林燕燕，鄒專勇，陳玉香，楊艷秋

(1.紹興文理學(xué)院 浙江省清潔染整技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312000；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

噴氣渦流紡是利用高速旋轉(zhuǎn)的氣流對(duì)纖維進(jìn)行加捻包纏的新型紡紗技術(shù)，具有紡紗速度快、自動(dòng)化水平高、工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)[1]。噴氣渦流紡紗線具有條干均勻、毛羽少、抗起毛起球的優(yōu)點(diǎn)，但紗線強(qiáng)力與環(huán)錠紡相比仍存在一定差距，使產(chǎn)品主要應(yīng)用于針織領(lǐng)域[2]，提高噴氣渦流紡成紗強(qiáng)力可將噴氣渦流紡紗線向機(jī)織等領(lǐng)域拓展。通過數(shù)值模擬與分析可深入理解噴氣渦流紡噴嘴結(jié)構(gòu)[3-4]、前羅拉與空心錠子距離[5]、噴嘴氣壓(氣流噴射速度)[5]及空心錠子結(jié)構(gòu)[6]對(duì)加捻腔氣流流動(dòng)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵成紗元器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化與成紗工藝合理制定，從而有助于提高成紗強(qiáng)力。通過研究纖維線密度[7]、牽伸比[8]及其他參數(shù)(如可紡紗支、噴嘴氣壓、紡紗速度)[7-9]等對(duì)紗線結(jié)構(gòu)與性能的影響可實(shí)現(xiàn)噴氣渦流紡紗線強(qiáng)力的改善；也可利用空心錠子表面刻槽處理實(shí)現(xiàn)對(duì)自捻噴氣渦流紡紗線加工，并提升噴氣渦流紡紗線成紗強(qiáng)力，但空心錠子表面處理技術(shù)目前尚不具備產(chǎn)業(yè)化條件[10-11]；因此，本文基于熱黏合原理，在噴氣渦流紡紗線開發(fā)過程中引入低熔點(diǎn)纖維，然后對(duì)紗線進(jìn)行熱處理，利用低熔點(diǎn)纖維受熱熔融，冷卻后黏結(jié)的特點(diǎn)，提高紗線中纖維的抱合力，從而提高噴氣渦流紡的成紗強(qiáng)力。該研究的開展將有助于深入理解低熔點(diǎn)纖維對(duì)噴氣渦流紡紗的熱黏合增強(qiáng)機(jī)制，為提高噴氣渦流紡紗線強(qiáng)力提供新的研究思路。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料選用及原紗制備

表1示出粘膠、低熔點(diǎn)滌綸的規(guī)格與性能。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的低熔點(diǎn)滌綸與92%的粘膠纖維通過開清棉工序進(jìn)行原料混合，后經(jīng)梳理(FA201B梳棉機(jī))、并條(FA306型并條機(jī))、紡紗(MVS No.861)等流程獲得19.67 tex粘膠/低熔點(diǎn)滌綸噴氣渦流紡紗線。低熔點(diǎn)滌綸纖維的熔點(diǎn)為110 ℃。噴氣渦流紡主要工藝參數(shù)為：噴嘴氣壓0.5 MPa、紡紗速度350 m/min、紡錠到前羅拉的距離19 mm。

表1 原料規(guī)格與性能指標(biāo)Tab.1 Material specifications and performance indicators

1.2 紗線熱處理方案設(shè)計(jì)

1.2.1熱處理方式選擇

采用DSM XPLORE平牽機(jī)加熱裝置處理原紗，針對(duì)非接觸與接觸式2種熱處理工藝方式，采用t檢驗(yàn)方法比較熱處理方式對(duì)斷裂功影響的顯著性。接觸式方式下，紗線與熱輥的接觸角為208°，接觸長度為14.521 cm，處理過程如圖1(a)所示；非接觸方式下，熱空氣通道長度為30 cm，處理過程如圖1(b)所示。其他工藝參數(shù)相同，其中熱處理溫度為130 ℃，熱處理速度為300 mm/min，牽伸倍數(shù)為1倍。

1，8—紗筒；2,7—導(dǎo)紗器；3—后牽伸輥；4—熱輥；5—熱空氣通道；6—前牽伸輥。圖1 熱處理工藝流程圖Fig.1 Heat treatment process flow chart.(a) Contact flow chart; (b) Noncontact flow chart

