解捻程度對再牽伸棉紗性能的影響研究

夏睿奇 王 倩 朱立成

（武漢紡織大學，湖北武漢，430200）

1 問題的提出

在紡制超細棉紗的過程中，由于原料及現有技術的限制，主要存在原料要求高、成紗截面纖維數過少、成紗強度低及成紗結構配置復雜等4個方面的問題[1]。針對這些問題，前人提出了采用載體紡紗技術[2]、采用雙精梳工藝[3]、改進環錠紡設備[4]、采用集聚紡[5-6]等措施。

載體紡紗技術主要是針對成紗截面纖維數過少的問題，保證單紗截面纖維根數達到35根以上，如崔玉梅等人在紡制1.9 tex棉紗時在原料中混入了33%的水溶性維綸短纖維，保證了紡紗過程中紗線的強度。但這樣也帶來需要另外準備水溶性纖維以及成紗還需要進行水浴處理工藝的問題，使得生產過程較為繁瑣。

雙精梳工藝主要是針對一次精梳后成紗棉結及斷裂強力仍不理想的問題。二次精梳能排出大量短絨和棉結雜質，同時也能夠使須條內的纖維分布更平行整齊，如莊文英等人在紡制3.64 tex×2特細股線時采用雙精梳工序對長絨棉原料進行梳理，減少了棉結及毛羽。但雙精梳工藝對原料的要求比較高，同時為了改善纖維排布順序，多次精梳對設備也有一定要求，增加了生產成本。

目前，環錠紡是紡制超細紗線的主要方法，通過較大的牽伸倍數來獲得超細紗線，這也是纖維損傷及紗線條干惡化的原因[7-8]。傳統牽伸方式為三羅拉雙膠圈兩區牽伸，為了適應超細紗線的紡制，先后出現了三羅拉四膠圈兩區超大牽伸[9]、四羅拉四膠圈三區超大牽伸等[10-11]，總牽伸可達200多倍，如張洪等人在紡制2.9 tex的棉單紗時采用了四羅拉四膠圈三區的方式，總牽伸180倍，成紗質量相對于三羅拉雙膠圈兩區牽伸的方式有較大提高。雖然采用多組羅拉膠圈多區牽伸的方式能夠加強對紗線條干的控制，提高成紗質量，但是過多的羅拉與膠圈組合方式使得牽伸效率較低，同時對設備的改進較多，不利于操作。

集聚紡則是在傳統環錠紡的基礎上增加了對紗線的集聚作用，改善成紗的毛羽及條干等性能[12]。但在牽伸配置上與環錠紡存在相似的問題。

因此，本文以降低對原料的需求及簡化生產設備的目的重新設計了核心紡紗裝置，研究解捻程度和牽伸倍數對成紗性能的影響，探索超細紗線加工的新方法。捻度的大小反映了紗條沿軸向的扭轉程度[13]，但不能準確反映加工過程中紗線的解捻程度。因此我們引入了滑移捻度的概念。采用直接計數法測試紗線捻度時，隨著捻回數退去，紗條的主體逐漸散開，棉纖維間的抱合力下降，伴隨著測試儀器的外加張力，紗條會階躍式伸長甚至滑脫，此時已退去的捻回數稱為滑移捻度。本文以該數值為基準設計采用退捻加捻法加工紗線時紗線的極限解捻程度。

2 試驗方法

2.1 紡紗設備

試驗中采用的設備為自制細紗小樣機，其結構示意圖如圖1所示。

紗線從左端喇叭口1喂入，穿過后羅拉9與后膠輥3，經過假捻器4后再穿過前羅拉8與前膠輥5，最后成紗經過槽筒7回轉卷繞到紗筒6上。通過二次加工的方法，使用假捻器對紗線一邊退捻加捻一邊牽伸，使得紗線處于有一定捻回的狀況下接受牽伸，然后迅速加捻成紗。

圖1 細紗小樣機結構示意圖

2.2 試驗設計

本試驗以棉纖維平均手扯長度為35 mm的JC 28.1 tex紗為原料。由于試驗中采用定隔距（前后隔距均為1.5倍棉纖維平均長度，防止棉纖維牽伸不開），主要考慮解捻程度和牽伸倍數2個影響因素。考慮到設備牽伸效率，將牽伸控制在20倍以內，又由于小倍數牽伸（10倍以內）成紗質量較好且易于控制，故牽伸設置了5倍、10倍、20倍共3個因子，與此對應解捻程度也設置了3個因子。具體設置見表1。

表1 解捻程度與牽伸倍數試驗水平表

用正交設計法設置樣品的工藝參數。試驗中有兩個因素：解捻程度（A）、牽伸倍數（B）。每個因素都有3個水平。同時考慮到因素的交互作用（A×B）及誤差（E）。通過以上條件，采用L9（34）正交表列出了9種樣品的具體設置，見表2。

