基于粗紗工序短纖皮芯結構紗的性能研究

李 瑤 陳 超 李 杰 張瑞云 王 妮

［1.東華大學，上海，201620；2.濟寧如意新材料技術有限公司，山東濟寧，272000；3.中國棉紡織行業協會，北京，100027；4.紡織面料技術教育部重點實驗室（東華大學），上海，201620］

包芯紗是一種或兩種纖維組合而成的芯鞘結構復合紗，目前使用多且工藝成熟的包芯紡紗方法是環錠紡包芯紗［1］。采用環錠紡使短纖紗與長絲復合在一起形成包芯紗，即長絲/短纖包芯紗［2］，由于這種特殊的結構，使得該種紗線既有外包短纖維的觸感、外觀或導濕等特殊功能，又能發揮內部長絲的強度或彈性等優勢，還可以利用內外纖維理化性能的不同，形成特殊的爛花或中空等效果，從而發揮明顯優勢，應用范圍很廣，如棉氨或棉滌的包芯紗，就是非常典型的品種。通常這種包芯紗都是在原有環錠紡細紗機牽伸機構的基礎上，再加裝一套長絲喂入機構和預牽伸機構，采用積極方式控制牽伸量，短纖維須條經過牽伸后與長絲分別同時從細紗機的前鉗口喂入并合，經過導紗鉤、鋼領、鋼絲圈加捻卷繞作用形成［3］。

然而，環錠紡長絲/短纖包芯紗中，最突出的問題就是由于芯紗為長絲，表面比較光滑，摩擦力小，在成紗過程中很少或沒有纖維轉移，與皮層纖維交纏不夠緊密而導致包芯紗的皮層容易脫掉，即產生“露絲”現象，不利于紗線性能的提高及后續加工使用［4］。對此從設備改造、工藝優化等方面展開了諸多研究［5-6］。早期的短纖皮芯結構紗多數是通過細紗機改造完成的。近年來，基于粗紗工序的短纖皮芯結構紗開始受到關注。張紅梅［7］以滌綸短纖維和染色原棉為原料，對傳統環錠紡粗紗機加裝吊錠，并將原單口喇叭孔改為上下并列雙口喇叭口，使得外包紗線熟條和芯紗粗紗同時喂入粗紗機，最后制備了以棉纖維為皮、滌綸纖維為芯的短纖包芯紗。顧銀華等［8］在粗紗機上通過特殊喇叭口將棉條和粗紗同時喂入牽伸區，制備了棉纖維/棉纖維包芯紗，探究了棉條與粗紗的喂入形式、芯纖維比例和粗紗定量等因素對皮芯結構紗的影響。此外還有一些專利［9-10］針對利用粗紗生產對同時喂入兩根須條或者喂入須條和粗紗來生產短纖皮芯結構紗進行了介紹。本研究探討了皮芯比以及細紗捻度對這種短纖皮芯結構紗結構與性能的影響，以期為其后續包芯紗產品的進一步開發和應用提供參考。

1 對環錠紡粗紗機進行改造

在傳統環錠紡粗紗機后安裝一排吊錠用來懸掛芯紗粗紗。將原單口喇叭口替換為上下并列式雙口喇叭口，如圖1 所示。

圖1 喇叭口形狀對比

2 試驗部分

2.1 原料選配

原料選擇：深灰色新疆棉，細度1.82 dtex，長度29 mm ；淺灰色滌綸短纖，規格1.56 dtex×38 mm。紡紗號數18.5 tex。

2.2 粗紗工藝參數的確定

芯紗所占百分比的多少，決定棉纖維是否能完全包覆滌綸纖維，同時也決定了面料手感、蓬松度及舒適性。因此，喂入粗紗機的條子與粗紗之比至關重要。為探討不同芯紗比例對紡出紗線性能的影響情況，分別紡制了C/T 88/12、C/T 85/15、C/T 75/25 比例的短纖皮芯結構粗紗，經細紗機得到短纖包芯紗。

