液態水沿紗線軸向傳遞及影響因素的探討

閆小兵,馮萌雨,張一心

(西安工程大學,陜西 西安710048)

纖維集合體的潤濕行為是一個受很多復雜因素影響的過程,其中受到較多物理、化學等因素的影響[1-2],因此對整個導濕過程的模型化建立存在很大的難度[3]。液體在纖維集合體中的導濕行為可以涉及到很多應用領域,諸如織物的染色、過濾液體等,國內外研究者對芯吸領域不斷深入研究且提出了許多新的假設,并建立了很多不同的纖維集合體導濕模型[4-6]。本文通過試驗了解液態水在紗線中傳遞的方式及路徑,對其整個芯吸過程進行客觀的描述,從紗線細度、結構、組成、捻度4個方面研究了環錠紡和轉杯紡單紗的濕傳遞性能,為液態水沿紗線軸向傳遞及影響因素的研究提供一些理論參考。

1 試驗部分

1.1 材料及準備

試驗材料采用紗線線密度為19.437、14.578、11.662 tex純棉梭織用環錠精梳紗;14.578 tex和11.662 tex的梭織用轉杯紡純棉紗以及11.662 tex滌棉混紡紗。試樣先按標準步驟進行煮練,以去除棉纖維中的天然蠟質和紡紗中加入的油劑等,然后先熱水后冷水進行沖洗,以去掉殘留的煮練劑;試樣在空氣中干燥24 h以上。另準備大燒杯、直尺、鐵架臺、藍色墨水、夾子、溫度計等試驗用具。

1.2 試驗儀器

手動捻度儀,MDI數碼生物顯微鏡;佳能SX10CCD傳感器,有效像素1 000萬,光學變焦20倍,數碼變焦4倍,最高分辨率3 648×2 736,短片拍攝640×480(幀/s)。自己搭建毛細管效應測試裝置,如圖1所示。將紗線固定好一端,另一端放入有色液體中,記錄每秒鐘的芯吸高度值。

圖1 紗線芯吸性能測試裝置

1.3 試驗方法

準備好一個盛有蒸餾水的大燒杯,染色的相關選擇先要通過對織物的吸附試驗來確定。經試驗,發現藍色墨水對織物芯吸的效果基本沒有影響,而用亞甲基藍等有機染料,則會出現明顯的染色層與吸濕的水層分離,故試驗選擇微量藍墨水為色料。先將直尺垂直于燒杯上方,與燒杯內原有液面有一定距離;然后往燒杯中緩緩加入有色液體,在液體接觸到紗線的瞬間,開始按秒計時和攝像。每組6根紗線,試驗時間為30 min,測10組,取平均值。

2 結果與分析

2.1 紗線的細度對液態水沿紗線軸向傳遞的影響

分別對19.437、14.578、11.662 tex的純棉環錠紡單紗做芯吸試驗,分別測試在300 s和30 min內的芯吸高度和芯吸速率的變化規律,每組每隔5 s記錄一次芯吸高度值,測10組,然后取平均值。圖2(a)是300 s內液態水芯吸高度隨時間的變化趨勢;圖2(b)是300 s內液態水芯吸速率隨時間的變化趨勢;圖3(a)是30 min內液態水芯吸高度隨時間的變化趨勢;圖3(b)是30 min內液態水芯吸速率隨時間的變化趨勢。

圖2 300 s內液態水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

從圖2(a)可以看到:在300 s內,3種不同細度相同結構的純棉環錠紗芯吸高度隨著時間的增加不斷升高,但是并沒有隨著紗線細度的增大而增高,卻呈現出了19.437 tex的芯吸高度高于14.578 tex而低于11.662 tex。圖2(b)可以看出:11.662 tex的紗線在第5 s就已達到最高的芯吸速率,之后隨時間的增加而減小;而19.437 tex與14.578 tex的紗分別于第30 s和第40 s時達到最高芯吸速率,但在第325 s,3種紗線的速率有著相同的趨勢。

