李 敏 劉基宏 聶凌峰

[生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇無(wú)錫，214122]

目前，關(guān)于玄武巖紡紗的研究主要針對(duì)紗號(hào)較粗的玄武巖進(jìn)行包芯或包纏紡紗。高翼強(qiáng)使用環(huán)錠紡小樣細(xì)紗機(jī)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(guān)系[1]；趙黨鋒等采用丙綸長(zhǎng)絲與7 μm、25根一束的玄武巖長(zhǎng)絲結(jié)合的包纏紡紗方式，生產(chǎn)出了耐磨性和強(qiáng)伸性較優(yōu)的玄武巖包纏紗線。但多數(shù)報(bào)道均未考慮將玄武巖紗線應(yīng)用于紡織品時(shí)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(luò)包芯紗(以下簡(jiǎn)稱(chēng)玄武巖包芯紗)。通過(guò)研究空心羅拉式賽絡(luò)集聚紡工藝對(duì)包芯紗形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、毛羽指數(shù)及條干均勻度的影響，測(cè)試玄武巖包芯紗在拉伸過(guò)程中鉤接強(qiáng)度率的變化，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其強(qiáng)力的影響。

1 紡紗試驗(yàn)

影響包芯紗包覆效果及性能的因素有多種[3]，如吸風(fēng)機(jī)負(fù)壓、鋼絲圈號(hào)數(shù)、隔距塊型號(hào)、錠速等機(jī)器參數(shù)的設(shè)置，還有粗紗中心距、細(xì)紗捻系數(shù)、牽伸倍數(shù)等工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)[4]。本文采用的細(xì)紗機(jī)加裝了數(shù)控包芯紗裝置，并經(jīng)試驗(yàn)確定了最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，現(xiàn)主要考慮工藝參數(shù)變化對(duì)玄武巖包芯紗的效果及性能的影響。設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)全面分析捻系數(shù)、粗紗中心距和導(dǎo)絲輪位置對(duì)所紡紗性能的影響。

1.1 新型紡紗方法的應(yīng)用

本次課題使用了在集聚紡上改進(jìn)的窄槽式負(fù)壓空心羅拉系統(tǒng)，也稱(chēng)為全聚紡[5]。此改裝應(yīng)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(xì)紗機(jī)上。因玄武巖強(qiáng)度高、脆性大，數(shù)控包芯裝置中預(yù)牽伸設(shè)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(zhǎng)絲從紗架上經(jīng)導(dǎo)絲鉤至導(dǎo)絲輪，同時(shí)兩股滌棉混紡粗紗從兩個(gè)喇叭口平行經(jīng)過(guò)牽伸后，與長(zhǎng)絲一起通過(guò)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(luò)集聚紡裝置側(cè)面圖

1-玄武巖長(zhǎng)絲；2-粗紗；3-吸棉風(fēng)道；4-負(fù)壓風(fēng)道；5-前羅拉(窄槽式)；6-阻捻膠輥；7-氣流導(dǎo)向裝置；8-前膠輥；9-導(dǎo)絲輪

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)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(cè)試根據(jù)GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》標(biāo)準(zhǔn)，將試樣在溫度為(20±2)℃，相對(duì)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(xì)紗機(jī)上將兩個(gè)滌棉粗紗與16.5 tex的玄武巖長(zhǎng)絲以賽絡(luò)紡的形式紡制玄武巖包芯紗；采用YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)、JA2003型電子天平測(cè)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(dòng)單紗強(qiáng)力儀、YG020B型電子單紗強(qiáng)力儀、YG133B/Pro-H型條干均勻度測(cè)試儀、YG173A型紗線毛羽測(cè)試儀分別測(cè)試玄武巖包芯紗的力學(xué)性能、條干均勻度及毛羽指標(biāo)。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

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(zhǎng)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(yàn)數(shù)據(jù)推算合理適紡范圍，設(shè)計(jì)紡紗工藝參數(shù)并進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，將捻系數(shù)、粗紗中心距和導(dǎo)絲輪位置作為因子，且為每個(gè)因子選取多次試驗(yàn)中最優(yōu)三水平值以探究不同變量下對(duì)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(hào)6903 8/0#，隔距塊3.0 mm，負(fù)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(shí)的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)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(dǎo)絲輪位置)123250270290357右中左

表2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

方案因素A B C123456789111222333123123123123231312

2 試驗(yàn)結(jié)果研究與分析

對(duì)9種方案所紡紗線的單紗強(qiáng)力、毛羽和條干指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)紗線的包覆效果及性能進(jìn)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?yàn)槿旧蛎擅黠@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(xì)度較粗導(dǎo)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(qiáng)度較高導(dǎo)致切片時(shí)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(jié)構(gòu)，可以看出紗線總體形狀為長(zhǎng)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(nèi)；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(dāng)?shù)哪硐禂?shù)可以使紗線結(jié)構(gòu)均勻緊密。

