羅彩鴻 王靜安 高衛(wèi)東

摘要：為了研究噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度隨線密度增大而降低的原因，從包纏效果的角度，對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。提出噴氣渦流紡紗線包纏效果的客觀評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建量化指標(biāo)包纏系數(shù)。檢測(cè)噴氣渦流紡不同線密度紗線的包纏系數(shù)，分析噴氣渦流紡紗線的斷裂強(qiáng)度與包纏效果的相關(guān)性，建立并驗(yàn)證噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度與包纏系數(shù)之間的關(guān)系模型。結(jié)果表明：紗線斷裂強(qiáng)度隨包纏系數(shù)的增加逐漸增高，包纏效果不良是噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度劣化的原因。在生產(chǎn)實(shí)踐中，依據(jù)斷裂強(qiáng)度與包纏系數(shù)的關(guān)系模型，優(yōu)化渦流紡工藝，可使噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度得到顯著改善。

關(guān)鍵詞：噴氣渦流紡；粗特紗；斷裂強(qiáng)度；包纏效果；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TS104.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2023）02-0122-08

噴氣渦流紡紗技術(shù)具有紡紗效率高、環(huán)境友好、能耗低、成紗綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)。隨著新型紡紗技術(shù)的快速發(fā)展，噴氣渦流紡紗線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，產(chǎn)品正在向著多元化［1］、差異化的方向發(fā)展。戴俊等［2］為了突破噴氣渦流紡純棉細(xì)特紗的生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，研制專件優(yōu)化工藝，成功開(kāi)發(fā)了細(xì)度為7.3～9.7 tex的純棉噴氣渦流紡紗線。王文中等［3］通過(guò)選定合理的苧麻預(yù)處理方案，正確配置前紡各工序及噴氣渦流紡工序的工藝參數(shù)，成功紡制19.6 tex 56/48苧麻/精梳棉噴氣渦流紡紗。逄邵偉等［4］分析了噴氣渦流紡滌綸縫紉線紗線結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證噴氣渦流紡縫紉線的強(qiáng)力雖略低于環(huán)錠紡縫紉線，但也達(dá)到了縫紉線優(yōu)等品強(qiáng)力的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

從目前的市場(chǎng)和研究上來(lái)看，噴氣渦流紡注重突破細(xì)特紗領(lǐng)域的瓶頸，但粗特紗產(chǎn)品仍然較少，相關(guān)研究亦并不豐富。與細(xì)特紗相比，粗特紗產(chǎn)量大，對(duì)原料的要求相對(duì)較低，但在實(shí)際生產(chǎn)中，常存在強(qiáng)力不勻和強(qiáng)力弱環(huán)等問(wèn)題，成紗質(zhì)量不佳，生產(chǎn)效率不高。究其原因，獨(dú)特的紡紗機(jī)理使得噴氣渦流紗的紗體由包纏纖維和芯纖維兩部分組成，在紡制粗特紗時(shí)，由于截面纖維根數(shù)多，纖維容易紊亂造成包纏不勻，更易出現(xiàn)包纏弱環(huán)，導(dǎo)致紗線斷裂強(qiáng)度不足。

針對(duì)噴氣渦流紡紗線的成紗質(zhì)量與包纏效果，陳美玉等［5］從理論上分析了渦流紡紗線拉伸過(guò)程中的纖維形變與受力，詳細(xì)研究了渦流壓力和紡紗速度對(duì)渦流紡紗線力學(xué)性能的影響，總結(jié)了包纏加捻與成紗力學(xué)性能的關(guān)系。李浩等［6］使用圖像法基于紗線截面和外觀圖像測(cè)試了噴氣渦流紡紗線的捻度。但對(duì)于紗線包纏效果的表征方法，以及從包纏效果的角度分析成紗質(zhì)量，目前相關(guān)研究相對(duì)較少。

因此，本文提出一種噴氣渦流紡紗線包纏效果的表征方法，建立并驗(yàn)證噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度與包纏效果之間的關(guān)系模型，為噴氣渦流紡粗特紗的工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和研究方向，以推動(dòng)噴氣渦流紡進(jìn)一步發(fā)展。