滌綸粗紗（ 芯紗）工藝：滌綸條子定量18.64 g/5 m，后區牽伸1.37 倍，初始張力500 cN，粗紗羅拉隔距9 mm×24 mm×26 mm，捻向Z 捻，其他工藝參數如表1 所示。

表1 滌綸粗紗（芯紗）其他工藝參數

短纖皮芯結構粗紗工藝：粗紗定量6.0 g/10 m，粗紗捻度4.4 捻/10 cm，捻向Z 捻，后區牽伸1.37倍，初始張力500 cN ，粗紗羅拉隔距9 mm×24 mm×26 mm，錠翼速度500 r/min，其他工藝參數如表2 所示。

表2 短纖皮芯結構粗紗工藝參數

將按表1 工藝所紡滌綸粗紗（芯紗）與棉條同時喂入改進后的粗紗機，再按表2 工藝紡制包芯粗紗，最后再經過細紗機紡得捻度90 捻/10 cm、皮層為棉、芯層為滌綸的3 種規格短纖皮芯結構紗。為進一步探究捻度對短纖皮芯結構紗性能的影響，在上述工藝的基礎上還紡制了18.5 tex、皮芯比例為C/T 85/15 、細紗捻度分別為80.0捻/10 cm、90.0捻/10 cm、100.0捻/10 cm、110.0 捻/10 cm 的4 種捻度的短纖皮芯結構紗。

2.3 粗紗結構

采用NIKON SM745T 型光學顯微鏡觀察短纖皮芯結構紗粗紗截面。為保留粗紗的完整結構，先將粗紗用火棉膠固化，待其完全干燥后，用刀片切成均勻的片段，放置到顯微鏡下觀察其橫截面。

2.4 細紗結構

采用TM3000 型臺式掃描電子顯微鏡觀察短纖皮芯結構紗細紗截面。在紗線外包覆羊毛纖維，用Y172 型哈氏切片器制作切片，噴金處理后，放置到掃描電子顯微鏡下觀察。

2.5 紗線毛羽

采用YG172A 型紗線毛羽測定儀測試紗線的毛羽。 紗線張力0.5 cN/tex ，測試速度30 m/min，片段長度為10 m，測試次數為5 次。

2.6 紗線拉伸性能

采用YG061F 型電子單紗強力儀測試紗線的拉伸性能。 夾持距離500 mm ，預加張力0.5 cN/tex，速度500 mm/min，拉伸次數20 次。

2.7 紗線條干

采用CT3000 型條干均勻度測試分析儀測試紗線的條干均勻度。測試速度800 m/min，測試時間30 s，測試次數4 次。

以上所有試驗均在標準大氣下進行，且試樣經過24 h 調濕平衡。

3 結果分析

3.1 包芯紗粗紗截面

3 種皮芯比例短纖皮芯結構粗紗橫截面如圖2 所示，深灰色部分為皮層棉纖維，淺灰色部分為芯層滌綸短纖。為對比明顯，將得到的橫截面進行二值化處理，如圖3 所示，黑色部分為皮層棉纖維，白色部分為芯層滌綸短纖。

圖2 3 種皮芯比例短纖皮芯結構粗紗橫截面（放大倍數50 倍）

圖3 3 種皮芯比例短纖皮芯結構粗紗二值化處理橫截面（放大倍數50 倍）

從圖2 和圖3 中可以看到，芯紗比例為12%、15% 的兩種粗紗包覆效果相對較好，芯紗外接圓圓心與包芯粗紗外接圓圓心重合度較好；當芯紗比例增加至25% 時，滌綸芯紗雖被棉纖維完全包覆，但滌綸芯紗外接圓圓心與包芯粗紗外接圓圓心已存在一些偏離。

