曹吉強(qiáng)，于偉東，杜趙群

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620； 2.新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；3.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

環(huán)錠紡是應(yīng)用非常廣泛的紡紗方法。20世紀(jì)30年代已經(jīng)出現(xiàn)基于環(huán)錠紡的復(fù)合紗，Joseph[1]發(fā)明了短纖維/短纖維復(fù)合紗。復(fù)合紡紗線相關(guān)研究表明，其合股紗可作為床單、織帶、針織、編織、皮帶、繩索等用紗[2-3]。到20世紀(jì)50年代末，長(zhǎng)絲/短纖維復(fù)合紡紗出現(xiàn)。1986年，國(guó)際羊毛局(IWS)提出了在Sirospun紡紗系統(tǒng)中將長(zhǎng)絲與粗紗條平行喂入?yún)R聚加捻成紗技術(shù)[4]，文獻(xiàn)[5-6]研究了短纖維/長(zhǎng)絲的Sirofil紡。作為纖維紗線技術(shù)?？暾?qǐng)量居國(guó)內(nèi)主要高等院校首位的東華大學(xué)[7]，在21世紀(jì)初由于偉東教授領(lǐng)銜的紡織材料與技術(shù)和纖維軟物質(zhì)(Textile Materials Technology & Fibrous Soft-matter,TMT-FSM)團(tuán)隊(duì)研究了自然匯聚點(diǎn)[8-10]多軸系的復(fù)合紡紗機(jī)構(gòu)，發(fā)明了有關(guān)等匯聚點(diǎn)[11-12]與非等匯聚點(diǎn)[13-15]的復(fù)合紡紗專利，對(duì)該技術(shù)的軸系有效數(shù)及變化形式作了理論闡述。本文以設(shè)計(jì)研制實(shí)用復(fù)合紗機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，闡述以軸系數(shù)和成紗結(jié)構(gòu)排列分類復(fù)合紗，實(shí)現(xiàn)了提升纖維可紡性、改變成紗性能與復(fù)合紗功能化，可為復(fù)合紡紗技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新提供范例和依據(jù)。

1 復(fù)合紡紗方式及對(duì)成紗結(jié)構(gòu)和性能的影響

1.1 復(fù)合紡紗方式

在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的牽伸區(qū)喂入2組纖維：粗紗須條和長(zhǎng)絲束，當(dāng)其從前羅拉鉗口輸出時(shí)，粗紗須條和長(zhǎng)絲束加捻匯聚而紡成紗。2種匯聚方式受力示意圖見(jiàn)圖1。其為典型的對(duì)稱與不對(duì)稱的二軸系復(fù)合紡紗，中間粗線是添加的三軸系復(fù)合紡在匯聚點(diǎn)O的受力示意圖，其中，F(xiàn)1、F2為組分張力；W1、W2為組分軸系間距；β1、β2為組分匯聚角；M1、M2為組分扭矩。與過(guò)O點(diǎn)垂線嚴(yán)格對(duì)稱的匯聚(β1=β2)為對(duì)稱匯聚，見(jiàn)圖1(a)；而喂入的絲束或須條線密度或張力各異，為不對(duì)稱匯聚(β1≠β2)，見(jiàn)圖1(b)；若中間粗線(三軸系)左右擺動(dòng)，則仍為不對(duì)稱紡紗。因此，復(fù)合紡可引入多(大于等于2)軸系來(lái)滿足環(huán)錠紡成紗結(jié)構(gòu)的多樣性、高性能及功能智能化。

圖1 2種匯聚方式受力示意圖

1.2 工藝參數(shù)對(duì)成紗結(jié)構(gòu)和性能的影響

紗線的結(jié)構(gòu)、性能和紡紗生產(chǎn)效率受紡紗工藝參數(shù)的影響。主要包括4個(gè)工藝參數(shù)：軸系間距(W)、匯聚點(diǎn)高度(H)、張力(F)、須條線密度(Nt1)和長(zhǎng)絲線密度(Nt2)，線密度直接決定成紗結(jié)構(gòu)。其他因素還包括：相關(guān)研究提出的鋼絲圈尺寸、導(dǎo)紗鉤孔徑、影響匯聚點(diǎn)不穩(wěn)定的線密度不勻等[16-18]。

