不同纺纱技术下纱线的性能及结构分析

齐杏杏，于丹妮，李 丹，郭 滢

(南通大学纺织服装学院，江苏南通 226019)

半个多世纪以来，新的纺纱技术得到不断发展，性能及风格各异的纱线及其织物影响着人们的生活和纺织行业的发展，同时也影响着高性能纤维成纱在产业用纺织品中的应用[1－2]。纱线的性能主要是由纤维原料及纱线的内部结构决定的。原材料一定的情况下，纱线内部结构成为影响其最终性能的本质原因，而纱线结构与成纱技术和纺纱工艺参数密切相关[3－4]。本课题结合示踪纤维法对比分析环锭纺、赛络纺和赛络紧密纺单纱的性能和内部结构特征。

1 试验

1.1 原料及单纱准备

为便于利用示踪纤维法进行结构分析，本实验选用圆形横截面的莱赛尔纤维为原料，纤维长度为38mm，纤维细度为1.67dtex。先用活性染料将一部分莱赛尔纤维染色，烘干后作为示踪纤维，随后按照1∶100的比例将示踪纤维混入未染色的莱赛尔纤维。随后进行纺纱。纺纱工艺流程为:FA204C型梳棉机(生条定量20.95g/5m)——FA305C型头道并条机(半熟条定量22.23g/5m)——FA305C型二道并条机(半熟条定量22.21g/5m)——FA422型粗纱机(粗纱定量4.75g/10m)——JMF1552EJM型细纱(环锭纺、赛络纺、赛络紧密纺)。纺制赛络纺和赛络紧密纺单纱时，两根粗纱喂入间距都为6mm。实验设计纱支为28tex，设计捻度为650捻/m。

1.2 试验方法

1.2.1 单纱性能测试方法

在标准温湿度条件下(温度为(20±2)℃，相对温度为(65±2)%)平衡24小时后，对三种单纱的主要物理性能进行了测试。采用100米称重法测试3次以确定实际纱支；采用退捻加捻法在Y331N型纱线捻度机上测定捻度，夹持长度250mm，测试次数为20次。在YG061电子单纱强力仪上测试单纱断裂强度、伸长率，夹持长度为250mm，拉伸速度为250mm/min，预加张力0.5cN/tex，测试次数为20次；在Y171L/PC型纱线毛羽测试仪上测试毛羽，取3mm以上毛羽长度表征毛羽性能，每次测试长度为10m，测试速度为30m/min，每种样品测10次。在CT200条干均匀度测试仪上测试纱线条干均匀度，测试长度100m，测试速度100m/min，每种样品测试3次。

1.2.2 单纱结构分析方法

首先借助显微镜细致观察单纱表面特征。随后结合示踪纤维法，利用特制的纱线内部结构连续测量系统连续拍摄含示踪纤维二维轨迹[5]。其中的渗透观测液采用的是与未染色的莱赛尔纤维折射率相近的邻羟基苯甲酸甲酯溶液，因而在显微镜下未染色的莱赛尔纤维出现光学溶解，几乎透明，而作为示踪纤维的轨迹就清晰地显现出来(如图1所示)。随后，借助Matlab软件对所拍摄的图像进行处理，同时提取单纱边界及示踪纤维轨迹，利用Matlab程序自动计算示踪纤维上任意一点的绝对的位置坐标Ti(xi，yi，zi)(i＝1，2，…)，和该点与单纱相对径向位置(该点的实际位置相对于该点所在的单纱横截面处的单纱半径大小)坐标Ti以及对应于该点的单纱横截面边界点。如图2所示，x轴正轴所指方向为正方向，Dyi，Tyi，dyi，dxi，Txi和Dxi分别为沿单纱轴向上某一点zi对应于y－z平面内单纱的像的上边界、示踪纤维、下边界上的点的坐标以及xz平面内单纱的下边界、示踪纤维、上边界上的点，则根据提取的参数，可以进一步重建纤维的三维空间轨迹[5]。

图1 连续拍摄的示踪纤维轨迹(片段)

图2 图像处理后提取的纤维二维路径简图(片段)[2]

2 结果分析与讨论

2.1 单纱性能测试与结果分析

表1给出了单纱性能测试结果。本实验在同等条件下进行，所有单纱样品的设计纱支和设计捻度一样，最终实测纱支和实测捻度均在合理偏差范围，且CV%较小。但由于纺纱技术不同，导致其他性能有较大差异。有理论认为三种成纱技术中赛络紧密纺纱的最高强力应最优[2]，而本实验条件下得到的赛络纺单纱的断裂强度略高于赛络赛络紧密纺单纱，但相差低于5%，环锭纺单纱的断裂强度最低。分析认为，捻系数对单纱强力的影响是随着捻系数增加，纱线强度先增加后呈又减小趋势，即存在一个最佳捻系数值。由于本课题所选择的是相对于环锭纺单纱较优的捻系数，在同样的捻系数下对比三种单纱的性能和结构。此捻系数对于赛络纺和赛络紧密纺来讲或许不是达到其强力最优值。即便如此，后续分析得到的三种成纱技术下单纱内部结构特征的差异还是较为明显的。