1.2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于非接觸熱處理方式下，以熱處理溫度、熱處理速度、牽伸倍數(shù)為考察指標(biāo)，考慮熱處理溫度與速度之間的交互作用，選擇斷裂功作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)，研究熱處理工藝對(duì)原紗熱處理效果的影響，因素水平如表2所示。

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

1.3 紗線結(jié)構(gòu)觀察與性能測試

1.3.1紗線混紡比測定

采用化學(xué)成分分析法進(jìn)行紗線混紡比測定，從試樣中隨機(jī)選取樣品，根據(jù)GB/T 2910.11—2009 《紡織品 定量化學(xué)分析 第11部分：纖維素纖維與聚酯纖維的混合物(硫酸法)》進(jìn)行測試，計(jì)算滌綸干態(tài)質(zhì)量含量百分率P：

式中：mp為經(jīng)試劑處理后，低熔點(diǎn)滌綸纖維的干態(tài)質(zhì)量，g；d為經(jīng)試劑處理后，低熔點(diǎn)滌綸纖維質(zhì)量變化的修正系數(shù)，d值取1；m為預(yù)處理后，試樣的干態(tài)質(zhì)量，g。

1.3.2紗線形貌觀察

紗線縱向結(jié)構(gòu)外觀采用SNE-3000M掃描電鏡(韓國SERON公司)進(jìn)行觀察，制備樣品過程采用MCM-100型濺射鍍膜儀進(jìn)行噴金處理。觀察熱處理前低熔點(diǎn)纖維在混紡紗的分布；觀察經(jīng)最佳工藝熱處理后纖維之間的黏結(jié)形態(tài)。

1.3.3斷裂功測試

根據(jù)GB/T 3916—1997《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》，采用Instron 3365萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)紗線進(jìn)行強(qiáng)伸性能測試。測試條件為：溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度(65±3)%，夾持距離500 m，拉伸速度500 mm/min，測試60次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 原紗混紡比與低熔點(diǎn)纖維分布

實(shí)測與理論的低熔點(diǎn)滌綸干態(tài)質(zhì)量含量百分率分別為8.78%和8%。實(shí)測低熔點(diǎn)滌綸的干態(tài)質(zhì)量含量百分率較理論值偏高，這可能是因?yàn)樵谑崂砉ば蛑?，低熔點(diǎn)滌綸纖維的長度較長，落纖率較棉低，故紗線中低熔點(diǎn)滌綸的含量偏高。粘膠/低熔點(diǎn)滌綸噴氣渦流紡原紗在不同放大倍數(shù)下的SEM照片如圖2所示。

圖2 粘膠/低熔點(diǎn)滌綸噴氣渦流紡原紗的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of viscose/low melting point polyester air jet vortex spinning original yarn.(a)Low magnification(×100);(b)High magnification(×300)

可知，低熔點(diǎn)滌綸的加入并未改變噴氣渦流紡紗線的內(nèi)外層包覆結(jié)構(gòu)，低熔點(diǎn)滌綸纖維既存在于包纏纖維中，也存在芯纖維中，較為理想地實(shí)現(xiàn)了纖維在紗線中的內(nèi)外轉(zhuǎn)移，原因在于低熔點(diǎn)纖維與粘膠纖維在開清棉工序得到了充分混合。

2.2 原紗熱處理方式評(píng)估

T檢驗(yàn)是用于小樣本的2個(gè)平均值差異程度的檢驗(yàn)方法，是用t分布理論來推斷差異發(fā)生的概率，從而判定2個(gè)平均數(shù)的差異是否顯著。則非接觸式方式與接觸式方式的斷裂功結(jié)果顯著性差異可由下式求得

自由度為59，t(59)0.05=2.001，根據(jù)公式計(jì)算得t=2.672，t≥t(59)0.05，因此非接觸式方式較接觸式方式斷裂功結(jié)果更顯著。

2.3 基于非接觸方式的熱處理分析

2.3.1熱處理結(jié)果及極差分析

表3示出正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析，各因素對(duì)斷裂功的主次順序?yàn)锳×B>A>C>B，最佳工藝配置為A2B2C3，即熱處理溫度為145 ℃，熱處理速度為600 cm/min，牽伸倍數(shù)1.06。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Tab.3 Results of orthogonal test and range analysis

2.3.2熱處理工藝影響因素分析

根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)平均值K1，K2，K3，可分析熱處理工藝參數(shù)對(duì)斷裂功的影響規(guī)律。

