鄧茜茜, 楊瑞華, 徐亞亞, 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 無錫 214122)

混色紗中有色纖維的混合方式包括纖維混、條子混和粗紗混等。多色散纖維混合一般在開清棉工序進(jìn)行，混合比較充分；條子混色是先將各色纖維制成生條，按照設(shè)計(jì)的混色比例將不同顏色的條子，在并條工序進(jìn)行并和混色；粗紗混合是按照混色比例將不同顏色的粗紗按設(shè)定的速度喂入，達(dá)到預(yù)期的顏色效果[1]。轉(zhuǎn)杯紡生產(chǎn)混色紗時(shí)可使用條混法對(duì)有色纖維進(jìn)行混合，即將不同顏色的散纖維或條子按照一定比例搭配并混合成條或者混合成粗紗，再通過轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)紡制成細(xì)紗；也可使用粗紗混合方法進(jìn)行混色，即不同顏色的纖維條由轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的喂入機(jī)構(gòu)喂入，通過控制喂入速度實(shí)現(xiàn)混紡比例的控制，纖維須叢經(jīng)分梳輥梳理混合后在高速回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)并合加捻成紗[2-3]?；焐喼杏猩w維的均勻混合是生產(chǎn)混色紗的技術(shù)難點(diǎn)之一，目前，轉(zhuǎn)杯紡混色紗中色纖維的混合均勻程度均存在部分問題，有必要對(duì)不同混色方式所生產(chǎn)混色紗中有色纖維的混合均勻程度進(jìn)行詳細(xì)研究。

本文以紅、黃、藍(lán)3種顏色的棉纖維為原料，采用條子混色(1道并條和3道并條)和粗紗混合方式通過轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)進(jìn)行紡紗，在保持成紗線密度一定的條件下，改變紗線中紅色、黃色和藍(lán)色纖維的配比，生產(chǎn)不同顏色的紗線，并計(jì)算轉(zhuǎn)杯混紡紗中各組分纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)，分析混紡紗橫截面中纖維徑向分布和不同混合方式對(duì)紗線中纖維混合均勻程度的影響。

1 纖維混合方法

1.1 條混法

條混法是將多根有色條子在并條工序?qū)崿F(xiàn)纖維的混合。在批量生產(chǎn)時(shí)，將各種色纖維先分別經(jīng)清梳工序制成有色生條后在并條機(jī)上按混色比例進(jìn)行混條，以確保混紡比與混色比正確。

1.2 粗紗混合法

采用三通道轉(zhuǎn)杯紡成紗方法實(shí)現(xiàn)粗紗的混合。三通道轉(zhuǎn)杯紡是柔性化生產(chǎn)的伺服數(shù)控紡紗與混合性良好并成紗快速的轉(zhuǎn)杯紡紗的結(jié)合體，其紡紗機(jī)制如圖1所示[4]。

1、5、6—喂給羅拉對(duì)應(yīng)傳動(dòng)齒輪組合；2和7，3和8，4和9—喂給羅拉/膠輥組合； 10—集棉裝置；11/12—集合喂給羅拉/膠輥組合；13—分梳輥；14—輸纖通道；15—轉(zhuǎn)杯； 16—引紗管；17—引紗羅拉；18—紗線；19—筒子。 圖1 轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)

Fig.1 Forming system of three-channel rotor spinning yarn

將3種不同顏色纖維條喂入，先經(jīng)集棉裝置對(duì)纖維須條進(jìn)行集聚，再由喂給羅拉12喂入分梳輥，纖維須條經(jīng)過分梳輥的再次分梳混合形成纖維流，纖維流在前方負(fù)壓及分梳輥產(chǎn)生的離心力的作用下，由輸纖通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯，在轉(zhuǎn)杯的凝聚槽凝聚合成纖維環(huán)，并由轉(zhuǎn)杯加捻成紗，經(jīng)引紗羅拉引出形成紗線。