1.2.1 軸系間距

紡紗的軸系間距影響組分間距，而組分間距的大小是影響匯聚點(diǎn)、成紗結(jié)構(gòu)和性能的重要因素之一。軸系間距(W)是一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，若W1=W2，則沿圖1中心線方向?qū)ΨQ；若W1≠W2，則沿圖1中心線方向不對(duì)稱，即若β1=β2，則沿圖1中心線方向?qū)ΨQ；若β1≠β2，則沿圖1中心線方向不對(duì)稱，紗線會(huì)根據(jù)軸系間距(W)不同，呈現(xiàn)出不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。軸系間距(W)與匯聚點(diǎn)高度(H)成正切關(guān)系，W1,2=H·tanβ1,2。紡包芯紗時(shí)，以一定張力長(zhǎng)絲為芯，并位于短纖維須條正中或兩邊上，可被短纖維須條包覆。

1.2.2 匯聚點(diǎn)高度

匯聚點(diǎn)高度(H)是變量，當(dāng)F1=F2自然匯聚時(shí)，匯聚點(diǎn)的位置取決于捻度，即捻回角(β)和軸系間距(W)，即H=W1,2/tanβ1,2，捻回角(β)由軸系間距造成匯聚點(diǎn)的對(duì)稱或不對(duì)稱，由軸系間距(W)與匯聚點(diǎn)高度(H)可確定實(shí)際捻回角和捻度(Ttex)的關(guān)系式：

式中：β為捻回角，(°)；d為紗線直徑，mm；Ttex為紗的捻度，捻/(10 cm)。

在實(shí)際加工中錠速和前羅拉線速度有關(guān)，即須條輸出速度決定捻度的大小和匯聚點(diǎn)高度。若前羅拉速度(v1)大，錠速(v)不變，匯聚點(diǎn)位置降低，匯聚點(diǎn)不穩(wěn)定增大。而錠速變化，紗線張力(F)、匯聚點(diǎn)夾角、扭矩(M)、捻度等均發(fā)生改變。錠速增加時(shí)，捻度增大，張力亦增加，匯聚點(diǎn)位置上移，在加捻扭矩(M)作用下，捻度向上傳遞，復(fù)合特征紗線強(qiáng)力增大。

1.2.3 張 力

紡紗中，尤其是長(zhǎng)絲/短纖維復(fù)合紡時(shí)，因二者粗細(xì)不同，所受張力F也不同，F(xiàn)大者被包纏，而F相同并不一定對(duì)稱，而是線密度大者被包纏；若F1=F2，且線密度相同，則沿圖1中心線方向?qū)ΨQ。二軸系只有1個(gè)匯聚點(diǎn)，且為自然匯聚，為二者不同偏向的互扭成紗。三軸系可有2個(gè)匯聚點(diǎn)，此時(shí)是非自然匯聚，即2個(gè)匯聚點(diǎn)高度不同(非等匯聚點(diǎn))。由此，利用雙須條對(duì)稱喂入，而長(zhǎng)絲束以低張力或欠喂，可實(shí)現(xiàn)呵護(hù)碳纖維的或形狀記憶高彈紗的紡紗[19-20]。對(duì)二軸系的復(fù)合紡可調(diào)節(jié)長(zhǎng)絲張力，使長(zhǎng)絲束與短纖維須條包纏互換，實(shí)現(xiàn)等模量的紗體，在受力下匯聚點(diǎn)完成結(jié)構(gòu)變換，克服剝皮現(xiàn)象，可變?yōu)楦釓?，也可變?yōu)閺?qiáng)韌的復(fù)合紗，以適應(yīng)于不同性質(zhì)纖維的紡紗繼而實(shí)現(xiàn)成紗的高彈性、舒適化等功能。特別是在須條線密度(Nt1)和長(zhǎng)絲線密度(Nt2)差異無(wú)法改變的情況下，調(diào)整張力(F)，是最方便快捷的調(diào)控方式。對(duì)于匯聚點(diǎn)第一成紗段的張力，有待進(jìn)一步的定量分析。

