滌棉玄武巖纖維賽絡(luò)包芯紗工藝優(yōu)選

李 敏 劉基宏 聶凌峰

[生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇無錫，214122]

目前，關(guān)于玄武巖紡紗的研究主要針對(duì)紗號(hào)較粗的玄武巖進(jìn)行包芯或包纏紡紗。高翼強(qiáng)使用環(huán)錠紡小樣細(xì)紗機(jī)將9 μm、200根一束的玄武巖纖維紡制為85 tex的棉玄武巖包芯紗，并提出捻系數(shù)大小與玄武巖包芯紗的包覆效果有密切關(guān)系[1]；趙黨鋒等采用丙綸長絲與7 μm、25根一束的玄武巖長絲結(jié)合的包纏紡紗方式，生產(chǎn)出了耐磨性和強(qiáng)伸性較優(yōu)的玄武巖包纏紗線。但多數(shù)報(bào)道均未考慮將玄武巖紗線應(yīng)用于紡織品時(shí)所需的舒適性能[2]。本文選用6 μm、200根一束的玄武巖纖維作為芯絲，滌棉混紡纖維作為外包纖維，紡制滌棉玄武巖賽絡(luò)包芯紗(以下簡(jiǎn)稱玄武巖包芯紗)。通過研究空心羅拉式賽絡(luò)集聚紡工藝對(duì)包芯紗形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、毛羽指數(shù)及條干均勻度的影響，測(cè)試玄武巖包芯紗在拉伸過程中鉤接強(qiáng)度率的變化，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其強(qiáng)力的影響。

1 紡紗試驗(yàn)

影響包芯紗包覆效果及性能的因素有多種[3]，如吸風(fēng)機(jī)負(fù)壓、鋼絲圈號(hào)數(shù)、隔距塊型號(hào)、錠速等機(jī)器參數(shù)的設(shè)置，還有粗紗中心距、細(xì)紗捻系數(shù)、牽伸倍數(shù)等工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)[4]。本文采用的細(xì)紗機(jī)加裝了數(shù)控包芯紗裝置，并經(jīng)試驗(yàn)確定了最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，現(xiàn)主要考慮工藝參數(shù)變化對(duì)玄武巖包芯紗的效果及性能的影響。設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)全面分析捻系數(shù)、粗紗中心距和導(dǎo)絲輪位置對(duì)所紡紗性能的影響。

1.1 新型紡紗方法的應(yīng)用

本次課題使用了在集聚紡上改進(jìn)的窄槽式負(fù)壓空心羅拉系統(tǒng)，也稱為全聚紡[5]。此改裝應(yīng)用于加裝了數(shù)控包芯紗裝置的QFA1528型四羅拉網(wǎng)格圈集聚紡細(xì)紗機(jī)上。因玄武巖強(qiáng)度高、脆性大，數(shù)控包芯裝置中預(yù)牽伸設(shè)置為1.0倍，其余參數(shù)固定，紡紗裝置如圖1所示。玄武巖長絲從紗架上經(jīng)導(dǎo)絲鉤至導(dǎo)絲輪，同時(shí)兩股滌棉混紡粗紗從兩個(gè)喇叭口平行經(jīng)過牽伸后，與長絲一起通過前膠輥與改造后的前羅拉間形成的鉗口加捻成玄武巖包芯紗。

圖1 空心羅拉式賽絡(luò)集聚紡裝置側(cè)面圖

1-玄武巖長絲；2-粗紗；3-吸棉風(fēng)道；4-負(fù)壓風(fēng)道；5-前羅拉(窄槽式)；6-阻捻膠輥；7-氣流導(dǎo)向裝置；8-前膠輥；9-導(dǎo)絲輪

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)原材料中芯絲采用16.5 tex/200 F玄武巖纖維，單根纖維直徑6 μm(浙江石金玄武巖纖維股份有限公司)；兩種外包紗均采用定量為5.89 g/10 m的滌/棉 65/35 混紡粗紗。測(cè)試根據(jù)GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》標(biāo)準(zhǔn)，將試樣在溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(60±4)%的恒溫恒濕環(huán)境中平衡24 h。

在加裝數(shù)控雙芯紗裝置的QFA1528型細(xì)紗機(jī)上將兩個(gè)滌棉粗紗與16.5 tex的玄武巖長絲以賽絡(luò)紡的形式紡制玄武巖包芯紗；采用YG086型縷紗測(cè)長機(jī)、JA2003型電子天平測(cè)試紗線線密度；使用Y172型纖維切片器制作包芯紗橫截面切片，并使用MOTTC B1型顯微鏡觀察包芯紗橫截面；使用YG086C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀、YG020B型電子單紗強(qiáng)力儀、YG133B/Pro-H型條干均勻度測(cè)試儀、YG173A型紗線毛羽測(cè)試儀分別測(cè)試玄武巖包芯紗的力學(xué)性能、條干均勻度及毛羽指標(biāo)。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