圖1中傳動(dòng)齒輪組合1、5、6將喂給羅拉組合2、3、4分別通過皮帶連接3個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)分別由可編程控制器(PLC)獨(dú)立控制，使得3個(gè)羅拉具有各自的速度，可紡出各種混紡比及線密度的數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紗。喂給羅拉2、3、4與膠輥7、8、9組成3個(gè)獨(dú)立喂入通道。集棉器使得3根纖維條在穿過各自通道后經(jīng)集合喂給羅拉11和集合給棉膠輥12喂入分梳輥。纖維經(jīng)分梳輥的梳理與轉(zhuǎn)杯的集聚加捻后由引紗羅拉卷繞成筒子紗。

三通道轉(zhuǎn)杯紡與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)杯紡的區(qū)別主要在于喂入機(jī)構(gòu)。喂入機(jī)構(gòu)的組合羅拉由伺服電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的3個(gè)羅拉構(gòu)成?？梢允?種或3種不同顏色的粗紗以相同或不同的速度分別喂入3個(gè)羅拉，經(jīng)過集棉裝置匯集后由喂給羅拉喂入分梳輥，也可以是單根條子直接由喂給羅拉喂入集棉裝置，再經(jīng)由分梳輥分梳的纖維沿輸纖通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯，在轉(zhuǎn)杯內(nèi)凝聚合成纖維環(huán)并加捻成紗線。這種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的喂入機(jī)構(gòu)組合是三通道轉(zhuǎn)杯紡實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的主要組成機(jī)構(gòu)，可以生產(chǎn)混色紗、漸變色紗、段彩紗及彩節(jié)紗等[5]。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 紡紗工藝設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)杯紡色紡紗纖維細(xì)度與紗線橫截面內(nèi)纖維根數(shù)有關(guān)，為獲得良好的可紡性，紗線橫截面的纖維數(shù)量應(yīng)該大于100根[6]。為保持染色原棉的彈性并減少強(qiáng)度損失，要選擇細(xì)度好、成熟度好、雜質(zhì)含量低的原棉[7]。本文實(shí)驗(yàn)以紅、黃、藍(lán)3色棉粗紗和紅、黃、藍(lán)3色棉條為原料，原料定量如表1所示。

表1 原料定量

Tab.1 Raw material rationg/(5 m)

原料紅黃藍(lán)粗紗1.672.202.13條子22.6421.5021.32

按照2色搭配和3色搭配，以相同的紡紗工藝紡制線密度為44.85 tex、捻系數(shù)為400的二組分混色棉紗和三組分混色棉紗。條混配色方案如表2、3所示。粗紗混合采用三通道轉(zhuǎn)杯紡的方式，實(shí)現(xiàn)多色粗紗不同喂給速度進(jìn)行給棉以達(dá)到多色纖維混合，纖維給棉速度如表4、5所示。

表2 二組分混色棉紗的條混配色方案

Tab.2 Color mixing scheme of two-componentblending cotton yarn

編號(hào)條子配比纖維占比/%n(黃)∶n(藍(lán)) 黃藍(lán)混合方式1#1∶516.78 83.22 一并2#1∶516.78 83.22 三并3#2∶433.52 66.48 一并4#2∶433.52 66.48 三并5#3∶350.21 49.79 一并6#3∶350.21 49.79 三并7#4∶266.85 33.15 一并8#5∶183.45 16.55 一并

注：n(黃)∶n(藍(lán))表示黃色條子與藍(lán)色條子根數(shù)之比。

圖2 二組分條混混色棉紗切片樣本

Fig.2 Slice samples of two-component colored cotton yarn

表3 三組分混色棉紗的條混配色方案Tab.3 Color mixing scheme of three-componentblending cotton yarn

