楊瑞華, 潘 博, 郭 霞, 王利軍, 李健偉
(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué)), 江蘇 無錫 214122; 2. 德州華源生態(tài)科技有限公司, 山東 德州 253000; 3. 蘇州多道自動化科技有限公司, 江蘇 蘇州 215000)
混色紗是由不同顏色的纖維混合而成的一種新型花色紗線[1]?;焐喖婢呒徏喖夹g(shù)與色彩藝術(shù),用混色紗紡制的織物表面色彩柔和,艷麗美觀,富有層次感和立體感,有較高的產(chǎn)品附加值[2-4]。
混色紗可以由環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡這3種成紗方法紡制。環(huán)錠紡憑借其原料適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品多樣的優(yōu)勢在紡紗行業(yè)中占據(jù)主體地位[5-6],轉(zhuǎn)杯紡、噴氣渦流紡等新型成紗方法因其生產(chǎn)效率高、用工少等優(yōu)勢也得到迅速的發(fā)展[7]?;焐喌男阅芎推焚|(zhì)在很大程度上受紗線橫截面上不同顏色纖維分布規(guī)律的影響。現(xiàn)有對混色紗混合效果的研究多是針對某種單一成紗方法的研究[8-9],鮮有對不同成紗方法紡制混色紗混合效果的對比分析。為充分了解和預(yù)測不同成紗方法紡制紗線的性能和混合效果,有必要對混色紗中不同顏色纖維的徑向分布情況進(jìn)行探究。
條混法是將多根有色條子在并條工序?qū)崿F(xiàn)纖維混合的方法[10],也是生產(chǎn)混色紗常用的混色方法。本文以紅、白、藍(lán)粘膠纖維為原料,使用條混法分別紡制1道熟條和3道熟條,采用環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡這3種成紗方法將2種熟條紡制成線密度為27.7 tex的6種混色紗,通過計算混色紗中各色纖維的漢密爾頓指數(shù),測試成紗結(jié)構(gòu)和紗線性能,研究不同成紗方法對混色紗混色均勻程度和成紗質(zhì)量的影響。
成紗方法不同,混色紗中纖維的混合效果和成紗性能也不同。
環(huán)錠紡的成紗過程為粗紗經(jīng)過牽伸區(qū)被抽長拉細(xì)成一定細(xì)度的須條,須條從前羅拉鉗口輸出后,經(jīng)過高速錠子和鋼絲圈加捻和卷繞成管紗。環(huán)錠紡混色紗中各色纖維呈螺旋線周期性排列,紗線的徑向結(jié)構(gòu)清晰、緊密,紗線徑向結(jié)構(gòu)上纖維捻合在一起,邊緣纖維聚集,其使用原料范圍廣、成紗強(qiáng)力高,但生產(chǎn)效率不如新型成紗方法[11]。
轉(zhuǎn)杯紡的成紗過程為纖維須條由給棉羅拉喂入分梳輥并分離成單纖維,纖維在分梳輥的離心力和紡杯內(nèi)負(fù)壓氣流的作用下脫離分梳輥,經(jīng)過輸棉管道進(jìn)入紡杯, 在凝聚槽中形成一個完整的纖維環(huán), 纖維環(huán)隨紡杯高速旋轉(zhuǎn), 在引紗的作用下, 隨捻度不斷地傳遞和連續(xù)剝離的纖維束成紗[12]。轉(zhuǎn)杯紡成紗過程中,分梳輥和轉(zhuǎn)杯配合完成對須條的抽長拉細(xì)及纖維并合作用,有利于各色纖維均勻分布。轉(zhuǎn)杯紡生產(chǎn)效率高、加工成本低,使用轉(zhuǎn)杯紡生產(chǎn)的混色紗具有獨(dú)特的色彩風(fēng)格和廣闊的市場空間。
噴氣渦流紡的成紗過程為纖維須條經(jīng)過羅拉機(jī)構(gòu)超大牽伸后,由前羅拉輸出進(jìn)入噴嘴,在高速渦流作用下,纖維須條的頭端被引導(dǎo)進(jìn)入空心管,纖維須條的尾端被高速氣流吹散并在空心管頂端旋轉(zhuǎn),給纖維須條加捻,紗線由空心管引出后卷繞成筒子紗。噴氣渦流紡生產(chǎn)流程短、生產(chǎn)效率高,但對原料要求較高,存在使用局限[13-14],開發(fā)混色紗對噴氣渦流紡發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢、拓展生產(chǎn)領(lǐng)域具有重要的意義。
