集聚紗的分層結構與集聚機制

傅 婷，張玉澤，王 姜，陳南梁

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

網格圈負壓式集聚紡紗應用實踐表明，在相同工藝條件下，與環錠紗相比，集聚紗的捻度高3%～10%，這個現象被稱為附加捻度[1-3]。目前業內對網格圈負壓式集聚紗存在附加捻度是有共識的，但是對其形成的機制尚無非常合理的解釋，尤其是缺乏能夠定量計算的模型。

汪軍等[4-5]、周水平等[6-8]拓展和完善了集聚區須條附加捻度的力學模型。楊建平等[9-10]提出了半自由端加捻模型，認為在集聚區須條存在打滑現象，因而在假捻過程產生捻度差異，形成附加捻度。陸宗源[11]提出了表層半開端加捻的模式，認為須條表面有部分纖維在氣流的作用下加捻，但未有理論分析和試驗驗證。基于此，本文提出了集聚紗的分層結構，通過分析和試驗證實分層結構，進而對集聚機制進行闡述，為集聚紡機制的研究提供理論支持。

1 集聚區須條分層結構模型

集聚區須條兩端被握持，屬典型的非自由端加捻，須條在集聚管上的摩擦只是假捻，對成紗捻度幾乎無影響。但附加捻度的客觀存在又表明在集聚區上須條確實有真捻產生。受噴氣紡包纏加捻模式的啟發，本文將集聚區須條分為2部分：第1部分是須條的表層纖維，其一端被鉗口握持或其他纖維控制，另一端則呈自由狀態，即為自由端纖維；第2部分則是須條的主體纖維，其兩端均處于被握持或控制的狀態，可以稱為芯纖維。集聚紡紗時，在不考慮假捻情況下，具有自由端的表層纖維在氣流等的作用下對主體纖維須條進行了包纏加捻，從而使須條從扁平狀集聚為近似圓形狀，如圖1所示。這樣的須條結構再經過環錠綱領鋼絲圈加捻，最終形成集聚紗。

圖1 集聚區須條分層結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of core structure of condensing zone

假設圖1中的集聚區須條的結構成立，則需要建立新的加捻模型才可以進行解釋，本研究認為：主體芯纖維仍然呈非自由端狀態，在不考慮假捻情況下，其在集聚區應該是無捻狀態；表層纖維為自由端狀態，在氣流的作用下包纏主體纖維，形成一定程度的捻度。所謂半自由端加捻，是指在羅拉牽伸的條件下，須條呈兩相結構，由主體的芯纖維和表層自由端纖維組成，表層自由端纖維在氣流等的作用下，對芯纖維形成包纏或纏繞的加捻方式，如圖2所示。

圖2 集聚區須條半自由端加捻模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of semi-open end twisting model of condensing zone

環錠紗的部分毛羽(可以認為是自由端纖維)、尤其是長毛羽均因在集聚區的半自由端加捻而成為紗線內的纖維。從宏觀的角度看，集聚紗與環錠紗相比，最大的差異在于環錠紗上絕大多數毛羽進入紗體內部而不再成為毛羽，成為集聚紗；因此可以提出半自由端加捻模型須具備的條件是：1)須條主體需要被控制，即兩端被握持；2)自由端纖維應該通過氣流或機械等作用，使其對主體芯纖維進行包纏加捻。

2 集聚紗分層結構試驗驗證

2.1 測試方法

紗線分層結構，典型的如轉杯紗、噴氣渦流紗，一般是通過退捻后照片或者退捻后將表層纖維去除后觀測內層纖維，對于集聚紗來說，自由端纖維數量不多，因此將集聚紗通過退捻后在顯微鏡下觀察，很難看清表層和里層的區別。為此本文采用超景深三維數碼顯微鏡VHX-5000(基恩士公司)，通過焦距變化從須條的底層開始分層觀測并拍照，從而可以觀察表層和里層的捻度差異。

