王興寶, 奚傳智, 王 科, 王家源, 裴澤光

(1.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620； 2.經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司，山西晉中 030601)

包芯紗是一種將短纖維包覆在連續(xù)長(zhǎng)絲外部形成的具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的紗線(xiàn)[1]。它將具有不同特性的長(zhǎng)絲和短纖維在紗線(xiàn)層面上進(jìn)行復(fù)合，可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，為服裝面料的功能化提供了一條重要的途徑[2- 4]。目前，包芯紗的加工方法主要包括環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡、摩擦紡和噴氣渦流紡等[5-8]，其中噴氣渦流紡是利用噴嘴內(nèi)部形成的旋轉(zhuǎn)氣流將短纖維均勻包覆在芯絲上，因此不僅不需要高速回轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，而且能夠以550 m/min的高速生產(chǎn)包芯紗，同時(shí)還具有流程短、用工少、產(chǎn)量高、可紡支數(shù)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。此外，噴氣渦流紗是由平行無(wú)捻狀態(tài)的纖維作為芯層，呈螺旋狀包纏在芯層纖維外部的纖維作為鞘層的芯鞘結(jié)構(gòu)紗線(xiàn)。這種特殊的雙層結(jié)構(gòu)使噴氣渦流紡特別適合紡制包芯紗。在前期研究中，筆者開(kāi)發(fā)了一種用于生產(chǎn)金屬絲包芯紗的噴氣渦流紡紗方法，對(duì)其噴嘴氣流特性、成紗過(guò)程、紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究[9-12]。然而在噴氣渦流紡的成紗過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)氣流的切向和軸向速度分量產(chǎn)生的作用力會(huì)使一些纖維完全從紗體中脫落，從而成為落纖，隨后從噴嘴出口中排出[11-13]，如圖1所示。這不僅會(huì)造成不必要的材料浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致紗線(xiàn)質(zhì)量的降低[14]。這是由于纖維的損失將會(huì)導(dǎo)致紗線(xiàn)表面的纖維量減少，從而會(huì)增加包芯紗中的露芯缺陷[8]。因此，設(shè)計(jì)低落纖的噴氣渦流紡紗噴嘴具有重要的意義。

圖1 噴氣渦流紡包芯紗成紗過(guò)程中落纖形成過(guò)程示意

一些研究人員已經(jīng)注意到噴氣渦流紡紗過(guò)程中的纖維損失問(wèn)題，并嘗試對(duì)噴嘴進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。鄒專(zhuān)勇等[15]基于數(shù)值模擬方法分析了噴氣渦流紡紗過(guò)程中噴嘴加捻腔內(nèi)部纖維的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了纖維臨界角速度對(duì)落纖形成的影響，在此基礎(chǔ)上提出了一種帶有假捻噴孔的噴氣渦流紡紗噴嘴，以實(shí)現(xiàn)減少纖維損失的目的[16]。張肖斌等[17]發(fā)明了一種噴氣渦流紡槽孔型空心錠，其錐部設(shè)有連接引紗通道和加捻腔的通孔，可為纖維尾端提供一定的摩擦力，從而降低纖維從紗體中抽拔出來(lái)成為落纖的可能性。裴澤光[18]設(shè)計(jì)了一種在紡錠內(nèi)引紗通道壁面上設(shè)有抽吸孔的噴氣渦流紡紗噴嘴，可在引紗通道壁面處提供負(fù)壓吸附力，以增大紗線(xiàn)在成形過(guò)程中通過(guò)引紗通道時(shí)受到的摩擦力并使紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)變得更為緊密，從而增大須條對(duì)纖維頭端施加的握持力，以減少成紗過(guò)程中的落纖量。盡管上述研究均對(duì)減少纖維損失的原理進(jìn)行了描述，但這些設(shè)計(jì)的有效性尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文基于文獻(xiàn)[18]的思路，對(duì)噴氣渦流紡紗噴嘴進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制造，對(duì)該噴嘴在紡制金屬絲包芯紗的過(guò)程中減少纖維損失的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并研究了抽吸孔直徑和抽吸區(qū)長(zhǎng)度對(duì)落纖量和紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 負(fù)壓抽吸式噴氣渦流紡紗噴嘴設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)噴氣渦流紡紗過(guò)程中纖維受力示意如 圖2(a) 所示，在傳統(tǒng)噴氣渦流紡紗過(guò)程中，倒伏在紡錠前端錐面上的纖維受到的作用力主要有：處于自由狀態(tài)的纖維尾端受到的氣流作用力Fa、離心力Fc、與紡錠外表面之間的摩擦力Fs以及已進(jìn)入紗體內(nèi)部的纖維頭端受到的周邊纖維施加的摩擦力Ff等，其中Fa可以分解為沿噴嘴軸向的軸向分量Fx和沿噴嘴腔室周向的切向分量Fy。當(dāng)噴嘴內(nèi)高速氣流作用下纖維的受力滿(mǎn)足式(1)時(shí)，一部分纖維將能夠克服紗體中周邊纖維施加的摩擦力從紗體中被氣流抽拔出來(lái)而成為落纖。

