噴氣渦流紡成紗工藝對色紡竹漿纖維針織物性能的影響

周金香，鄒專勇，黃建光，許夢露，陳佳慧，金亞琪，張蓮蓮

(紹興文理學院浙江省清潔染整技術研究重點實驗室，浙江 紹興 312000)

噴氣渦流紡成紗工藝對色紡竹漿纖維針織物性能的影響

周金香，鄒專勇，黃建光，許夢露，陳佳慧，金亞琪，張蓮蓮

(紹興文理學院浙江省清潔染整技術研究重點實驗室，浙江 紹興 312000)

為研究噴氣渦流紡成紗工藝參數對色紡竹漿纖維針織物性能的影響，基于Box-Behnken設計方法，借助Minitab16軟件，分析探討了噴氣渦流紡成紗工藝(噴嘴氣壓、紗線線密度、紡紗速度)對色紡竹漿纖維針織物的斷裂強力、透氣性、懸垂性及耐磨性的影響。結果表明:紗線線密度減小，織物斷裂強力下降，透氣性和懸垂性先顯著增加，而后略有下降;紡紗速度提高，織物斷裂強力緩慢下降，透氣性降低，懸垂性增加;噴嘴氣壓對針織物斷裂強力、透氣性、耐磨性均無顯著影響，但當噴嘴氣壓增加時，織物懸垂性能先增加后降低;織物耐磨性主要受紡紗速度和紗線線密度的影響，且影響原因較為復雜。

噴氣渦流紡;色紡紗;工藝參數;竹漿纖維;針織物;性能

噴氣渦流紡集粗紗、細紗、絡筒與卷繞于一體，利用高速旋轉的空氣渦流對尾端自由纖維進行加捻而成紗，具有生產效率高的特點，發展前景可觀［1］。國內外有關噴氣渦流紡紗技術的研究主要集中在2個方面:1)探討紗線成形工藝對紗線結構、性能的影響，如鄒專勇等［2］基于噴嘴內部流場流動規律，分析了工藝參數對紗線細節產生的機制，文獻［3－6］分析了不同成紗工藝參數(如牽伸條件、噴嘴氣壓、紡紗速度、紗線線密度等)對噴氣渦流紡紗結構性能的影響，Zheng等［7］對比分析了環錠紗與噴氣渦流紗橫截面上纖維分布規律的差異，并探討了混紡紗不同種類纖維在紗線截面的轉移規律，文獻［8－9］探討了噴氣渦流紡竹漿纖維色紡紗開發實踐，并闡述各成紗工藝對噴氣渦流色紡紗性能的影響，這利于豐富色紡紗及渦流紡紗種類，提高傳統色紡紗開發效率;2)基于不同紡紗系統，對比分析噴氣渦流紗織物的性能，如Ortlek等{10}對比研究了粘膠纖維噴氣渦流紗針織物與環錠紗、集聚紗和轉杯紗針織物縱橫向的收縮性、頂破強度、耐磨性及起球起毛等的差異，Rameshkumar等［11］對比分析了噴氣渦流紗(100%棉紗)針織物與環錠紗、轉杯紗針織物的懸垂性、耐磨性及褶皺性能，得出噴氣渦流紗織物抗起毛起球性好、抗皺性高和耐磨性好的優點，Suzuki等［12］探索分析了人造纖維噴氣渦流紗緯平針織物與環錠紗、轉杯紗緯平針織物的手感爽滑程度，結果表明噴氣渦流紗針織物手感較轉杯紗針織物爽滑，但較環錠紗針織物差，Erdumlu等［13］對比研究了噴氣渦流紗與環錠紗(精梳棉)針織物的吸濕快干性能，表明噴氣渦流紗織物的吸水性及吸濕快干能力均弱于環錠紗織物。

通過閱讀文獻發現，較少有關噴氣渦流紡色紡紗織物性能分析的報道，也鮮從噴氣渦流紡工藝角度出發探討成紗工藝對噴氣渦流紡紗針織物性能的影響。本文將基于噴氣渦流紡系統，以竹漿纖維為原料，探討分析噴氣渦流紡成紗工藝對色紡竹漿針織物性能的影響，以掌握噴氣渦流紡色紡紗針織物制備過程關鍵成紗工藝的控制要點，為噴氣渦流紡色紡產品的開發提供參考。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