1噴氣渦流紡粗特紗強(qiáng)度不足的現(xiàn)象及成因分析

1.1紗線斷裂強(qiáng)度一般規(guī)律

經(jīng)查閱文獻(xiàn)［7-8］得到環(huán)錠紡滌綸紗線斷裂強(qiáng)度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試成紗質(zhì)量較好的噴氣渦流紡滌綸紗斷裂強(qiáng)度，將環(huán)錠紡和噴氣渦流紡滌綸粗特紗的斷裂強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。

在18.5～59.1 tex范圍內(nèi)，環(huán)錠紡滌綸紗的斷裂強(qiáng)度隨著紗線線密度的增加逐漸升高；噴氣渦流紡滌綸紗的斷裂強(qiáng)度隨著紗線線密度的增加逐漸降低。紗線線密度為19.7 tex時(shí)，環(huán)錠紡與噴氣渦流紡的斷裂強(qiáng)度比值為1.12∶1；而在線密度為59.1 tex時(shí)，環(huán)錠紡與噴氣渦流紡的斷裂強(qiáng)度比值達(dá)到了1.40∶1。盡管噴氣渦流紡紗線普遍較環(huán)錠紡紗線的斷裂強(qiáng)度更低，但上述隨著線密度增加噴氣渦流紡紗線斷裂強(qiáng)度明顯劣化的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致了噴氣渦流紡粗特紗的生產(chǎn)與應(yīng)用困難，值得開(kāi)展深入研究。

1.2噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度下降成因分析

采用VHX-5000超景深顯微鏡對(duì)噴氣渦流紡紗樣放大100倍進(jìn)行觀察，得到的59.1 tex和19.7 tex噴氣渦流紡紗線表觀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。對(duì)比紗線表觀結(jié)構(gòu)，粗特紗的直徑較大，單根纖維包纏的圈數(shù)較少，大量的芯纖維暴露于紗線表面。根據(jù)噴氣渦流紡成紗機(jī)理，這種包纏效果的差異可能是噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度不佳的主要原因，但目前仍缺乏包纏效果的有效評(píng)價(jià)方法用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

2包纏效果評(píng)價(jià)方法

2.1包纏系數(shù)定義

為簡(jiǎn)化紗線結(jié)構(gòu)并定義包纏效果的評(píng)價(jià)方法，參照噴氣渦流紡紗線實(shí)物外觀，建立仿真外觀如圖3所示。

如圖3所示，包纏纖維與芯纖維總是交替成段

地暴露在紗體表面。因此，將單位長(zhǎng)度內(nèi)紗線表面的包纏面積占紗線總表面積的比例定義為包纏系數(shù)，用字母k表示，建立包纏系數(shù)的如式（1）：

k=S1S1+S2（1）

式中：S1為包纏面積，mm2；S2為未包纏面積，mm2；0≤k≤1，k值越大，紗線包纏效果越好。

2.2包纏系數(shù)提取與計(jì)算

本文提出采用超景深顯微鏡與PS軟件，建立一種包纏系數(shù)的計(jì)算方法，其步驟如下：步驟1：采用VHX-5000超景深顯微鏡，放大100倍，對(duì)噴氣渦流紡紗樣進(jìn)行拍照。步驟2：使用PS軟件，提取照片中紗線的包纏面積和總表面積，如圖4所示。

步驟3：在PS軟件界面中設(shè)置像素長(zhǎng)度和邏輯長(zhǎng)度的測(cè)量比例，記錄測(cè)量并讀取各部分面積如圖5所示。

步驟4：顯微鏡下每張取樣圖中的紗線長(zhǎng)度為3.5 mm，連續(xù)采樣10張，以35 mm為單位長(zhǎng)度，計(jì)算單位長(zhǎng)度內(nèi)紗線的包纏面積和未包纏面積，按式（1）計(jì)算包纏系數(shù)。

3噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度與包纏效果的關(guān)系

3.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1.1包纏效果評(píng)價(jià)方法的可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述包纏效果評(píng)價(jià)方法的可行性，拍攝兩組紗線表觀結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。從圖6中可以觀察到，圖6（a）的包纏效果明顯差于圖6（b），包纏不勻且包纏紊亂，芯纖維暴露面積較大，而圖6（b）包纏相對(duì)均勻，少部分芯纖維暴露于紗線表面。分別計(jì)算其包纏系數(shù)，圖6（a）的包纏系數(shù)為0.405小于圖6（b）的包纏系數(shù)為0.570，表明此方法可行。

