集聚纱的分层结构与集聚机制

傅 婷，张玉泽，王 姜，陈南梁

(东华大学 纺织学院，上海 201620)

网格圈负压式集聚纺纱应用实践表明，在相同工艺条件下，与环锭纱相比，集聚纱的捻度高3%～10%，这个现象被称为附加捻度[1-3]。目前业内对网格圈负压式集聚纱存在附加捻度是有共识的，但是对其形成的机制尚无非常合理的解释，尤其是缺乏能够定量计算的模型。

汪军等[4-5]、周水平等[6-8]拓展和完善了集聚区须条附加捻度的力学模型。杨建平等[9-10]提出了半自由端加捻模型，认为在集聚区须条存在打滑现象，因而在假捻过程产生捻度差异，形成附加捻度。陆宗源[11]提出了表层半开端加捻的模式，认为须条表面有部分纤维在气流的作用下加捻，但未有理论分析和试验验证。基于此，本文提出了集聚纱的分层结构，通过分析和试验证实分层结构，进而对集聚机制进行阐述，为集聚纺机制的研究提供理论支持。

1 集聚区须条分层结构模型

集聚区须条两端被握持，属典型的非自由端加捻，须条在集聚管上的摩擦只是假捻，对成纱捻度几乎无影响。但附加捻度的客观存在又表明在集聚区上须条确实有真捻产生。受喷气纺包缠加捻模式的启发，本文将集聚区须条分为2部分：第1部分是须条的表层纤维，其一端被钳口握持或其他纤维控制，另一端则呈自由状态，即为自由端纤维；第2部分则是须条的主体纤维，其两端均处于被握持或控制的状态，可以称为芯纤维。集聚纺纱时，在不考虑假捻情况下，具有自由端的表层纤维在气流等的作用下对主体纤维须条进行了包缠加捻，从而使须条从扁平状集聚为近似圆形状，如图1所示。这样的须条结构再经过环锭纲领钢丝圈加捻，最终形成集聚纱。

图1 集聚区须条分层结构示意图Fig.1 Schematic diagram of core structure of condensing zone

假设图1中的集聚区须条的结构成立，则需要建立新的加捻模型才可以进行解释，本研究认为：主体芯纤维仍然呈非自由端状态，在不考虑假捻情况下，其在集聚区应该是无捻状态；表层纤维为自由端状态，在气流的作用下包缠主体纤维，形成一定程度的捻度。所谓半自由端加捻，是指在罗拉牵伸的条件下，须条呈两相结构，由主体的芯纤维和表层自由端纤维组成，表层自由端纤维在气流等的作用下，对芯纤维形成包缠或缠绕的加捻方式，如图2所示。

图2 集聚区须条半自由端加捻模型示意图Fig.2 Schematic diagram of semi-open end twisting model of condensing zone

环锭纱的部分毛羽(可以认为是自由端纤维)、尤其是长毛羽均因在集聚区的半自由端加捻而成为纱线内的纤维。从宏观的角度看，集聚纱与环锭纱相比，最大的差异在于环锭纱上绝大多数毛羽进入纱体内部而不再成为毛羽，成为集聚纱；因此可以提出半自由端加捻模型须具备的条件是：1)须条主体需要被控制，即两端被握持；2)自由端纤维应该通过气流或机械等作用，使其对主体芯纤维进行包缠加捻。

2 集聚纱分层结构试验验证

2.1 测试方法

纱线分层结构，典型的如转杯纱、喷气涡流纱，一般是通过退捻后照片或者退捻后将表层纤维去除后观测内层纤维，对于集聚纱来说，自由端纤维数量不多，因此将集聚纱通过退捻后在显微镜下观察，很难看清表层和里层的区别。为此本文采用超景深三维数码显微镜VHX-5000(基恩士公司)，通过焦距变化从须条的底层开始分层观测并拍照，从而可以观察表层和里层的捻度差异。

超景深三维数码显微镜VHX-5000下缓慢调整上下位置，按照操作盘上的旋钮，先将焦距往小的方向调至视野的图像由清晰转为模糊，然后将焦距往大的方向调整，可分别拍摄系列照片。试验中确定好基准位置后先拍摄1张，然后以100 μm的间隔分别拍摄4个位置，最后将5张照片采用该系统的三维合成技术整合为一张照片。距离间隔可根据纱线线密度进一步调整。

2.2 集聚纱分层结构测试结果与分析

将实验室纺制的19.4 tex集聚纱采用捻度测试仪手动解捻至无捻或接近无捻状态，然后在VHX-5000下按上述方式拍照，结果如图3所示。图3(a)为基准位置拍的照片；图3(b)～(e)分别是焦距增大100、200、300和400 μm时的照片；图3(f)则是上述5张照片的合成的图像。

图3 19.4 tex集聚纱退捻照片Fig.3 Untwisting of 19.4 tex compact spun yarn.(a) Reference position; (b) Up to 100 μm; (c) Up to 200 μm; (d) Up to 300 μm; (e) Up to 400 μm; (f) 3-D synthesis

由图3可知，图3(a)图片中纱线整体是模糊的，图3(b)出现了与纱线轴向平行的纤维，图3(c)平行纤维继续增加，图3(d)出现了Z向加捻的倾斜纤维，图3(e)是最外层的Z向加捻纤维减少；图3(f)是将前面5张整体合成的照片。按照顺序依次可见内层的纤维平行于纱轴方向，外层的纤维有部分倾斜，这可证实图3中的纱线结构是分层的，即纱的内层与外层的捻度是存在差异的。对于集聚纱的进行多次观测结果可重现。图4示出环锭纱退捻的照片，与图3比较须条没有分层结构。