表2 樣品工藝設計表

2.3 性能測試方法

所有樣品在測試前至少在標準環境下[溫度（22±2）℃、相對濕度（65±3）%]平衡24 h以上。樣品細度由YG086型縷紗測長機取100 m長度的樣品稱重后計算得出，每種紗線測10次取平均值。樣品毛羽根據FZ/T 01086—2000《紡織品紗線毛羽測定方法投影計數法》進行測試，由YG173A型紗線毛羽測試儀測得樣品的毛羽數據，測試速度30 m/min，每種紗線每次取不同的10 m長片段，測10次取平均值。樣品條干根據GB/T 3292.1—2008《紡織品紗線條干不勻試驗方法第1部分：電容法》進行測定，測試設備為YG133B型條干均勻度測試儀，測試速度100 m/min，測試時間1 min，每種紗線測10次取平均值。樣品的斷裂強力根據GB/T 3916—2013《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定（CRE法）》進行測定，由YG068C型全自動單紗強力儀測得樣品的斷裂強力及斷裂伸長率，紗線夾持長度500 mm，拉伸速度500 mm/min，每種紗線測20次取平均值。

3 試驗結果與分析

成紗質量指標正交試驗結果見表3。

表3 成紗質量指標正交試驗結果

3.1 成紗細度

成紗細度指標的極差分析見表4。

表4 成紗細度指標極差分析結果

由表4得到因素主次為B＞A＞A×B＞E，即牽伸倍數的影響最大，解捻程度次之，而兩者的交互作用影響較小。即組合A2B3能得到最細的紗線。為了驗證其正確性，顯著性檢驗見表5。

各因素的均方差（MS）與誤差的均方差之比服從F分布，P值為F值對應的概率，當P≤0.05時，影響效果顯著。由表5可以得到，牽伸倍數對成紗細度的影響效果顯著，與均值檢驗相同。

成紗細度的均值主效應圖如圖2所示。

表5 成紗細度影響因素方差分析表

圖2 成紗細度的均值主效應圖

從圖2中可以看到，當解捻程度超過2/3滑移捻度后會產生負效應，紗線細度增大，因此假捻器的轉速不應超過2/3滑移捻度與紡紗線速度的乘積。雖然增大牽伸倍數能一直降低成紗細度，但大牽伸倍數會惡化紗線的毛羽、條干及強力指標，因此牽伸倍數的選擇范圍要結合其他性能指標來確定。解捻程度與牽伸倍數的交互作用及誤差的均值曲線的斜率較小，說明這兩個因素未對成紗細度有顯著影響。

3.2 毛羽

經測試，原紗及樣品1～樣品9的3 mm毛羽數分別為 234.20根 /10 m、41.70根/10 m、54.10根/10 m、80.80根/10 m、48.80根/10 m、69.00根/10 m、68.70根/10 m、54.60根/10 m、53.30根/10 m、68.70根/10 m。可以看到，樣品的毛羽性能均較原紗有較大提升。這是由于假捻牽伸工藝對浮游纖維有較好的控制，又對紗線須條有一定程度的改善[14-15]，有效減少了二次成紗的毛羽。但隨著解捻程度及牽伸倍數進一步增大，成紗毛羽性能逐步惡化。紗線毛羽成因有很多，可以分為加捻毛羽與過程毛羽[16]。加捻毛羽是在成紗點處形成，而過程毛羽主要是成紗點后及后續工序中形成。在本試驗中加捻毛羽主要產生于假捻器與前羅拉這段，紗線在后羅拉與假捻器之間通過假捻器回轉退捻，然后在假捻器與前羅拉之間加捻。隨著牽伸倍數的增大，解捻段紗線捻度降低，纖維間的抱合力下降，前、后羅拉轉速不同產生的牽伸作用使得紗體內纖維具有不同速度[17]。牽伸倍數越大，纖維的速度變化越快。由于紗體表面無外界約束，一部分慢速纖維在快速纖維的擠壓下，加上纖維自身的彈性影響，使得慢速纖維的端部發生翹起。在回捻段，假捻器重新給紗線加捻時，翹起的纖維端部就容易伸出紗體形成毛羽[18]。3 mm毛羽數指標的極差分析見表6。

表6 3 mm毛羽數指標極差分析結果

由表6得到因素主次為B＞A×B＞A＞E，即牽伸倍數的影響最大，牽伸倍數與解捻程度的交互作用次之，然后是解捻程度。即組合A1B1的3 mm毛羽數最少。為了驗證其正確性，顯著性檢驗見表7。