為研究噴氣渦流紡工藝對色紡竹漿纖維針織物性能的影響，選擇成紗過程中關鍵工藝參數，如噴嘴氣壓、紡紗速度、紗線線密度為可變因子設計試驗方案，其因子水平如表1所示。試驗所需紗樣以竹漿纖維(商品名為云竹，由上海中紡物產提供)為原料，依據Box-Behnken設計方法設計試驗方案，采用村田公司MVS No.861型噴氣渦流紡紗機紡制而得，所得紗線樣品性能見文獻［9］。紗線制備過程其他固定工藝條件如下:三道并條工序后條子定量為19 g/5 m、采用L8型噴針、空心錠子入口內徑為1.1mm;前羅拉與空心錠子距離為20mm。試驗所有樣品紗線均含60%的竹漿染色散纖維(色號為BK-07)，竹漿纖維染色前后各項性能變化如表2所示。利用臺車按相同的織造工藝(機型Z201D、筒徑38cm，轉速85 r/min，機號18針/2.54cm)獲得不同成紗工藝條件下的緯編平針針織物，織物縱橫密如表3所示。

表1 因素實際取值與水平編碼對照表Tab.1 Actual values corresponding to coded levels

表2 竹漿纖維染色前后性能對照表Tab.2 Performance comparison of bamboo pulp fiber before and after dyeing

1.2 面料性能測試及結果

織物的斷裂強力在H-10K-L型臺式雙立柱電子萬能材料試驗機(美國天氏歐森)上測試完成，設置隔距為100mm，拉伸速度為100mm/min，預加張力為 200 cN，測試方向為織物縱向，測試參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》。每個樣品測試3次求其平均值;織物的透氣率用YG(B)461E-Ⅱ型全自動織物透氣性能測試儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)測試，試樣圓臺選用試驗面積為20cm2的圓形通氣孔，選用8號噴嘴;織物的動態懸垂系數在YG811D-2織物動態懸垂性風格儀(南通三思機電科技有限公司)完成測試，試樣直徑為240mm，中心孔直徑為4mm，設置試樣旋轉速度為100 r/min;織物的耐磨性測試采用YG(B)522型圓盤式織物耐磨機(溫州大榮紡織儀器有限公司)，用50次耐磨試驗后針織物質量損失率表示。試樣均在標準大氣條件(溫度為20℃ ±2℃，相對濕度為65% ±2%)下完成48 h調濕平衡處理，測試結果如表3所示。

表3 針織物樣品測試結果Tab.3 Property test results of knitting fabric samples

2 結果分析與討論

2.1 統計分析

基于 Adinarayana論述的響應面法［14］主要原理，采用Y代表預測響應值，x代表自變量編碼，則可獲得如式(1)所示的二次多項式方程。式中:b0、bn、bnn、bnm均為常量、一次項系數、二次項系數和交互項系數;自變量編碼xn=(Xn－X0)/△X，Xn為自變量真實值，X0為試驗中心點處自變量，△X為自變量的變化步長。

基于式(1)的二次多項式方程，利用軟件Minitab 16進行相關響應面回歸分析，剔除不顯著的二次項及交互項后，獲得如表4所示的針織物各指標回歸分析結果。

表4中P值大于0.05表明該指標對應的來源項不顯著。斷裂強力Y1、透氣率Y2、動態懸垂系數Y3、質量損失率 Y4對應的響應面方程分別見式(2)～(5)，相應方程的平方復相關系數R2值分別為0.8573、0.8943、0.8451 及 0.6859。響應面方程中各自變量的系數為正表明指標數值隨變量增大而增大，系數為負表明指標數值隨變量增大而減小。

表4 針織物不同應變量的響應面二次模型的回歸分析Tab.4 Regression analysis of response surface quadratic model for different response variables of knitting fabric

