閆小兵,馮萌雨,張一心

(西安工程大學(xué),陜西 西安710048)

纖維集合體的潤濕行為是一個(gè)受很多復(fù)雜因素影響的過程,其中受到較多物理、化學(xué)等因素的影響[1-2],因此對(duì)整個(gè)導(dǎo)濕過程的模型化建立存在很大的難度[3]。液體在纖維集合體中的導(dǎo)濕行為可以涉及到很多應(yīng)用領(lǐng)域,諸如織物的染色、過濾液體等,國內(nèi)外研究者對(duì)芯吸領(lǐng)域不斷深入研究且提出了許多新的假設(shè),并建立了很多不同的纖維集合體導(dǎo)濕模型[4-6]。本文通過試驗(yàn)了解液態(tài)水在紗線中傳遞的方式及路徑,對(duì)其整個(gè)芯吸過程進(jìn)行客觀的描述,從紗線細(xì)度、結(jié)構(gòu)、組成、捻度4個(gè)方面研究了環(huán)錠紡和轉(zhuǎn)杯紡單紗的濕傳遞性能,為液態(tài)水沿紗線軸向傳遞及影響因素的研究提供一些理論參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料采用紗線線密度為19.437、14.578、11.662 tex純棉梭織用環(huán)錠精梳紗;14.578 tex和11.662 tex的梭織用轉(zhuǎn)杯紡純棉紗以及11.662 tex滌棉混紡紗。試樣先按標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行煮練,以去除棉纖維中的天然蠟質(zhì)和紡紗中加入的油劑等,然后先熱水后冷水進(jìn)行沖洗,以去掉殘留的煮練劑;試樣在空氣中干燥24 h以上。另準(zhǔn)備大燒杯、直尺、鐵架臺(tái)、藍(lán)色墨水、夾子、溫度計(jì)等試驗(yàn)用具。

1.2 試驗(yàn)儀器

手動(dòng)捻度儀,MDI數(shù)碼生物顯微鏡;佳能SX10CCD傳感器,有效像素1 000萬,光學(xué)變焦20倍,數(shù)碼變焦4倍,最高分辨率3 648×2 736,短片拍攝640×480(幀/s)。自己搭建毛細(xì)管效應(yīng)測試裝置,如圖1所示。將紗線固定好一端,另一端放入有色液體中,記錄每秒鐘的芯吸高度值。

圖1 紗線芯吸性能測試裝置

1.3 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)備好一個(gè)盛有蒸餾水的大燒杯,染色的相關(guān)選擇先要通過對(duì)織物的吸附試驗(yàn)來確定。經(jīng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)藍(lán)色墨水對(duì)織物芯吸的效果基本沒有影響,而用亞甲基藍(lán)等有機(jī)染料,則會(huì)出現(xiàn)明顯的染色層與吸濕的水層分離,故試驗(yàn)選擇微量藍(lán)墨水為色料。先將直尺垂直于燒杯上方,與燒杯內(nèi)原有液面有一定距離;然后往燒杯中緩緩加入有色液體,在液體接觸到紗線的瞬間,開始按秒計(jì)時(shí)和攝像。每組6根紗線,試驗(yàn)時(shí)間為30 min,測10組,取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 紗線的細(xì)度對(duì)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞的影響

分別對(duì)19.437、14.578、11.662 tex的純棉環(huán)錠紡單紗做芯吸試驗(yàn),分別測試在300 s和30 min內(nèi)的芯吸高度和芯吸速率的變化規(guī)律,每組每隔5 s記錄一次芯吸高度值,測10組,然后取平均值。圖2(a)是300 s內(nèi)液態(tài)水芯吸高度隨時(shí)間的變化趨勢;圖2(b)是300 s內(nèi)液態(tài)水芯吸速率隨時(shí)間的變化趨勢;圖3(a)是30 min內(nèi)液態(tài)水芯吸高度隨時(shí)間的變化趨勢;圖3(b)是30 min內(nèi)液態(tài)水芯吸速率隨時(shí)間的變化趨勢。

圖2 300 s內(nèi)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

從圖2(a)可以看到:在300 s內(nèi),3種不同細(xì)度相同結(jié)構(gòu)的純棉環(huán)錠紗芯吸高度隨著時(shí)間的增加不斷升高,但是并沒有隨著紗線細(xì)度的增大而增高,卻呈現(xiàn)出了19.437 tex的芯吸高度高于14.578 tex而低于11.662 tex。圖2(b)可以看出:11.662 tex的紗線在第5 s就已達(dá)到最高的芯吸速率,之后隨時(shí)間的增加而減小;而19.437 tex與14.578 tex的紗分別于第30 s和第40 s時(shí)達(dá)到最高芯吸速率,但在第325 s,3種紗線的速率有著相同的趨勢。

