捻系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)杯紡滌棉包纏紗結(jié)構(gòu)與性能的影響

摘 要：為探討捻系數(shù)對(duì)包纏紗外觀結(jié)構(gòu)及性能的影響，優(yōu)化轉(zhuǎn)杯紡滌棉包纏紗的工藝參數(shù)，以白色棉短纖維為芯紗，50 D黑色滌綸長(zhǎng)絲為外包紗，紡制了捻系數(shù)在385～655范圍內(nèi)10組細(xì)度為68.3 tex的包纏紗，分析了其外觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)其強(qiáng)伸性能、毛羽、條干、紗疵以及殘余扭矩等進(jìn)行了測(cè)試與比較。結(jié)果表明：該包纏紗具有間隔色彩效果；其捻系數(shù)變化對(duì)各性能影響符合已知理論，進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)理論的科學(xué)性；該包纏紗臨界捻系數(shù)在475～535范圍內(nèi)，根據(jù)紗線的強(qiáng)伸性、毛羽、條干、紗疵等指標(biāo)結(jié)果，當(dāng)包纏紗捻系數(shù)為505時(shí)，紗線質(zhì)量最優(yōu)。該研究?jī)?yōu)化了滌棉包纏紗的工藝參數(shù)，提高了包纏紗的紗線質(zhì)量，為轉(zhuǎn)杯紡包纏紗的創(chuàng)新與發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)杯紡；包纏紗；捻系數(shù)；強(qiáng)力；條干CV；毛羽

中圖分類號(hào)：TS106.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2025）03-0027-06

收稿日期：2024-06-04 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2024-08-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52273034）

作者簡(jiǎn)介：周鄭宇（2001—），女，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事新型紡紗技術(shù)方面的研究

通信作者：楊瑞華，E-mail：yangrh@jiangnan.edu.cn

包纏紗是將2種或2種以上纖維進(jìn)行復(fù)合的一種紗線，不僅制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，還能充分發(fā)揮各纖維的特點(diǎn)，彌補(bǔ)單一組分紗線的缺陷^［1］。短纖與長(zhǎng)絲包纏紗的生產(chǎn)工藝已日趨成熟，主要有環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡、空心錠紡等^［2］。目前，轉(zhuǎn)杯紡技術(shù)是技術(shù)上最成熟、應(yīng)用面最廣、經(jīng)濟(jì)效益明顯的一種新型紡紗方法，自誕生后就不斷有人進(jìn)行轉(zhuǎn)杯紡復(fù)合紗的研究^［3］。然而近幾年來，與環(huán)錠紡、空心錠紡等相比，關(guān)于轉(zhuǎn)杯紡包纏紗的研究并不多，尤其是生產(chǎn)實(shí)踐中包纏紗的工藝參數(shù)優(yōu)化。

轉(zhuǎn)杯紡在長(zhǎng)絲張力大于短纖維張力時(shí)，短纖維會(huì)包覆在長(zhǎng)絲周圍，形成以長(zhǎng)絲為芯紗的包芯紗；當(dāng)長(zhǎng)絲張力與短纖維的張力大小相等時(shí)，二者相互纏繞成轉(zhuǎn)杯平行紗；當(dāng)長(zhǎng)絲張力小于短纖維張力時(shí)，長(zhǎng)絲包覆在短纖維表面，形成以短纖維為芯紗的轉(zhuǎn)杯包纏紗^［4］。轉(zhuǎn)杯復(fù)合紡的紡紗原理為在分梳作用下，短纖維被梳理成單纖維并進(jìn)入凝聚槽，長(zhǎng)絲通過軸向空心錠子進(jìn)入紡杯，紡杯高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的加捻作用使長(zhǎng)絲與短纖維纏繞成紗^［5］。由此可見，加捻在包纏紗成紗過程中起著關(guān)鍵作用，且捻系數(shù)與成紗結(jié)構(gòu)和質(zhì)量息息相關(guān)。