1.2.4 線密度

紗線張力(F)不同，匯聚點(diǎn)位置不同，當(dāng)紗線組分粗細(xì)不同時(shí)，需引入第4個(gè)因素線密度(Nt)，即須條線密度(Nt1)和長(zhǎng)絲線密度(Nt2)。在加捻張力(FT)作用下，纖維須條和長(zhǎng)絲，各自走最短路徑完成自然匯聚，早期的多軸系復(fù)合紡紗基本都是如此。當(dāng)F1=F2的自然匯聚時(shí)，線密度(Nt)大者被包纏；當(dāng)紡長(zhǎng)絲與短纖維復(fù)合紗時(shí)，通常長(zhǎng)絲偏細(xì)，須條包纏長(zhǎng)絲一定要加張力(F)。依此原則，通過(guò)對(duì)須條和長(zhǎng)絲粗細(xì)的選擇和張力的相配選擇，可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱復(fù)合紡，否則須加入人工強(qiáng)迫的定點(diǎn)匯聚；若要使長(zhǎng)絲和短纖維張力(F)相同，應(yīng)使用較粗的長(zhǎng)絲，但又失去了復(fù)合紡意義；而不對(duì)稱匯聚則會(huì)出現(xiàn)包纏效果，粗紗一般為被包覆的芯紗。結(jié)合軸系、須條和長(zhǎng)絲細(xì)度、硬挺度和排列選擇，可控制匯聚點(diǎn)的位置，進(jìn)而紡成不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合紗。Nt1+Nt2等于復(fù)合紗線密度(N)。

由此可知，軸系間距(W)可調(diào)節(jié)匯聚點(diǎn)位置的高度(H)，張力(F)和線密度(Nt)可以調(diào)節(jié)匯聚的角度。在三軸系紡紗過(guò)程中，若捻度(Ttex)不發(fā)生變化，軸系間距(W)變大，會(huì)產(chǎn)生上傳捻度(TUp)增大，即第1個(gè)匯聚點(diǎn)以上的捻度增大，通常紡紗第1個(gè)匯聚點(diǎn)以上的捻度是極小的。

2 等匯聚點(diǎn)復(fù)合紡紗技術(shù)進(jìn)展

等匯聚點(diǎn)只有1點(diǎn)，Sirospun紡紗系統(tǒng)是等匯聚點(diǎn)與非等匯聚點(diǎn)多軸系復(fù)合紡紗的原型，二軸系與三軸系可通過(guò)分層、包纏、包芯和互扭結(jié)合，即2+2，2+3，3+3組合，可實(shí)現(xiàn)大于等于四軸系的復(fù)合紡，本文主要研究二軸系和三軸系復(fù)合紡紗技術(shù)。而大于六軸系，一是成紗變粗；二是變?yōu)榈葏R聚點(diǎn)的自然行為。

2.1 二軸系的對(duì)稱與不對(duì)稱紡紗

二軸系對(duì)稱與不對(duì)稱復(fù)合紡紗方法[21-22]見(jiàn)圖2。

圖2 二軸系對(duì)稱與不對(duì)稱復(fù)合紡紗方法

2.1.1 對(duì)稱紡紗

Sirospun紡和長(zhǎng)絲/短纖維復(fù)合紡為單一或雙組分的等匯聚點(diǎn)紡紗。二軸系成紗結(jié)構(gòu)有互絞或包芯分層結(jié)構(gòu)及不對(duì)稱包纏的等模量結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2(a)。Sirospun紡多為單組分須條間的對(duì)稱互扭等匯聚點(diǎn)紡紗系統(tǒng)。為在匯聚點(diǎn)得到對(duì)稱互扭結(jié)構(gòu)效果，絲束或短纖維須條一般是相同粗細(xì)、相同組分質(zhì)量的；為得到包芯或包纏，一般用同軸或用細(xì)度僅為須條的1/10的長(zhǎng)絲束，相當(dāng)于長(zhǎng)絲螺旋中心軸與須條同軸；若要得到不對(duì)稱互絞，只需調(diào)節(jié)長(zhǎng)絲的張力。