(1)

式中：θ為錠子前端錐面的錐角，α為纖維尾端與錠子錐面母線(xiàn)之間的夾角，β為Fs與纖維尾端之間的夾角。

成紗過(guò)程減少纖維損失的原理示意如圖2(b)所示，為了解決成紗過(guò)程中的纖維損失這一問(wèn)題，本文提出了一種在紡錠入口段引紗通道壁面上設(shè)置氣流抽吸孔的噴氣渦流紡紗噴嘴設(shè)計(jì)。在錠子內(nèi)設(shè)置連接負(fù)壓抽吸孔和負(fù)壓泵的負(fù)壓抽吸腔，通過(guò)施加負(fù)壓抽吸力來(lái)增加紗體與引紗通道間的摩擦力，從而使紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)更加緊密，以增加摩擦力Ff，使纖維頭端受到的周邊纖維施加的握持力增大，從而提高自由狀態(tài)的纖維尾端對(duì)空氣阻力和離心力的承受能力而保持在紗體中，同時(shí)有利于形成結(jié)構(gòu)更加緊湊的金屬絲包芯紗。

圖2 噴氣渦流紡成紗過(guò)程中的纖維受力示意

1.2 噴嘴制造工藝

負(fù)壓抽吸式噴氣渦流紡紗裝置紡錠裝配體結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的錠子由紡錠主體、負(fù)壓抽吸管和紡錠端蓋三部分組成，負(fù)壓抽吸管被插入紡錠主體中并由紡錠端蓋所固定。負(fù)壓抽吸管上的抽吸孔將引紗通道和負(fù)壓腔連通，負(fù)壓腔通過(guò)氣流通道與負(fù)壓氣源連接。采用澆鑄成型的方法，以環(huán)氧樹(shù)脂為材料，對(duì)紡錠主體與端蓋進(jìn)行快速、高精度制造。紡錠主體制造過(guò)程示意如圖4所示，錠子主體的制造工藝如下：

圖3 負(fù)壓抽吸式噴氣渦流紡紗裝置紡錠裝配體結(jié)構(gòu)示意

圖4 紡錠主體制造過(guò)程示意

a)選用硅膠材料制作一種可快速脫模并可重復(fù)性使用的模具。

b)將適量液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂的兩種組分按比例混合，將混合均勻后的液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂注入硅膠模具內(nèi)腔。

c)將充滿(mǎn)液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂的模具放入一個(gè)負(fù)壓密封容器中靜置一段時(shí)間，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行脫氣，防止紡錠主體零件中產(chǎn)生氣泡。

d)將含有液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂的硅膠模具從負(fù)壓密閉容器中取出，靜置至固化成型，得到零件毛坯。

e)根據(jù)紡錠主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)毛坯進(jìn)行機(jī)械加工，去除多余的材料，以獲得滿(mǎn)足裝配要求的紡錠主體。紡錠端蓋可使用相同方法制造。

紡錠實(shí)物如圖5(a)所示，選取了外徑為1.6 mm、內(nèi)徑為1.3 mm，長(zhǎng)度為73 mm的銅管制作負(fù)壓抽吸管，并采用微細(xì)麻花鉆在管壁上鉆孔。為研究有無(wú)負(fù)壓抽吸氣流作用以及不同抽吸孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)纖維損失及紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度影響，將未設(shè)置抽吸孔的紡錠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，并設(shè)計(jì)制作了如表1所示的5種負(fù)壓抽吸管。圖5(b)示出了由紡錠主體、負(fù)壓抽吸管和端蓋裝配而成的紡錠裝配體。裝配好的紡錠及其他零部件一起進(jìn)行裝配，得到噴嘴裝置，如圖6所示。