本文以黑色滌綸長(zhǎng)絲與白色棉短纖維為研究對(duì)象，通過轉(zhuǎn)杯紡技術(shù)紡制細(xì)度為68.3 tex且具有間隔色彩效果的滌棉包纏紗，以捻系數(shù)為變量紡制10組紗線并研究各參數(shù)下的紗線性能，找出該包纏紗的臨界捻系數(shù)，比較不同參數(shù)下紗線的成紗質(zhì)量，優(yōu)化滌棉包纏紡的工藝參數(shù)，以期為轉(zhuǎn)杯紡滌棉包纏紗提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

原料：黑色滌綸長(zhǎng)絲（細(xì)度為50 D），浙江匯隆新材料股份有限公司；純棉粗紗（定量為6.9 g/10m），

自制。

儀器：轉(zhuǎn)杯紡小樣機(jī)，江南大學(xué)；YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)儀，常州德普紡織科技有限公司；YG068C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；USTER TESTER 5型條干測(cè)試儀，瑞士烏斯特公司；YG172型紗線毛羽測(cè)試儀，陜西長(zhǎng)嶺紡織機(jī)電科技有限公司；El303電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；SMZ745T體式顯微鏡，日本尼康公司；YG381型搖黑板機(jī)，常州第二紡織機(jī)械廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)部分工藝參數(shù)設(shè)計(jì)為：轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速22000 r/min，分梳轉(zhuǎn)速6250 r/min，吸風(fēng)功率70 Hz。采用滌綸長(zhǎng)絲與棉纖維紡制包纏紗，捻系數(shù)范圍為385～655（每30一個(gè)梯度，共10組），通過設(shè)置喂入速度和輸出速度來控制包纏紗定量，如表1所示。對(duì)所制備包纏紗的外觀結(jié)構(gòu)、斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、條干、毛羽、螺距等進(jìn)行測(cè)試，分析捻系數(shù)變化對(duì)紗線性能的影響，優(yōu)化紡紗參數(shù)，確定紗線獲得最大強(qiáng)力時(shí)的臨界捻系數(shù)。

1.2.2 紗線結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

使用體式顯微鏡分別放大10倍和30倍進(jìn)行照片拍攝和觀察。

紗線強(qiáng)伸性：根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（CRE法）》，使用全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀測(cè)試紗線的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。拉伸速度為500 m/min，取樣長(zhǎng)度為500 mm，預(yù)張力系數(shù)為34 cN/tex，取樣間隔為2 m，測(cè)試20次。

紗線條干均勻度：根據(jù)GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗(yàn)方法 第1部分：電容法》，使用條干測(cè)試儀測(cè)試紗線的條干均勻度。測(cè)試速度為200 m/min，測(cè)試時(shí)間為1 min，測(cè)試3次。

紗線毛羽：根據(jù)FZ/T 01086—2020《紡織品 紗線毛羽測(cè)定方法 投影計(jì)數(shù)法》，使用紗線毛羽測(cè)試儀測(cè)試紗線的毛羽。測(cè)試速度為10 m/min，片段長(zhǎng)度為10 m，測(cè)試10次。

紗線殘余扭矩：握住一根50 cm的紗線，紗線自然下落，然后將紗線兩端沿水平方向逐漸靠攏，直至紗線兩端重合。為了防止在計(jì)算折疊長(zhǎng)度為25 cm的扭結(jié)數(shù)時(shí)紗線被扭開，測(cè)試后將紗線的兩端固定在板上，則可以計(jì)算出紗線的扭結(jié)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

對(duì)10組細(xì)度為68.3 tex的紗線進(jìn)行體式顯微鏡觀察，斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、條干不勻率、條干不勻變異系數(shù)、細(xì)節(jié)（-50%）、粗節(jié)（+50%）、棉結(jié)（+280%）、