3.2 包芯紗細紗截面

圖4 為C/T 88/12 短纖皮芯結構紗細紗截面，顏色由深入淺的纖維分別為羊毛、棉、滌綸短纖。從圖4 中可以看出，包芯紗中棉纖維與滌綸短纖各自較為集中地凝聚在一起，并且棉纖維對滌綸短纖有較好的包覆。另外，外層棉纖維的密集程度小于芯層滌綸短纖的密集程度。這可能是因為一方面包芯紗粗紗和滌綸粗紗均采用Z 捻，隨著包芯紗粗紗繼續加捻，內層滌綸粗紗在此階段處于持續加捻狀態，纖維間孔隙進一步減?。涣硪环矫媸窃诩幽碜饔孟拢鈱用蘩w維對內層滌綸具有一定的橫向向心壓力，使得滌綸短纖間抱合得更加緊密。

圖4 C/T 88/12 短纖皮芯結構紗細紗截面

3.3 紗線毛羽

3.3.1 不同芯紗比例包芯紗毛羽

紗線毛羽是指伸出紗線體表面的纖維，是在紗線加工過程中加捻與摩擦作用下產生的，毛羽越長，對紗線質量影響越大，對織造影響也越大。不同皮芯比短纖皮芯結構紗毛羽指數分布圖如圖5 所示。

圖5 不同芯紗比例短纖皮芯結構紗毛羽數

由圖5 可知，包芯紗毛羽的主體成分是1 mm～2 mm 毛羽，紗線毛羽數量隨芯紗比例的增加而降低。當紗線組成成分為C/T 88/12 時毛羽數量最多，對織造影響較大；當組成成分為C/T 85/15 與C/T 75/25 時，毛羽數量較少，對織造的影響較小。這可能是因為棉纖維相較于滌綸來說整齊度較差，在牽伸過程中棉纖維變速不穩定，容易伸出紗線表面，成為毛羽，故隨著芯紗比例的增加，即棉纖維含量的減少，紗線的毛羽數量減少。

3.3.2 不同捻度包芯紗毛羽

圖6 為不同捻度短纖皮芯結構紗毛羽數分布情況。 可以看到，包芯紗毛羽的主體成分是1 mm～2 mm 毛羽。80.0捻/10 cm、90.0捻/10 cm、100.0 捻/10 cm 的包芯紗毛羽數量較為接近，且均小于110.0 捻/10 cm 的包芯紗毛羽數量。這可能是因為持續加捻到一定數值后，纖維軸向分力減小，徑向分力增大，外層纖維對內層纖維的向心力增大，且紗線皮、芯層纖維均為短纖維，內層纖維易被擠出紗體而成為毛羽。

圖6 不同捻度短纖皮芯結構紗毛羽數分布

3.4 紗線條干

3.4.1 不同芯紗比例包芯紗條干

紗線的條干不勻率是影響紗線質量的重要因素之一，條干均勻程度不僅影響紗線的外觀和強度，還會造成織造斷頭與織物疵點。由表3 可見，隨著芯紗比例的增加，紗線條干不勻率、細節、粗節逐漸增加，由3.1 試驗結果也可知，芯紗比例為25% 的短纖皮芯結構紗的滌綸芯紗外接圓圓心與包芯粗紗外接圓圓心已存在一些偏離，故當芯紗比例為25% 時，紗線條干不勻率最大。

表3 不同芯紗比例短纖皮芯結構紗條干測試結果

3.4.2 不同捻度包芯紗條干

在滌棉短纖皮芯結構紗中，皮層棉纖維與芯層滌綸纖維均為短纖維，在加捻三角區中，皮層、芯層纖維都會發生內外轉移，滌綸、棉纖維在交界處相互穿插、糾纏，捻度越大，纖維轉移的程度越大，紗線結構越復雜、緊密、穩定，越有利于改善紗線的條干均勻。通過表4 可見，隨著細紗捻度的增加，包芯紗的條干不勻率整體上呈下降趨勢，粗節、細節以及棉結數量都有不同程度的下降。

表4 不同捻度C/T 85/15 短纖皮芯結構紗條干測試結果

3.5 紗線拉伸性能

3.5.1 不同芯紗比例包芯紗拉伸性能

不同芯紗比例短纖皮芯結構紗拉伸性能對比如圖7 所示。由圖7 可見，隨著芯紗比例的增加，短纖皮芯結構紗的斷裂強度與斷裂伸長率均呈現出先增加，后減小的趨勢。在3 種芯紗比例的短纖皮芯結構紗中，芯紗比例為15% 時，紗線斷裂強度和斷裂伸長率均為最大。

