李 敏 劉基宏 聶凌峰

[生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇無錫，214122]

目前，關于玄武巖紡紗的研究主要針對紗號較粗的玄武巖進行包芯或包纏紡紗。高翼強使用環(huán)錠紡小樣細紗機將9 μm、200根一束的玄武巖纖維紡制為85 tex的棉玄武巖包芯紗，并提出捻系數(shù)大小與玄武巖包芯紗的包覆效果有密切關系[1]；趙黨鋒等采用丙綸長絲與7 μm、25根一束的玄武巖長絲結合的包纏紡紗方式，生產出了耐磨性和強伸性較優(yōu)的玄武巖包纏紗線。但多數(shù)報道均未考慮將玄武巖紗線應用于紡織品時所需的舒適性能[2]。本文選用6 μm、200根一束的玄武巖纖維作為芯絲，滌棉混紡纖維作為外包纖維，紡制滌棉玄武巖賽絡包芯紗(以下簡稱玄武巖包芯紗)。通過研究空心羅拉式賽絡集聚紡工藝對包芯紗形態(tài)結構、力學性能、毛羽指數(shù)及條干均勻度的影響，測試玄武巖包芯紗在拉伸過程中鉤接強度率的變化，分析結構參數(shù)對其強力的影響。

1 紡紗試驗

影響包芯紗包覆效果及性能的因素有多種[3]，如吸風機負壓、鋼絲圈號數(shù)、隔距塊型號、錠速等機器參數(shù)的設置，還有粗紗中心距、細紗捻系數(shù)、牽伸倍數(shù)等工藝參數(shù)的設計[4]。本文采用的細紗機加裝了數(shù)控包芯紗裝置，并經試驗確定了最優(yōu)參數(shù)設置，現(xiàn)主要考慮工藝參數(shù)變化對玄武巖包芯紗的效果及性能的影響。設計三因素三水平正交試驗全面分析捻系數(shù)、粗紗中心距和導絲輪位置對所紡紗性能的影響。

1.1 新型紡紗方法的應用

本次課題使用了在集聚紡上改進的窄槽式負壓空心羅拉系統(tǒng)，也稱為全聚紡[5]。此改裝應用于加裝了數(shù)控包芯紗裝置的QFA1528型四羅拉網(wǎng)格圈集聚紡細紗機上。因玄武巖強度高、脆性大，數(shù)控包芯裝置中預牽伸設置為1.0倍，其余參數(shù)固定，紡紗裝置如圖1所示。玄武巖長絲從紗架上經導絲鉤至導絲輪，同時兩股滌棉混紡粗紗從兩個喇叭口平行經過牽伸后，與長絲一起通過前膠輥與改造后的前羅拉間形成的鉗口加捻成玄武巖包芯紗。

圖1 空心羅拉式賽絡集聚紡裝置側面圖

1-玄武巖長絲；2-粗紗；3-吸棉風道；4-負壓風道；5-前羅拉(窄槽式)；6-阻捻膠輥；7-氣流導向裝置；8-前膠輥；9-導絲輪

1.2 試驗準備

試驗原材料中芯絲采用16.5 tex/200 F玄武巖纖維，單根纖維直徑6 μm(浙江石金玄武巖纖維股份有限公司)；兩種外包紗均采用定量為5.89 g/10 m的滌/棉 65/35 混紡粗紗。測試根據(jù)GB/T 6529—2008《紡織品 調濕和試驗用標準大氣》標準，將試樣在溫度為(20±2)℃，相對濕度為(60±4)%的恒溫恒濕環(huán)境中平衡24 h。

在加裝數(shù)控雙芯紗裝置的QFA1528型細紗機上將兩個滌棉粗紗與16.5 tex的玄武巖長絲以賽絡紡的形式紡制玄武巖包芯紗；采用YG086型縷紗測長機、JA2003型電子天平測試紗線線密度；使用Y172型纖維切片器制作包芯紗橫截面切片，并使用MOTTC B1型顯微鏡觀察包芯紗橫截面；使用YG086C型全自動單紗強力儀、YG020B型電子單紗強力儀、YG133B/Pro-H型條干均勻度測試儀、YG173A型紗線毛羽測試儀分別測試玄武巖包芯紗的力學性能、條干均勻度及毛羽指標。

