易嵌入紡模型(方案A)、干態(tài)接觸式簡(jiǎn)易嵌入紡模型(方案B)和濕態(tài)接觸式簡(jiǎn)易嵌入紡模型(方案C)的實(shí)際生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。

圖3 長(zhǎng)絲喂入裝置和凹槽握持器Fig.3 Filament feeding device(a) and groove holding device(b)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用定量為5.67 g/(10 m)的苧麻粗紗作為短纖須條，與2種不同顏色的滌綸(2.80 tex)長(zhǎng)絲進(jìn)行簡(jiǎn)易嵌入紡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中改造長(zhǎng)絲喂入裝置，采用型號(hào)為M6.0牙距，規(guī)格為1 mm的螺絲對(duì)長(zhǎng)絲進(jìn)行精確定位(見(jiàn)圖3)，2根長(zhǎng)絲間距5 mm。根據(jù)紡紗設(shè)備性能設(shè)定參數(shù)，前羅拉線速度為6.0 m/min，牽伸倍數(shù)為54.54，環(huán)錠轉(zhuǎn)速為5 100 r/min，計(jì)算的紗線理論捻系數(shù)為339.0，線密度為15.99 tex。

2.2 紗線測(cè)試

簡(jiǎn)易嵌入紡紗線紡制完成后在標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度為(20±2)℃，濕度為(65±2)%下放置48 h進(jìn)行預(yù)調(diào)濕，并在相同條件下測(cè)試紗線各項(xiàng)指標(biāo)。

采用OLYMPUS DSV510型全自動(dòng)電子光學(xué)顯微鏡，觀察3種紗線的表觀結(jié)構(gòu)。

根據(jù)FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測(cè)定方法 投影計(jì)數(shù)法》，采用YG173 A型紗線毛羽測(cè)試儀測(cè)試紗線毛羽，測(cè)試紗線片段長(zhǎng)度10 m，測(cè)試速度30 m/min，每種管紗測(cè)10次，取其平均值。

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》，采用YG068C全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀測(cè)試成紗強(qiáng)伸性能，紗線拉伸速度為500 mm/min，兩端夾持距離為500 mm，每種管紗測(cè)量20次，取其平均值。

根據(jù)GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗(yàn)方法 第1部分：電容法》，用YG133B/M型條干均勻度測(cè)試儀測(cè)試管紗成紗條干，測(cè)試速度400 m/min，測(cè)試時(shí)間1 min。

3 結(jié)果與分析

3.1 紗線表觀結(jié)構(gòu)分析

紗線性能與紗線表觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密。所紡3種紗線的管紗與筒紗表觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 不同方法對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)易式嵌入紡紗線表觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Appearance images of S-ELS yarns. (a) S-ELS yarn; (b) Dry contact S-ELS yarn; (c) Wet contact S-ELS yarn

紗線名稱紡紗方案不同長(zhǎng)度毛羽數(shù)1 mm2 mm3 mm4 mm5 mm7 mm10 mm12 mmTS管紗筒紗方案A712.6±29.6284.9±25.4159.9±17.0101.7±13.761.5±9.823.3±3.35.6±2.52.1±1.61351.6±103.0354.1±48.0方案B392.9±25.9125.5±13.858.4±8.332.8±5.319.2±6.86.5±3.21.5±1.90.5±1.2637.3±66.4118.9±26.6方案C82.7±22.723.4±7.410.4±4.36.0±2.92.3±1.10.7±0.60.1±0.30.0±0.0125.6±39.419.5±9.3方案A1107.7±80.3517.3±45.0313.3±10.8196.7±12.1136.7±16.760.3±10.614.0±2.010.7±3.12356.7±180.4731.7±55.1方案B683.3±12.0241.7±29.2153.0±9.8123.7±9.784.0±10.646.3±7.012.7±2.310.0±1.01354.7±81.7429.7±40.5方案C387.0±35.6210.7±22.0141.3±16.6110.7±2.378.7±4.037.7±2.511.3±2.17.3±2.1984.7±87.2387.0±29.6