2.2 成紗工藝對針織物斷裂強力的影響

圖1示出成紗工藝參數對噴氣渦流紡色紡紗針織物縱向斷裂強力影響的響應面，其二次項擬合方程見式(2)所示，相關系數R2為0.8573。

圖1 成紗工藝參數對噴氣渦流紡竹漿纖維色紡紗針織物斷裂強力影響的響應面Fig.1 Response surface of influence of yarn formation process on breaking strength of knitted fabrics made by jet vortex bamboo pulp colored spun yarns.(a)Nozzle pressure and reciprocal of yarn linear density;(b)Nozzle pressure and delivery speed

織物的斷裂強力是衡量織物耐用程度的重要指標，斷裂強力值越大，織物的耐用程度越高。然而紗線強力是決定織物強力的重要因素之一，探討成紗工藝與織物強力的相關性有助于完善成紗工藝設計與指導織物進行結構設計。顯著性分析表明紡紗速度對噴氣渦流紡色紡紗針織物縱向斷裂強力的影響不顯著，而紗線線密度對針織物縱向斷裂強力呈非線性影響，影響最為顯著，如表4所示。圖中表明增加噴嘴氣壓或紡紗速度將使針織物縱向斷裂強力緩慢減小，而隨著紗線線密度從14.58 tex到29.15 tex的增大，針織物的縱向斷裂強力性能總體呈現二次函數上升趨勢，原因有2個方面:一是紗線本身紗線線密度增大會導致針織物縱向斷裂強力增加;另一是較大線密度的紗線斷裂強度比較小線密度的大，這已被參考文獻［9］所證實。

2.3 成紗工藝對針織物透氣性的影響

圖2示出成紗工藝對噴氣渦流紡竹色紡紗針織面料的透氣率影響的響應面。

圖2 成紗工藝對噴氣渦流紡竹漿纖維色紡紗針織面料透氣率影響的響應面Fig.2 Response surface of influence of yarn formation process on permeability rate of knitted fabrics made by jet vortex bamboo pulp colored spun yarns.(a)Delivery speed and nozzle pressure;(b)Delivery speed and reciprocal of yarn linear density

針織物的透氣性關系織物的服用舒適性，而透氣率是評價織物透氣性能的重要指標，透氣率值越大，織物的透氣性能越好。針織物的透氣性主要由織物結構及紗線結構性能決定，在針織物編織工藝參數相同的情況下，紗線性能是決定針織物透氣性的主要因素。顯著性分析表明除噴嘴氣壓外，紡紗速度、紗線線密度及紗線線密度平方項對噴氣渦流紡色紡紗針織面料的透氣性能影響顯著(見表4)。針織物透氣率與成紗工藝間的二次項擬合方程如式(3)所示，對應的相關系數R2為0.8943，表明具有較好的擬合程度。圖中表明紡紗速度從320 m/min到380 m/min的增加導致了織物透氣率的減小，即透氣性能的降低，原因在于紡紗速度提高，紗線在加捻腔停留時間縮短，自由尾端纖維受高速旋轉氣流的作用強度減弱，紗線直徑較粗，致使面料透氣性下降;隨著紗線線密度從14.58 tex到29.15 tex的變化，織物透氣性能顯著增強后有所下降，原因在于紗線線密度較高時，隨著紗線線密度的減小，紗線截面纖維數量的減少比由此帶來的纖維受氣流作用力影響要大，紗線間結構疏松，導致針織面料的透氣性增強;而紗線線密度較小時，減小紗線線密度，紗線截面內纖維數量減少，而噴嘴氣壓不改變，氣流對加捻腔中纖維的作用力增強，使得紗線結構越來越緊密，起主導作用，導致其面料透氣性一定程度降低。然而噴嘴氣壓增加使噴氣渦流紡色紡紗針織面料的透氣性適當增加，該變化不明顯，可能因紗線結構緊密，織物紗線間孔隙增加引起。

2.4 成紗工藝對針織物懸垂性的影響

織物懸垂性通常可通過織物動靜態懸垂系數來評價，然而織物動態懸垂更能反映織物服用狀態。本文將采用織物動態懸垂系數來評價噴氣渦流紡色紡紗針織物懸垂性能，動態懸垂系數越小，表明織物的懸垂性能越好。顯著性分析表明噴氣渦流紡色紡紗針織物動態懸垂系數受紡紗速度，噴嘴氣壓及紗線線密度的二次項顯著影響，其動態懸垂系數與成紗工藝間的二次項擬合方程見式(4)所示，響應面等式擬合相關系數R2為0.8451，具有較好的擬合程度。成紗工藝參數對噴氣渦流紡色紡紗針織物動態懸垂系數影響的響應面如圖3所示。