編號(hào)條子配比纖維占比/%n(紅)∶n(黃)∶n(藍(lán))紅黃藍(lán)混合方式14#1∶1∶416.9116.3766.72一并15#1∶1∶416.9116.3766.72三并16#1∶2∶316.9632.8550.19一并17#1∶2∶316.9632.8550.19三并18#1∶3∶217.0149.4233.57一并19#1∶3∶217.0149.4233.57三并20#1∶4∶117.0766.116.83一并21#1∶4∶117.0766.116.83三并22#2∶1∶333.7416.3349.93一并23#2∶2∶233.8532.7733.38一并24#2∶3∶133.9549.3116.74一并25#3∶1∶250.5016.3033.20一并26#3∶2∶150.5632.6916.65一并27#4∶1∶167.9016.1215.98一并

注：n(紅)∶n(黃)∶n(藍(lán))表示紅色條子、黃色條子與藍(lán)色條子根數(shù)之比。

表4 粗紗混合的二組分混色棉紗生產(chǎn)工藝

Tab.4 Spinning parameters of two-component mixedcolor cotton yarn blending by two rovings

編號(hào)纖維占比/%喂入速度/(m·min-1)黃藍(lán)黃藍(lán)9#16.7883.220.511.4110#33.5266.481.032.1011#50.2149.791.541.5712#66.8533.152.041.0513#83.4516.552.550.52

表5 粗紗混合的三組分混色棉紗生產(chǎn)工藝

Tab.5 Spinning parameters of three-component mixedcolor cotton yarn blending by three rovings

編號(hào)纖維占比/%喂入速度/(m·min-1)紅黃藍(lán)紅黃藍(lán)28#16.9116.3766.720.520.502.1129#16.9632.8550.190.531.001.5930#17.0149.4233.570.531.511.0631#17.0766.1016.830.532.020.5332#33.7416.3349.931.050.501.5833#33.8532.7733.381.051.001.0534#33.9549.3116.741.051.510.5335#50.5016.3033.201.570.501.0536#50.5632.6916.651.571.000.5337#67.9016.1215.982.110.490.50

2.2 切片樣本制作

以37種混色棉紗為研究對(duì)象，每種紗線選取5張清晰的切片樣本，共185個(gè)切片樣本來計(jì)算每種紗線橫截面中纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)M，分析各色纖維的徑向分布情況。二組分混色棉紗切片樣本如圖2、3所示，三組分混色棉紗的切片樣本如圖4、5所示。

圖3 二組分粗紗混色棉紗切片樣本

Fig.3 Slice samples of two-component roving blended cotton yarn

圖4 三組分條混混色棉紗切片樣本

Fig.4 Slice samples of three-component colored cotton yarn

圖5 三組分粗紗混色棉紗切片樣本

Fig.5 Slice samples of three-component roving blended cotton yarn

2.3 計(jì)算與分析

根據(jù)得到的切片樣本觀察混色棉紗各組分纖維在紗線徑向的分布，計(jì)算各組分纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)M。

漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)M是測定混紡紗中纖維徑向分布的重要指標(biāo)。一般M值在-100%～100%范圍內(nèi)。M為0時(shí)表示各組分纖維均勻分布；M為負(fù)表示該組分纖維優(yōu)先向內(nèi)轉(zhuǎn)移；M為正表示該組分纖維優(yōu)先向外轉(zhuǎn)移；M為±100%時(shí)，表示纖維在紗線內(nèi)完全分離；M為100%時(shí)，纖維集中分布在紗線外層；M為-100%時(shí)，纖維集中分布在紗線內(nèi)層[8-10]。

本文實(shí)驗(yàn)中每種紗各制做5個(gè)切片樣本，按照漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)的計(jì)算方法，首先對(duì)紗線切片樣本采用半徑5等分法作外接圓，然后分割此圓或橢圓半徑成5等分。作5個(gè)同心圓，將紗的橫截面分成5層，由里向外將紗截面依次編為1、2、3、4、5個(gè)纖維層。分別統(tǒng)計(jì)每層圓環(huán)中各色纖維的根數(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行分析后計(jì)算出各色纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)M，取平均值為該紗線的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)。