圖3(a)與圖2(a)所呈現的變化趨勢并不相同。14.578 tex的紗在第5 min到第6 min時,芯吸高度超過19.437 tex紗的芯吸高度,并于第9 min再次超過11.662 tex紗的芯吸高度。在第24 mim時,三者芯吸高度基本達到定值。理論上,三者的芯吸高度應該按細度的大小順序排列,但所測結果則是細度為14.578 tex紗線的芯吸高度大于19.437 tex和11.662 tex。這是因為紗線線密度越大,雖然毛細管會越多,可增強紗線的芯吸作用,但是,毛細管內部纖維排列狀態也會變得復雜,造成毛細管的不連續性,便不利于芯吸;而當紗線線密度越小時,紗線排列緊密,使得毛細管尺寸變小,同樣不利于芯吸。此試驗結果表明評價紗線芯吸性能應將短時效果和長時效果同時進行考量。從圖3(b)可以看出:初始芯吸速率最快的是11.662 tex,其次是19.437 tex和14.578 tex,第6 min時,可以看到芯吸速率開始明顯降低,之后三者速率隨時間的變化而逐漸接近。從上面的數據可以看出:芯吸高度比芯吸速度有著更高的區別度,而芯吸速度適合短時間內的評判。

圖3 30 min內液態水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

2.2 紡紗方式對液態水沿紗線軸向傳遞的影響

在相同條件下,分別對11.662 tex和14.578 tex的環錠紡和轉杯紡進行紗線垂直芯吸試驗,每組4根,測10次,取平均值。其中圖4(a)是300 s內液態水芯吸高度隨時間的變化趨勢,圖4(b)是300 s內液態水芯吸速率隨時間的變化趨勢,圖5(a)是30 min內液態水芯吸高度隨時間變化的趨勢,圖5(b)是30 min內液態水芯吸速率隨時間的變化趨勢。

由圖4(a)可以看出:在紗線芯吸的前300 s內,11.662 tex的環錠紡單紗和轉杯紡單紗芯吸高度基本保持一致,而14.578 tex的環錠紡單紗的芯吸高度高于14.578 tex的轉杯紡單紗芯吸高度。由圖4(b)可以看到:11.662 tex的環錠紡單紗前15 s內的芯吸速率高于其他3種紗線,但是在20 s后,11.662 tex轉杯紡單紗的芯吸速率高于其他3種紗線,且速率降低幅度也較大,而14.578 tex的轉杯紡單紗和精梳紡單紗芯吸速率在50 s之后變化基本很小,說明這2種紗線內部空隙較為均勻。

圖4 300 s內液態水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

在圖5(a)中,雖然11.662 tex的2種單紗在前9 min的芯吸高度均高于其他2種,但11.662 tex轉杯紡單紗在8 min左右時已經基本達到芯吸平衡,說明紗線內部的毛細管過于纖細。一般來說,細管直徑越小越能增加毛細壓力,越能使液態水更快地進入紗線的毛細孔,即緊密紗的毛細高度在任何時候都應該高于環錠紗。但是,過于細小的毛細管會產生減慢液體上升的阻力,在緊密紗的毛細管中就可能出現這種效應,這說明存在一個使水快速進入紗線孔隙的最佳毛細尺寸。當孔隙大于最佳尺寸時,毛細壓力低會使液體上升速度減慢,因此,過小或過大的孔隙都不利于快速芯吸,故芯吸效果不如同細度的環錠紡單紗芯吸效果好。再次出現的交叉上升現象表明:紗線的結構對芯吸效果的影響是復雜的,在建立評價體系時應短時與長時效果同時考量。圖5(b)為30 min內液態水沿紗線芯吸速率隨時間變化的趨勢圖,圖5(a)中可以明顯看到細度高的2種紗線雖然紡紗方式不同,但是,芯吸速率的變化卻基本相同,而14.578 tex的2種紗芯吸速率變化有較大的區別。從圖5中可以看出14.578 tex的轉杯紡紗線內部孔隙較為均勻,芯吸速率基本不產生較大變化。

