崔 紅， 高秀麗， 張 偉， 呂立斌

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224000； 2. 河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

自捻紗的拉伸力學(xué)性能

崔 紅1， 高秀麗2， 張 偉1， 呂立斌1

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224000； 2. 河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

針對自捻紗斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率較低的問題，通過對同種原料自捻紡紗線和環(huán)錠紡紗線的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行對比，討論了適合自捻紡紗的纖維和必須經(jīng)過復(fù)合才能進(jìn)行自捻紡紗的纖維以及對纖維配比的要求。與環(huán)錠紡紗線相比，羊毛、腈綸、滌綸自捻紗的斷裂強(qiáng)力依次降低81.25%、49.33%、31.39%。滌綸、腈綸等纖維能直接采用自捻紡加工方式，而羊毛和苧麻不能直接采用自捻紡紗，必須和其他原料復(fù)合自捻。分別對毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸雙組分復(fù)合自捻紗進(jìn)行拉伸力學(xué)性能分析，結(jié)果表明，要使紗線拉伸性能符合要求，2種原料的組分中滌綸纖維含量需滿足：毛/滌綸紗中占60%以上，麻/滌綸紗中占71%以上，但腈綸/滌綸紗的纖維配比不受限制。

自捻紗； 結(jié)構(gòu)特征； 斷裂強(qiáng)力； 斷裂伸長率； 纖維配比

紗線的拉伸性能是紗線主要質(zhì)量指標(biāo)之一，不僅會影響紗線的使用和產(chǎn)品的風(fēng)格，而且會對紡織加工工藝以及生產(chǎn)效率有很大的影響[1]。目前對傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗中的純紡紗拉伸性能的研究較少，而集中于2種組分或3種組分復(fù)合或混紡紗拉伸性能的研究較多[2]。文獻(xiàn)[3]不僅對雙組分混紡紗的理論強(qiáng)力[4]進(jìn)行了預(yù)測，而且對雙組分混紡紗的伸長率和組分纖維本身的伸長性能、混紡比之間的關(guān)系進(jìn)行了理論研究，得出了重要的關(guān)系式，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在對雙組分混紡紗理論結(jié)果進(jìn)行實(shí)踐研究中，有對苧麻長纖維與棉的混紡研究[5-6]，還有對棉混紡紗強(qiáng)伸性能的研究[7]。除混紡紗外，通過研究雙組分復(fù)合紗的拉伸性能,不僅建立了雙組分復(fù)合紗力學(xué)模型[8]，而且建立了三組分復(fù)合紗力學(xué)模型[9]，研究了轉(zhuǎn)杯復(fù)合紗的拉伸性能[10]?；旒徎蛘邚?fù)合紡紗實(shí)質(zhì)上都是從纖維性能優(yōu)勢互補(bǔ)的角度出發(fā)，獲得具有良好紗線性能的途徑。

由于自捻紗的結(jié)構(gòu)特性，紗線中存在弱捻區(qū)，自捻紗的斷裂強(qiáng)力和伸長率都比較低。本文將從自捻紗與環(huán)錠紗不同的拉伸性能特點(diǎn)入手，通過討論不同組分纖維復(fù)合自捻紗的拉伸性能來研究自捻紗的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)方案

采用腈綸、滌綸、羊毛分別紡制50 tex的自捻紗和環(huán)錠紗。苧麻由于纖維長度的關(guān)系只紡制50 tex自捻紗。苧麻、羊毛、腈綸、滌綸的線密度分別為10 000、 6 000、4 000、2 600 tex。纖維的基本物理性能如表1所示。由不同纖維紡制成相同線密度的自捻紗和環(huán)錠紗，其相應(yīng)的力學(xué)性能見表2。環(huán)錠紗的捻度和自捻紗的自捻捻度相同。自捻紗在S300型自捻紡紗機(jī)上紡制，環(huán)錠紗在小型細(xì)紗機(jī)上紡制。表3示出計(jì)算出的自捻紗和環(huán)錠紗的纖維強(qiáng)力利用率。分別用不同的纖維與滌綸進(jìn)行雙組分復(fù)合，得到毛/滌綸、腈綸/滌綸和麻/滌綸自捻紗。表4示出雙組分復(fù)合自捻紗的纖維比例及力學(xué)性能。