以二組分混色棉紗為例，漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)計(jì)算步驟如下。

1)制作紗線橫截面切片，在電子顯微鏡下進(jìn)行圖像采集，根據(jù)圖像確定紗線外輪廓的圓邊界，然后確定紗線中心，將半徑5等分，作外輪廓同心圓或同心橢圓，將橫截面分成5個(gè)纖維層，按照由紗心向外依次計(jì)為第 1 層，第 2 層，，第 5層。圖6示出二組分紗線切片樣本等分同心圓的示意圖。

圖6 二組分混色棉紗切片樣本等分同心圓

Fig.6 Two-component mixed-color cotton yarn slice sample divided into concentric circles

2)計(jì)數(shù)各層各色纖維的數(shù)量，計(jì)算每種顏色纖維的實(shí)際占用橫截面積。在計(jì)數(shù)纖維時(shí)，一些纖維會(huì)分布在纖維層的邊界上，當(dāng)纖維橫截面積大于1/2時(shí)，則認(rèn)為纖維分布在面積較大的那層，計(jì)數(shù)1根纖維，當(dāng)1根纖維在相鄰2層分布相等時(shí)，計(jì)數(shù)為0.5個(gè)。計(jì)算纖維的實(shí)際橫截面積時(shí)，需要對(duì)纖維的數(shù)量和纖維的平均橫截面積進(jìn)行求積。由于實(shí)驗(yàn)中纖維試樣均為棉纖維，其平均橫截面積相等，設(shè)定棉纖維平均截面積為1，則每種有色纖維的實(shí)際占有截面積為纖維根數(shù)。

3)根據(jù)式(1)計(jì)算纖維的實(shí)際面積分布一次矩。

FA=-2A1-A2+2A4+A5

(1)

式中：A表示1種顏色的纖維根數(shù)；Ai表示第i層該顏色纖維根數(shù)。

4)計(jì)算纖維的均勻分布一次矩

(2)

式中：A表示5層1種顏色纖維的總根數(shù)；ti表示第i層所有顏色纖維的總根數(shù)；T為紗線截面所有纖維總根數(shù)。

5)比較步驟3)、4)，若FU-FA>0，則纖維優(yōu)先分布在內(nèi)層，依次填充第1層，第2層直到這種纖維全部填充完，依照纖維新的分布情況，計(jì)算該纖維的最大向內(nèi)分布一次矩FI；若FU-FA<0，則纖維優(yōu)先分布在外層，依次填充第5層，第4層直到所有的該纖維填充完，依照該纖維新的分布情況，計(jì)算最大向外分布一次矩FO[11]。

6)計(jì)算纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)M。若FU-FA>0，按式(3)計(jì)算；若FU-FA<0，按式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

三組分混色棉紗各色纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)計(jì)算方法與二組分混色棉紗各色纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)計(jì)算方法相同。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

經(jīng)過計(jì)算，分別得出3種不同混合方式(一并條混、三并條混和粗紗混合)所制得二色和三色混紡紗線的纖維轉(zhuǎn)移指數(shù)，如表6、7所示，其平均值分別如圖7、8所示。

表6 二組分混色棉紗各樣本漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)

Tab.6 Hamilton transfer indexes for various samples oftwo-component blending cotton yarn

樣本編號(hào)漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)/%黃色纖維藍(lán)色纖維1#-3.443.442#4.41-4.413#-2.462.464#-2.702.705#1.39-1.396#1.81-1.817#-4.484.488#11.47-11.479#8.24-8.2410#-5.665.6611#-0.850.8512#-2.302.3013#-5.435.43

表7 三組分混色棉紗各樣本漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)

Tab.7 Hamilton transfer index for various samples ofthree-component blending cotton yarn