2.2 紗線性能指標(biāo)及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，極差分析見(jiàn)表4。其中，16.5 tex玄武巖長(zhǎng)絲斷裂伸長(zhǎng)率2.37%，鉤接強(qiáng)度率11.22%。

由表3、表4可知，玄武巖包芯紗的力學(xué)性能優(yōu)良，不同工藝參數(shù)紡制出的紗線斷裂強(qiáng)度相差不大，影響斷裂強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)镃3>B3>A3，表明導(dǎo)絲輪位置對(duì)斷裂強(qiáng)度有一定影響，因?yàn)閷?dǎo)絲輪位置影響芯絲的包覆程度，所紡紗為Z捻紗，導(dǎo)絲輪位置為左時(shí),左側(cè)的外包紗先包覆芯絲后再與右側(cè)外包紗加捻包覆，包覆效果良好；斷裂伸長(zhǎng)率較純玄武巖長(zhǎng)絲增長(zhǎng)約1個(gè)百分點(diǎn)，影響次序?yàn)镃3>B1>A2，說(shuō)明捻系數(shù)對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率幾乎無(wú)顯著增加；所紡紗線鉤接強(qiáng)度率較純玄武巖長(zhǎng)絲高，影響次序?yàn)镃2>B3>A1，鉤接強(qiáng)度率都大于斷裂強(qiáng)度率是因?yàn)榧喚€在鉤接處彎曲時(shí)，紗線的拉伸力并沒(méi)有達(dá)到需要斷裂的強(qiáng)度，而鉤接處彎曲的紗線邊緣已超過(guò)了拉伸斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率，導(dǎo)致紗線先行折斷，所以類(lèi)似玄武巖這種高彈性模量紗線，若其抗彎剛度和斷裂伸長(zhǎng)率大，則鉤接強(qiáng)度率高。

由表3、表4還可看出，3種工藝參數(shù)對(duì)3 mm毛羽數(shù)的影響順序?yàn)锳2>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(dǎo)絲輪位置是影響3 mm毛羽數(shù)的次要因素。一般認(rèn)為3 mm以上毛羽是有害毛羽，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)玄武巖包芯紗的有害毛羽較少，這是因?yàn)榭招牧_拉式賽絡(luò)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(yàn)中使用的鋼絲圈號(hào)數(shù)也相關(guān)，因?yàn)樾窘z玄武巖的細(xì)度達(dá)到16.5 tex，所以使用的鋼絲圈也是經(jīng)過(guò)預(yù)試驗(yàn)紡紗時(shí)型號(hào)最穩(wěn)定的；重心較低、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的鋼絲圈的選用對(duì)于減少紗線毛羽是十分有益的。對(duì)條干CV值的影響主次順序?yàn)锳1>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(yàn)結(jié)果

方案斷裂強(qiáng)度/cN·tex-1斷裂伸長(zhǎng)率/%鉤接強(qiáng)度率/%3 mm毛羽數(shù)/個(gè)·( 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(yàn)結(jié)果極差分析

指標(biāo)項(xiàng)目因素A因素B因素C斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)率鉤接強(qiáng)度率鉤接強(qiáng)度率鉤接強(qiáng)度率鉤接強(qiáng)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?yàn)镃>B>A。

3 結(jié)論

本文使用空心羅拉式賽絡(luò)集聚紡對(duì)新型高性能玄武巖長(zhǎng)絲進(jìn)行了紡紗，針對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲可紡性設(shè)計(jì)了不同工藝參數(shù)的玄武巖包芯紗線并對(duì)包覆效果及性能進(jìn)行測(cè)試分析，得出以下結(jié)論。

(1)所紡玄武巖包芯紗的力學(xué)性能指標(biāo)中，3種不同工藝參數(shù)對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響次序?yàn)镃3>B3>A3、對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響次序?yàn)镃3>B1>A2、對(duì)鉤接強(qiáng)度率的影響順序?yàn)镃2>B3>A1；與純玄武巖長(zhǎng)絲力學(xué)性能相比，斷裂強(qiáng)度較高，斷裂伸長(zhǎng)率提高約1個(gè)百分點(diǎn)，鉤接強(qiáng)度率提高約20個(gè)百分點(diǎn)以上，紡制出的紗線力學(xué)性能良好。試驗(yàn)得出的玄武巖包芯紗條干性能指標(biāo)因素影響次序?yàn)锳1>B2>C2，條干均勻度好；毛羽指標(biāo)性能優(yōu)良，因素影響順序?yàn)锳2>B2>C2。認(rèn)為采用的紡紗方式適宜紡制高性能包芯紗，對(duì)其條干、毛羽等指標(biāo)有較好的優(yōu)化效果，包芯紗質(zhì)量良好且穩(wěn)定，但可紡性還需進(jìn)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(duì)包芯紗的包覆效果影響明顯，導(dǎo)絲輪位置對(duì)包芯紗的質(zhì)量影響最大。最優(yōu)工藝條件為：導(dǎo)絲輪位置偏左，粗紗中心距7 mm，捻系數(shù)270。