圖5 紡錠實(shí)物照片

表1 氣流抽吸孔結(jié)構(gòu)及排列參數(shù)

圖6 負(fù)壓抽吸式噴氣渦流紡紗噴嘴

1.3 紡紗實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇平均長(zhǎng)度為38 mm、細(xì)度為1.5 dtex的粘膠纖維作為金屬絲包芯紗的外包短纖維，制成線(xiàn)密度為680 tex的粗紗。包芯紗的芯絲采用直徑為50 μm、涂覆有5 μm厚聚氨酯涂層的超細(xì)漆包銅線(xiàn)。利用所制造的負(fù)壓抽吸式噴嘴裝置在噴氣渦流紡紗試驗(yàn)機(jī)(DHU-P02)上進(jìn)行了包芯紗的紡制。紡紗工藝與參考文獻(xiàn)[9]中所述相似，不同之處是對(duì)紡錠結(jié)構(gòu)及其工藝參數(shù)進(jìn)行了修改。實(shí)驗(yàn)的工藝和機(jī)器設(shè)置數(shù)據(jù)如表2所示。其中，紡錠負(fù)壓選擇-60 kPa(表壓)，這是由于經(jīng)紡紗試驗(yàn)證明，在該壓強(qiáng)條件下，負(fù)壓抽吸管內(nèi)的氣流抽吸作用明顯，且該負(fù)壓值符合所采用的真空抽吸泵的工作要求。

表2 紡紗實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.4 包芯紗線(xiàn)密度與斷裂強(qiáng)度的測(cè)定

本文采用測(cè)量紗線(xiàn)線(xiàn)密度的方法來(lái)間接表征不同工況下的落纖量。由于不同工況均使用了相同原材料和總牽伸比，紗線(xiàn)的線(xiàn)密度越高，表明在成紗過(guò)程中損失的纖維越少，反之亦然。因此通過(guò)使用精密天平稱(chēng)取長(zhǎng)度為1 m的紗線(xiàn)樣品重量以獲得紗線(xiàn)的線(xiàn)密度。紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度在材料試驗(yàn)機(jī)(ZQ-990LB)上選取樣品長(zhǎng)度為250 mm、測(cè)試速度為60 mm/min進(jìn)行測(cè)試。在線(xiàn)密度和斷裂強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)中，以表2所示的參數(shù)條件下，對(duì)每個(gè)工況分別測(cè)量30個(gè)試樣，以獲得紗線(xiàn)線(xiàn)密度和斷裂強(qiáng)度平均值。所有試驗(yàn)均在(20±2) ℃和(65±2)%相對(duì)濕度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。此外通過(guò)使用Minitab軟件以95%的置信度對(duì)稱(chēng)重結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)Grubbs準(zhǔn)則[19]檢驗(yàn)數(shù)據(jù)中是否存在異常值，并采用單因素方差分析(ANOVA)研究了各參數(shù)對(duì)紗線(xiàn)線(xiàn)密度和斷裂強(qiáng)度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)對(duì)纖維損失的影響

2.1.1 抽吸孔直徑

圖7(a)顯示了抽吸孔直徑對(duì)金屬絲包芯紗線(xiàn)密度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(工況1-3、5)，“0”表示未設(shè)置抽吸孔的工況；圖7(b)是在95%置信水平下對(duì)各參數(shù)進(jìn)行Tukey多重比較[20]的結(jié)果。其中，在 圖7(b) 的均值差值區(qū)間若不包含數(shù)值“0”，則表明對(duì)應(yīng)的均值具有顯著的差異。由 圖7(a) 可以看出，設(shè)有不同直徑的抽吸孔的噴嘴所紡出的紗線(xiàn)線(xiàn)密度均高于傳統(tǒng)噴嘴所紡紗線(xiàn)的線(xiàn)密度，并且當(dāng)抽吸孔直徑從0.2 mm增加到0.4 mm時(shí)，紗線(xiàn)的線(xiàn)密度先增大后略有減小。在圖7(b)所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，“0～0.2”“0～0.3”“0～0.4”時(shí)的均值差值區(qū)間均不包含數(shù)值“0”，這表明通過(guò)在紡錠的引紗通道壁面上設(shè)置抽吸孔對(duì)紗線(xiàn)的纖維損失有顯著影響。在金屬絲包芯紗成紗過(guò)程中，設(shè)有抽吸孔的紡錠會(huì)使引紗通道內(nèi)壁產(chǎn)生負(fù)壓吸附力，有助于增加紗體與壁面間的摩擦力以及紗體中纖維頭端的握持力。因此，這部分纖維能夠更好地承受其呈自由狀態(tài)的尾端所受到的空氣阻力和離心力，從而使其不易被高速旋轉(zhuǎn)氣流吹離紗體。從圖7(b)中還可以看出，“0.3～0.2”“0.4～0.2”和“0.4～0.3”的均值差值區(qū)間均包含“0”，這意味著當(dāng)吸氣孔直徑在0.2～0.4 mm之間變化時(shí)，紗線(xiàn)線(xiàn)密度未發(fā)生顯著變化。這可能是由于抽吸孔直徑的變化太小使得產(chǎn)生的負(fù)壓吸附力變化不大，纖維頭端所受到的握持力不會(huì)受到顯著影響，進(jìn)而導(dǎo)致纖維損失量沒(méi)有顯著變化。