用粗紗定量為5.89 g/10 m的滌棉混紡紗作外包纖維(28.5 tex)，16.5 tex玄武巖長絲作為芯紗，紡制9種不同工藝參數(shù)的28.5 tex/16.5 tex玄武巖包芯紗。根據(jù)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算合理適紡范圍，設(shè)計(jì)紡紗工藝參數(shù)并進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，將捻系數(shù)、粗紗中心距和導(dǎo)絲輪位置作為因子，且為每個(gè)因子選取多次試驗(yàn)中最優(yōu)三水平值以探究不同變量下對(duì)玄武巖包芯紗包覆效果及紗線性能的影響。紡紗工藝參數(shù)：鋼絲圈型號(hào)6903 8/0#，隔距塊3.0 mm，負(fù)壓2 100 Pa，錠速9 000 r/min～9 500 r/min，后區(qū)牽伸1.28倍，皆為試紡時(shí)的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1、表2。

表1正交因素水平表

水平因素A(捻系數(shù))因素B(粗紗中心距/mm)因素C(導(dǎo)絲輪位置)123250270290357右中左

表2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

方案因素A B C123456789111222333123123123123231312

2 試驗(yàn)結(jié)果研究與分析

對(duì)9種方案所紡紗線的單紗強(qiáng)力、毛羽和條干指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)紗線的包覆效果及性能進(jìn)行分析。

2.1 包芯紗包覆效果及分析

使用Y172型纖維切片器制作紗線橫截面切片，并置于MOTTC B1型顯微鏡下觀察，紗線橫截面圖像如圖2所示。圖中紅色區(qū)域?yàn)槿旧蛎擅黠@區(qū)分出所觀察紗線形狀與顏色。白色部分為滌棉混紡紗線，金褐色為玄武巖纖維。

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

(d)方案4

(e)方案5

(f)方案6

(g)方案7

(h)方案8

(i)方案9

由圖2可以看出，所紡紗線因細(xì)度較粗導(dǎo)致橫截面積較大；外包紗滌/棉 65/35橫截面大致呈腰圓形；玄武巖纖維由玄武巖絲束組成，因玄武巖屬于高性能纖維，強(qiáng)度較高導(dǎo)致切片時(shí)不易切斷，所以橫截面大體呈橢圓形。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)為捻系數(shù)250的玄武巖包芯紗的橫截面結(jié)構(gòu)，可以看出紗線總體形狀為長橢圓形，芯紗包覆位置稍偏，未處于紗線中心位置，但芯紗還是被包覆在滌棉粗紗內(nèi)；圖2(d)、圖2(e)、圖2(f)為捻系數(shù)270的玄武巖包芯紗的橫截面形態(tài)，可以看出芯紗均處于紗線中心位置，包覆效果良好；圖2(g)、圖2(h)、圖2(i)為捻系數(shù)290的玄武巖包芯紗的橫截面形態(tài)，可以看出紗線整體形狀偏圓形，芯紗也處于中心位置。由此可知，捻系數(shù)影響包芯紗的橫截面形態(tài)，適當(dāng)?shù)哪硐禂?shù)可以使紗線結(jié)構(gòu)均勻緊密。

2.2 紗線性能指標(biāo)及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見表3，極差分析見表4。其中，16.5 tex玄武巖長絲斷裂伸長率2.37%，鉤接強(qiáng)度率11.22%。

由表3、表4可知，玄武巖包芯紗的力學(xué)性能優(yōu)良，不同工藝參數(shù)紡制出的紗線斷裂強(qiáng)度相差不大，影響斷裂強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)镃3>B3>A3，表明導(dǎo)絲輪位置對(duì)斷裂強(qiáng)度有一定影響，因?yàn)閷?dǎo)絲輪位置影響芯絲的包覆程度，所紡紗為Z捻紗，導(dǎo)絲輪位置為左時(shí),左側(cè)的外包紗先包覆芯絲后再與右側(cè)外包紗加捻包覆，包覆效果良好；斷裂伸長率較純玄武巖長絲增長約1個(gè)百分點(diǎn)，影響次序?yàn)镃3>B1>A2，說明捻系數(shù)對(duì)斷裂伸長率幾乎無顯著增加；所紡紗線鉤接強(qiáng)度率較純玄武巖長絲高，影響次序?yàn)镃2>B3>A1，鉤接強(qiáng)度率都大于斷裂強(qiáng)度率是因?yàn)榧喚€在鉤接處彎曲時(shí)，紗線的拉伸力并沒有達(dá)到需要斷裂的強(qiáng)度，而鉤接處彎曲的紗線邊緣已超過了拉伸斷裂時(shí)的伸長率，導(dǎo)致紗線先行折斷，所以類似玄武巖這種高彈性模量紗線，若其抗彎剛度和斷裂伸長率大，則鉤接強(qiáng)度率高。