1～9 m毛羽指標(biāo)、紗線殘余扭矩的測(cè)試，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究捻系數(shù)對(duì)紗線外觀形態(tài)、強(qiáng)伸性、條干、毛羽等性能的影響，找到成紗質(zhì)量最優(yōu)時(shí)的捻系數(shù)和臨界捻系數(shù)。

2.1 外觀形態(tài)

為了更好地觀察包纏紗線的外觀形態(tài)，以工藝方案1紡制的紗線為例，采用體式顯微鏡拍下紗線縱向放大10倍和30倍的圖像，結(jié)果如圖1所示。其中，黑色部分是滌綸長(zhǎng)絲，白色部分是棉纖維。從圖1中可以觀察到，棉短纖維是伸直形態(tài)，黑色滌綸長(zhǎng)絲均勻地纏繞在棉短纖維表面上，處于松弛狀態(tài)，對(duì)棉纖維有很好的包纏效果，紗線表面光潔，具有間隔色彩效果^［6］。

使用搖黑板機(jī)將包纏紗纏繞在黑板上，得到掃描后的包纏紗圖片以模擬筒紗在自然光下拍攝的圖像，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)表1的編號(hào)，結(jié)合圖2可以觀察到，隨著捻系數(shù)增大，紗筒顏色由淺變深。這是由于捻系數(shù)增大使單位長(zhǎng)度上的黑色長(zhǎng)絲圈數(shù)增多，黑色長(zhǎng)絲對(duì)棉短纖維的纏繞更加緊密，因此紗筒呈現(xiàn)出的顏色越深。

圖3是10組紗線在體式顯微鏡下拍攝的放大10倍后的圖像。從圖3中可以看出，同樣的放大倍數(shù)下，隨著捻系數(shù)的增大，長(zhǎng)絲纏繞的圈數(shù)增加且纏繞更加緊密，其螺距相應(yīng)減小，包纏角增大。使用image J測(cè)量工具分別對(duì)10組包纏紗螺距、包纏角和直徑進(jìn)行測(cè)量并取得平均值，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以觀察到，隨著捻系數(shù)增大，包纏紗的螺距減小，包纏角逐漸增大，紗線直徑有先減小后增大的趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)杯速度不變的條件下，影響紗線包纏角大小主要是喂入速度與輸出速度兩個(gè)因素。單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入轉(zhuǎn)杯的纖維束數(shù)量多時(shí)，纖維之間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致包纏角減??；當(dāng)引紗速度增加時(shí)，纖維被迅速拉出轉(zhuǎn)杯，纖維與紗芯的纏繞時(shí)間減少，這會(huì)導(dǎo)致包纏角變小。隨著捻系數(shù)的增加，喂入速度與輸出速度同時(shí)減小，因而包纏角有增大的趨勢(shì)。但由于喂入速度與輸出速度同時(shí)變化，這使包纏角變化無法像捻系數(shù)一樣“等差”變化。隨著捻系數(shù)增加，紗線中纖維包纏越發(fā)緊密，纖維之間的空間被壓縮而使直徑減小。然而，捻系數(shù)的持續(xù)增大后，纖維之間的可壓縮性變得很小，紗線直徑變化不大，這時(shí)纖維發(fā)生過度傾斜反而使紗線直徑增加。

2.2 紗線強(qiáng)伸性

由于本文所紡制的包纏紗均是長(zhǎng)絲包纏伸直短纖維的結(jié)構(gòu)，在包纏紗受到力作用時(shí)，短纖維紗首先伸長(zhǎng)直到斷裂，之后長(zhǎng)絲將單獨(dú)伸長(zhǎng)到斷裂。因此，該情況下包纏紗的斷裂強(qiáng)力主要受短纖維斷裂強(qiáng)力的影響。10組包纏紗斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果如表2所示，從表中可以看出，在其他條件相同的情況下，紗線的斷裂強(qiáng)力隨著捻系數(shù)的增加先增大再減小。這是因?yàn)榧喚€在拉伸外力作用下，斷裂總是發(fā)生在紗線強(qiáng)力最小的弱環(huán)處，隨著捻系數(shù)的增加，弱環(huán)處捻回增加，紗線強(qiáng)力提高；當(dāng)捻系數(shù)增大到某一值，即達(dá)到臨界捻系數(shù)時(shí)，加捻使紗中纖維傾斜并產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，使纖維承受的軸向分力減小，承擔(dān)外力的能力降低，從而使紗線的強(qiáng)力降低。在本文條件下，臨界捻系數(shù)在475～535之間。

