再生棉滌包纏紗的紡紗工藝參數優化

郭晨宇 楊瑞華

（江南大學，江蘇無錫，214122）

我國每年產生大量廢舊棉紡織品，為實現循環高質高效再利用，可將部分廢紡織品通過前紡工序制成再生棉纖維，再將其制備成紗線。邵珠蓮等［1］、BéCHIR W 等［2］通過使用轉杯紡成紗方法生產混紡紗線產品，提高再生棉纖維的利用率。同時，我國在再生滌綸的生產［3-4］和技術［5］上具有較大的優勢，這對我國化纖產業的可持續發展有著重大的現實意義。

長絲/短纖維包纏紗綜合了短纖維服用性能和長絲的功能性，可以有效提高短纖紗的成紗強力，受到市場的歡迎［6］。為了提高再生棉纖維的利用率，本研究選擇再生滌綸長絲包纏在再生棉短纖紗外層而形成緊密的紗線結構，提升成紗品質。目前，可生產包纏紗的紡紗方法有環錠紡、轉杯紡、空心錠紡等，其中發展最為成熟、應用最廣泛的是環錠紡［7］。在環錠紡紗機上加裝長絲喂入裝置，長絲與短纖須條保持一定距離在前羅拉鉗口處匯合后加捻成紗，這種紡紗方法也被稱為賽絡菲爾紡。在實際成紗過程中，紡紗原料是工藝參數選擇的基礎，影響包纏紗性能的主要工藝有捻系數、長絲與須條間距、長絲預加張力等。本研究以再生棉纖維和再生滌綸長絲為對象，再生棉纖維具有長度短、長度整體度差的特點，加捻區須條形態與常規棉纖維相比更為復雜，成紗更為困難。在對匯聚點理論分析的基礎上，探究長絲牽伸倍數、短纖須條與長絲間距、成紗捻系數等主要紡紗工藝參數對成紗性能的影響，通過試驗測試分析各工藝參數下的紗線性能，優化再生滌棉包纏紗的紡紗工藝。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

纖維長度是進行理論模型分析的重要參照，也是進行紡紗工藝參數設計的主要依據。本試驗采用再生棉纖維和再生滌綸長絲，其中對再生棉纖維紡紗工藝的要求更加嚴格。再生棉纖維是將廢棄半制品、邊角料及不合格品經過開松、退色等工藝還原成單纖維形態，但經過撕扯、打擊、切割等作用得到的單纖維長度較短［8］。

經過試驗測試，再生棉纖維的主要性能指標：成熟度0.87，上四分位平均長度23.5 mm，短纖維率（＜12.7 mm）47.61%，整齊度65%，斷裂強度25.2 cN/tex，伸長率3.5%。再生滌綸長絲的主要性能指標：細度83.33 dtex/36 F，斷裂強度38.1 cN/tex，模量467.2 cN/tex，伸長率30.1%。

1.2 紡紗設備

為進一步優化紡紗工藝參數，本試驗在經改裝的TH598 型環錠細紗機上紡制線密度為28 tex的包纏紗。成紗裝置如圖1 所示。

1—包纏紗；2—手動搖架；3—導絲輪；4—輥筒；5—長絲張力盤；6—長絲；7—粗紗。圖1 包纏紗成紗裝置示意圖

在細紗機上加裝一套控制長絲退繞的機構和控制長絲張力的預牽伸機構，長絲置于置頂式紗架，采用軸向被動退繞的形式，上方經過張力片，下方經過導絲輪，與經牽伸的短纖須條保持一定間距從前羅拉喂入，短纖須條與長絲于前羅拉前鉗口處匯聚并合，最終加捻成紗，被卷裝到紗管上形成包纏紗。

生產參數的改變會引起短纖須條與長絲匯聚點的位置變動，匯聚點的穩定有利于提高復合紗的成紗質量，因此匯聚區在紡紗系統中的地位非常重要。考慮到再生棉具有纖維短、長度整齊度差等缺點，通過分析匯聚點運動變化，從而穩定成紗運動，優化生產參數，提高紗線質量。

1.3 長絲牽伸倍數的選擇

在紡制包纏紗的過程中，長絲張力控制是十分關鍵的環節，生產中可以通過調節前羅拉線速度與輥筒線速度比設定長絲牽伸倍數，該倍數決定了長絲預加張力。因此長絲牽伸倍數越大，長絲預加張力也越大。

