曹巧麗， 李 豪， 錢麗莉， 郁崇文,2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620)

多種纖維混紡能夠利用各組分纖維的不同性能實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，獲得較好的成本效益，因而被廣泛應(yīng)用[1]?；旒徏喩a(chǎn)時，主要是通過條混(并條混合)和散纖維混合2種方式進(jìn)行纖維混合[2]。因條混混紡比容易控制，對纖維品種適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用更為廣泛[3]。多組分纖維在紗條內(nèi)的混合均勻程度決定了紗的強(qiáng)度、外觀等質(zhì)量[4-6]，因此，紗條中纖維分布的均勻性是影響混紡紗性能的關(guān)鍵。

目前通常采用漢密爾頓指數(shù)(MI)[7]和混合不勻指數(shù)(IBI)[8-10]對混紡紗的混合均勻程度進(jìn)行表征。MI通過計算紗條截面上各層圓環(huán)內(nèi)纖維根數(shù)的變化來描述纖維在紗條的內(nèi)外層(芯層和表面)的分布和轉(zhuǎn)移情況，但是無法表征纖維在紗條截面的周向上的分布情況，此外，沿紗條長度上的混合情況也無法表征。也有學(xué)者以實際混合不勻率與理論混合不勻率的比值作為量化混合均勻程度的指標(biāo)。一般認(rèn)為紡紗過程中纖維的混合是“隨機(jī)過程”，此隨機(jī)混合能夠達(dá)到的最佳混合程度被認(rèn)為是理論混合均勻度。還有學(xué)者[11-15]假設(shè)兩組分纖維在紗條內(nèi)服從二項分布并且“完全隨機(jī)混合”，建立了在紗條長度片段上纖維理論混合不勻公式。在實際測量混紡紗條內(nèi)纖維的混合均勻度方面，有研究是以紗條長度片段間的混紡比變異系數(shù)或偏差作為實際混合不勻率[13，16-17]，但是此IBI指數(shù)只能表征在紗條片段長度上混合的情況，對于紗條截面上，包括周向和徑向的混合情況無法說明。

條混時纖維受到的牽伸與集束作用使其產(chǎn)生運(yùn)動并在紗條內(nèi)重新排列，決定了最終纖維在紗條內(nèi)的分布與混合。不同的工藝參數(shù)下纖維運(yùn)動不同，導(dǎo)致混合均勻程度不同。文獻(xiàn)[18-20]通過實驗將色紡紗進(jìn)行切片成像對比分析，定性地探究了混合方式、混紡比等參數(shù)對MI的影響，但是由于MI的局限性，導(dǎo)致其無法表征混合均勻度。目前對其他條混參數(shù)對纖維混合影響的系統(tǒng)研究鮮見報道。由于纖維細(xì)長柔軟，其混合過程較粉體等顆粒物的混合過程更為困難，僅采用實驗的方法不僅耗時耗力，也無法準(zhǔn)確獲得紗條中纖維的分布和混合情況。采用計算機(jī)可模擬纖維在牽伸過程中的運(yùn)動，預(yù)測紗條條干均勻度[21-24]；同時在模擬纖維條混時的運(yùn)動方面已取得一定的進(jìn)展，并實驗驗證了其可行性[25]，為探究不同工藝對條混效果的影響提供了參考。

為進(jìn)一步探究條混工藝參數(shù)對紗條內(nèi)纖維混合均勻度的影響，本文改進(jìn)了混合不勻指數(shù)IBI的計算方法，用包含纖維在紗條截面(徑向與周向)和縱向混合均勻程度的IBI來更全面、綜合地表征纖維在紗條中的混合效果。采用計算機(jī)模擬不同工藝參數(shù)下的條混過程，結(jié)合實驗驗證，揭示出混紡比、并條道數(shù)、并合根數(shù)、牽伸倍數(shù)、羅拉隔距等工藝參數(shù)對各組分纖維在紗條中混合均勻度的影響規(guī)律。

1 混合不勻指數(shù)

在前人的研究中可以看出，在紗條混合不勻率測量以及理論混合不勻率計算時，僅針對紗條的長度片段混合，無法表征紗條內(nèi)部的混合情況，因此，本文在考慮紗條長度上的混合情況的同時，綜合考慮紗條在截面上，尤其是徑向與周向上的混合與分布情況，達(dá)到綜合表征紗條內(nèi)纖維整體混合均勻度的目的。