1.3 試驗方案設計

用粗紗定量為5.89 g/10 m的滌棉混紡紗作外包纖維(28.5 tex)，16.5 tex玄武巖長絲作為芯紗，紡制9種不同工藝參數(shù)的28.5 tex/16.5 tex玄武巖包芯紗。根據(jù)多次試驗數(shù)據(jù)推算合理適紡范圍，設計紡紗工藝參數(shù)并進行三因素三水平正交試驗，將捻系數(shù)、粗紗中心距和導絲輪位置作為因子，且為每個因子選取多次試驗中最優(yōu)三水平值以探究不同變量下對玄武巖包芯紗包覆效果及紗線性能的影響。紡紗工藝參數(shù)：鋼絲圈型號6903 8/0#，隔距塊3.0 mm，負壓2 100 Pa，錠速9 000 r/min～9 500 r/min，后區(qū)牽伸1.28倍，皆為試紡時的最優(yōu)參數(shù)設置。正交試驗設計方案見表1、表2。

表1正交因素水平表

水平因素A(捻系數(shù))因素B(粗紗中心距/mm)因素C(導絲輪位置)123250270290357右中左

表2正交試驗設計方案

方案因素A B C123456789111222333123123123123231312

2 試驗結果研究與分析

對9種方案所紡紗線的單紗強力、毛羽和條干指標進行測試，并對紗線的包覆效果及性能進行分析。

2.1 包芯紗包覆效果及分析

使用Y172型纖維切片器制作紗線橫截面切片，并置于MOTTC B1型顯微鏡下觀察，紗線橫截面圖像如圖2所示。圖中紅色區(qū)域為染色羊毛，可明顯區(qū)分出所觀察紗線形狀與顏色。白色部分為滌棉混紡紗線，金褐色為玄武巖纖維。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

(d)方案4

(e)方案5

(f)方案6

(g)方案7

(h)方案8

(i)方案9

由圖2可以看出，所紡紗線因細度較粗導致橫截面積較大；外包紗滌/棉 65/35橫截面大致呈腰圓形；玄武巖纖維由玄武巖絲束組成，因玄武巖屬于高性能纖維，強度較高導致切片時不易切斷，所以橫截面大體呈橢圓形。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)為捻系數(shù)250的玄武巖包芯紗的橫截面結構，可以看出紗線總體形狀為長橢圓形，芯紗包覆位置稍偏，未處于紗線中心位置，但芯紗還是被包覆在滌棉粗紗內；圖2(d)、圖2(e)、圖2(f)為捻系數(shù)270的玄武巖包芯紗的橫截面形態(tài)，可以看出芯紗均處于紗線中心位置，包覆效果良好；圖2(g)、圖2(h)、圖2(i)為捻系數(shù)290的玄武巖包芯紗的橫截面形態(tài)，可以看出紗線整體形狀偏圓形，芯紗也處于中心位置。由此可知，捻系數(shù)影響包芯紗的橫截面形態(tài)，適當?shù)哪硐禂?shù)可以使紗線結構均勻緊密。

2.2 紗線性能指標及分析

正交試驗結果見表3，極差分析見表4。其中，16.5 tex玄武巖長絲斷裂伸長率2.37%，鉤接強度率11.22%。

由表3、表4可知，玄武巖包芯紗的力學性能優(yōu)良，不同工藝參數(shù)紡制出的紗線斷裂強度相差不大，影響斷裂強度的因素主次順序為C3>B3>A3，表明導絲輪位置對斷裂強度有一定影響，因為導絲輪位置影響芯絲的包覆程度，所紡紗為Z捻紗，導絲輪位置為左時,左側的外包紗先包覆芯絲后再與右側外包紗加捻包覆，包覆效果良好；斷裂伸長率較純玄武巖長絲增長約1個百分點，影響次序為C3>B1>A2，說明捻系數(shù)對斷裂伸長率幾乎無顯著增加；所紡紗線鉤接強度率較純玄武巖長絲高，影響次序為C2>B3>A1，鉤接強度率都大于斷裂強度率是因為紗線在鉤接處彎曲時，紗線的拉伸力并沒有達到需要斷裂的強度，而鉤接處彎曲的紗線邊緣已超過了拉伸斷裂時的伸長率，導致紗線先行折斷，所以類似玄武巖這種高彈性模量紗線，若其抗彎剛度和斷裂伸長率大，則鉤接強度率高。