斷裂伸長(zhǎng)率是表征紗線的柔軟性能和彈性性能的指標(biāo)，決定著紗線的用途。紗線斷裂伸長(zhǎng)率大，則手感柔軟、彈性好，在紡織加工時(shí)毛絲、斷頭較少；但斷裂伸長(zhǎng)率不宜過大，否則織物易變形。表2說明其他條件相同的情況下，由于捻系數(shù)的提高，加捻后的纖維抱合更加緊密，纖維與纖維之間更不容易發(fā)生滑移現(xiàn)象，使斷裂伸長(zhǎng)率降低。

依據(jù)紗線強(qiáng)伸性這一指標(biāo)，工藝方案5即捻系數(shù)為505時(shí)紗線的斷裂強(qiáng)力最大且斷裂伸長(zhǎng)率適中，紗線性能最優(yōu)。

2.3 紗線條干

不同捻系數(shù)包纏紗條干和紗疵情況如表3所示。從表3中可以看出，隨著捻系數(shù)的提高，紗線條干不勻率均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，條干不勻率隨捻系數(shù)的增大其變化不明顯，浮動(dòng)十分微小。紗線捻系數(shù)在565～625內(nèi)條干不勻率數(shù)值最高，條干最差。且該工藝下的包纏紗紗疵少，不同參數(shù)下包纏紗細(xì)節(jié)數(shù)、棉結(jié)數(shù)皆為0。這是由于隨著紗線捻系數(shù)的增大，紗線橫截面積減小，紗線粗節(jié)更加明顯，條干不勻率增加，使捻系數(shù)在535～625時(shí)紗線出現(xiàn)一定數(shù)量的粗節(jié)。然而，隨著捻系數(shù)繼續(xù)增大，紗線抱合作用增強(qiáng)，紗線中的粗節(jié)與紗線主體細(xì)度差距減小，粗結(jié)數(shù)量減少，紗線條干均勻度提高。依據(jù)紗線條干這一指標(biāo)，工藝方案1即捻系數(shù)為385時(shí)條干最好，紗線質(zhì)量最優(yōu)。

2.4 紗線毛羽

紗線表面毛羽分布不僅會(huì)影響織造、染整工藝及織物外觀，毛羽過多還會(huì)引起生產(chǎn)過程中飛花多、斷頭增加等問題^［7］。較長(zhǎng)毛羽特別是3 mm以上毛羽會(huì)對(duì)紗線后續(xù)加工產(chǎn)生嚴(yán)重影響^［8］。由表4紗線毛羽測(cè)試結(jié)果可知，該包纏紗的毛羽少，其他條件不變時(shí)，隨著捻系數(shù)增大，纖維纏繞更加緊密，抱合力越大，紗線表面越光潔，因而毛羽數(shù)隨捻系數(shù)增大而減少，且多為1～2 mm的短毛羽，3 mm以上的有害毛羽數(shù)少。依據(jù)紗線表面毛羽分布這一指標(biāo)，工藝方案10即捻系數(shù)為655時(shí)紗線質(zhì)量最優(yōu)。