1.1 理論混合不勻率

基于前人的研究[14]，把混紡紗條看作是纖維在其內(nèi)部隨機(jī)排列的理想紗條，且不同組分纖維完全隨機(jī)混合，因此對混合紗條中纖維的理論混合不勻的推導(dǎo)基于以下假設(shè)[14]：1)在紗條截面上，纖維根數(shù)的分布服從泊松分布；2)紗條截面為圓形，且纖維在該截面上的位置服從均勻分布；3)纖維沿紗條軸向伸直且平行，如圖1所示。

圖1 紗條中纖維分布示意圖

為表征紗條截面上的混合分布情況，在紗條截面上沿周向和徑向，將紗條截面劃分成s個扇形環(huán)，如圖1(a)所示。同時沿紗條縱向?qū)⒓啑l劃分成長度相等的片段，如圖1(b)所示。根據(jù)假設(shè)1)，紗條截面平均纖維根數(shù)N服從參數(shù)為λ的泊松分布，即N～π(λ)。根據(jù)假設(shè)2)，A、B兩種組分纖維混紡，在紗條截面上A纖維的根數(shù)為X，其混紡比例為p，纖維B的纖維根數(shù)混紡比例為q，p+q=1，且定義p

(1)

(2)

1.2 實際混合不勻率

采用前期研究[11-13]提出的混合不勻率的測試方法，將紗條按照圖1所示的方式進(jìn)行劃分，分別測量每個扇環(huán)單元內(nèi)的A組分纖維的混紡百分比(對于兩組分混紡，A組分混紡比小于B組分)，然后代入式(2)[11,15,25]，可計算實際混合不勻率Cm。

(3)

1.3 混合不勻率指數(shù)測試

混合不勻率指數(shù)IBI為實測混合比不勻率與理論混合比不勻率的比值[12]：

(4)

一般來說，IBI>1，且IBI越接近1，表明纖維的混合效果越接近完全隨機(jī)混合狀態(tài)。如若在紡紗過程中對纖維的運(yùn)動以及混合加強(qiáng)干預(yù)，使其各個組分的纖維達(dá)到有規(guī)則的間隔排列，則IBI可望小于1，此時纖維的混合效果比理論上完全隨機(jī)混合的效果更好。

2 條混實驗與模擬

2.1 實驗部分

2.1.1 實驗原料

黑、白2種顏色的滌綸均取自上海德福倫化纖有限公司，分別依次經(jīng)過梳理、并條后制得2種顏色的紗條。紗條及纖維參數(shù)如表1所示。

表1 纖維與紗條性能參數(shù)

2.1.2 條混實驗

為驗證模擬的準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步探究并合根數(shù)、并條道數(shù)、混紡比等工藝參數(shù)對混合均勻度的影響，采取以下實驗方案進(jìn)行驗證，如表2所示。

表2 條混實驗方案

2.1.3 混合條截面制樣

將每道條混后的混合條用哈氏切片器切片制樣，并在顯微鏡下采集截面圖像如圖2(a)所示。每組5張圖像，以計算其混合不勻。

圖2 混合紗條截面圖像

2.1.4 混合不勻指數(shù)IBI計算

采用計算機(jī)圖像處理技術(shù)提取紗條截面圖像，并計算其中心點，將紗條截面分割為6×10個面積相等的扇環(huán)，如圖2(b)所示。由于實驗所用纖維原料為等長度、等線密度的滌綸纖維，因此其單元格中的纖維根數(shù)比即為混紡比。依次計數(shù)每組的5張紗條截面圖中各個單元內(nèi)的白色與黑色纖維根數(shù)，算出混紡比，根據(jù)式(1)～(3)計算得到混合不勻指數(shù)。

2.2 條混模擬

采用本文課題組前期模擬條混過程的方法，模擬纖維在條混時的運(yùn)動過程，得到并條混合后的紗條中纖維的分布情況，以此來預(yù)測各組分紗條在并條中的混合效果。模擬過程[25]主要分為以下幾步：