隨著長絲預加張力增大，成紗匯聚點沿長絲方向向上移動，相對捻度上傳增加，有利于增強長絲對短纖須條的抱合力。但預加張力過大，長絲將越容易趨于包纏紗軸心，會形成短纖包纏長絲的外觀效果，成紗條干惡化。

包纏絲牽伸倍數的經驗設計值一般在1.00倍～1.03 倍，具體最優值受原料特性等因素的影響［9］。為了加強長絲對整體長度較短的再生棉纖維的抱合力，更好控制再生棉短纖維的運動，穩定匯聚點形態，從而得到更穩定的紗線結構，長絲牽伸倍數在經驗范圍內宜偏大掌握。通過前期試驗初步篩選，長絲牽伸倍數為1.03時，紗線質量較優。

1.4 短纖須條與長絲間距的選擇

隨著短纖須條與長絲間距的增加，成紗匯聚點的位置發生變動，短纖須條和長絲的運動路徑被拉長，短纖和長絲的轉移路徑增加，有利于長絲對須條進行包纏。但間距過大時，匯聚點不穩定性增強，成紗條干惡化。因此適宜的短纖須條與長絲間距有利于提高包纏紗的成紗性能。

由于不同的紡紗原料和加工設備，研究者們對于該間距具體數值的討論并未得到一個確切的結果，取值在4 mm～14 mm 的范圍內［10］。本試驗采用的再生棉纖維長度短，為了加強對短纖維的控制，選用3 mm、4 mm、5 mm 的小間距，在確保匯聚點位置穩定利于成紗的前提下，進一步探究再生棉短纖須條與長絲的最優間距參數。

1.5 成紗捻系數的選擇

加捻是使紗線形成穩定紗線結構和獲得一定強伸性能的重要手段，捻系數的大小直接關系到紗線的強力值。對包纏紗而言，長絲會影響包纏紗的紗線外觀和性能。

在實際生產中，較小的捻系數不利于捻度的傳遞，纖維間的內外轉移較少，纖維之間、長絲和短纖之間的抱合力不足，使得紗線結構不夠緊密。但超過一定的捻系數后，短纖須條弱加捻三角區內纖維整體受力增加，纖維間內外轉移程度過大，導致須條內部纖維受力差距過大，從而引起成紗匯聚點波動增加，使得成紗條干惡化。

針對再生棉纖維原料長度較短的特點，為了在紡紗過程中能夠更好控制再生棉短纖須條，提高包纏紗的成紗質量，成紗捻度應適當偏大掌握。本試驗將根據一般紗線捻度設計范圍，討論捻系數從325 至475 的包纏紗的紗線性能和質量，從中選取最優捻系數。

1.6 試驗方案和測試儀器

本試驗原料選用再生純棉粗紗（定量6.5 g/10 m）和再生低彈滌綸長絲，在長絲牽伸1.03 倍的條件下，設計短纖須條與長絲間距為3 mm、4 mm、5 mm 以及捻系數為325 至475（每25 為一間隔）的試驗，分析工藝參數對紗線質量的影響，最終獲得最優紡紗參數。

紡制的紗線放置于恒溫恒濕實驗室（溫度20 ℃、相對濕度60%）內24 h 進行調濕平衡之后，測試并分析短纖須條與長絲間距、成紗捻系數對紗線強力、條干CV和毛羽的影響。

使用XL-2 型紗線強伸度儀測試紗線的強力，夾持距離500 mm，拉伸速度500 mm/min，10 次后取平均值。

使用YG139 型條干均勻度測試儀測試紗線的條干CV，測試速度100 m/min，比例量程100%，測試時間1 min，測試次數2 次。

使用YG173A 型紗線毛羽測試儀測試紗線的毛羽，測試片段長度10 m，走紗速度30 m/min。

2 結果與討論

2.1 外觀形態

以短纖須條與長絲間距5 mm、長絲牽伸1.03 倍、捻系數375 工藝條件紡制的包纏紗為例，紗線外觀特征如圖2 所示，可以看出再生滌綸長絲對再生棉短纖維有良好的包纏效果。