樣本編號(hào)漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)/% 黃色纖維藍(lán)色纖維紅色纖維14#1.194.613.5015#-0.385.68-9.5016#0.780.69-2.0717#-6.16-2.49-6.6018#-5.09-1.627.3519#-3.26-1.691.2320#-6.475.882.9321#1.11-2.730.6422#-5.644.09-0.0823#-6.733.693.7724#6.030.12-7.1325#0.26.78-5.0826#-3.65-7.166.0927#8.97-2.99-3.0628#5.47-5.749.5729#0.61-2.662.9930#11.85-3.04-7.8631#-8.3314.24-2.9232#6.62-3.47-0.7333#4.030.60-4.4634#12.103.84-14.6335#2.33-4.431.9636#-5.79-11.033.0137#8.98-9.310.12

圖7 三組分轉(zhuǎn)杯紡混色棉紗漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)

Fig.7 Hamilton transfer index of three-component colored cotton yarn

圖8 二組分轉(zhuǎn)杯紡混色棉紗漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)

Fig.8 Hamilton transfer index of two-component colored cotton yarn

由圖7可知：三組分轉(zhuǎn)杯紡混色棉紗中，粗紗混色棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)絕對(duì)值之和為7.18%，一并條混棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)絕對(duì)值之和為3%，三并條混棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)絕對(duì)值之和為5.03%，所以三組分混色棉紗各混合方式中一并條混優(yōu)于三并條混，三并條混優(yōu)于粗紗混色；3種混合方式紡制的三組分混色棉紗各組分纖維轉(zhuǎn)移指數(shù)均在±4%范圍內(nèi)，說明混色棉紗中纖維分布均勻。

由圖8可知：二組分轉(zhuǎn)杯紡混色棉紗中，粗紗混色棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)絕對(duì)值之和為2.4%，一并條混棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)絕對(duì)值之和為1%，三并條混棉紗各顏色纖維漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)絕對(duì)值之和為2.34%；一并條混的二組分混色棉紗均勻度最好，三并條混的二組分混色棉紗均勻度略優(yōu)于粗紗混色；3種混合方式紡制的二組分混色棉紗各組分纖維轉(zhuǎn)移指數(shù)均在±2%范圍內(nèi)波動(dòng)，表示二組分混色棉紗中纖維徑向分布均勻。

綜合可知，采用3種混合方式得到紗線的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)均低于±25%，且均在±5%的范圍內(nèi)，說明混合方式對(duì)轉(zhuǎn)杯紡混色棉紗的徑向分布沒有明顯影響。轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)成紗中纖維束通過分梳輥的梳理和混合，在轉(zhuǎn)杯內(nèi)離心力作用下再次混合并凝聚成須條，經(jīng)加捻后成紗，再由引紗羅拉導(dǎo)出形成紗線。所以無論以何種混合方式得到的纖維束再次通過轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)紡紗，分梳輥和轉(zhuǎn)杯的再次梳理混合都能使紗線中的纖維分布均勻。

4 結(jié) 論

本文采用3種混合方式對(duì)轉(zhuǎn)杯紡細(xì)紗的纖維徑向分布特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，3種混合方式得到棉紗的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)均在±5%的范圍內(nèi)，低于±25%，說明混合方式對(duì)轉(zhuǎn)杯紡混色棉紗的均勻度沒有明顯影響。轉(zhuǎn)杯紡是一種可實(shí)現(xiàn)纖維均勻混合的成紗方法，成紗過程中通過分梳輥的纖維在轉(zhuǎn)杯內(nèi)重新混合、集聚、加捻，各色纖維都會(huì)出現(xiàn)由外向內(nèi)、再由內(nèi)向外反復(fù)變換多次位置的情況，所以切片中各色纖維會(huì)有時(shí)向內(nèi)轉(zhuǎn)移，有時(shí)向外轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為各色纖維的漢密爾頓轉(zhuǎn)移指數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有正有負(fù)，但紗線中纖維總體分布均勻。在轉(zhuǎn)杯紡混色棉紗的生產(chǎn)實(shí)踐中可根據(jù)實(shí)際情況，選擇最有利的混色方式，以達(dá)到效益最大化。