圖3(a)與圖2(a)所呈現(xiàn)的變化趨勢并不相同。14.578 tex的紗在第5 min到第6 min時(shí),芯吸高度超過19.437 tex紗的芯吸高度,并于第9 min再次超過11.662 tex紗的芯吸高度。在第24 mim時(shí),三者芯吸高度基本達(dá)到定值。理論上,三者的芯吸高度應(yīng)該按細(xì)度的大小順序排列,但所測結(jié)果則是細(xì)度為14.578 tex紗線的芯吸高度大于19.437 tex和11.662 tex。這是因?yàn)榧喚€線密度越大,雖然毛細(xì)管會(huì)越多,可增強(qiáng)紗線的芯吸作用,但是,毛細(xì)管內(nèi)部纖維排列狀態(tài)也會(huì)變得復(fù)雜,造成毛細(xì)管的不連續(xù)性,便不利于芯吸;而當(dāng)紗線線密度越小時(shí),紗線排列緊密,使得毛細(xì)管尺寸變小,同樣不利于芯吸。此試驗(yàn)結(jié)果表明評(píng)價(jià)紗線芯吸性能應(yīng)將短時(shí)效果和長時(shí)效果同時(shí)進(jìn)行考量。從圖3(b)可以看出:初始芯吸速率最快的是11.662 tex,其次是19.437 tex和14.578 tex,第6 min時(shí),可以看到芯吸速率開始明顯降低,之后三者速率隨時(shí)間的變化而逐漸接近。從上面的數(shù)據(jù)可以看出:芯吸高度比芯吸速度有著更高的區(qū)別度,而芯吸速度適合短時(shí)間內(nèi)的評(píng)判。

圖3 30 min內(nèi)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

2.2 紡紗方式對(duì)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞的影響

在相同條件下,分別對(duì)11.662 tex和14.578 tex的環(huán)錠紡和轉(zhuǎn)杯紡進(jìn)行紗線垂直芯吸試驗(yàn),每組4根,測10次,取平均值。其中圖4(a)是300 s內(nèi)液態(tài)水芯吸高度隨時(shí)間的變化趨勢,圖4(b)是300 s內(nèi)液態(tài)水芯吸速率隨時(shí)間的變化趨勢,圖5(a)是30 min內(nèi)液態(tài)水芯吸高度隨時(shí)間變化的趨勢,圖5(b)是30 min內(nèi)液態(tài)水芯吸速率隨時(shí)間的變化趨勢。

由圖4(a)可以看出:在紗線芯吸的前300 s內(nèi),11.662 tex的環(huán)錠紡單紗和轉(zhuǎn)杯紡單紗芯吸高度基本保持一致,而14.578 tex的環(huán)錠紡單紗的芯吸高度高于14.578 tex的轉(zhuǎn)杯紡單紗芯吸高度。由圖4(b)可以看到:11.662 tex的環(huán)錠紡單紗前15 s內(nèi)的芯吸速率高于其他3種紗線,但是在20 s后,11.662 tex轉(zhuǎn)杯紡單紗的芯吸速率高于其他3種紗線,且速率降低幅度也較大,而14.578 tex的轉(zhuǎn)杯紡單紗和精梳紡單紗芯吸速率在50 s之后變化基本很小,說明這2種紗線內(nèi)部空隙較為均勻。

圖4 300 s內(nèi)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

在圖5(a)中,雖然11.662 tex的2種單紗在前9 min的芯吸高度均高于其他2種,但11.662 tex轉(zhuǎn)杯紡單紗在8 min左右時(shí)已經(jīng)基本達(dá)到芯吸平衡,說明紗線內(nèi)部的毛細(xì)管過于纖細(xì)。一般來說,細(xì)管直徑越小越能增加毛細(xì)壓力,越能使液態(tài)水更快地進(jìn)入紗線的毛細(xì)孔,即緊密紗的毛細(xì)高度在任何時(shí)候都應(yīng)該高于環(huán)錠紗。但是,過于細(xì)小的毛細(xì)管會(huì)產(chǎn)生減慢液體上升的阻力,在緊密紗的毛細(xì)管中就可能出現(xiàn)這種效應(yīng),這說明存在一個(gè)使水快速進(jìn)入紗線孔隙的最佳毛細(xì)尺寸。當(dāng)孔隙大于最佳尺寸時(shí),毛細(xì)壓力低會(huì)使液體上升速度減慢,因此,過小或過大的孔隙都不利于快速芯吸,故芯吸效果不如同細(xì)度的環(huán)錠紡單紗芯吸效果好。再次出現(xiàn)的交叉上升現(xiàn)象表明:紗線的結(jié)構(gòu)對(duì)芯吸效果的影響是復(fù)雜的,在建立評(píng)價(jià)體系時(shí)應(yīng)短時(shí)與長時(shí)效果同時(shí)考量。圖5(b)為30 min內(nèi)液態(tài)水沿紗線芯吸速率隨時(shí)間變化的趨勢圖,圖5(a)中可以明顯看到細(xì)度高的2種紗線雖然紡紗方式不同,但是,芯吸速率的變化卻基本相同,而14.578 tex的2種紗芯吸速率變化有較大的區(qū)別。從圖5中可以看出14.578 tex的轉(zhuǎn)杯紡紗線內(nèi)部孔隙較為均勻,芯吸速率基本不產(chǎn)生較大變化。