表1 不同纖維組分的性能Tab.1 Properties of different fibers

表2 自捻紗與環(huán)錠紗的力學(xué)性能對比Tab.2 Comparison in mechanical properties between self-twist yarn and ring spun yarn

表3 自捻紗及相應(yīng)環(huán)錠紗的強(qiáng)力利用率Tab.3 Strength utilization ratio of self-twist yarn and ring spun yarn

表4 自捻紡復(fù)合紗纖維比例及力學(xué)性能Tab.4 Fiber ratio and mechanical properties of self-twist composite yarns

注：自捻紗線密度均為50 tex；紡紗速度為200 m/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 自捻紗與環(huán)錠紗的力學(xué)性能比較

從表1、2數(shù)據(jù)可知，自捻紗斷裂強(qiáng)力均小于環(huán)錠紗，羊毛、腈綸、滌綸與相同原料相同線密度環(huán)錠紗相比分別降低81.25%、49.33%、31.39%。羊毛纖維自捻紗斷裂強(qiáng)力和環(huán)錠紗相比降低幅度最大，這是由于羊毛纖維長度最短。環(huán)錠紗的強(qiáng)力CV值小于自捻紗，原因是環(huán)錠紗加捻是單向螺旋排列，而自捻紗加捻為Z捻向和S捻向交替加捻，2個加捻區(qū)由于捻向變換存在弱捻區(qū)且存在捻度不勻的情況。由表2可知，自捻紗斷裂伸長率均小于環(huán)錠紗，斷裂伸長率羊毛、腈綸、滌綸與相同原料相同線密度環(huán)錠紗相比分別降低276%、349%、113%。下降幅度很大，且伸長率CV值有較大增加。

根據(jù)表1、2中纖維、自捻紗、環(huán)錠紗的斷裂強(qiáng)力，可計(jì)算出紗線的纖維強(qiáng)力利用率I[2]。纖維強(qiáng)力利用率是指紗線斷裂強(qiáng)力與紗線橫截面單纖維強(qiáng)力之和的比值，用百分率來表示，是衡量不同結(jié)構(gòu)紗線中單纖維強(qiáng)力利用程度的指標(biāo)。紡紗方法不同，所形成的紗線結(jié)構(gòu)不同，則紗線中纖維強(qiáng)力利用率也會不同。I的計(jì)算公式為

(1)

式中：Qy為紗線斷裂強(qiáng)力；Qf為纖維斷裂強(qiáng)力；n為紗線截面內(nèi)纖維根數(shù)，等于紗線線密度與纖維線密度的比值。

如表3中所示，自捻紗的I值均低于傳統(tǒng)環(huán)錠紗，環(huán)錠紗的I值一般都達(dá)到40%以上，羊毛、腈綸、滌綸自捻紗與環(huán)錠紗相比，強(qiáng)力利用率分別降低了165.6%、80%和31.7%。其中羊毛自捻紗I值下降最多，原因是羊毛平均長度較短和斷裂強(qiáng)力較低。幾種自捻紗的強(qiáng)力利用率中較大的為滌綸自捻紗和腈綸自捻紗，分別達(dá)到了32.5%和24%，較小的為羊毛自捻紗和苧麻自捻紗，僅為16.0%和15.4%。

綜上，自捻紗的力學(xué)性能明顯低于環(huán)錠紗，加上較低的纖維強(qiáng)力利用率I僅為15%～35%，故自捻紗僅在針織上有所使用。根據(jù)Uster2007公報(bào)，線密度為50 tex精梳毛紗的95%水平公報(bào)值，斷裂強(qiáng)力≥283 cN，斷裂伸長率≥6.4%。由表2可知，腈綸和滌綸自捻紗斷裂伸長率>6.4%，羊毛和苧麻自捻紗有很低的斷裂伸長率，分別為1.33%、1.85%，故只有腈綸和滌綸適合自捻純紡，羊毛和苧麻僅能和其他纖維復(fù)合自捻紡紗。分別選擇毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸復(fù)合自捻來研究雙組分復(fù)合自捻紗的力學(xué)性能。