表7 3 mm毛羽數影響因素方差分析表

由表7可以得到，牽伸倍數對毛羽的影響效果顯著，說明牽伸倍數是影響成紗毛羽的主要因素。綜合以上分析，因素B以較小的牽伸倍數來減少毛羽。對于因素A×B取1水平為最小值，由于因素A的影響程度低于A×B，故因素A取1水平，即組合A1B1能得到的紗線3 mm毛羽最少。

成紗3 mm毛羽數的均值主效應圖如圖3所示。

圖3 成紗3 mm毛羽數的均值主效應圖

從圖3可以看到，隨著牽伸倍數及解捻程度增大，成紗毛羽逐漸增多。當各因素超過2水平時，3 mm毛羽數的增長更為明顯。同時，對比9種樣品與原紗的毛羽數據可以發現，將牽伸倍數和解捻程度均控制在1水平以內，成紗的毛羽水平呈下降趨勢，組合A1B1為最小值。故要保證較好的毛羽水平，牽伸應小于5倍，解捻程度小于1/3滑移捻度。

3.3 條干均勻度

條干均勻度是紗線性能的重要指標，條干是否均勻影響到紗線的外觀、斷裂強力，以及后續織造。樣品條干CV值指標的極差分析結果見表8。

表8 條干CV值指標極差分析結果

由表8可以得到因素主次為A＞B＞E＞A×B，即解捻程度的影響最大，牽伸倍數次之，而牽伸倍數與解捻程度的交互作用影響較小甚至低于誤差。故因素A應選1水平，因素B選2水平，即組合A1B2的條干均勻度最佳。為了驗證其正確性，顯著性檢驗見表9。

表9 成紗條干CV值影響因素方差分析表

從表9的計算結果來看，解捻程度對成紗條干均勻度影響效果顯著，而牽伸倍數對成紗條干均勻度無顯著影響，驗證了均值分析的判斷。綜合上述分析，組合A1B2的條干均勻度最佳。

成紗條干CV值的均值主效應圖如圖4所示。

從圖4中可看到，隨著解捻程度增大，紗線的條干均勻度是在下降的。牽伸倍數則對條干均勻度無持續性效應。綜合考慮，解捻程度不超過1/3滑移捻度，牽伸不大于10倍時，成紗的條干均勻度優于原紗。

圖4 成紗條干CV值的均值主效應圖

3.4 斷裂強度

影響紗線斷裂強度性能的因素有很多，大的分類有原料的纖維細度和紡紗時的工藝條件兩類[19]。在本試驗中，主要的工藝參數為假捻器轉速與前后羅拉的牽伸倍數。斷裂強度指標的極差分析見表10。

表10 樣品斷裂強度指標極差分析結果

由表10可以得到因素主次為B＞A＞A×B＞E，即牽伸倍數的影響最大，解捻程度次之，而牽伸倍數與解捻程度的交互作用影響較小。即A1B2組合的斷裂強力最佳。為了驗證其正確性，顯著性檢驗見表11。

表11 成紗斷裂強度影響因素方差分析表

從表11的計算結果來看，牽伸倍數對成紗強度影響效果顯著，而解捻程度對成紗斷裂強度無顯著影響，驗證了均值分析的結論。綜合上述分析，組合A1B2的斷裂強力性能最好。

成紗斷裂強度的均值主效應圖如圖5所示。由圖5可以看到，因素A對成紗斷裂強度表現為持續性負效應，當因素A超過2水平后表現更明顯，因此解捻程度不宜超過1/3滑移捻度。因素B在2水平之前有提高紗線斷裂強度的正效應，但超過2水平后紗線斷裂強度急劇降低，說明牽伸應控制在10倍以內。綜合考慮，要提高成紗的強力性能，假捻器轉速應小于1/3滑移捻度與紡紗線速度的乘積，牽伸不超過10倍。

圖5 成紗斷裂強度的均值主效應圖

4 結論

采用本文方法加工紗線時，滑移捻度能夠很好地衡量設備在牽伸過程中對紗線的解捻程度。當牽伸倍數一定時，隨著解捻程度的提高，成紗的細度變細，但成紗的毛羽、條干均勻度及強力性能會不斷惡化。當解捻程度一定，增大牽伸倍數時，成紗細度有較大提高，但其他性能會惡化。通過正交試驗發現：解捻程度是條干均勻度的顯著影響因素，而牽伸倍數是細度、毛羽及斷裂強度的顯著影響因素。解捻程度與牽伸倍數的交互作用較弱。因此，在紡紗過程中對牽伸倍數的選擇要更加重視。假捻器轉速小于1/3紗線滑移捻度與紡紗線速度的乘積，且牽伸不超過10倍時，成紗的各項性能指標相對于原紗都有較好的提升。因此，該方法能夠提高紗線細度的同時保證紗線的其他性能，其簡單的結構，有利于以較小的成本生產超細紗線。當然，該紡紗方法及設備目前還不夠成熟，仍需要進一步優化。