圖5 30 min內(nèi)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

2.3 纖維組成對(duì)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞的影響

在相同的試驗(yàn)條件下,對(duì)同細(xì)度的混紡紗與純棉紗做芯吸試驗(yàn)比較,測10組,取平均值。其中圖6(a)是300 s內(nèi)液態(tài)水芯吸高度隨時(shí)間的變化趨勢,圖6(b)是300 s內(nèi)液態(tài)水芯吸速率隨時(shí)間的變化趨勢,圖7(a)是30 min內(nèi)液態(tài)水芯吸高度隨時(shí)間的變化趨勢,圖7(b)是30 min內(nèi)液態(tài)水芯吸速率隨時(shí)間的變化趨勢。

圖6(a)可以看出:純棉紗芯吸高度基本相同,而混紡紗從125 s開始芯吸高度超過純棉紗,并有持續(xù)爬高的趨勢;圖6(b)中混紡紗的初始芯吸速率不及純棉紗的初始芯吸速率。但混紡紗300 s內(nèi)總體的芯吸速率變化較純棉紗慢,在90 s后,混紡紗的芯吸速率一直處于純棉紗的上方。

圖7(a)可以看出:2 min后的混紡紗芯吸高度較純棉紗有了很明顯的提高,這主要是因?yàn)榛旒徏喼?纖維之間所形成的通道阻力小,而純棉紗形成的通道內(nèi)情況較為復(fù)雜,通道阻力較大,所以導(dǎo)致混紡紗芯吸高度優(yōu)于純棉紗。圖7(b)中三者總體上芯吸速率相差不大,說明紗線組成對(duì)芯吸的速率來說沒有太大影響,只對(duì)芯吸高度有較大影響。

圖6 300 s內(nèi)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

圖7 30 min內(nèi)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

2.4 捻度對(duì)液態(tài)水沿紗線軸向傳遞的影響

用Y331捻度儀分別對(duì)純棉紗進(jìn)行加捻和退捻,在退捻過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)捻度過低時(shí),紗線會(huì)解體,故將紗線捻度最低限定在300 TPM。因此,在捻度為300、400、500、600、700、800 TPM 時(shí)對(duì)環(huán)錠紗和轉(zhuǎn)杯紡紗進(jìn)行芯吸試驗(yàn),根據(jù)芯吸后紗線的平衡芯吸高度與捻度的關(guān)系,繪制圖8。

圖8 不同捻度下紗線的芯吸高度

由圖8可以看出:對(duì)于3種環(huán)錠精梳紗和2種轉(zhuǎn)杯紡紗,都存在一個(gè)臨界捻度,當(dāng)紗線的捻度大于或者小于該捻度時(shí),紗線的平衡芯吸高度會(huì)隨著捻度的變化而降低。因此,捻度對(duì)紗線芯吸性能的影響,應(yīng)該也是由于紗線內(nèi)部毛細(xì)管道的變化而變化的。當(dāng)紗線捻度變小時(shí),紗線內(nèi)部纖維間的毛細(xì)管尺寸會(huì)變大;相反,當(dāng)捻度增加時(shí),紗線內(nèi)部纖維間的毛細(xì)管孔徑會(huì)變小,只要變化的孔徑大于或者小于最佳的芯吸尺寸,那么芯吸效果都會(huì)減弱。

2.5 6種紗線的芯吸回歸方程及相關(guān)系數(shù)

表1是30 min內(nèi)6種不同紗線的芯吸高度與芯吸時(shí)間的對(duì)數(shù)回歸方程,根據(jù)計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)可以看出,芯吸高度與芯吸時(shí)間的相關(guān)系數(shù)均接近1,說明兩者有明顯的相關(guān)性。

表1 6種紗線30 min內(nèi)芯吸高度與芯吸時(shí)間的對(duì)數(shù)回歸方程

3 結(jié)語

從紗線細(xì)度、結(jié)構(gòu)、組成、捻度等4個(gè)方面研究了環(huán)錠紡和轉(zhuǎn)杯紡單紗的濕傳遞性能,由試驗(yàn)結(jié)果分析可知:紡紗方式對(duì)紗線的芯吸性能影響顯著,14.578 tex的環(huán)錠紗芯吸性能最好,14.578 tex的緊密紗芯吸性一般。單紗的纖維組成對(duì)紗線芯吸影響較大,11.662 tex的混紡紗芯吸性能明顯高于11.662 tex的純棉紗。各種結(jié)構(gòu)的紗線理論上都存在一個(gè)最佳捻度,當(dāng)紗線捻度小于或者大于該捻度時(shí),紗線達(dá)到的芯吸平衡高度就會(huì)隨捻度的變化而減小。根據(jù)30 min內(nèi)6種不同紗線的芯吸高度與芯吸時(shí)間的對(duì)數(shù)回歸方程的相關(guān)系數(shù)可以看出,芯吸高度與芯吸時(shí)間的相關(guān)系數(shù)均接近1,說明兩者有明顯的相關(guān)性。