純棉高支紗的紗線強伸性能測試與評價方法探討

蔡 赟，季 承，葛陳鵬

（1.無錫一棉紡織集團有限公司，江蘇 無錫 214000；2.江蘇格羅瑞節能科技有限公司，江蘇 無錫 214101）

紗線強伸性能的表征主要采用斷裂強力和斷裂伸長率等性能指標，這些指標一方面在紡紗企業中用于評價產品的質量并反饋指導生產，另一方面在織造企業中用于評價原料的品質。綜合而言，紗線的強伸性能評價在紡紗生產、紗線貿易、織造加工方面發揮著巨大作用，長期以來在紡織產業中占據極為重要的地位。

通常情況下，業內人員普遍參照國家標準《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）》（GB/T 3916—2013）[1]測試紗線的強伸性能。該現行國家標準規定紗線強伸性能的測試采用等速伸長試驗儀（CRE），該儀器有一個固定的夾持器用于加持試樣的一端，一個等速驅動的夾持器用于夾持試樣的另一端，通過等速拉伸紗線試樣直至紗線斷裂，最終記錄斷裂強力和斷裂伸長值。鑒于紗線強伸性能的重要意義，研究者對于上述測試方法的性能與機理進行了研究。洪武勇[2]提出從主體結構、夾持裝置、長度測量裝置等方面開展創新設計，以提升強伸性能試驗儀的穩定性。張志剛等[3]以及郭鵬輝等[4-5]則研究了儀器的測試原理、拉伸速度對紗線強力指標的影響及原因。Neckar B[6-7]以及Sriprateep K等[8-9]提出將紗線的強伸性能表征拓展到更高信息維度，對不同紗線的應力應變曲線進行理論建模，分析各類紗線性能變化的內在原因。在實際紡紗生產與貿易中，目前應用最廣泛的仍是GB/T 3916—2013標準規定的紗線強伸性能測定方法。

在實際生產中，無錫一棉紡織集團有限公司技術人員發現，參照現行標準開展的紗線強伸性能測試在面對純棉高支短纖紗時可能存在一定問題，主要表現為測試結果與織造生產斷頭率相關性不足，導致部分出廠紗線盡管強伸性能達標，但客戶反映織造效率不高。本研究主要針對上述實際生產中出現的問題開展一系列實驗與理論研究，以期針對高支短纖紗相關產品提出更具針對性的強伸性能測試方法，用于指導紡紗生產。

1 實驗條件

1.1 儀器

紗線強伸性能測試采用島津AGS-X電子單紗強力儀，紗線條干變異系數（Coefficient of Variation，CV）測試采用USTER5條干儀。

1.2 樣品

本實驗對無錫一棉紡織集團有限公司生產的高支純棉紗進行強伸性能測試，取規格相同的兩種8.33 tex純棉紗樣品，參照GB/T 3916—2013規定的紗線強伸性能測定方法，對每種紗線進行100次采樣，測試并記錄各品種紗線的斷裂強力、斷裂強力CV、斷裂伸長率、斷裂伸長率CV。其規格與強伸性能指標如表1所示。

表1 紗線樣品規格及其標準強伸性能測試結果

2 大容量連續采樣測試方法構建

通過表1的測試結果可知，品種1明顯表現出更高的平均斷裂強力與斷裂伸長率，同時，各項強伸性能CV更低，表明其性能更穩定。但是在織造生產中，用戶反映使用品種1時，經紗斷頭率明顯更高。本研究認為，上述現象發生的原因在于，當紗線線密度較低時，其單位時間消耗的纖維更少，若采用相同的細紗樣本采樣次數，相比高線密度紗線，低線密度紗線對應的粗紗、棉條采樣長度更小，有更高的概率無法采樣到前紡生產積累的片段性質量問題。

針對上述問題，本研究提出對于高支純棉品種的強伸性能測試，首先應增加樣本容量，并對細紗卷裝進行連續的測試樣品采集，其次開展斷裂強力與斷裂伸長率測試，最后構建一系列更關注強伸性能在紗線長度方向上的分布規律的表征指標，用于更深入地分析紗線質量。構建大容量連續采樣測試方法的具體操作如下。（1）回潮率平衡：參照現行標準，將紗線樣品在標準溫濕度環境中平衡48 h；（2）樣品采集：從單個或多個卷裝中連續采集紗線樣本2 000次，每個紗線卷裝上的樣本采集次數不少于200次；（3）性能測試：對采集樣本依次執行紗線斷裂強力與斷裂伸長率測試；（4）強伸性能指標統計：統計紗線斷裂強力均值及CV、紗線斷裂伸長率均值及CV；（5）強伸性能直方圖繪制：繪制強力與伸長率分布的直方圖，用于觀察強伸性能分布；（6）強伸性能散點圖繪制：以斷裂伸長率為橫坐標、以斷裂強力為縱坐標繪制強伸性能散點圖，并作線性回歸分析，判斷異常值數量；（7）強伸性能波普圖繪制：采用離散傅里葉變換技術，繪制紗線斷裂強力沿紗線長度方向變化的強力波譜圖，分析是否存在周期性。