注：T表示毛羽總根數(shù)；S表示3 mm及以上毛羽的根數(shù)和。

本文采用2種不同顏色滌綸長(zhǎng)絲進(jìn)行混紡，且長(zhǎng)絲表面光滑細(xì)度均勻一致，紗線不同組分易辨別；由于3種紗線長(zhǎng)絲喂入的位置被精確定位，因此長(zhǎng)絲在紗體上的纏繞螺距保持一致。對(duì)比圖4所示3種方案的管紗毛羽外露情況可知：方案A伸出紗體外的苧麻毛羽呈發(fā)散狀，毛羽多而長(zhǎng)。與方案A相比，方案B管紗毛羽有所收斂，長(zhǎng)毛羽包纏在紗體表面，數(shù)量較少。這是因?yàn)榧啑l通過(guò)接觸式握持面時(shí)，干態(tài)握持面握持紗條表面毛羽，在紗條扭轉(zhuǎn)與牽引力協(xié)同作用下，外露毛羽纏繞到紗體上。與方案A、B相比，方案C管紗表面光潔致密，基本沒(méi)有毛羽。這是因?yàn)榧啑l通過(guò)濕態(tài)接觸式握持面時(shí)，苧麻纖維被浸潤(rùn)，苧麻內(nèi)部纖維素大分子間的氫鍵被水分子破壞，減小了分子鏈之間作用力，分子鏈更容易受力滑移，纖維模量降低、柔性可繞曲性提高[22]。濕態(tài)握持面握持紗條表面毛羽，在紗條扭轉(zhuǎn)與牽引力協(xié)同作用下，外露毛羽可更加柔軟、緊密地纏繞到紗體上。

3種方案筒紗外觀結(jié)構(gòu)情況表明：簡(jiǎn)易嵌入紡管紗紗體纖維容易從絡(luò)筒抽拔出來(lái)，形成毛羽；干態(tài)接觸式嵌入紡紗線表面具有纖維纏繞結(jié)構(gòu)，可緩解絡(luò)筒摩擦?xí)r對(duì)紗體內(nèi)部纖維的抽拔作用；方案C筒紗紗體直徑比管紗紗體直徑增大，摩擦后紗體表層受力變松弛，但筒紗表面毛羽少，說(shuō)明濕態(tài)軟化苧麻纖維，有效地提高了毛羽纏繞緊度，紗體表層包纏結(jié)構(gòu)耐磨性優(yōu)良。

3.2 紗線毛羽分析

將3組紗線的管紗分別與1次絡(luò)筒的筒紗毛羽情況測(cè)試后，取平均值，結(jié)果如表1所示。

表中數(shù)據(jù)顯示：方案A紗線各項(xiàng)毛羽數(shù)最多，原因在于，一方面沒(méi)有握持面對(duì)纖維的握持作用，另一方面加捻須條纖維剛度大，紡紗加捻作用力對(duì)纖維抱合成紗控制性差；方案B增加了握持面作用，成紗毛羽數(shù)顯著降低；方案C不僅增加了握持面作用，而且對(duì)纖維進(jìn)行在線浸潤(rùn)軟化，全方位提高紡紗加捻對(duì)纖維的控制作用，因此成紗毛羽指標(biāo)進(jìn)一步改善。

觀察各方案毛羽總量T指標(biāo)與有害毛羽情況S指標(biāo)可發(fā)現(xiàn)，方案B對(duì)有害毛羽的改善效果顯著，方案C對(duì)毛羽總量的影響明顯。這是因?yàn)榧喚€表面毛羽纖維外露端越長(zhǎng)，這些纖維的剛度就越小，在同樣條件下表面毛羽就越易被握持加捻扭轉(zhuǎn)進(jìn)入紗體內(nèi)部，從而減少了紗線毛羽。方案B中增加了海綿握持面使有害毛羽加捻扭轉(zhuǎn)進(jìn)入紗體。然而針對(duì)苧麻紗線表面1～2 mm短毛羽，毛羽長(zhǎng)度短，纖維剛度大，干燥的海綿握持面不足以將這些短纖維夾持扭轉(zhuǎn)到紗體上，所以方案B對(duì)短毛羽的控制較弱。對(duì)比毛羽總量T指標(biāo)可看出，方案C大幅降低了苧麻紗線毛羽，這是濕熱成紗環(huán)境將苧麻纖維柔軟化的結(jié)果，在紗線成形過(guò)程中水分子的介入，破壞了苧麻纖維大分子間的氫鍵，降低了纖維的初始模量和剛度，使纖維更易加捻卷繞到紗體上，所以方案C毛羽情況最好。

