棉彈力針織布合理定坯工藝參數(shù)的計(jì)算

鄧 盼,凌群民,周 琪

我國是紡織品生產(chǎn)和出口的大國,而針織行業(yè)對(duì)促進(jìn)紡織行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了不可替代的作用。氨綸的引入使得針織面料的延伸性、彈性和塑形性更加優(yōu)越,極大地拓展了針織面料的應(yīng)用。氨綸彈力針織物的定型不僅決定了織物的結(jié)構(gòu)參數(shù),還影響著織物的手感和形態(tài)風(fēng)格。目前實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)氨綸彈性針織物的定型主要依靠經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定工藝,不僅缺乏定型效果的重現(xiàn)性,也帶來了由于定坯受熱過度造成彈性喪失和手感變硬的問題、或者由于定坯熱力欠缺造成成品規(guī)格不達(dá)標(biāo)和織物縮率過大的問題,給工廠生產(chǎn)帶來了困擾。因此,對(duì)氨綸彈性針織面料定坯工藝參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行研究具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

1 棉彈力針織物的定型

含氨綸的棉彈力針織物的尺寸穩(wěn)定性主要受氨綸彈性回復(fù)性的影響,對(duì)含氨綸的棉彈力針織物進(jìn)行定型時(shí),主要是對(duì)氨綸材料進(jìn)行熱定型處理。

1.1 定型機(jī)理

棉彈力針織物定型的本質(zhì)是將氨綸纖維內(nèi)部大分子鏈段發(fā)生重新排列,從而消除內(nèi)應(yīng)力,使定型后織物的形態(tài)和尺寸達(dá)到穩(wěn)定[1]。氨綸等合成纖維均具有熱塑性,在高溫條件下,收縮和變形現(xiàn)象明顯[2]。因此,利用熱塑性這一特點(diǎn)對(duì)氨綸彈性織物進(jìn)行預(yù)定型及后定型處理,來提高尺寸和形態(tài)的穩(wěn)定性,減少生產(chǎn)中產(chǎn)生的皺痕,控制織物的門幅尺寸和克重大小[3]。

在棉彈力針織物的生產(chǎn)過程中,尤其在高溫高濕的加工環(huán)境中(如漂白或染色時(shí)),一般都先進(jìn)行定坯處理,即在有適宜張力的條件下采用比后續(xù)工序更高的溫度對(duì)織物進(jìn)行處理,在染色之前先穩(wěn)定坯布的門幅和克重,以防止織物在染色過程中產(chǎn)生收縮變形。

1.2 影響棉彈力針織物定型效果的主要因素

彈力針織物熱定型通常是將織物在一定溫濕度條件下,加熱一定時(shí)間后進(jìn)行冷卻,使其尺寸和形態(tài)達(dá)到穩(wěn)定。影響熱定型的主要工藝參數(shù)如下：

(1)溫度 溫度是影響熱定型最主要的因素。織物經(jīng)過熱定型,原來存在的皺痕被消除的程度,表面平整性的提高,織物的尺寸熱穩(wěn)定性和其他服用性能,都與熱定型溫度的高低有著密切的關(guān)系[4-6]。

(2)張力 熱定型過程中織物所受到的張力對(duì)織物的尺寸熱穩(wěn)定性、強(qiáng)力和斷裂延伸度都有一定的影響。張力由超喂和機(jī)架共同控制,超喂的大小影響織物的緯密、縱向縮水性能和織物的克重。定型機(jī)架的寬度決定織物定型后的幅寬和橫向縮水性能[7-8]。

(3)時(shí)間 定型時(shí)間是指布面達(dá)到定型規(guī)定的溫度時(shí)所需加工時(shí)間。定型加工時(shí)間影響織物的升溫效果,決定了織物定坯的效果。一般,收縮率通常是隨著時(shí)間的增加而降低,但延長定型時(shí)間會(huì)使得面料出現(xiàn)發(fā)硬、泛黃、強(qiáng)力下降等情況[9]。

1.3 彈力針織物定坯過程中的工藝參數(shù)

在彈力針織物的定坯過程中,工廠對(duì)溫度、張力、時(shí)間等因素的控制主要是通過調(diào)節(jié)溫度、機(jī)速、機(jī)架寬度、超喂等工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。目前,國內(nèi)外對(duì)于氨綸彈力物的熱定型工藝參數(shù)的研究較少,對(duì)影響定型效果各因素間的耦合關(guān)系沒有深入挖掘。基于此,本文深入探究了彈力針織物定坯過程中工藝參數(shù)的計(jì)算。