3.1.2紗線強(qiáng)伸性能測(cè)試

采用YG068C型紗線拉伸強(qiáng)力測(cè)試儀對(duì)19.7～59.1 tex噴氣渦流紡紗線樣品進(jìn)行強(qiáng)伸力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試樣品的夾持距500 mm，拉伸速度500 mm/min，預(yù)張力系數(shù)0.50 cN/tex。每個(gè)樣本測(cè)試50次，取平均值。測(cè)試結(jié)果如表1所示。對(duì)比19.7～59.1 tex噴氣渦流紡紗線強(qiáng)伸力學(xué)性能，隨著紗線線密度的增加，紗線的斷裂強(qiáng)度逐漸降低。

3.1.3紗線包纏系數(shù)測(cè)試

19.7～59.1 tex噴氣渦流紡紗線包纏系數(shù)提取與計(jì)算結(jié)果如表2，由表2可知隨著紗線線密度的升高，包纏系數(shù)逐漸減小，紗線包纏效果逐漸劣化。隨著紗線線密度的升高，紗線單位長(zhǎng)度內(nèi)的表面積增加大，但包纏面積相差不多，未包纏面積相應(yīng)增加。

3.2斷裂強(qiáng)度與包纏系數(shù)間的關(guān)系建模

通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)工藝，制備了具有不同包纏效果的59.1 tex滌綸噴氣渦流紡紗，排除紗線線密度對(duì)此規(guī)律的干擾，并測(cè)試其斷裂強(qiáng)度及包纏系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從數(shù)據(jù)趨勢(shì)看，試樣紗線的斷裂強(qiáng)度隨著包纏系數(shù)的增加而升高，并且其增長(zhǎng)率也隨包纏系數(shù)的增加而升高。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能在于：

a）隨著包纏系數(shù)從較低水平開(kāi)始增加，纖維包纏比例提高，減少了包纏弱環(huán)，從而造成了斷裂強(qiáng)度的提升，但由于仍存在一定的包纏弱環(huán)，斷裂強(qiáng)度的提升較為緩慢。

b）隨著包纏系數(shù)的進(jìn)一步增加，包纏弱環(huán)所占比例較少，影響紗線斷裂強(qiáng)度的主要因素由包纏弱環(huán)逐漸轉(zhuǎn)向纖維間抱合牢度，因而斷裂強(qiáng)度的提升逐漸加快。

綜上，噴氣渦流紡紗線斷裂強(qiáng)度隨著包纏系數(shù)的增加而升高，并且增長(zhǎng)率逐漸提高。通過(guò)假設(shè)斷裂強(qiáng)度對(duì)包纏系數(shù)的變化斜率與包纏系數(shù)成正比，則可構(gòu)建指數(shù)增長(zhǎng)模型［9］如式（2）：

Q（k）=Q0+e（ak+b）（2）

式中：Q為紗線斷裂強(qiáng)度，cN/tex，k為包纏系數(shù)，Q0為紗線初始斷裂強(qiáng)度，cN/tex。

圖7展示了59.1 tex滌綸噴氣渦流紡粗特紗的斷裂強(qiáng)度與包纏系數(shù)經(jīng)擬合而成的函數(shù)曲線，所得關(guān)系如式（3）：

Q（k）=29.46+e29.12k－15.51（3）

式中：在擬合結(jié)果中，可決系數(shù)R2為0.9602，表明擬合優(yōu)度較好，模型可用于表述斷裂強(qiáng)度與包纏系數(shù)之間的關(guān)系。