圖5 30 min內液態水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

2.3 纖維組成對液態水沿紗線軸向傳遞的影響

在相同的試驗條件下,對同細度的混紡紗與純棉紗做芯吸試驗比較,測10組,取平均值。其中圖6(a)是300 s內液態水芯吸高度隨時間的變化趨勢,圖6(b)是300 s內液態水芯吸速率隨時間的變化趨勢,圖7(a)是30 min內液態水芯吸高度隨時間的變化趨勢,圖7(b)是30 min內液態水芯吸速率隨時間的變化趨勢。

圖6(a)可以看出:純棉紗芯吸高度基本相同,而混紡紗從125 s開始芯吸高度超過純棉紗,并有持續爬高的趨勢;圖6(b)中混紡紗的初始芯吸速率不及純棉紗的初始芯吸速率。但混紡紗300 s內總體的芯吸速率變化較純棉紗慢,在90 s后,混紡紗的芯吸速率一直處于純棉紗的上方。

圖7(a)可以看出:2 min后的混紡紗芯吸高度較純棉紗有了很明顯的提高,這主要是因為混紡紗中,纖維之間所形成的通道阻力小,而純棉紗形成的通道內情況較為復雜,通道阻力較大,所以導致混紡紗芯吸高度優于純棉紗。圖7(b)中三者總體上芯吸速率相差不大,說明紗線組成對芯吸的速率來說沒有太大影響,只對芯吸高度有較大影響。

圖6 300 s內液態水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

圖7 30 min內液態水沿紗線軸向傳遞變化趨勢圖

2.4 捻度對液態水沿紗線軸向傳遞的影響

用Y331捻度儀分別對純棉紗進行加捻和退捻,在退捻過程中發現,當捻度過低時,紗線會解體,故將紗線捻度最低限定在300 TPM。因此,在捻度為300、400、500、600、700、800 TPM 時對環錠紗和轉杯紡紗進行芯吸試驗,根據芯吸后紗線的平衡芯吸高度與捻度的關系,繪制圖8。

圖8 不同捻度下紗線的芯吸高度

由圖8可以看出:對于3種環錠精梳紗和2種轉杯紡紗,都存在一個臨界捻度,當紗線的捻度大于或者小于該捻度時,紗線的平衡芯吸高度會隨著捻度的變化而降低。因此,捻度對紗線芯吸性能的影響,應該也是由于紗線內部毛細管道的變化而變化的。當紗線捻度變小時,紗線內部纖維間的毛細管尺寸會變大;相反,當捻度增加時,紗線內部纖維間的毛細管孔徑會變小,只要變化的孔徑大于或者小于最佳的芯吸尺寸,那么芯吸效果都會減弱。

2.5 6種紗線的芯吸回歸方程及相關系數

表1是30 min內6種不同紗線的芯吸高度與芯吸時間的對數回歸方程,根據計算得到的相關系數可以看出,芯吸高度與芯吸時間的相關系數均接近1,說明兩者有明顯的相關性。

表1 6種紗線30 min內芯吸高度與芯吸時間的對數回歸方程

3 結語

從紗線細度、結構、組成、捻度等4個方面研究了環錠紡和轉杯紡單紗的濕傳遞性能,由試驗結果分析可知:紡紗方式對紗線的芯吸性能影響顯著,14.578 tex的環錠紗芯吸性能最好,14.578 tex的緊密紗芯吸性一般。單紗的纖維組成對紗線芯吸影響較大,11.662 tex的混紡紗芯吸性能明顯高于11.662 tex的純棉紗。各種結構的紗線理論上都存在一個最佳捻度,當紗線捻度小于或者大于該捻度時,紗線達到的芯吸平衡高度就會隨捻度的變化而減小。根據30 min內6種不同紗線的芯吸高度與芯吸時間的對數回歸方程的相關系數可以看出,芯吸高度與芯吸時間的相關系數均接近1,說明兩者有明顯的相關性。