圖7 不同芯紗比例短纖皮芯結構紗拉伸性能對比

對于滌棉短纖皮芯結構紗而言，滌綸短纖作為芯紗，較為集中地分布在紗線的中間，棉纖維作為皮層分布在紗線的外部，斷裂伸長接近的纖維分布得以集中。對于短纖紗來說，在拉伸斷裂時不僅存在纖維的滑移還有纖維的斷裂［11］，由于滌綸纖維的斷裂強力和斷裂伸長均高于棉纖維［12］，故隨著滌綸比例即芯紗比例的增加，短纖皮芯結構紗的斷裂強度和斷裂伸長率都相應增大。但隨著芯紗比例的增大，包芯紗條干不勻率也在增大，條干不勻增加，影響了紗線的斷裂強力和紗線的斷裂伸長率，故在此3 種短纖皮芯結構紗中，C/T 85/15 成分的紗線具有最大斷裂強度和斷裂伸長率。

3.5.2 不同捻度包芯紗拉伸性能

不同捻度C/T 85/15 短纖皮芯結構紗拉伸性能對比如圖8 所示。由圖8 可見，對于拉伸性能而言，隨著細紗捻度的增加，短纖皮芯結構紗的斷裂伸長率逐漸增加，斷裂強度呈現出先增加、后減小的趨勢，這與徐文青等［13］紡制的聚甲醛/棉包芯紗強力與捻度規律相一致，該種包芯紗和本研究所紡制短纖皮芯結構紗具有與普通環錠紡紗線相同的規律。

圖8 不同捻度C/T 85/15 短纖皮芯結構紗拉伸性能對比

隨著捻度的增加，紗線捻回角增大，當捻度增大超過紗線臨界捻系數后，纖維在紗線軸向的分力減小，使得紗線強度降低，所以當短纖皮芯結構紗捻度從80.0 捻/10 cm 增加至100.0 捻/10 cm時，斷裂強度在逐漸增大，當捻度繼續增大至110.0 捻/10 cm 時，斷裂強度開始下降，即短纖皮芯結構紗捻度為100.0 捻/10 cm 時具有最大的斷裂強度。

4 結論

本研究的短纖皮芯結構紗是由棉纖維與滌綸短纖維組成的，既保留了棉纖維優良的吸濕性和不易產生靜電的特點，又利用了滌綸良好的耐磨性和尺寸穩定性，實現了棉纖維與滌綸的優勢互補。通過紡制不同皮芯比和捻度的短纖皮芯結構紗，對短纖皮芯結構紗的結構與性能進行研究，得出以下主要結論。

（1）從包芯結構粗紗截面來看，3 種不同皮芯比例的短纖皮芯結構粗紗都具有較好的包覆結構，但隨著芯紗比例的增大，滌綸芯紗外接圓圓心與包芯紗粗紗外接圓圓心之間的相對距離增大。

（2）棉滌短紗皮層與芯層纖維各自凝聚程度較好，且芯層滌綸短纖凝聚得更為緊密。

（3）短纖皮芯結構紗毛羽主體成分是1 mm～2 mm 毛羽，毛羽數量隨芯紗比例的增加而降低；捻度80.0捻/10 cm、90.0捻/10 cm、100.0捻/10 cm的包芯紗毛羽數量較為接近，且小于110.0捻/10 cm的包芯紗毛羽數量。

（4）隨著芯紗比例的增加，短纖皮芯結構紗條干不勻率增加，斷裂強度與斷裂伸長率呈現先增加后減小的趨勢。

（5）隨著捻度的增加，短纖皮芯結構紗條干不勻率總體呈下降趨勢；斷裂強度先增加后減小，斷裂伸長率逐漸增大，與普通環錠紡紗線規律一致。