2 定坯工藝參數(shù)間的能量數(shù)學(xué)模型

由于棉彈力針織物的定坯生產(chǎn)過程機(jī)理復(fù)雜,影響織物質(zhì)量指標(biāo)的工藝參數(shù)較多,導(dǎo)致模擬熱定型生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型變得復(fù)雜,模型的具體形式難以確定。從熱力學(xué)的角度出發(fā),依據(jù)換熱平衡和牛頓熱交換公式,結(jié)合熱定型工藝參數(shù)與質(zhì)量指標(biāo)間的關(guān)系,分析定型機(jī)供熱(Q)的原理和坯布定型過程中吸熱(q)的原理,從設(shè)備供熱(Q)與坯布需熱(q)探究定坯效果與能耗之間的關(guān)系,建立定型溫度、機(jī)速、機(jī)架寬度、超喂這4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式,從定坯過程的能耗探究合理定坯工藝參數(shù)的計(jì)算。

參考文獻(xiàn)[10]依據(jù)牛頓換熱公式,對(duì)一定幅寬、長度為Δx的布匹在dt時(shí)間內(nèi)機(jī)器通過對(duì)流方式提供的熱量Y(W/m2),如公式(1)所示：

式中,Ts：機(jī)箱溫度(℃);Vs：機(jī)器的供熱速度(K/m2);h(T0,Ts,Vs)：熱交換系數(shù);S：熱交換面積(m2);T0：環(huán)境初始溫度(℃),T0隨季節(jié)、氣候等因素的變化會(huì)有所改變,在下文計(jì)算中取20℃。

在彈力針織物的定坯過程中,利用公式(1),長度為Δx的織物通過定型機(jī)時(shí),每節(jié)定型機(jī)機(jī)箱的供熱Q如表達(dá)式(2)所示：

式中,k：熱交換系數(shù)(W/m2·K);W：機(jī)架寬度(英寸);L：每節(jié)機(jī)箱長度(英寸);Ts：機(jī)箱溫度(℃);T0：環(huán)境初始溫度(℃);v：定型機(jī)的機(jī)速(碼)。

織物自身的吸熱狀態(tài)和成分的熱性能、密度、厚度、受熱長度、熱塑性溫度、環(huán)境溫度有關(guān),根據(jù)牛頓熱交換公式,每節(jié)定型機(jī)機(jī)箱中織物達(dá)到定型溫度時(shí)吸收的熱量q,如公式(3)所示：

式中,Cf：坯布的比熱容(J/kg·℃);ρ：織物密度(根/10 cm);p為織物厚度(mm);Tp：織物表面達(dá)到氨綸熱塑性定型的溫度(℃)。氨綸在150℃以上熱塑性顯著增加[11],下文計(jì)算中Tp取150℃;T0：環(huán)境初始溫度,在下文計(jì)算中取20℃。

定型機(jī)機(jī)箱的供熱量Q和織物在機(jī)箱中吸熱量q直接反映了熱量的供需關(guān)系,結(jié)合式(2)和(3),將機(jī)箱提供的熱量Q比上織物在定型機(jī)中吸收的熱量q,得到一個(gè)比值β,建立定坯工藝參數(shù)間的能耗數(shù)學(xué)模型,如表達(dá)式(4)：

式中,(ρ·L·p·W)代表每節(jié)機(jī)箱內(nèi)織物的重量,式(4)可轉(zhuǎn)化為：

式中,k、Cf均為常數(shù),L機(jī)箱長度也為固定值。因此式(5)可轉(zhuǎn)化為：

3 工藝合理性分析

利用能耗數(shù)學(xué)模型計(jì)算的β值,對(duì)工廠生產(chǎn)頻率較高的JC14.58 tex+2.2 tex棉氨綸平紋彈力布的線上數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝合理性分析。對(duì)不同定前封度、不同克重的坯布進(jìn)行線上數(shù)據(jù)分析,得出已有定坯工藝中的最優(yōu)工藝。

根據(jù)表1分析：第2、3組數(shù)據(jù)β值較大,說明相比第1組工藝,第2、3組的機(jī)器供熱程度大于坯布需熱程度。這是因?yàn)榈?、3組采用的超喂值較小,單位時(shí)間內(nèi)機(jī)箱內(nèi)受熱坯布量少,單位重量坯布受熱多,坯布定型程度高,坯布下機(jī)后回縮少,使得定后克重要小于目標(biāo)克重。在三組工藝中,第1組的β值是通過此機(jī)臺(tái)加工此種坯布已獲得的線上生產(chǎn)數(shù)據(jù)中最優(yōu)的。

根據(jù)表2分析：這四組工藝數(shù)據(jù)中,第4組的β值最小,供熱、需熱比值最合理;第5、6、組數(shù)據(jù)中,在設(shè)定的機(jī)架寬度條件下,設(shè)定的超喂值偏小,使得定后克重偏大。第4組的β值是通過此機(jī)臺(tái)加工此種坯布已獲得的線上生產(chǎn)數(shù)據(jù)中最優(yōu)的。

根據(jù)表3分析：這四組工藝數(shù)據(jù)中,第8組的β值最小,第10組工藝中主要是由于在設(shè)定的機(jī)架寬度條件下,設(shè)定的超喂值偏小,單位時(shí)間內(nèi)機(jī)箱內(nèi)受熱坯布量少,單位重量坯布受熱多,坯布定型程度高,坯布下機(jī)后回縮少,使得定后克重偏大;第7、9組數(shù)據(jù)中,由于設(shè)備性能的隨機(jī)性,定坯溫度略高,設(shè)備供熱較大,造成第7、9組的β值偏大。第8組的β值是通過此機(jī) 臺(tái)加工此種坯布已獲得的線上生產(chǎn)數(shù)據(jù)中最優(yōu)的。