2.2 雙組分復(fù)合自捻紗的力學(xué)性能

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)，各組分纖維純紡自捻紗的SA、SB、εA、εB(2種組分的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，A為斷裂伸長較小的組分，B為斷裂伸長較大的組分)可由表中數(shù)據(jù)得出。根據(jù)HAMBUREGER[3]的研究結(jié)果，雙組分復(fù)合自捻紗的拉伸性能符合其特征，即：S=max{S1，S2}。當(dāng)雙組分復(fù)合自捻紗拉伸到A組分?jǐn)嗔选⑸扉L到εA時對紗線貢獻(xiàn)一部分強(qiáng)力，據(jù)此強(qiáng)力值可計(jì)算毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸雙組分自捻紗的SB′分別為83.11、115.61、408.7 cN，則由HAMBUREGER的公式得到3個品種的臨界復(fù)合比bC分別為：

(2)

(3)

(4)

以上所求數(shù)值為紗線強(qiáng)力最低時對應(yīng)的雙組分復(fù)合自捻紗中的滌綸含量。在紡制復(fù)合自捻紗時，應(yīng)避開此比例紡紗。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中雙組分混紡紗斷裂伸長率ε的計(jì)算公式：

(5)

式中b為B組分的混紡比?？筛鶕?jù)式(2)～(4)所求的臨界復(fù)合比和式(5)計(jì)算雙組分復(fù)合自捻紗的理論伸長值。毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸復(fù)合自捻紗斷裂強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)點(diǎn)、擬合曲線和理論曲線見圖1。毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸復(fù)合自捻紗斷裂伸長率實(shí)驗(yàn)點(diǎn)、擬合曲線和理論曲線見圖2。

圖1 復(fù)合紗的斷裂強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)點(diǎn)、擬合曲線與理論曲線Fig.1 Test points, theoretical curves and fitting curves of breaking strength of composite yarns.(a)Wool/polyester; (b)Ramie/polyester; (c)Acrylic/polyester

圖2 復(fù)合紗的斷裂伸長率實(shí)驗(yàn)點(diǎn)、擬合曲線與理論曲線Fig.2 Test points, theoretical curve and fitting curves of breaking elongation of composite yarn.(a)Wool/ polyester; (b)Ramie/polyester; (c)Acrylic/polyester

根據(jù)復(fù)合自捻紗斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率擬合曲線，可獲得其曲線擬合方程和相關(guān)系數(shù)平方。

毛/滌綸復(fù)合自捻紗的斷裂強(qiáng)力曲線擬合方程為

Y=117.086 7-2.294 5X+0.078 65X2

相關(guān)系數(shù)平方為0.992 1。其斷裂伸長率曲線擬合方程為

Y=1.226 8+0.002 89X+9.533 3×10-4X2

相關(guān)系數(shù)平方為0.994 1。

麻/滌綸復(fù)合自捻紗的斷裂強(qiáng)力曲線擬合方程為

相關(guān)系數(shù)平方為0.941 5。其斷裂伸長率曲線擬合方程為

相關(guān)系數(shù)平方為1.00。

腈綸/滌綸復(fù)合自捻紗的斷裂強(qiáng)力曲線擬合方程為

相關(guān)系數(shù)平方為0.985 3。其斷裂伸長率曲線擬合方程為

相關(guān)系數(shù)平方為0.999 9。

由以上結(jié)果可知，復(fù)合自捻紗擬合相關(guān)系數(shù)平方最小值為0.941 5，斷裂伸長率擬合相關(guān)系數(shù)平方最小值為0.994 1，而最大值接近1.00，曲線擬合表現(xiàn)出很高的相關(guān)程度。但是理論曲線和實(shí)際測試值之間存在較大的差異，這是由于自捻紗本身的結(jié)構(gòu)特征所決定的。自捻紗本身存在2種紗段:有捻紗段和弱捻紗段[11]，在拉伸斷裂過程中，其斷裂主要由弱捻紗段之間纖維的滑移來完成，因此其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率均比較小。