圖3表明:隨著紡紗速度從320 m/min到380 m/min的增大，針織物的懸垂系數不斷減小，即懸垂性能不斷增強，原因在于紡紗速度越低，紗線停留在加捻腔的時間越長，紗線結構越緊密，手感變硬，故懸垂系數較大;而增加噴嘴氣壓使針織物的懸垂系數先降后增，原因在于在噴嘴氣壓較低時，增大噴嘴氣壓有利于控制纖維對噴氣渦流紡紗體的包纏效果，減小紗線直徑，使織物結構適當疏松，一定程度上有利于改善織物的懸垂性能;但是當噴嘴氣壓到達臨界點后，繼續增加噴嘴氣壓，反而使紗線手感變硬，懸垂性反而降低，原因在于過大的氣壓使紗線結構過于緊密，進一步使織物手感變硬。當紗線線密度在14.58 tex到29.15 tex之間變化時，紗線線密度對針織物懸垂性能的影響與噴嘴氣壓對其懸垂性能的影響存在相同的趨勢。紗線線密度較大時，隨著紗線線密度的減少，紗線截面內纖維數量減少，紗線抗彎剛度減小，從而導致織物懸垂性變好;紗線線密度較小時，紗線截面內纖維過少，單位纖維在同噴嘴氣壓下受到較高的氣流作用力，導致紗線結構緊密，抗彎剛度增加，導致相同織物編織工藝參數情況下織物結構趨于緊密，引起針織物懸垂性下降。

圖3 成紗工藝參數對噴氣渦流紡竹漿纖維色紡紗針織物動態懸垂系數影響的響應面Fig.3 Response surface of influence of yarn formation process on dynamic drape coefficient of knitted fabrics made by jet vortex bamboo pulp colored spun yarns.(a)Delivery speed and nozzle pressure;(b)Delivery speed and reciprocal of yarn linear density

2.5 工藝參數對針織物耐磨性的影響

織物的耐磨性能關系到織物的耐穿使用性能，常通過測試規定壓力下一定耐磨次數后織物質量損失情況來評判，織物的質量損失率越高，織物耐磨性越差。本文通過測試50次耐磨試驗后針織物質量損失率來評價成紗工藝對噴氣渦流紡色紡紗針織物耐磨性的影響。顯著性分析表明噴嘴氣壓對噴氣渦流紡竹漿色紡紗針織物的耐磨性無明顯影響，但紡紗速度的平方項及紡紗速度與1/紗線線密度的交互項對針織物耐磨性影響顯著，針織物耐磨性對成紗工藝參數(噴嘴氣壓，紡紗速度及紗線線密度)的二次項擬合方程見式(5)所示，響應面擬合相關系數R2為0.6859，表明其擬合程度較低，受其他參數的影響有待進一步分析。圖4示出成紗工藝參數對噴氣渦流紡色紡紗針織物的質量損失率的影響響應面。

圖4 成紗工藝參數對噴氣渦流紡色紡紗針織物的質量損失率影響的響應面Fig.4 Response surface of influence of yarn formation process on mass loss rate of knitted fabrics made by jet vortex bamboo pulp colored spun yarns.(a)Delivery speed and nozzle pressure;(b)Nozzle pressure and reciprocal of yarn linear density;(c)Delivery speed and reciprocal of yarn linear density

圖4表明當紡紗速度較低時，紗線線密度值越低，色紡面料耐磨性越差，原因在于紡紗速度越低，且紗線截面內纖維因紗線線密度越低而減少，旋轉氣流對加捻腔中纖維的作用將過于充分，紗線條干反而惡化，故使得高線密度紗織物耐磨性較低線密度紗好;而當紡紗速度較高時，減小紗線線密度將導致色紡面料耐磨性增大，原因在于紡紗速度較高時，紗線在加捻腔中停留的時間較短，高線密度紗中的纖維較多，受氣流的作用不夠充分，故紗線結構較疏松，使得高線密度紗面料耐磨性反而不好;當紗線線密度為19.43 tex時，增加噴嘴氣壓對針織物質量損失率略有增加，但提高紡紗速度將使針織物質量損失率先減小后增加。原因在于紗線停留在加捻腔的時間過短或過長均不利于紗線質量穩定，導致紗線條干惡化，從而使織物耐磨性下降;當紡紗速度為350 m/min時，紗線線密度減小使針織物質量損失率減小，噴嘴氣壓增加使針織物質量損失率增加，主要是因為纖維停留加捻腔的時間一定后，紗線線密度較大或噴嘴氣壓較低時，均無法使纖維加捻充分，使得紗線結構疏松，故織物結構不夠緊密，耐磨性降低。