3 實驗結果與討論

3.1 強伸性能統計指標

采用本研究提出的大容量連續采樣測試法，對于前文所述的品種1與品種2而言，其測試結果如表2所示。

表2 標準方法與大樣本容量連續采樣測試法結果對比

通過表2的實驗結果可知，各紗樣在采用大樣本容量連續采樣測試法后所得到的強伸性能與標準方法表現出較大差異。其中，對于品種1而言，大容量法所測得強力均值明顯更低，且CV明顯增大，同時其伸長率均值也明顯降低，CV明顯增大；對于品種2而言，其強力均值明顯降低，強力CV明顯增大，而伸長率均值幾乎不變，但伸長率CV也明顯增大。上述實驗現象表明，對于各項強伸性能指標的測試結果而言，過低的樣本容量均帶來了明顯的不穩定性，有必要提升樣本容量獲得更為準確可靠的測試結果。采用大樣本容量連續采樣測試法后發現，品種1雖然表現出更高的強力均值，但其伸長率更低，且各項CV更大，表明其雖然強力較大，但是伸長率較低，同時紗線性能的穩定性不佳，解釋了其在織造過程中經紗斷頭率更高的原因。

3.2 強伸性能直方圖

通過統計樣本中紗線性能的區間分布能繪制出各紗樣的斷裂強力與斷裂伸長率分布直方圖，如圖1、圖2所示。

圖1 紗線斷裂強力分布

圖2 紗線斷裂伸長率分布

從實驗結果來看，兩種紗線的斷裂強力和斷裂伸長率分布都接近正態分布，說明采用大容量連續采樣測試法獲得的結果具有較高的合理性。其中，品種1表現出明顯更高的強力，但其伸長率明顯更低，說明品種1的彈性較品種2更弱，因此，可能更易于在織造生產中復雜載荷的作用下失效。同時，品種1在伸長率分布直方圖中表現出明顯更多的低伸長樣本，說明品種1可能存在更多的伸長弱環，這也可能是導致其織造經紗斷頭率較高的原因。綜合上述實驗現象，通過分析大樣本容量連續采樣測試法所構建的強力與伸長分布直方圖，能對紗線的織造效率差異作出合理解釋。

3.3 強伸性能散點圖

以斷裂伸長率為橫坐標，以斷裂強力為縱坐標，對品種1與品種2分別繪制強伸性能散點圖，如圖3所示。

圖3 不同品種紗線強伸性能變化

觀察圖3散點圖及其線性擬合結果可知，品種1的平均強力高、伸長率低；紗線強力分布離散性大，紗線片段強力差異大；強力/伸長的比值（線性擬合結果斜率）較大，反映紗線彈性較差。同時，品種1的擬合結果表現出更低的R2擬合優度，表明強伸性能異常數值較多，紗線質量穩定性更差。上述分析結果同樣與實際生產結果相吻合，解釋了品種1織造斷頭率更高的原因。

3.4 斷裂強力波譜圖

基于連續采樣的紗線樣本，本研究提出對紗線斷裂強力變化進行波譜分析，繪制紗線斷裂強力的波譜圖，如圖4所示，由此對可能存在的周期性工藝問題進行深入研究。

圖4 不同品種紗線斷裂強力變化

通過圖4斷裂強力波譜圖可以看出，品種1的強力具有明顯的波普峰值，說明品種1的強力變化具有周期性的特點，推測可能存在周期性半成品質量問題。但通過紗線條干的波譜圖分析，并未發現明顯的周期性條干不勻，因此，推測紗線強力的周期性波動與紗線條干無明顯相關性。在紗線條干變化穩定的前提下，紗線強力有明顯的周期性波動，可能是因為前紡棉纖維原料混合不夠均勻。

4 結論

針對傳統單紗強伸性能測試方法對純棉高支紗的不適應性，本研究提出一種大容量連續采樣測試法，測定樣品斷裂強力、斷裂強力CV、斷裂伸長率、斷裂伸長率CV、強伸性能直方圖、強伸性能散點圖、斷裂強力波譜圖，對現行方法進行補充完善。在對相同規格的高支純棉紗開展的強伸性能測試實驗中，大容量連續采樣測試法表現出更為穩定可靠的測試精度，同時能從不同角度對試樣強伸性能開展更為充分的評價，與實際織造生產中發現的現象具有較高的一致性。綜上，本研究提出的方法對于純棉高支紗的生產具有一定指導意義。