表1 定前封度為1.78 m、克重190 g定坯數(shù)據(jù)分析

表2 定前封度為1.78 m、克重196 g定坯數(shù)據(jù)分析

表3 定前封度為1.73 m、克重195 g定坯數(shù)據(jù)分析

4 利用能耗數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)最優(yōu)工藝參數(shù)

在對(duì)線上生產(chǎn)工藝進(jìn)行最優(yōu)化分析后,針對(duì)每一臺(tái)定型機(jī)加工的每一布種,可以獲得最合理的β值和最優(yōu)上機(jī)幅寬和超喂,在已知定前門幅、定前克重和客戶要求的目標(biāo)封度和目標(biāo)克重的前提下,由公式(6),可以逆向設(shè)計(jì)出最優(yōu)的機(jī)速,制定針對(duì)每一臺(tái)定型機(jī)加工的每一布種的最優(yōu)工藝。現(xiàn)用最優(yōu)工藝參數(shù)計(jì)算法確定不同定前封度、不同克重的JC14.58 tex+2.2 tex棉氨綸平紋彈力布最優(yōu)定坯工藝。

(1)β值的確定

根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的工藝合理化分析,可獲得在已有的線上生產(chǎn)數(shù)據(jù)條件下每一定型機(jī)加工的每一布類對(duì)應(yīng)的最優(yōu)β值。隨著生產(chǎn)數(shù)據(jù)的增加,β值的最優(yōu)化程度會(huì)不斷提高。

(2)定坯溫度的確定

由于布類定坯溫度是相對(duì)穩(wěn)定,實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)同一機(jī)臺(tái)加工同一布類的定坯溫度的調(diào)整也較少。彈性氨綸織物較理想的熱定型溫度在180～190℃[12],考慮機(jī)臺(tái)的損耗情況,工廠將加工JC14.58 tex+2.2 tex棉氨綸平紋彈力布的定坯溫度設(shè)為194℃。

(3)理論設(shè)計(jì)機(jī)架寬度和理論設(shè)計(jì)超喂

在工廠實(shí)際定坯過程中,根據(jù)定前封度、定前克重和客戶要求的目標(biāo)封度和目標(biāo)克重可以計(jì)算出理論的機(jī)架寬度和超喂。具體關(guān)系式如下：

δ應(yīng)當(dāng)根據(jù)織物的纖維材料特征、織物結(jié)構(gòu)的厚薄和織物進(jìn)入定型機(jī)前的含水狀態(tài)來決定δ值的大小,通常δ值的范圍為5～13 cm,為方便計(jì)算過程,下文中的計(jì)算暫取δ=0。

基于以上確定的工藝參數(shù),結(jié)合公式(6)可獲得在已有的線上生產(chǎn)數(shù)據(jù)條件下每一定型機(jī)加工的每一布類對(duì)應(yīng)的最優(yōu)機(jī)速值。

通過最優(yōu)工藝參數(shù)計(jì)算建立不同定前封度、不同克重下設(shè)計(jì)的最優(yōu)工藝,如表4所示。

表4 不同定前封度、不同克重的定坯最優(yōu)工藝參數(shù)表

5 結(jié)語

從熱力學(xué)的角度出發(fā),依據(jù)換熱平衡和牛頓熱交換公式,探究定坯的溫度、時(shí)間、機(jī)架、超喂這4個(gè)因素與織物下機(jī)后門幅、克重等方面的關(guān)系以及這三者的耦合作用對(duì)定型效果的影響,在氨綸彈力針織布定坯工藝的研究上得出：

(1)建立了定坯溫度、定坯機(jī)速、機(jī)架寬度和超喂量這4個(gè)關(guān)鍵因素的能耗數(shù)學(xué)模型,確定了工藝參數(shù)對(duì)設(shè)備供熱與坯布需熱比值β的影響。

(2)運(yùn)用能耗數(shù)學(xué)模型對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝合理性分析,分析了定坯過程中機(jī)器供熱和坯布需熱達(dá)不到最佳平衡狀態(tài)的原因,并從工藝參數(shù)上提出了調(diào)整方案。

(3)通過建立的能耗數(shù)學(xué)模型和理論設(shè)計(jì)機(jī)架寬度、理論設(shè)計(jì)超喂表達(dá)式,可逆向求解針對(duì)特定機(jī)臺(tái)加工特定時(shí)的理論機(jī)速,并在已有線上生產(chǎn)數(shù)據(jù)的條件下計(jì)算出了針對(duì)每一機(jī)臺(tái)加工每一布種的最優(yōu)定坯工藝參數(shù),為規(guī)范工廠生產(chǎn)提供有效理論依據(jù)。