3 結論

1)本文利用響應面設計分析了噴氣渦流紡成紗工藝對色紡竹漿纖維針織面料性能的影響，獲得了響應值與相應變量間的響應面等式，色紡竹漿纖維針織物斷裂強力、透氣率及動態懸垂系數與參數變量(噴嘴氣壓、紡紗速度及紗線線密度)存在較好擬合程度。

2)色紡竹漿纖維針織物縱向斷裂強力主要受紗線線密度影響，紗線線密度越小，針織物縱向斷裂強力越低。

3)針織物透氣性主要受紡紗速度和紗線線密度影響，增加紡紗速度將導致針織物透氣率的減小，而減小紗線線密度使織物透氣性能顯著增強，而后略有下降。

4)試驗選擇的3個參數變量均影響針織物的懸垂性能，增加紡紗速度使針織物的懸垂性能不斷增強，而增加噴嘴氣壓或減小紗線線密度使針織物的懸垂性能先變好后降低。

5)針織物的耐磨性主要受紡紗速度與紗線線密度影響，且影響較為復雜，當噴嘴氣壓為0.5 MPa，且紡紗速度較低時，紗線線密度越低，針織物面料耐磨性越差;而當噴嘴氣壓為0.5 MPa，且紡紗速度較高時，減小紗線線密度將導致針織物面料耐磨性增大;當紗線線密度為19.43 tex時，增加紡紗速度將使針織物質量損失率先減小后增加;當紡紗速度為350 m/min時，紗線線密度降低使針織物質量損失率減小。

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Influence of yarn formation process on properties of knitted fabrics made of air jet vortex-spun bamboo pulp colored yarns

ZHOU Jinxiang，ZOU Zhuanyong，HUANG Jianguang，XU Menglu，CHEN Jiahui，JIN Yaqi，ZHANG Lianlian
(Key Laboratory of Clean Dyeing and Finishing Technology of Zhejiang Province，Shaoxing University，Shaoxing，Zhejiang 312000，China)

For studying the influence of yarn formation process on properties of knitted fabrics made of air jet vortex-spun bamboo pulp colored yarns，based on the Box-Behnken design method and by means of the Minitab16 software，and the influence of formation process(nozzle pressure，yarn linear density，and yarn delivery speed)of air jet vortex spinning on breaking strength，breathability，draping property and abrasive resistance of knitted fabrics made of air jet vortex-spun bamboo pulp colored yarns were analyzed and discussed.The results showed that decreasing yarn linear density makes knitted fabric's breaking strength decrease，and makes breathability and draping property increase first and then decrease slightly.With yarn delivery speed increasing，the breaking strength and breathability of knitted fabric are decreasing，but draping property is increasing.Nozzle pressure has no significant influence on knitted fabric's breaking strength，breathability and abrasive resistance.However，the draping property of knitted fabric increases first and then decreases when nozzle pressure is increased.Knitted fabric's abrasive resistance is mainly influenced by yarn delivery speed and yarn linear density，but its influence mechanism is rather complicated.

air jet vortex spinning;colored spun yarn;process parameter;bamboo pulp fiber;knitted fabric;property

TS 101.2

A

10.13475/j.fzxb.20150405507

2014－04－21

2015－01－08

國家自然科學基金資助項目(51103085);浙江省本科院校中青年學科帶頭人學術攀登資助項目(pd2013393);地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201310349012)

周金香(1991—)，女，碩士。研究方向為新型面料設計與開發。鄒專勇，通信作者，E-mail:zouzhy@usx.edu.cn。