圖2 包纏紗外觀特征

2.2 短纖與長絲的間距對成紗性能的影響

在長絲牽伸1.03 倍的條件下，測試不同捻系數以及短纖須條與長絲間距對紗線強力、條干CV和毛羽的影響，試驗結果如表1 所示。

表1 紡紗工藝參數對紗線性能的影響測試結果

表1 中將短纖須條與長絲間距均由具體值表示，分別為3 mm、4 mm、5 mm。從表1 可以看出，隨著短纖須條與長絲間距的增加，紗線的強力基本先增大后減小。在不同的捻系數條件下，短纖須條與長絲間距為4 mm 時，其紗線的強力表現更好。其次，在不同短纖須條與長絲間距下，包纏紗整體條干CV良好，隨著短纖須條與長絲間距的增加，紗線條干CV大體上有所降低，但當短纖須條與長絲間距為4 mm 時，其條干CV表現得更為穩定。同時，在長絲包覆作用下，紗線的毛羽表現良好，隨著短纖須條與長絲的間距增加，紗線3 mm 毛羽數量呈現減少的趨勢。

再生棉短纖和長絲的間距增加，有利于內外層纖維轉移，增強纖維之間的抱合和長絲的包纏效果，短纖維間和長絲與短纖間不易產生滑移，同時，長絲能夠更好地捕捉表層纖維從而減少毛羽，使得包纏紗結構更為穩定和緊密，受力時纖維強力利用率提高，紗線條干均勻度改善。須條弱捻區路徑隨著短纖須條與長絲間距的增加而增長，有利于捻度從匯聚點向上傳遞，從而降低紗線毛羽數量。但當該間距繼續增加時，再生棉須條在匯聚點前的路徑變長使得纖維易產生滑脫，不利于纖維間的抱合，對纖維的控制減弱，引起成紗強力降低，條干不勻率增大。通過試驗對比驗證可得，短纖須條與長絲的間距為4 mm 時，包纏紗性能較優。

2.3 成紗捻系數對成紗性能的影響

從表1 可以看出，在其他條件相同的情況下，紗線的斷裂強力隨著捻系數的增加先增大再減小，即存在一個臨界捻系數。在短纖須條與長絲的間距為3 mm 和5 mm 時，紗線的臨界捻系數為400 左右。在短纖須條與長絲的間距為4 mm 時，紗線的臨界捻系數在375 左右。隨著紗線捻系數增加，紗線的條干CV和毛羽均呈現出波動性變化。

成紗捻系數的增加有利于捻度向匯聚點以上傳遞，再生棉短纖維之間以及短纖維與長絲之間的抱合更緊密，有利于提高紗線的強力。而超過臨界捻系數后，易造成內外層纖維應力分布不均衡而導致紗線強力下降。同時，由于過大的捻系數會造成紗線成紗匯聚點不穩定，紗線條干惡化，毛羽增加。當捻系數從325 增至400 時，包纏紗紗線強力明顯增強，因此以再生棉短纖維為原料選取捻系數時，可以在設計范圍內偏大掌握。通過試驗對比驗證可得，短纖須條與長絲的間距為4 mm，且捻系數為400 時，包纏紗強力略低于捻系數為375，而條干CV和毛羽均優于捻系數為375，因此最終選擇捻系數400 為優選參數。

3 結論

（1）再生棉短纖維具有長度較短、強力性能受損等特征，因此本研究采取與再生滌綸長絲包纏的復合紗結構，可以有效降低紡紗過程中的斷頭率，彌補再生棉短纖維強力缺陷，減少有害毛羽數量，提高紗線條干均勻度，所得包纏紗基本性能較為優異。

（2）由理論分析可知，短纖與長絲間距、長絲牽伸倍數和成紗捻系數等紡紗工藝參數的變化會引起紡紗過程中匯聚點位置的變動，從而對包纏紗的性能產生影響，基本規律與分析結果相符合，具有一定的指導意義，但實際紡紗中需根據原料特性進行具體分析。本研究采用再生棉和再生滌綸長絲為原料紡制包纏紗，在長絲牽伸1.03 倍、短纖須條與長絲間距4 mm 以及成紗捻系數400的條件下，得到的包纏紗質量最優。