4針對(duì)包纏效果提升的噴氣渦流紡粗特紗工藝參數(shù)優(yōu)化

基于前述構(gòu)建的模型，可知欲提高噴氣渦流紡粗特紗斷裂強(qiáng)度，應(yīng)在工藝制定上盡可能提高包纏系數(shù)。而在噴氣渦流紡成紗過(guò)程中，形成渦流的噴嘴氣壓以及渦流紡車速對(duì)纖維的包纏效果起到?jīng)Q定性的作用。因此本文針對(duì)噴嘴氣壓與車速兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在MVS870EX型噴氣渦流紡紗機(jī)進(jìn)行工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以59.1 tex粗特紗為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)斷裂強(qiáng)度的提升。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)采用的噴氣渦流紡紗機(jī)的工藝設(shè)定范圍，設(shè)定紡紗速度為400～490 m/min，噴嘴氣壓為0.45～0.57 MPa。以紡紗速度為A因素（取值為400、430、460、490 m/min），以噴嘴氣壓為B因素（取值為0.45、0.50、0.53、0.57 MPa），以紗線包纏系數(shù)為R1響應(yīng)值，實(shí)施完全實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8中數(shù)據(jù)點(diǎn)所示。繼而，使用Design Expert V8.0.6軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次響應(yīng)面擬合（響應(yīng)面擬合結(jié)果如圖8中曲面所示），并進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所列。

由表3可知，回歸模型總體P值小于0.0001，說(shuō)明回歸效果高度顯著，只有小于0.01%的可能性使該模型失擬。紡紗速度A對(duì)應(yīng)P值為0.0021，小于0.05，表明紡紗速度對(duì)包纏效果影響顯著；噴嘴氣壓B對(duì)應(yīng)P值小于0.0001，表明噴嘴氣壓對(duì)包纏效果影響顯著。

結(jié)合表3及圖8來(lái)看，交互項(xiàng)AB對(duì)應(yīng)P值為0.7561，遠(yuǎn)大于0.05，表明紡紗速度與噴嘴氣壓的交互作用對(duì)包纏系數(shù)的影響不顯著，二者對(duì)包纏系數(shù)的作用大概率相互獨(dú)立；二次項(xiàng)A2對(duì)應(yīng)P值遠(yuǎn)小于0.0001，表明紡紗速度對(duì)包纏系數(shù)的影響呈二次函數(shù)趨勢(shì)，包纏系數(shù)隨著紡紗速度的增加先增大后減??；二次項(xiàng)B2對(duì)應(yīng)P值為0.5208，遠(yuǎn)大于0.05，結(jié)合前述B對(duì)包纏效果的顯著影響，表明在現(xiàn)有氣壓條件下，包纏系數(shù)與噴嘴氣壓僅具有一次函數(shù)關(guān)系，包纏系數(shù)隨著噴嘴氣壓的升高逐漸增大，若進(jìn)一步增大噴嘴氣壓，包纏系數(shù)望進(jìn)一步提升，直到一定范圍開(kāi)始下降［10］。

綜上所述，本次實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)工藝參數(shù)為：紡紗速度430 m/min，噴嘴氣壓0.57 MPa。包纏系數(shù)0.502，斷裂強(qiáng)度可達(dá)30.75 cN/tex，根據(jù)FZ/T 12019—2018《滌綸本色紗線》滌綸本色紗線標(biāo)準(zhǔn)，紗線斷裂強(qiáng)度等級(jí)由二等品提升至一等品，提升效果顯著。受限于設(shè)備性能限制，噴嘴氣壓已經(jīng)達(dá)到最大水平，若能進(jìn)一步增大噴嘴氣壓，從數(shù)據(jù)分析結(jié)果看，紗線的包纏效果還有望得到進(jìn)一步改善。

5結(jié)論

本文針對(duì)噴氣渦流紡中粗特紗斷裂強(qiáng)度會(huì)隨著線密度增大而降低的問(wèn)題，首先提出一種包纏效果客觀評(píng)價(jià)方法，建立量化指標(biāo)包纏系數(shù)。繼而得到了噴氣渦流紡滌綸中粗特紗線的斷裂強(qiáng)度隨著包纏系數(shù)的增加逐漸增高的變化規(guī)律?；诩徏喩a(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了斷裂強(qiáng)度與包纏系數(shù)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系模型，擬合度R2達(dá)到0.9602，表明該模型具有較高的可靠性。最后，依據(jù)所得的斷裂強(qiáng)度與包纏系數(shù)關(guān)系模型，對(duì)59.1 tex滌綸噴氣渦流紡粗特紗的噴嘴氣壓和紡紗車速進(jìn)行工藝優(yōu)化，顯著的提高了紗線的包纏系數(shù)及斷裂強(qiáng)度，將紗線斷裂強(qiáng)度等級(jí)由二等品提升至一等品。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，可采用本文提出的包纏效果評(píng)價(jià)方法對(duì)試紡紗進(jìn)行包纏效果評(píng)價(jià)，并根據(jù)所建立的斷裂強(qiáng)度與包纏效果關(guān)系模型，確立性能達(dá)到產(chǎn)品要求的包纏系數(shù)水平，繼而調(diào)整工藝方案，實(shí)現(xiàn)所紡粗特紗性能保障與生產(chǎn)效率提升的目標(biāo)。進(jìn)一步的研究工作可著眼于適應(yīng)更多纖維原料品種及混紡比例的斷裂強(qiáng)度與包纏系數(shù)關(guān)系模型。