2.1.2 不對(duì)稱紡紗

不對(duì)稱互絞或包纏的復(fù)合紡是較普遍使用的。作為發(fā)明專利[21-22]，一種二軸系長(zhǎng)絲互動(dòng)等喂復(fù)合紡紗裝置，可用于長(zhǎng)絲變位包纏和同軸包芯的復(fù)合紡紗，以及長(zhǎng)絲束或細(xì)紗在短纖維須條左右移動(dòng)時(shí)，可周期或非周期性的變角度包纏而使該復(fù)合紗呈不同的光學(xué)效應(yīng)；二軸系互動(dòng)間歇式超喂復(fù)合紡紗裝置，見(jiàn)圖2(b)，可用于變位的間歇式超喂或等喂的包纏復(fù)合紡，而使復(fù)合紗呈不同的竹節(jié)效應(yīng)。

2.2 三軸系的對(duì)稱與不對(duì)稱紡紗

三軸系對(duì)稱復(fù)合紡紗方法見(jiàn)圖3。其中等匯聚點(diǎn)三軸系的不對(duì)稱復(fù)合紡較為普遍，除其中一軸在中軸線上外(見(jiàn)圖2)。三軸系等匯聚點(diǎn)的成紗是分層結(jié)構(gòu)，為呵護(hù)式紡紗或高彈復(fù)合紗紡紗，常用的三軸系復(fù)合紡紗也有相關(guān)研究，如通過(guò)控制各軸系纖維體的各軸系的位置、張力和復(fù)合比，獲得3種成紗結(jié)構(gòu)：類股線、包芯紗和包纏紗結(jié)構(gòu)[23]。一種對(duì)碳纖維對(duì)稱保護(hù)的三軸系復(fù)合紡紗工藝[19]，見(jiàn)圖3(a)；一種高彈力復(fù)合紗的紡紗工藝及其設(shè)備[20]，見(jiàn)圖3(b)；一種短纖維束對(duì)稱包覆剛性纖維長(zhǎng)絲的紡紗裝置及方法[24]，見(jiàn)圖3(c)，可以保證碳纖維不受損傷，為呵護(hù)式紡紗；實(shí)現(xiàn)了化纖長(zhǎng)絲包覆剛性纖維長(zhǎng)絲[25]，可解決碳纖維加工脆斷問(wèn)題。

圖3 三軸系對(duì)稱復(fù)合紡紗方法

3 非等匯聚點(diǎn)復(fù)合紡紗技術(shù)進(jìn)展

非等匯聚點(diǎn)不同于等匯聚點(diǎn)的自然匯聚，是受控匯聚，故該點(diǎn)須握持。非等匯聚點(diǎn)一般是不對(duì)稱的，對(duì)稱只是個(gè)例(見(jiàn)圖2)。三軸系有2個(gè)匯聚點(diǎn)，且多不在同一水平線上，本文只介紹三軸系不對(duì)稱紡紗，四軸系紡紗亦有對(duì)稱和不對(duì)稱之分，本文只討論四軸系對(duì)稱紡紗。對(duì)大于六軸系的復(fù)合紡紗技術(shù)可以采用二到四軸系組合。

3.1 三軸系的不對(duì)稱紡紗

非等匯聚點(diǎn)的軸系不對(duì)稱復(fù)合紡紗技術(shù)是復(fù)合紡紗技術(shù)的基本形式，國(guó)內(nèi)外亦有相關(guān)研究。樊理山等[26]研究了三組分長(zhǎng)絲與短纖維復(fù)合紗線的生產(chǎn)原理；陳征兵等[27]研究了毛紡織行業(yè)新型環(huán)錠紡紗技術(shù)中加捻三角區(qū)的改進(jìn)問(wèn)題；Matsumoto等[28]提出了環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)上的三短纖維須條復(fù)合成紗方法。于偉東等[13-14]研究環(huán)錠紡非等匯聚點(diǎn)復(fù)合紡紗技術(shù)，如非對(duì)稱分束展絲的非等匯聚點(diǎn)紡復(fù)合紗及其應(yīng)用，可用于對(duì)超短、易掉屑、易飛花纖維和偏短、偏弱回用纖維的保護(hù)式、柔軟光潔、高支化的復(fù)合紡紗。三軸系不對(duì)稱復(fù)合紡紗方法如圖4所示。