表1 单纱性能测试结果

此外，赛络紧密纺单纱表面3mm以上长毛羽数量最少，条干也最好，其次是赛络纺单纱，环锭纺单纱的表面毛羽数量最多，条干不匀相对较大，这与三种单纱的成纱机理有关。赛络纺与赛络紧密纺两种新型的纺纱方式都是以两根粗纱喂入，而且赛络紧密纺还增加了集聚区负压吸风作用，纱体结构更紧密。

2.2 单纱结构分析

2.2.1 表观结构

从图3可以看出环锭纺单纱的表面毛羽较多，纤维纠缠较少，抱合力较差；赛络纺与赛络紧密纺单纱表边的毛羽较少，纤维纠缠较好，故抱合力较大，且结构较紧密，条干较均匀。

图3 单纱表面

2.2.2 单纱的内部结构

(1)纤维的空间构型

图4~图6分别给出了三种单纱典型的内部结构形态。从二维轨迹图及其傅里叶转换(FFT)谱图可以看出，环锭单纱中纤维的二维轨迹近似正(余)弦曲线(图4(a))，其FFT转换谱图上有明显的独立波峰，这说明轨迹有非常明显的周期性和规律性(图4(c))，而赛络纺和赛络紧密纺单纱中纤维轨迹FFT谱图上没有很明显的独立波峰，而是有两个甚至更多的峰，幅值相对较小，这说明其二维轨迹无明显的规律性，更像是两个甚至多个波的叠加(图5(a)和图6(a)，图5(b)和图6(b))。从纤维的三维空间轨迹图及其径向位置分布图中可以看出，环锭单纱中的纤维轨迹近似呈同心的圆柱形螺旋线(图4(c)和图4(e))，该根示踪纤维在纱体内部某层分布，且距离纱芯稍远(图4(e))，仅在该层附近有较小的内外转移(图4(d))。而在赛络纱和赛络紧密纱内部，该示踪纤维轨迹明显是非圆柱形的，部分轨迹近似呈圆锥形螺旋线(图5(c)和图6(c))。赛络单纱中纤维轨迹基本是同心的螺旋线(图5(e))，而赛络纺单纱显现出稍微偏心的结构，即螺旋线的中心点有点偏离纱体正中心位置(图5(e))，这侧面反映了赛络紧密纱中可能存在的合股结构，虽然这一特点从纱体表观结构上没有观察到。另外，可以明显看出，在赛络纱和赛络紧密纱中，纤维从纱芯到纱线边界，发生着频繁的内外转移，且转移幅度较大(图5(d)、图5(e)、图6(d)和图6(e))。

图4 环锭纺单纱典型的内部结构分析

图5 赛络纺单纱典型的内部结构分析

图6 赛络紧密纺单纱的内部结构分析

纱线内部结构的特点有助于解释纱线物理性能。纱线断裂是纤维断裂和纤维滑脱综合作用的效果。由于环锭纱中纤维轨迹近似呈理想圆柱形，纤维内外转移较小，纤维与纤维之间的作用力，即纤维间的抱合力较小，因而当纱线受到轴向拉伸时，较多的纤维产生滑脱，纤维断裂不同时，因而环锭纱的拉伸断裂强度相对较弱。赛络纺和赛络紧密纺中，纤维的内外转移幅度明显较大，因而纤维间的相互纠缠更多，抱合力较好，因此单纱的强力较高。

(2)单纱表面纤维倾斜角分布

图7给出了三种单纱表面纤维倾斜角的分布。整体看来，环锭纱表面纤维的倾斜角相对较小，即纤维与纱线轴向的平行度较高，赛络单纱与赛络纺单纱的相差不明显，这从侧面说明环锭单纱的纤维分布较为松散。

图7 单纱表面纤维倾斜角分布

(3)单纱内的纤维平均相对径向位置分布

图8给出了在三种单纱中采集到的所有示踪纤维的最大平均径向位置和最小平均径向位置分布。可以看出，赛络纺、赛络紧密纺中纤维相对径向位置分布范围较大，即纤维内外转移较环锭纺大。大量示踪纤维样品分析发现，虽然环锭纱中纤维也出现了从靠近纱芯位置到靠近纱体表面的转移，但这些都是较短的片段，且出现的次数较少。

图8 纤维平均相对径向位置分布

3 结论

在主要纺纱参数相同时，采用不同纺纱技术得到环锭纺、赛络纺、赛络紧密纺三种单纱，通过分析单纱的物理性能和结构，得到如下结论:

(1)本次实验所纺制的样品纱支和捻度与设计偏差较小，相比之下，赛络纺及赛络紧密纺单纱的强力较环锭纺单纱高，且长毛羽较少，条干更加均匀。本实验条件下得到的赛络纺单纱平均拉伸断裂强度稍高于赛络紧密纺，但相差不大。

(2)利用显微镜观察法、示踪纤维法和图像处理法分析了三种不同纺纱技术下单纱的表观结构和内部结构。通过重建单纱内纤维的三维空间构型，提取结构特征参数，分析得到环锭单纱中纤维近似呈同心圆柱形螺旋线，赛络纺单纱和赛络紧密纺单纱中的纤维轨迹则近似呈同心圆锥形螺旋线结构。环锭纺单纱中纤维内外转移幅度较赛络纺和赛络紧密纺单纱的小，且距离纱芯位置较远。这些结构特点有助于解释单纱的力学性能。

此外，曾有分析认为赛络纺及赛络紧密纺单纱具有类似于股线结构，但就本实验目前分析结果来看该特征并不明显。