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Influence of wrapping on the breaking strength of air-jet vortex spinning coarse count yarns

LUO Caihong， WANG Jing'an， GAO Weidong

（College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： With the rapid development of new spinning technology， air-jet vortex spinning occupies an important position in the spinning field for its advantages of high spinning speed， high efficiency and short process. In recent years， the continuous innovation of air-jet vortex spinning technology has broken through the bottleneck of many yarn varieties. The variety of yarns is becoming increasingly abundant， and the linear density tends to be fine and thick. Among yarns， the air-jet vortex spinning coarse count yarn is mainly used in industrial textiles， with a wide selection of raw materials. Combined with the advantages of air-jet vortex spinning， it shows a good application prospect. However， the spinning of coarse count yarns with air-jet vortex spinning is still faced with many problems. Compared with the medium count yarn with air-jet vortex spinning， the coarse count yarn has the problems of difficult yarn formation， weak wrapping ring， insufficient breaking strength， etc. Therefore， the 59.1 tex polyester air-jet vortex spinning coarse count yarn is studied in this paper， and the wrapping effect is quantified to solve the problem of low breaking strength of the air-jet vortex spinning coarse count yarn.

In order to improve the breaking strength of the air-jet vortex spinning coarse count yarn， based on the yarn structure and spinning mechanism of air-jet vortex spinning， starting from the wrapping effect， the wrapping effect is characterized， and the wrapping coefficient， a parameter for quantifying the wrapping effect， is proposed. The calculation formula of the wrapping coefficient is established， the area of the wrapped fiber and the total area of yarns in the air-jet vortex spinning yarn image are extracted， and the yarn wrapping coefficient is calculated. On this basis， the relationship between the yarn wrapping coefficient and breaking strength is analyzed， and the functional relationship model between breaking strength and the wrapping coefficient is established. Based on this model， the process improvement is guided， the spinning speed and nozzle pressure of air-jet vortex spinning are optimized， and the optimal process optimization parameters of yarn breaking strength are finally obtained by using the response surface analysis method. It is found that the breaking strength of the yarn increases with the increase of the wrapping coefficient， and the poor wrapping effect is the main reason for the deterioration of the breaking strength of the air-jet vortex spinning yarn. The optimized spinning process involve the following parameters： a spinning speed of 430 m/min and the nozzle pressure of 0.57 MPa. The wrapping coefficient is 0.502， and the breaking strength can reach 30.75 cN/tex. According to the standard of polyester plain yarns in FZ/T 12019—2018 Polyester Fiber Grey Yarn， the breaking strength grade of the yarn has been improved from the second grade to the first grade， with remarkable improvement effect.

In production practice， the wrapping level of yarns can be compared by calculating the wrapping coefficient proposed in this paper， and according to the established relationship model between the breaking strength and wrapping effect， the wrapping coefficient level whose performance meets the product requirements can be established， and then the process plan can be adjusted to achieve the goal of ensuring the performance of the spun coarse yarn and improving the production efficiency. Further research work can focus on the relationship model between the breaking strength and wrapping coefficient， which is suitable for more fiber raw materials and blending proportion.

Keywords： air-jet vortex spinning; coarse tex yarn; breaking strength; wrapping effect; process optimization

收稿日期：20220726

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20221104

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（JUSRP121030）；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK200221061）

作者簡(jiǎn)介：羅彩鴻（1998—），男，遼寧丹東人，碩士研究生，主要從事噴氣渦流紡方面的研究。

通信作者：高衛(wèi)東，E-mail： gaowd3@163.com