圖4 三軸系不對(duì)稱復(fù)合紡紗方法

圖4(a)為一種易掉屑短纖維的三軸系非等匯聚點(diǎn)復(fù)合紡紗裝置及呵護(hù)式紡紗方法[29]，易掉屑木棉須條與長(zhǎng)絲束在前羅拉鉗口輸出后的第1匯聚點(diǎn)A處加捻復(fù)合形成加捻結(jié)構(gòu)段，再在第2匯聚點(diǎn)B處與棉須條加捻復(fù)合而減少毛羽并增強(qiáng)紗體，形成三軸系復(fù)合紗。該技術(shù)有效控制了木棉掉屑量。

圖4(b)三軸系不對(duì)稱復(fù)合紡紗方法[30]用于羊絨、羊毛二須條和氨綸絲的三軸系非等匯聚點(diǎn)(A、B)的復(fù)合紡紗，最終形成羊絨覆蓋率高且羊絨不易剝離，又具有高彈形狀記憶的復(fù)合紗。由于羊毛纖維既與氨綸絲有很好的抱合力，又與羊絨有優(yōu)異的交互作用，故可穩(wěn)定成紗結(jié)構(gòu)，又可在羊絨含量較低時(shí)充分展現(xiàn)羊絨特性。同理，該機(jī)構(gòu)也可用于木棉紡紗，外層是棉，中間層是木棉，芯紗是彈力絲或彈力紗，這樣既完全呵護(hù)木棉纖維，達(dá)到成紗的完全防掉屑，又增加了成紗彈性。

圖4(c)三軸系不對(duì)稱復(fù)合紡紗方法[31]是將剛性的金屬絲通過(guò)螺旋軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥岳w維，并在其外層包覆舒適的天然纖維，形成包芯結(jié)構(gòu)的有捻須條，并包纏在彈力絲上，形成2根長(zhǎng)絲1根短纖維的高彈形狀記憶的復(fù)合紗。其第1匯聚點(diǎn)A較為隱蔽，須條的加捻三角區(qū)；第2匯聚點(diǎn)B為包纏成紗點(diǎn)。紡制的智能功能復(fù)合紗可用于聲子吸收、反波原理的電磁屏蔽、產(chǎn)業(yè)用、服裝、家用紡織品、可穿戴柔性傳感器等[31-33]。

3.2 四軸系的對(duì)稱紡紗

四軸系對(duì)稱復(fù)合紡紗，最典型的是徐衛(wèi)林等[34]研究的“嵌入紡”技術(shù)，四軸系非等匯聚點(diǎn)對(duì)稱(嵌入式)復(fù)合紡原理圖見(jiàn)圖5。第1級(jí)復(fù)合匯聚點(diǎn)為C1、C2；第2級(jí)即最終復(fù)合匯聚點(diǎn)為C，該技術(shù)設(shè)計(jì)合理，但在C1、C2點(diǎn)必須具有握持機(jī)構(gòu)，若無(wú)握持機(jī)構(gòu)，四軸系會(huì)遵循自然匯聚原則變?yōu)榈葏R聚點(diǎn)，即只有1個(gè)匯聚點(diǎn)C，這也是該復(fù)合紗綜合性能難以提升的根本原因。另外，在無(wú)握持機(jī)構(gòu)情況下，最有效方式是提升C1、C2的位置，須條進(jìn)入三角區(qū)，即變?yōu)榘炯彙?/p>

圖5 四軸系非等匯聚點(diǎn)對(duì)稱(嵌入式)復(fù)合紡原理圖

3.3 大于等于五軸系的復(fù)合紡紗

4 結(jié) 論

本文所涉及的專利技術(shù)可為短纖維的高效、低耗、高品質(zhì)成紗和復(fù)合紡紗技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支撐；為紗線多樣化、功能化、智能化提供依據(jù)；為不可紡纖維，尤其是偏短、偏弱、高彈、剛性纖維提供技術(shù)參考與思路。