6種混色紗線密度均為27.7 tex(1#為1道并條的環(huán)錠紡,2#為3道并條的環(huán)錠紡,3#為1道并條的轉(zhuǎn)杯紡,4#為3道并條的轉(zhuǎn)杯紡,5#為1道并條的噴氣渦流紡,6#為3道并條的噴氣渦流紡),火棉膠、羊毛纖維,市售;紗線分別在TH578環(huán)錠紡紗機(jī)和DS66轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)上紡制。
2.2.1 紗線縱向結(jié)構(gòu)
使用VHX-5000型超景深三維顯微鏡(日本基恩士公司),將紗線縱向放大40倍,觀察紗線形貌。
2.2.2 紗線強(qiáng)伸性能
根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 單根紗線斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率的測定》,使用YG068C型全自動單紗強(qiáng)力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)測試紗線的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率。拉伸速度為500 m/min,取樣長度為500 mm,預(yù)張力系數(shù)為0.5 cN/tex,取樣間隔為2 m,測試30次。
2.2.3 紗線條干均勻度
根據(jù)GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第1部分:電容法》,使用USTER TESTER 5型條干測試儀(瑞士烏斯特公司)測試紗線的條干均勻度。測試速度為100 m/min,測試時間為1 min,測試2次。
2.2.4 紗線毛羽
根據(jù)FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測定方法投影計數(shù)法》,使用YG172型紗線毛羽測試儀(陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司)測試紗線的毛羽。測試速度為30 m/min,片段長度為10 m,測試10次。
2.2.5 漢密爾頓指數(shù)
用羊毛纖維包埋紗線,使用Y172型哈氏切片器(常州德普紡織科技有限公司)制備紗線橫截面切片,在SSC-DC4889型光學(xué)顯微鏡(日本索尼公司)下放大100倍,保存其清晰的截面圖像,計算漢密爾頓指數(shù)。每種混色紗選取5處不同位置進(jìn)行切片及觀察。
漢密爾頓指數(shù)(M)可通過表達(dá)纖維在紗線中徑向分布情況,定量研究纖維混合效果。漢密爾頓指數(shù)以計算纖維在紗線中的徑向分布矩為基礎(chǔ), 求得某種纖維向內(nèi)或向外的轉(zhuǎn)移分布參數(shù)。M值一般介于-100%~100%之間。當(dāng)M=0時,表示纖維混合均勻;當(dāng)M>0時, 表示纖維有向外轉(zhuǎn)移的趨勢;當(dāng)M<0時, 則表示纖維有向內(nèi)轉(zhuǎn)移的趨勢。M絕對值的大小, 表示纖維發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移的程度。M的絕對值越小, 纖維混合效果越好;M的絕對值越大, 纖維混合效果越差[15-16]。
本文以紅、白、藍(lán)3種顏色粘膠纖維紡制的混色紗為例, 介紹紅色纖維(A)的漢密爾頓指數(shù)計算方法。
1) 制作混色紗截面等分同心圓。使用繪圖軟件(PS)確定混色紗橫截面切片圖像的圓形外邊界和紗心,接著將圓形外邊界的半徑5等分,作5個同心圓。這樣使混色紗橫截面切片圖像被分割成5個纖維層, 從紗心到圓形外邊界依次計為第1層、第2層、第3層、第4層、第5層。混色紗切片樣本等分同心圓如圖1所示。
圖1 混色紗切片樣本等分同心圓Fig.1 Color blended yarn slice sample divided into concentric circles