圖7 抽吸孔直徑對(duì)包芯紗線(xiàn)密度的影響結(jié)果

2.1.2 抽吸區(qū)長(zhǎng)度

圖8(a)顯示了抽吸區(qū)長(zhǎng)度對(duì)包芯紗線(xiàn)密度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(工況2、4―5)，圖8(b)是在95%置信水平下對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行Tukey多重比較的結(jié)果。從圖8(a)可以看出，使用具有不同抽吸區(qū)長(zhǎng)度的噴嘴紡制的紗線(xiàn)的線(xiàn)密度均高于未設(shè)置氣流抽吸孔的噴嘴紡制的紗線(xiàn)的線(xiàn)密度，并且當(dāng)抽吸區(qū)長(zhǎng)度從 25 mm 增加到34 mm時(shí)，紗線(xiàn)線(xiàn)密度略有下降。從圖8(b)可以看出，“0～25”和“0～34”對(duì)應(yīng)的均值差值區(qū)間均不包含“0”，表明設(shè)有抽吸孔可以顯著降低纖維損失。然而，“34～25”對(duì)應(yīng)的均值差值區(qū)間包含“0”，表明抽吸區(qū)長(zhǎng)度從25 mm增加到 34 mm 時(shí)，纖維損失沒(méi)有顯著差異。這是由于在紗線(xiàn)的形成過(guò)程中，自由尾端受到空氣阻力和離心力的纖維的頭端進(jìn)入紗線(xiàn)通道較短時(shí)易使其從紗體中抽拔出來(lái)。而25 mm和34 mm的抽吸區(qū)長(zhǎng)度均大于進(jìn)入引紗通道內(nèi)的纖維頭端長(zhǎng)度。因此，在這兩種工況下，施加在纖維頭端的負(fù)壓吸附力是相似的，使得兩種工況下纖維頭端受到相似的握持力，其均足以將纖維保持在紗體中，因此在這兩種工況下纖維損失差異并不顯著。當(dāng)紗體向下游運(yùn)動(dòng)，使纖維頭端變得比引紗通道內(nèi)抽吸區(qū)長(zhǎng)度更長(zhǎng)時(shí)，施加在纖維尾端上的空氣阻力和離心力更無(wú)法克服其前端在紗體中受到的握持力。因此在這一階段，纖維更不可能從紗體中被抽拔出成為落纖。