3.3 紗線強(qiáng)力分析

對(duì)3種紗線的拉伸斷裂性能測(cè)試結(jié)果取平均值，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯跀嗔褟?qiáng)力方面，3個(gè)方案所紡管紗紗線強(qiáng)力依次增加。這是因?yàn)樵诩徶萍喚€過(guò)程中，海綿凹槽握持面將紗線表面纖維重新捻合到紗體上，這個(gè)部分的纖維提供了紗線軸向應(yīng)力，使得紗線強(qiáng)力增強(qiáng)，所以方案B、C所紡紗線強(qiáng)力大于方案A紗線，方案C紗線受到水分子的柔化作用，進(jìn)一步增加毛羽包纏量和纏繞緊度，最大程度地提高了纖維利用率，故方案C紗線強(qiáng)力最高。

表2 簡(jiǎn)易式嵌入紡紗線強(qiáng)伸性能指標(biāo)Tab.2 Tensile properties of S-ELS yarns

從表2還可看出，方案B紗線伸長(zhǎng)率最高，方案C紗線伸長(zhǎng)率最低。這是由于方案B紗線表層纖維集聚包纏，紗線內(nèi)部纖維相對(duì)蓬松，因此斷裂伸長(zhǎng)較大；方案C紗線受在線紡紗浸潤(rùn)的影響，內(nèi)部纖維受力沿在紗軸方向取向度增加，沿截面方向紗體直徑減少(見(jiàn)圖4)，紗體內(nèi)部纖維貼合緊密度提高，因此在紗線受到外力拉伸時(shí)，紗體內(nèi)纖維變形空間和滑移幅度小，紗線伸長(zhǎng)率降低。

3.4 紗線條干分析

簡(jiǎn)易式嵌入紡紗線條干測(cè)試結(jié)果如表3所示。由于3種方案均由1根短纖須條和2根固定喂入的長(zhǎng)絲紡制，紗線結(jié)構(gòu)相同，所以紗線條干不勻率相當(dāng)。然而加裝了海綿凹槽的方案B紗線疵點(diǎn)略微增多。這是由于凹槽握持面將紗線表面毛羽握持，在紗線扭轉(zhuǎn)的同時(shí)，毛羽在紗體上形成局部集聚現(xiàn)象，雖然減少了表面毛羽，但導(dǎo)致了紗線粗細(xì)結(jié)增多，惡化了紗線主體條干。比較方案B、C所紡紗線可看出，方案C紗線條干與疵點(diǎn)情況明顯改善。這是因?yàn)闈?rùn)濕的海綿在線紡紗過(guò)程中，水分子浸入紗體纖維，破壞了苧麻纖維內(nèi)大分子間的氫鍵，降低了纖維模量，使表面纖維能在凹槽握持下以較長(zhǎng)螺旋路徑進(jìn)入或緊緊包纏在紗體主干，從而避免了疵點(diǎn)的繼續(xù)增多，所以方案C紗線的條干均勻度優(yōu)于方案B紗線。

表3 簡(jiǎn)易式嵌入紡紗線條干性能指標(biāo)Tab.3 Evenness properties of S-ELS yarns

4 結(jié) 論

本文對(duì)比分析了3種不同方案的簡(jiǎn)易式嵌入紡的紗線結(jié)構(gòu)和性能，得出以下結(jié)論。

1)在導(dǎo)紗鉤與加捻三角區(qū)之間加裝接觸式凹槽裝置，加強(qiáng)了成紗過(guò)程中對(duì)苧麻纖維的握持，對(duì)紗線表觀毛羽改善明顯，紗線強(qiáng)伸性能也有所提高。

2)將凹槽潤(rùn)濕模擬紗線在熱濕條件下成紗，在水分子對(duì)苧麻纖維模量降低和接觸裝置對(duì)纖維頭端握持的協(xié)同作用下，苧麻紗線毛羽情況改善顯著，紗線表面光潔，濕法紡紗紗線的強(qiáng)伸性能與條干均勻度要優(yōu)于干法紡紗紗線。

3)濕態(tài)接觸式簡(jiǎn)易嵌入紡紗可降低苧麻纖維的初始模量，大幅減少紗線毛羽，改善紗線的條干與強(qiáng)伸性能，提升苧麻纖維的可紡性。

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