2) 統(tǒng)計各層各色纖維根數(shù)ai、bi、ci(ai表示第i層紅色纖維根數(shù);bi表示第i層白色纖維根數(shù);ci表示第i層藍(lán)色纖維根數(shù)) , 計算各色纖維的實際占有橫截面積Ai、Bi、Ci(Ai表示第i層紅色纖維的實際占有截面積;Bi表示第i層白色纖維的實際占有截面積;Ci表示第i層藍(lán)色纖維的實際占有截面積)。
若存在分布在纖維層邊界線上的纖維,則以纖維橫截面積的1/2及以上是否在纖維層內(nèi)為判斷依據(jù),若纖維橫截面積的1/2及以上在纖維層內(nèi),則計為1根纖維,否則計為0根纖維。本文中紅、白、藍(lán)3種顏色纖維均為粘膠纖維,設(shè)定粘膠纖維平均橫截面積為1, 則各色纖維的實際占有橫截面積為纖維根數(shù)。
3) 根據(jù)漢密爾頓指數(shù)分析法[17]計算各層纖維的分布矩,如式(1)所示,紅色纖維A的實際面積分布矩FA為
FA=-2A1-A2+A4+2A5
(1)
4) 根據(jù)漢密爾頓指數(shù)分析法計算纖維均勻分布時的分布矩,如式(2)所示,計算紅色纖維A的均勻分布矩:
(2)
式中:A為紅色纖維總根數(shù);ti為第i層纖維總根數(shù);T為纖維總根數(shù)。
5) 計算FU-FA。FU-FA>0,表示紅色纖維A優(yōu)先分布在內(nèi)層,則將所有紅色纖維以第1層為起點向外依次填充至全部填充完,依照紅色纖維新的分布情況,計算紅色纖維的最大向內(nèi)分布矩FI;FU-FA<0,表示紅色纖維優(yōu)先分布在外層,則將所有紅色纖維以第5層為起點向內(nèi)依次填充至全部填充完,依照紅色纖維新的分布情況,計算紅色纖維的最大向外分布矩FO。
6) 計算紅色纖維A的漢密爾頓指數(shù)M。若FU-FA>0,則根據(jù)式(3)計算;若FU-FA<0,則根據(jù)式(4)計算。
(3)
(4)
白色纖維、藍(lán)色纖維的漢密爾頓指數(shù)計算方法與紅色纖維類同。
每種混色紗選取5處樣本1~5不同位置進(jìn)行切片及拍攝,6種混色紗的切片樣本如圖2所示。
根據(jù)混色紗切片樣本,按照漢密爾頓指數(shù)分析法的步驟,首先計算各色纖維相對截面積及其截面積分布矩,最后得出各個樣本中各色纖維的漢密爾頓指數(shù),如表1所示。
分別計算6種混色紗的5個樣本的漢密爾頓指數(shù)平均值,得出混色紗中各色纖維的漢密爾頓指數(shù),如表2所示。
由表2可知:6種混色紗中,1#和2#中各顏色纖維的M絕對值之和分別為30.15%、11.37%,二者之和為41.52%;3#和4#中各顏色纖維的M絕對值之和分別為23.48%、12.39%,二者之和為35.87%;5#和6#中各顏色纖維的M絕對值之和分別為47.63%、22.68%,二者之和為70.31%。
3種成紗方法的成紗機(jī)制不同,纖維在紗線中的排列狀態(tài)也不相同,這導(dǎo)致不同成紗方法所紡紗線的纖維混合效果有很大差異。環(huán)錠紡和噴氣渦流紡都采用羅拉牽伸的方式實現(xiàn)對須條的抽長拉細(xì),加捻過程中內(nèi)外層纖維因疊加效應(yīng)而形成混合,在成紗階段整體上混合效果較差,主要依靠并條階段的混合效應(yīng)。轉(zhuǎn)杯紡成紗過程中纖維主要經(jīng)分梳輥的梳理,經(jīng)纖維輸送通道的伸直平行和在轉(zhuǎn)杯內(nèi)并合、集聚及加捻等階段的作用,由高速旋轉(zhuǎn)的分梳輥和轉(zhuǎn)杯共同配合完成對須條的抽長拉細(xì)的同時可以完成纖維的并合效應(yīng),各色纖維總體分布均勻,呈現(xiàn)的混合效果最好。結(jié)合實驗結(jié)果可知,由于轉(zhuǎn)杯紡在并條階段和細(xì)紗階段都有混合效應(yīng),因此成紗混合效果優(yōu)異,環(huán)錠紡和噴氣渦流紡混合效果次之。
圖2 切片樣本Fig.2 Slice samples