圖8 抽吸區(qū)長(zhǎng)度對(duì)包芯紗線(xiàn)密度的影響結(jié)果

2.2 參數(shù)對(duì)包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響

2.2.1 抽吸孔直徑

圖9(a)顯示了抽吸孔直徑對(duì)金屬絲包芯紗斷裂強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(工況1―3、5)，圖9(b)是在95%的置信水平下對(duì)各參數(shù)進(jìn)行Tukey多重比較的結(jié)果。如圖9(a)所示，設(shè)有不同直徑的抽吸孔的噴嘴所紡出的紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)度均高于傳統(tǒng)噴嘴所紡出紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)度，且隨著抽吸孔直徑從 0.2 mm 增加到0.4 mm，紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度先減小后增大。圖9(b)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，“0～0.2”“0～0.3”“0～0.4”“0.3～0.2”“0.4～0.2”時(shí)的均值差值區(qū)間均不包含“0”， 而“0.4～0.3”的均值差值區(qū)間包含“0”，這表明抽吸孔的存在對(duì)紗線(xiàn)強(qiáng)度有顯著影響，且當(dāng)抽吸孔直徑在0.2 mm與0.3 mm以及0.2 mm與0.4 mm之間變化時(shí)，紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度受到顯著影響，而抽吸孔直徑在0.3 mm與0.4 mm之間變化時(shí)，紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)度沒(méi)有顯著變化。由2.1.1節(jié)的結(jié)果可知，不同直徑抽吸孔的存在可顯著降低纖維的損失，這意味著紗體中的芯纖維或包覆纖維量增加，即紗體中存在更多的纖維，以承擔(dān)更大的拉力，同時(shí)可使紗體中纖維間的抱合力增加，從而顯著提高紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果還表明，抽吸孔直徑為0.2 mm時(shí)的紗線(xiàn)強(qiáng)度顯著高于抽吸孔直徑為0.3 mm和0.4 mm時(shí)的紗線(xiàn)強(qiáng)度，這說(shuō)明抽吸孔直徑過(guò)大并不利于紗線(xiàn)強(qiáng)度的提高。從節(jié)約耗氣量的角度考慮，抽吸孔直徑為0.2 mm時(shí)最佳。

圖9 抽吸孔直徑對(duì)包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響結(jié)果

2.2.2 抽吸區(qū)長(zhǎng)度

圖10(a)顯示了抽吸區(qū)域軸向長(zhǎng)度對(duì)渦流包芯紗斷裂強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(工況2、4―5)，圖10(b) 是在95%的置信水平下對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行Tukey多重比較的結(jié)果。從圖10(a)中可以看出，使用具有不同抽吸區(qū)長(zhǎng)度的噴嘴所紡制的紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)度均高于未設(shè)有抽吸孔的噴嘴所紡制的紗線(xiàn)的強(qiáng)度。當(dāng)抽吸區(qū)長(zhǎng)度從25 mm增加至34 mm時(shí)，紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)度略有下降。圖10(b)中示出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，“0～25”和“0～34” 對(duì)應(yīng)的均值差值區(qū)間均不包含“0”，這表明與未設(shè)有抽吸孔的噴嘴相比，抽吸區(qū)的存在可以顯著提高紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)度。然而，“34～25” 對(duì)應(yīng)的均值差值區(qū)間包含“0”，這表明抽吸區(qū)長(zhǎng)度為25 mm和34 mm下紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度的差異并不顯著。這是由于纖維束主要在靠近紡錠入口區(qū)域的引紗通道內(nèi)加捻形成紗線(xiàn)，在這兩種工況下紗線(xiàn)成形區(qū)域中纖維受到的負(fù)壓吸附力的作用效果相似，繼而時(shí)紗體中的纖維量、纖維間抱合力與紗線(xiàn)緊密程度差異不顯著，進(jìn)而對(duì)紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度的影響也很小。

圖10 軸向抽吸區(qū)長(zhǎng)度對(duì)包芯紗斷裂強(qiáng)度的影響結(jié)果

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種在紡錠引紗通道入口區(qū)域的壁面上設(shè)有抽吸孔的噴氣渦流紡紗噴嘴，以減少金屬絲包芯紗紡制過(guò)程中纖維損失，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了抽吸孔直徑和抽吸區(qū)長(zhǎng)度對(duì)纖維損失和紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度的影響。結(jié)論如下：

a)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的噴嘴相比，在紡錠中增設(shè)抽吸孔可以顯著減少成紗過(guò)程中的纖維損失，但孔徑在0.2～0.4 mm之間的變化對(duì)纖維損失的影響并不顯著。當(dāng)抽吸區(qū)長(zhǎng)度從25 mm增加為34 mm時(shí)，對(duì)于纖維損失的影響并不顯著。

b)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的噴嘴相比，通過(guò)在引紗通道壁面上設(shè)置抽吸孔對(duì)紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度的提高有顯著效果。當(dāng)孔徑從0.4 mm減小到0.3 mm時(shí)，紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度的影響不顯著，而孔徑從0.3 mm減小到 0.2 mm 時(shí)，紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度顯著增加，孔徑為 0.2 mm 時(shí)斷裂強(qiáng)度最大。然而當(dāng)抽吸區(qū)長(zhǎng)度從 25 mm 增加為 34 mm 時(shí)，對(duì)于紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)度的影響并不顯著。