紗線斷裂功隨熱處理溫度的升高先增加后下降，這主要是因?yàn)闊崽幚頊囟鹊脑黾樱w維大分子活動(dòng)劇烈，低熔點(diǎn)滌綸纖維熱熔加劇，熔融后與相鄰的粘膠纖維黏合能力增強(qiáng)，增加了纖維間的黏結(jié)點(diǎn)，紗線拉伸時(shí)纖維間摩擦抱合力提高，從而增加了紗線的斷裂功。當(dāng)溫度上升到一定值后，占紗線主體的粘膠纖維受到熱降解的作用，纖維強(qiáng)力破壞，從而造成紗線斷裂功下降。

紗線斷裂功隨熱處理速度的增大呈現(xiàn)上升趨勢，引起這一現(xiàn)象的原因在于隨著熱處理速度的增加，紗線在熱處理區(qū)停留的時(shí)間縮短，減少了溫度對(duì)紗線主體的損傷[12]，從而使紗線斷裂功提高。

隨著牽伸倍數(shù)增大，斷裂功提高可能存在2方面的原因：纖維在牽伸過程中受到外力出現(xiàn)抽拔，提高了纖維在紗線中的平直度，使纖維在拉伸中受力的纖維增多，紗線斷裂功提高[8]；也可能是纖維的非結(jié)晶區(qū)大分子鏈在張力作用下排列更加規(guī)整，提高了纖維的結(jié)晶度和取向度，導(dǎo)致紗線斷裂功提高[13]。

2.3.3最優(yōu)熱處理工藝驗(yàn)證

采用極差分析法獲得的最佳工藝A2B2C3對(duì)紗線進(jìn)行熱處理，紗熱處理前后的性能指標(biāo)見表4所示。由表可知：按最優(yōu)熱處理工藝處理原紗，紗線的斷裂強(qiáng)力得到改善，斷裂功較原紗提高13%。

表4 最佳工藝結(jié)果Tab.4 Optimal process results

將經(jīng)過最優(yōu)熱處理工藝處理后的噴氣渦流紡紗樣品噴金后在電鏡下掃描，得到的SEM照片如圖3所示?？芍?，經(jīng)熱處理后噴氣渦流紡紗線中低熔點(diǎn)纖維的黏結(jié)形態(tài)有2種典型形式，由圖3(a)可知，經(jīng)熱處理后，低熔點(diǎn)纖維受熱軟化變形；由圖3(b)可知，低熔點(diǎn)纖維受熱熔融，與相接觸的粘膠纖維實(shí)現(xiàn)點(diǎn)黏結(jié)，以上2種形式可有效提高纖維之間抱合力，減少纖維在牽伸過程中的滑移，從而提高強(qiáng)力和斷裂功。

圖3 粘膠/低熔點(diǎn)滌綸噴氣渦流紡紗線熱處理后SEM照片F(xiàn)ig.3 Typical SEM images of viscose/low melting point polyester air jet vortex spinning yarn after heat treatment.(a)Thermal deformation(×1 000);(b)Melt bond (×500)

3 結(jié) 論

采用T檢驗(yàn)法分析了非接觸和接觸式2種熱處理方式對(duì)粘膠/低熔點(diǎn)滌綸噴氣渦流紡紗的斷裂功的差異，表明非接觸式較接觸式處理紗線有更好的熱黏合增強(qiáng)效應(yīng)；根據(jù)正交分析可知熱處理工藝各因素對(duì)原紗的斷裂功影響主次順序?yàn)锳×B>A>C>B，紗線斷裂功隨熱處理溫度升高，先增加后下降；隨速度提高，呈上升趨勢；隨牽伸倍數(shù)的提高，斷裂功顯著提高；正交分析獲得的最佳熱處理工藝為熱處理溫度145 ℃、熱處理速度600 cm/min、牽伸倍數(shù)1.06，處理后紗線斷裂功提升13%。

低比例的低熔點(diǎn)滌綸纖維引入噴氣渦流紡紗線開發(fā)，不會(huì)改變噴氣渦流紗結(jié)構(gòu)，但通過熱處理后，低熔點(diǎn)纖維軟化變形或熔融黏結(jié)，可有效提高纖維之間的抱合力，從而提高紗線的強(qiáng)力及斷裂功，降低后道紗線應(yīng)用難度，拓展噴氣渦流紡紗線的應(yīng)用領(lǐng)域。

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