測試結(jié)果同時表明,3種成紗方法所采用的2種條混方式中,經(jīng)過3道并條工序的混色紗中各色纖維的M絕對值基本都低于經(jīng)過1道并條工序,即3道并條工序成紗混合效果優(yōu)于1道并條。纖維條經(jīng)過3道并條工序,各色纖維充分混合,纖維條截面內(nèi)的各色纖維分布更加均勻,所紡混色紗的混合效果更好。
混色紗的縱向微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示??梢钥闯觯涵h(huán)錠紡混色紗中纖維呈螺旋線排列;轉(zhuǎn)杯紡依靠高速氣流回轉(zhuǎn)成紗,紗線表面有典型的包纏纖維;噴氣渦流紡混色紗為雙層結(jié)構(gòu),包括芯層纖維和皮層纖維,芯層纖維平行排列,皮層纖維纏繞于芯層纖維外。從混色紗的縱向微觀結(jié)構(gòu)可以看出:3種成紗方法中,轉(zhuǎn)杯紡混色紗縱向顏色分布最均勻,渦流紡混色紗縱向顏色分布最不均勻。2種條混方式中,3道并條工序紡制的混色紗縱向顏色分布較1道并條工序紡制的混色紗均勻。通過混色紗縱向微觀結(jié)構(gòu)的分析可以側(cè)面印證混色紗橫截面混色效果。
表1 1#~6#各色纖維漢密爾頓指數(shù)Tab.1 Hamilton index of 1#-6#colored fibers
表2 6種混色紗各色纖維的漢密爾頓指數(shù)Tab.2 Hamilton index of 6 kinds of color blended yarn
圖3 紗線縱向結(jié)構(gòu)Fig.3 Longitudinal structure of yarn
6種混色紗的成紗性能如表3所示??梢钥闯觯?種成紗方法中,環(huán)錠紡成紗的強(qiáng)伸性能最好,其次是噴氣渦流紡,轉(zhuǎn)杯紡最低;噴氣渦流紡成紗的毛羽指數(shù)最小,其次是轉(zhuǎn)杯紡,環(huán)錠紡最高;條干均勻度相差較小,其中3道并條的環(huán)錠紡條干最優(yōu)。2種條混方式中,3道并條所成紗的強(qiáng)伸性能和條干均勻度優(yōu)于1道并條;但3道并條成紗的毛羽指數(shù)高于1道并條。
表3 6種混色紗的成紗性能Tab.3 Yarn forming properties of 6 kinds of color blended yarn
3種成紗方法的成紗機(jī)制不同,成紗性能也存在差異。環(huán)錠紡中纖維伸直平行度好,使得成紗的強(qiáng)伸性能最好,但存在的加捻三角區(qū)使邊緣纖維不能完全進(jìn)入紗體,造成較多毛羽;轉(zhuǎn)杯紡中的纖維伸直度受到限制,且分梳輥易造成纖維損傷,使得成紗的強(qiáng)伸性能較低;噴氣渦流紡在壓縮空氣下加捻成紗,毛羽指數(shù)遠(yuǎn)低于另外2種成紗方法。
2種條混方式中,纖維條經(jīng)過3道并條的并合、牽伸和混合,纖維條中的纖維伸直平行度高,內(nèi)在結(jié)構(gòu)得到改善,所紡混色紗的強(qiáng)度、伸長率和條干均勻度優(yōu)于只經(jīng)過1道并條的纖維條;由于3道并條經(jīng)過的并條工藝道數(shù)較多,纖維損傷增多,導(dǎo)致毛羽增多。
本文對使用3種不同成紗方法(環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡)、2種條混方式(1道并條、3道并條)所紡制的6種混色紗的混合效果、成紗結(jié)構(gòu)和紗線性能進(jìn)行了研究。
1)3種成紗方法中,轉(zhuǎn)杯紡成紗的漢密爾頓指數(shù)絕對值最小,各色纖維混合效果最好;2種條混方式中,3道并條工序成紗纖維混合效果優(yōu)于1道并條。
2)3種成紗方法所形成的混色紗結(jié)構(gòu)有明顯的區(qū)分度,其中環(huán)錠紡混色紗中纖維呈螺旋形排列;轉(zhuǎn)杯紡混色紗表面有典型的包纏纖維;噴氣渦流紡混色紗為皮芯層結(jié)構(gòu)。
3)3種成紗方法中,環(huán)錠紡成紗的強(qiáng)伸性能最好;噴氣渦流紡成紗的毛羽指數(shù)最?。粭l干均勻度相差較小。2種條混方式中,3道并條工序成紗的強(qiáng)伸性能和條干均勻度較好;1道并條工序成紗的毛羽較少。