1)根據(jù)纖維長度、線密度、紗條定量以及混紡比等參數(shù)生成三維立體的紗條，對每根纖維頭尾端坐標(biāo)進(jìn)行賦值。

2)根據(jù)紗條在牽伸區(qū)中變速點分布、羅拉轉(zhuǎn)速、牽伸倍數(shù)、羅拉隔距等工藝參數(shù)，計算每根纖維開始變速的時間以及總位移。

3)根據(jù)紗條中纖維在前羅拉輸出集束區(qū)的位置和速度，計算纖維經(jīng)過集束后纖維的頭尾端坐標(biāo)。

4)根據(jù)集束后紗條內(nèi)纖維的分布，按照圖1劃分的方式，在紗條截面上劃分為60個面積相等的扇環(huán)，在紗條縱向上劃分100個長度相等的片段，依次計算每個扇環(huán)內(nèi)的混紡比，代入式(2)計算混合紗條的實際混合不勻率。然后按照式(1)和式(3)計算IBI。

5)將混合后的紗條沿其紗軸隨機(jī)旋轉(zhuǎn)某一角度，并將此旋轉(zhuǎn)后的紗條按照所需的并合數(shù)排列喂入下一道并條混合，重復(fù)步驟2)、3)、4)，可以得到多道并條混合后的紗條。

為了探究紗條定量、牽伸倍數(shù)以及羅拉隔距等工藝參數(shù)對混合效果的影響，采用表3中的實驗參數(shù)進(jìn)行模擬，其中以紗條截面中平均纖維根數(shù)作為輸入?yún)?shù)來表征紗條定量。

表3 模擬計算方案

3 結(jié)果與討論

3.1 并條道數(shù)與并合根數(shù)

對表2中的1#～4#樣品進(jìn)行實驗，以探究不同并合根數(shù)對條混效果的影響。采用混合不勻率[25]以及本文改進(jìn)的IBI分別表征紗條的混合效果。1～5 道條混后紗條的實際混合不勻率如圖3(a)所示，混合不勻指數(shù)IBI如圖4(a)所示。將實驗中的纖維、紗條參數(shù)以及對應(yīng)的條混工藝參數(shù)輸入模擬程序，得到混合紗條內(nèi)纖維的分布，并計算出模擬的混合不勻率與IBI，如圖3(b)、圖4(b)所示。

圖3 并合根數(shù)與混合不勻率的關(guān)系

圖4 并合根數(shù)與IBI的關(guān)系

由于混紡比相同，紗條截面中各組分纖維的根數(shù)相近，因此混合不勻率與IBI計算結(jié)果趨勢一致。由圖3、4可以看出，模擬結(jié)果與實測結(jié)果趨勢一致，由于1#樣品實驗中并合(混合)根數(shù)少(只有2根條子)，因此，其混合效果最差，1#樣品的IBI指數(shù)比2#、3#、4#樣品均高50%以上。隨著并條道數(shù)的增加，IBI逐漸下降，在3～5道并條時，2#、3#、4#樣品的IBI逐漸減小并趨于1。并合根數(shù)越多，越能在較少的并條道數(shù)下達(dá)到較低的IBI值。因為并條道數(shù)的增加相當(dāng)于并合根數(shù)指數(shù)級增加，其并合(混合)的效果越強(qiáng)。因此，增加并合根數(shù)、提高并條道數(shù)在一定程度上是提高混合效果的簡便、有效手段。但是并條道數(shù)過多會導(dǎo)致纖維過度牽伸，從而造成損傷，因此提高混合效果，應(yīng)先增大并條根數(shù)，再考慮增大并條道數(shù)。

3.2 頭道并條排列方式

對表2中4#～6#樣品進(jìn)行實驗，以分析在相同的混紡比和并合根數(shù)下，頭并時喂入條排列方式對條混效果的影響。實測與模擬的混合不勻率、IBI結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 頭道并條喂入排列方式與混合不勻率的關(guān)系