图4 环锭纱解捻后的形貌Fig.4 Untwisting of ring spun yarn

3 自由端纤维加捻试验验证

3.1 取样试验设计

为验证集聚区须条存在真捻，须进行试验设计取样观察。本文对集聚区须条取样，在显微镜下观测和拍照，然后对照片进行后期的分析与处理，方法如图5所示。取样的步骤为：1)正常纺纱，准备好剪刀；2)在图中所示的2个位置同时剪断纱线和须条，与此同时抬起摇架，关停细纱机；3)在集聚区找到须条，用剪刀将上下多余粗纱须条和纱线剪除，用镊子小心夹住须条下端成纱的部位，放置在载玻片上，用火棉胶涂均匀固定须条；4)样品制作完毕，准备观测与拍照。

图5 集聚区须条的取样方法示意图Fig.5 Schematic diagram of sampling method of condensing zone

考虑到如果须条的线密度比较小的话，其纤维根数很少，难以制样，因此实际取样时纺纱的线密度是58.3 tex，集聚负压为2 000 Pa，分别对集聚直线形倾斜角5°、无集聚负压等情况取样分析。部分样品制作实物如图6所示。

3.2 测试结果与分析

图7示出直线形集聚斜槽5°情况制样进行拍摄得到的须条照片，从图中可清晰分辨出部分纤维的倾斜情况，可见须条整体上有明显捻回。

图8示出有集聚和无集聚情况下须条的比较情况。图8(a)即为图7的样品，图8(b)示出在纺纱时集聚区负压为零的情况，二者的差异是显而易见的，图中集聚须条捻回清晰可见，且须条直径整体较小；而且在同样区域的须条基本没有捻回，须条呈发散状，直径较大。这就可以证明集聚区须条的捻度的确存在，同时可以也验证集聚区半自由端加捻的合理性和正确性。

图6 制作的样品实物照片Fig.6 Photo of produced sample

图7 集聚斜槽5°集聚须条照片(×200)Fig.7 Photo of gathering strip with 5°condensing slot (×200)

图8 集聚须条照片(放大200倍)Fig.8 Photos of gathering strip (×200).(a)Condensing slot with 5; (b)Without negative pressure

与集聚槽长度匹配取集聚区须条长度为 20 mm，从图中可以观察须条加捻的情况，确定一个完整捻回的长度。图8(a)中的一个捻回的长度是12.1 mm。

4 集聚机制

集聚纺要解决的主要问题是环锭纱毛羽较多的难题，环锭纺中毛羽很大程度上产生于加捻三角区，实质问题是纤维内外转移张力不一致，导致纤维一头在纱体内，一头形成毛羽。因此毛羽本质上可认为是自由端纤维，如何将自由端纤维不再“自由”是减少毛羽的关键，无论是采用机械还是气流方式进行集聚，现象上是将须条“先集聚、后加捻”，并如何处理这些自由端纤维的问题。充分认识和了解这个问题，对集聚机制的解释和集聚纺技术的提升发展是有重要作用的。

对于自由端纤维的处理，纺纱方式起着很重要的作用，喷气涡流纺的毛羽极少，这与其成纱机制密切相关。对于集聚纺而言，其核心问题也是对毛羽的处理方式。从机制上而言，对于自由端纤维最好的处理方式有2个方法：1)将其转移到纱的内部，使其被控制，成为被控制的非自由端纤维；2)将其加捻，通过螺旋轨迹使其成为纱体的一部分。2种方法的本质是一样的，即将自由端纤维变成受控的非自由端纤维。但是第1种方法存在一些问题，比如外层的非自由端纤维转移进入纱体内层成为非自由端纤维，而内层也会有纤维被转移出来，到外层形成新的自由端纤维，传统环锭纺的纺纱三角区就存在这样的现象。第2种方法是目前常见的集聚纺，以网格圈式集聚纺为例，其集聚槽有一定的倾斜角，这个角度是为了更好地是将自由端纤维形成螺旋状加捻形态。

此外，有一些文献曾研究过用喷嘴对纱线或须条进行作用来减少毛羽，但是真正的效果并不是太好，主要的原因是自由端纤维和非自由端纤维可能一起回转形成假捻，成纱后又恢复成自由端纤维。因此，对于集聚纺而言，比较理想的作用方式是须条非自由端的主体纤维被气流或其他方式控制，而自由端纤维则可以围绕主体纤维进行加捻，形成内外分层结构。

集聚槽的集聚机制可以认为是在集聚区域，须条被分为2部分：主体纤维被气流吸附在网格圈上成为非自由端纤维，一端被握持另一端自由的自由纤维。负压通过网格圈对纤维主体进行吸附作用，而负压与集聚槽配合作用使表层自由端纤维对主体纤维形成加捻作用。根据初步估算，表层自由端纤维的数量在2%～7%之间，剩余的就是内层的非自由端纤维。按截面纤维计，自由端纤维只有几根，但是起到的作用还是很大的。

5 结 论

本文对网格圈负压式集聚纺集聚区须条的半自由端加捻进行了研究，得出如下结论。

1)提出集聚区须条呈分层的结构，内部为两端受握持的主体芯纤维，表层存在一端被握持的自由端纤维；自由端纤维在集聚槽和负压的作用下，围绕主体纤维进行加捻，即为集聚区须条的半自由端加捻机理。

2)通过超景深三维数码显微镜的分层显示与拍摄，验证了提出的集聚纱分层结构的正确性。

3)明确了集聚机制，集聚是由吸附作用和半自由端加捻作用组成，吸附吸附作用将主体纤维固定在网格圈上成为非自由端纤维，加捻作用则是表层的自由端纤维对主体纤维进行加捻，两个作用共同配合完成集聚区须条的集聚。

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