超景深三維數碼顯微鏡VHX-5000下緩慢調整上下位置，按照操作盤上的旋鈕，先將焦距往小的方向調至視野的圖像由清晰轉為模糊，然后將焦距往大的方向調整，可分別拍攝系列照片。試驗中確定好基準位置后先拍攝1張，然后以100 μm的間隔分別拍攝4個位置，最后將5張照片采用該系統的三維合成技術整合為一張照片。距離間隔可根據紗線線密度進一步調整。

2.2 集聚紗分層結構測試結果與分析

將實驗室紡制的19.4 tex集聚紗采用捻度測試儀手動解捻至無捻或接近無捻狀態，然后在VHX-5000下按上述方式拍照，結果如圖3所示。圖3(a)為基準位置拍的照片；圖3(b)～(e)分別是焦距增大100、200、300和400 μm時的照片；圖3(f)則是上述5張照片的合成的圖像。

圖3 19.4 tex集聚紗退捻照片Fig.3 Untwisting of 19.4 tex compact spun yarn.(a) Reference position; (b) Up to 100 μm; (c) Up to 200 μm; (d) Up to 300 μm; (e) Up to 400 μm; (f) 3-D synthesis

由圖3可知，圖3(a)圖片中紗線整體是模糊的，圖3(b)出現了與紗線軸向平行的纖維，圖3(c)平行纖維繼續增加，圖3(d)出現了Z向加捻的傾斜纖維，圖3(e)是最外層的Z向加捻纖維減少；圖3(f)是將前面5張整體合成的照片。按照順序依次可見內層的纖維平行于紗軸方向，外層的纖維有部分傾斜，這可證實圖3中的紗線結構是分層的，即紗的內層與外層的捻度是存在差異的。對于集聚紗的進行多次觀測結果可重現。圖4示出環錠紗退捻的照片，與圖3比較須條沒有分層結構。

圖4 環錠紗解捻后的形貌Fig.4 Untwisting of ring spun yarn

3 自由端纖維加捻試驗驗證

3.1 取樣試驗設計

為驗證集聚區須條存在真捻，須進行試驗設計取樣觀察。本文對集聚區須條取樣，在顯微鏡下觀測和拍照，然后對照片進行后期的分析與處理，方法如圖5所示。取樣的步驟為：1)正常紡紗，準備好剪刀；2)在圖中所示的2個位置同時剪斷紗線和須條，與此同時抬起搖架，關停細紗機；3)在集聚區找到須條，用剪刀將上下多余粗紗須條和紗線剪除，用鑷子小心夾住須條下端成紗的部位，放置在載玻片上，用火棉膠涂均勻固定須條；4)樣品制作完畢，準備觀測與拍照。

圖5 集聚區須條的取樣方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of sampling method of condensing zone

考慮到如果須條的線密度比較小的話，其纖維根數很少，難以制樣，因此實際取樣時紡紗的線密度是58.3 tex，集聚負壓為2 000 Pa，分別對集聚直線形傾斜角5°、無集聚負壓等情況取樣分析。部分樣品制作實物如圖6所示。

3.2 測試結果與分析

圖7示出直線形集聚斜槽5°情況制樣進行拍攝得到的須條照片，從圖中可清晰分辨出部分纖維的傾斜情況，可見須條整體上有明顯捻回。

圖8示出有集聚和無集聚情況下須條的比較情況。圖8(a)即為圖7的樣品，圖8(b)示出在紡紗時集聚區負壓為零的情況，二者的差異是顯而易見的，圖中集聚須條捻回清晰可見，且須條直徑整體較小；而且在同樣區域的須條基本沒有捻回，須條呈發散狀，直徑較大。這就可以證明集聚區須條的捻度的確存在，同時可以也驗證集聚區半自由端加捻的合理性和正確性。

圖6 制作的樣品實物照片Fig.6 Photo of produced sample

圖7 集聚斜槽5°集聚須條照片(×200)Fig.7 Photo of gathering strip with 5°condensing slot (×200)