由圖5和圖6可以看出，在相同的混紡比和紗條線密度下，混合不勻率與IBI結(jié)果一致。對比4#、5#、6#3種不同頭并排列方式可以看出，4#樣品即2種紗條一根隔一根地間隔排列的IBI較小，5#樣品即每2根間隔排列的IBI次之，6#樣品即4根黑色4根白色分開排列的IBI最大。隨著并條道數(shù)的增加，混合不勻率與IBI逐漸降低，且3種排列方式的混合效果逐漸接近，尤其是在3道并條以后，3種排列方式下的混合紗條的混合不勻率與IBI均逐漸接近一致。說明增加并條道數(shù)，可以有效降低因排列方式導(dǎo)致的混合不勻的問題。4#試樣能夠在更少的并條道數(shù)下達(dá)到更小的混合不勻率，表明在條混時，將不同品種的紗條盡可能間隔排列，能夠減少并條道數(shù)，并提高混合效果。

圖6 頭道并條喂入排列方式與IBI指數(shù)的關(guān)系

3.3 混紡比

對表2的4#、7#～11#樣品進(jìn)行實驗，以分析混紡比對條混效果的影響。實測與模擬的混合不勻率、IBI指數(shù)結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 混紡比與混合不勻率的關(guān)系

由圖7可以看出，隨著并條道數(shù)的增加，混合不勻率逐漸下降，實測值與模擬值有相同的趨勢。此外，混紡比越小，混合不勻率越大。但是由于混紡比不同，混合不勻率無法直接表征在不同混紡比下的條混效果，因此需要比較IBI。從圖8(a)可以看出，隨著并條道數(shù)的增加，IBI降低速率逐漸減緩并處于波動的狀態(tài)，而不像圖8(b)那么平穩(wěn)，這可能是由于實際紗條本身的條干不勻造成的。從整體上看，兩組分混合時，混紡比越接近50/50，IBI指數(shù)越小，越易混合均勻。

圖8 混紡比與IBI指數(shù)的關(guān)系

3.4 牽伸倍數(shù)與紗條定量

對表3中12#～16#樣品進(jìn)行模擬，模擬了不同定量的2種紗條經(jīng)過2道不同牽伸倍數(shù)的條混，計算其混合不勻率和IBI，模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 牽伸倍數(shù)、紗條定量與混合不勻率以及IBI指數(shù)的關(guān)系

從圖9(a)可以看出，12#、13#、14#樣品在2道并條混合時牽伸倍數(shù)不同，但是其輸出定量相同時，其混合不勻率、IBI均接近。說明牽伸倍數(shù)對條混效果沒有顯著影響。由圖9(b)可以看出，紗條定量越大，混合不勻率越小，而不勻指數(shù)增大，而實際經(jīng)驗也顯示定量越大，越難混合均勻。這說明了混合不勻率無法準(zhǔn)確表征不同定量的紗條混合均勻度，而混合不勻指數(shù)則可以較好地評述不同定量紗條的混合均勻程度。

3.5 羅拉中心距

對表3中17#、18#、19#樣品進(jìn)行參數(shù)模擬，模擬了相同定量的2種紗條經(jīng)過2道不同羅拉隔距的條混，計算其混合不勻率和IBI指數(shù)，模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 羅拉中心距與混合不勻率以及IBI指數(shù)的關(guān)系

由圖10可以看出，羅拉隔距不同，各道并條后IBI指數(shù)與混合不勻率均接近，說明羅拉隔距對條混的混合均勻度沒有明顯的影響。

4 結(jié) 論

為揭示條混時影響纖維在條子中混合均勻程度的因素，本文采用計算機(jī)模擬與實驗相結(jié)合的方法探究了條混工藝參數(shù)對混合均勻程度的影響，并采用改進(jìn)的、綜合考慮了纖維在紗條縱向和截面(徑向及周向)的混合不勻指數(shù)IBI來表征混合均勻程度。研究結(jié)果表明，該IBI能更準(zhǔn)確表征混紡紗條的混合均勻程度；增大并條道數(shù)、提高并合根數(shù)能夠有效降低混合不勻指數(shù)；各組分喂入排列越均勻，兩組分混合時各混紡比越接近50/50，紗條定量越小，越易混合均勻；牽伸倍數(shù)與羅拉隔距對條混效果沒有明顯影響。上述的計算機(jī)模擬結(jié)果與實測結(jié)果具有一致性，可以用于預(yù)測條混后紗條的混合均勻程度。

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致謝感謝上海市現(xiàn)代紡織前沿科學(xué)研究基地對本文的資助。