由表3、表4還可看出，3種工藝參數(shù)對(duì)3 mm毛羽數(shù)的影響順序?yàn)锳2>B2>C2。紗線捻系數(shù)為270，3 mm毛羽數(shù)最少，粗紗中心距與導(dǎo)絲輪位置是影響3 mm毛羽數(shù)的次要因素。一般認(rèn)為3 mm以上毛羽是有害毛羽，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)玄武巖包芯紗的有害毛羽較少，這是因?yàn)榭招牧_拉式賽絡(luò)集聚紡的加捻三角區(qū)小且穩(wěn)定，紡出的包芯紗毛羽較少；與試驗(yàn)中使用的鋼絲圈號(hào)數(shù)也相關(guān)，因?yàn)樾窘z玄武巖的細(xì)度達(dá)到16.5 tex，所以使用的鋼絲圈也是經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)紡紗時(shí)型號(hào)最穩(wěn)定的；重心較低、長時(shí)間穩(wěn)定的鋼絲圈的選用對(duì)于減少紗線毛羽是十分有益的。對(duì)條干CV值的影響主次順序?yàn)锳1>B2>C2，但不同工藝參數(shù)紡出的紗線條干均勻度相差不大，玄武巖包芯紗的條干均勻度良好。

表3正交試驗(yàn)結(jié)果

方案斷裂強(qiáng)度/cN·tex-1斷裂伸長率/%鉤接強(qiáng)度率/%3 mm毛羽數(shù)/個(gè)·( 10 m)-1條干CV/%12345678932.8030.4635.1929.1132.9736.7237.6331.1731.103.213.133.323.343.243.273.413.092.9939.7937.2643.6746.2036.7436.3830.7439.9443.0629.3325.6726.0020.0023.7023.0049.0023.6729.677.166.987.848.648.048.498.297.797.67

表4正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

指標(biāo)項(xiàng)目因素A因素B因素C斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂伸長率斷裂伸長率斷裂伸長率斷裂伸長率鉤接強(qiáng)度率鉤接強(qiáng)度率鉤接強(qiáng)度率鉤接強(qiáng)度率3 mm毛羽數(shù)3 mm毛羽數(shù)3 mm毛羽數(shù)3 mm毛羽數(shù)條干CV值條干CV值條干CV值條干CV值k1k2k3Rk1k2k3Rk1k2k3Rk1k2k3Rk1k2k3R32.81732.93333.3000.4833.2203.2833.1630.12040.24039.77337.9132.32727.00022.23334.11311.8807.3278.3907.9171.06333.18031.53334.3372.8033.3203.1533.1930.16738.91037.98041.0373.05732.77724.34726.2238.4308.0307.6038.0000.42733.56330.22335.2635.0403.1903.1533.3230.17038.70342.17337.0505.12325.33325.11332.9007.7877.8137.7638.0570.293

可以看出，紡制28.5 tex/16.5 tex玄武巖包芯紗的工藝參數(shù)較優(yōu)水平組合為A2B3C3，且工藝參數(shù)影響因素的主次順序?yàn)镃>B>A。

3 結(jié)論

本文使用空心羅拉式賽絡(luò)集聚紡對(duì)新型高性能玄武巖長絲進(jìn)行了紡紗，針對(duì)玄武巖長絲可紡性設(shè)計(jì)了不同工藝參數(shù)的玄武巖包芯紗線并對(duì)包覆效果及性能進(jìn)行測(cè)試分析，得出以下結(jié)論。

(1)所紡玄武巖包芯紗的力學(xué)性能指標(biāo)中，3種不同工藝參數(shù)對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響次序?yàn)镃3>B3>A3、對(duì)斷裂伸長率的影響次序?yàn)镃3>B1>A2、對(duì)鉤接強(qiáng)度率的影響順序?yàn)镃2>B3>A1；與純玄武巖長絲力學(xué)性能相比，斷裂強(qiáng)度較高，斷裂伸長率提高約1個(gè)百分點(diǎn)，鉤接強(qiáng)度率提高約20個(gè)百分點(diǎn)以上，紡制出的紗線力學(xué)性能良好。試驗(yàn)得出的玄武巖包芯紗條干性能指標(biāo)因素影響次序?yàn)锳1>B2>C2，條干均勻度好；毛羽指標(biāo)性能優(yōu)良，因素影響順序?yàn)锳2>B2>C2。認(rèn)為采用的紡紗方式適宜紡制高性能包芯紗，對(duì)其條干、毛羽等指標(biāo)有較好的優(yōu)化效果，包芯紗質(zhì)量良好且穩(wěn)定，但可紡性還需進(jìn)一步改善。

(2)玄武巖包芯紗在不同工藝參數(shù)下紡制的包覆效果皆良好，捻系數(shù)對(duì)包芯紗的包覆效果影響明顯，導(dǎo)絲輪位置對(duì)包芯紗的質(zhì)量影響最大。最優(yōu)工藝條件為：導(dǎo)絲輪位置偏左，粗紗中心距7 mm，捻系數(shù)270。