圖8 集聚須條照片(放大200倍)Fig.8 Photos of gathering strip (×200).(a)Condensing slot with 5; (b)Without negative pressure

與集聚槽長度匹配取集聚區須條長度為 20 mm，從圖中可以觀察須條加捻的情況，確定一個完整捻回的長度。圖8(a)中的一個捻回的長度是12.1 mm。

4 集聚機制

集聚紡要解決的主要問題是環錠紗毛羽較多的難題，環錠紡中毛羽很大程度上產生于加捻三角區，實質問題是纖維內外轉移張力不一致，導致纖維一頭在紗體內，一頭形成毛羽。因此毛羽本質上可認為是自由端纖維，如何將自由端纖維不再“自由”是減少毛羽的關鍵，無論是采用機械還是氣流方式進行集聚，現象上是將須條“先集聚、后加捻”，并如何處理這些自由端纖維的問題。充分認識和了解這個問題，對集聚機制的解釋和集聚紡技術的提升發展是有重要作用的。

對于自由端纖維的處理，紡紗方式起著很重要的作用，噴氣渦流紡的毛羽極少，這與其成紗機制密切相關。對于集聚紡而言，其核心問題也是對毛羽的處理方式。從機制上而言，對于自由端纖維最好的處理方式有2個方法：1)將其轉移到紗的內部，使其被控制，成為被控制的非自由端纖維；2)將其加捻，通過螺旋軌跡使其成為紗體的一部分。2種方法的本質是一樣的，即將自由端纖維變成受控的非自由端纖維。但是第1種方法存在一些問題，比如外層的非自由端纖維轉移進入紗體內層成為非自由端纖維，而內層也會有纖維被轉移出來，到外層形成新的自由端纖維，傳統環錠紡的紡紗三角區就存在這樣的現象。第2種方法是目前常見的集聚紡，以網格圈式集聚紡為例，其集聚槽有一定的傾斜角，這個角度是為了更好地是將自由端纖維形成螺旋狀加捻形態。

此外，有一些文獻曾研究過用噴嘴對紗線或須條進行作用來減少毛羽，但是真正的效果并不是太好，主要的原因是自由端纖維和非自由端纖維可能一起回轉形成假捻，成紗后又恢復成自由端纖維。因此，對于集聚紡而言，比較理想的作用方式是須條非自由端的主體纖維被氣流或其他方式控制，而自由端纖維則可以圍繞主體纖維進行加捻，形成內外分層結構。

集聚槽的集聚機制可以認為是在集聚區域，須條被分為2部分：主體纖維被氣流吸附在網格圈上成為非自由端纖維，一端被握持另一端自由的自由纖維。負壓通過網格圈對纖維主體進行吸附作用，而負壓與集聚槽配合作用使表層自由端纖維對主體纖維形成加捻作用。根據初步估算，表層自由端纖維的數量在2%～7%之間，剩余的就是內層的非自由端纖維。按截面纖維計，自由端纖維只有幾根，但是起到的作用還是很大的。

5 結 論

本文對網格圈負壓式集聚紡集聚區須條的半自由端加捻進行了研究，得出如下結論。

1)提出集聚區須條呈分層的結構，內部為兩端受握持的主體芯纖維，表層存在一端被握持的自由端纖維；自由端纖維在集聚槽和負壓的作用下，圍繞主體纖維進行加捻，即為集聚區須條的半自由端加捻機理。

2)通過超景深三維數碼顯微鏡的分層顯示與拍攝，驗證了提出的集聚紗分層結構的正確性。

3)明確了集聚機制，集聚是由吸附作用和半自由端加捻作用組成，吸附吸附作用將主體纖維固定在網格圈上成為非自由端纖維，加捻作用則是表層的自由端纖維對主體纖維進行加捻，兩個作用共同配合完成集聚區須條的集聚。

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