由表3、表4還可看出，3種工藝參數(shù)對3 mm毛羽數(shù)的影響順序為A2>B2>C2。紗線捻系數(shù)為270，3 mm毛羽數(shù)最少，粗紗中心距與導絲輪位置是影響3 mm毛羽數(shù)的次要因素。一般認為3 mm以上毛羽是有害毛羽，試驗中發(fā)現(xiàn)玄武巖包芯紗的有害毛羽較少，這是因為空心羅拉式賽絡集聚紡的加捻三角區(qū)小且穩(wěn)定，紡出的包芯紗毛羽較少；與試驗中使用的鋼絲圈號數(shù)也相關，因為芯絲玄武巖的細度達到16.5 tex，所以使用的鋼絲圈也是經過預試驗紡紗時型號最穩(wěn)定的；重心較低、長時間穩(wěn)定的鋼絲圈的選用對于減少紗線毛羽是十分有益的。對條干CV值的影響主次順序為A1>B2>C2，但不同工藝參數(shù)紡出的紗線條干均勻度相差不大，玄武巖包芯紗的條干均勻度良好。

表3正交試驗結果

方案斷裂強度/cN·tex-1斷裂伸長率/%鉤接強度率/%3 mm毛羽數(shù)/個·( 10 m)-1條干CV/%12345678932.8030.4635.1929.1132.9736.7237.6331.1731.103.213.133.323.343.243.273.413.092.9939.7937.2643.6746.2036.7436.3830.7439.9443.0629.3325.6726.0020.0023.7023.0049.0023.6729.677.166.987.848.648.048.498.297.797.67

表4正交試驗結果極差分析

指標項目因素A因素B因素C斷裂強度斷裂強度斷裂強度斷裂強度斷裂伸長率斷裂伸長率斷裂伸長率斷裂伸長率鉤接強度率鉤接強度率鉤接強度率鉤接強度率3 mm毛羽數(shù)3 mm毛羽數(shù)3 mm毛羽數(shù)3 mm毛羽數(shù)條干CV值條干CV值條干CV值條干CV值k1k2k3Rk1k2k3Rk1k2k3Rk1k2k3Rk1k2k3R32.81732.93333.3000.4833.2203.2833.1630.12040.24039.77337.9132.32727.00022.23334.11311.8807.3278.3907.9171.06333.18031.53334.3372.8033.3203.1533.1930.16738.91037.98041.0373.05732.77724.34726.2238.4308.0307.6038.0000.42733.56330.22335.2635.0403.1903.1533.3230.17038.70342.17337.0505.12325.33325.11332.9007.7877.8137.7638.0570.293

可以看出，紡制28.5 tex/16.5 tex玄武巖包芯紗的工藝參數(shù)較優(yōu)水平組合為A2B3C3，且工藝參數(shù)影響因素的主次順序為C>B>A。

3 結論

本文使用空心羅拉式賽絡集聚紡對新型高性能玄武巖長絲進行了紡紗，針對玄武巖長絲可紡性設計了不同工藝參數(shù)的玄武巖包芯紗線并對包覆效果及性能進行測試分析，得出以下結論。

(1)所紡玄武巖包芯紗的力學性能指標中，3種不同工藝參數(shù)對斷裂強度的影響次序為C3>B3>A3、對斷裂伸長率的影響次序為C3>B1>A2、對鉤接強度率的影響順序為C2>B3>A1；與純玄武巖長絲力學性能相比，斷裂強度較高，斷裂伸長率提高約1個百分點，鉤接強度率提高約20個百分點以上，紡制出的紗線力學性能良好。試驗得出的玄武巖包芯紗條干性能指標因素影響次序為A1>B2>C2，條干均勻度好；毛羽指標性能優(yōu)良，因素影響順序為A2>B2>C2。認為采用的紡紗方式適宜紡制高性能包芯紗，對其條干、毛羽等指標有較好的優(yōu)化效果，包芯紗質量良好且穩(wěn)定，但可紡性還需進一步改善。

(2)玄武巖包芯紗在不同工藝參數(shù)下紡制的包覆效果皆良好，捻系數(shù)對包芯紗的包覆效果影響明顯，導絲輪位置對包芯紗的質量影響最大。最優(yōu)工藝條件為：導絲輪位置偏左，粗紗中心距7 mm，捻系數(shù)270。