根據(jù)圖1(a)中毛/滌綸斷裂強(qiáng)力理論曲線，計(jì)算當(dāng)紗線斷裂強(qiáng)力為283 cN時，滌綸含量為43.48%；根據(jù)圖2(a)中毛/滌綸斷裂伸長率理論曲線，計(jì)算當(dāng)紗線斷裂伸長率為6.4%時，滌綸含量為59.98%。綜合以上結(jié)果，當(dāng)羊毛和滌綸這2種纖維復(fù)合自捻時，要使自捻紗的拉伸性能達(dá)到后續(xù)加工要求，其復(fù)合滌綸含量百分率需達(dá)到60%或以上。

根據(jù)圖1(b)中麻/滌綸斷裂強(qiáng)力理論曲線計(jì)算，當(dāng)紗線斷裂強(qiáng)力為283 cN時，滌綸含量為58.34%；根據(jù)圖2(b)中麻/滌綸斷裂伸長率理論曲線計(jì)算，當(dāng)紗線斷裂伸長率為6.4%時，滌綸含量為70.52%。綜合以上結(jié)果，當(dāng)麻和滌綸進(jìn)行復(fù)合自捻紡紗時，要使自捻紗的拉伸性能達(dá)到后續(xù)加工要求，其復(fù)合滌綸含量需達(dá)到71%或以上。

由圖1(c)和圖2(c)中腈綸/滌綸斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率理論曲線來看，腈綸/滌綸最小斷裂強(qiáng)力為348.01 cN，大于283 cN，腈綸/滌綸斷裂伸長率大于6.4%，因此腈綸和滌綸可自捻純紡或者以任何比例復(fù)合自捻。

3 結(jié) 論

自捻紗的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同線密度的環(huán)錠紗。由于滌綸和腈綸具有較長的纖維長度和較高的纖維斷裂強(qiáng)力，故這2種纖維可進(jìn)行自捻純紡。而苧麻和毛纖維必須通過復(fù)合自捻成紗方式才能使所紡紗線達(dá)到要求。經(jīng)過對毛/滌綸、麻/滌綸、腈綸/滌綸復(fù)合自捻紗的力學(xué)性能進(jìn)行分析，要使紗線拉伸性能符合要求，2種原料的組分中滌綸纖維含量需滿足：毛/滌綸中60%以上，麻/滌綸中71%以上，腈綸/滌綸中任何比例均可。

FZXB

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Tensile properties of self-twist yarns

CUI Hong1, GAO Xiuli2， ZHANG Wei1， Lü Libin1

(1.CollegeofTextilesandClothing,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng,Jiangsu224000,China;2.CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou,Henan450007,China)

In view of the problem of lower breaking strength and elongation of self-twist yarns, the fibers and those after being combined with other fibers suitable for self-twist spinning and fiber ratio were discussed, by comparing the breaking properties of self-twist yarns with that of ring spun yarns made by the same fibers. In comparison with the ring spun yarns, breaking strength of wool, polyester, acrylic self-twist yarn decreased by 81.25%, 49.33%, 31.39%, respectively. Polyester and acrylic fibers can be used directly for the self-twist spinning, but wool and ramie can′t be used directly and must be compositely twisted with other fibers. Results of mechanical properties of wool/polyester, ramie/polyester, acrylic/polyester composite self-twist yarn show that polyester fiber percentage should reach 60% or above in wool/polyester composite self-twist yarn to meet the processing requirement of afterward procedure, and for ramie/polyester it should reach 71% or more, with no limit for acrylic/polyester.

self-twist yarn；structural characteristic；breaking strength；breaking elongation；fiber composition

2015-11-10

2016-10-10

江蘇省高校自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(15KJB430032)

崔紅(1972—)，女，副教授，博士。主要研究方向?yàn)榧徏喸砑皯?yīng)用。E-mail:cuih72@163.com。

10.13475/j.fzxb.20151102705

TS 134.7

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