2.5 紗線殘余扭矩

紗線的殘余扭矩主要是在紡紗過程中特別是加捻時(shí)產(chǎn)生的，加捻時(shí)纖維被拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)，紗線之間儲(chǔ)存了相應(yīng)的扭應(yīng)力，其中一部分可能會(huì)在紡紗過程中被釋放，但是還會(huì)有少部分被保留下來，形成紗線的殘余扭矩，捻系數(shù)大所保留下來的扭應(yīng)力也就越大，殘余扭矩也越大^［9］。殘余扭矩是評(píng)估紗線穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，測(cè)量紗線扭結(jié)數(shù)量通常是評(píng)估和表征紗線的殘余扭矩重要的間接方法^［10］。每個(gè)樣品分別進(jìn)行10段紗線的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，平均扭結(jié)數(shù)隨著捻系數(shù)增大而逐漸增大，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果符合上述理論。

紗線的殘余扭矩會(huì)導(dǎo)致紗線扭結(jié)、針織物的卷邊、機(jī)織物的緯斜等現(xiàn)象，低扭矩紗線與傳統(tǒng)紗線相比紗線扭結(jié)數(shù)和毛羽都較少，從而使編織的織物表面光滑均勻^［11］。因此，低扭矩的紗線更加穩(wěn)定，紗線質(zhì)量更好。該實(shí)驗(yàn)中依據(jù)殘余扭矩這一指標(biāo)，工藝方案1即捻系數(shù)385時(shí)紗線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)量最好。

3 結(jié)論

本文以棉短纖維為芯紗，滌綸長(zhǎng)絲為外包紗，使用轉(zhuǎn)杯紡技術(shù)紡制了捻系數(shù)在385～655范圍內(nèi)10組細(xì)度為68.3 tex的包纏紗。具體研究結(jié)論如下：

a）從外觀和紗線結(jié)構(gòu)來看，滌棉包纏紗具有間隔色彩效果，隨著捻系數(shù)的增大，包纏紗的螺距減小，包纏角逐漸增大，紗線直徑有先減小后增大的趨勢(shì)。

b）從紗線性能上來看，捻系數(shù)增大，紗線的斷裂強(qiáng)力先增大再減小，斷裂伸長(zhǎng)率降低；條干不勻率呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，毛羽數(shù)減少；紗線的平均扭結(jié)數(shù)增大，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，紗線質(zhì)量差。

c）綜合各指標(biāo)來看，紡制68.3 tex細(xì)度的滌棉包纏紗，捻系數(shù)為505時(shí)，紗線斷裂強(qiáng)力大，條干好，毛羽少，紗線結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，成紗質(zhì)量最優(yōu)，該包纏紗的臨界捻系數(shù)在475～535之內(nèi)。

本文優(yōu)化了滌棉包纏紗的工藝參數(shù)，提高了包纏紗的紗線質(zhì)量，為轉(zhuǎn)杯紡包纏紗的創(chuàng)新與發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在將來，有必要繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)杯紡包纏紗的研究，探索不同原料和多參數(shù)變化對(duì)紗線性能的影響，促進(jìn)轉(zhuǎn)杯紡包纏紗的創(chuàng)新與發(fā)展。

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Effect of twist factor on the structure and properties of rotor-spun polyester-cotton wrapped yarns

ZHOU Zhengyu， YANG Ruihua

（College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： The wrapped yarn is a new structure of yarn that is composed of two or more kinds of fibers. In terms of performance， it can compensate for the deficiencies of single-component fibers and leverage the advantages of composite fibers. Through the composite of fibers， it can make textile fabrics show new styles， high elasticity and special functions that cannot be shown by a single material. The wrapped yarn is a kind of composite yarn that is not only simple and efficient in production but also fully utilizes the characteristics of the fibers， making up for the defects of single-component fibers. The production technology for staple fibers and filament wrapped composite yarns has become increasingly mature， mainly including ring spinning， rotor spinning， hollow spindle spinning and so on. At present， rotor spinning technology is the most mature， widely used， and economically beneficial new spinning method. Since its inception， research in this area has been continuously conducted. However， in recent years， compared with ring spinning and hollow spindle spinning， not much research has been done on rotor spinning wrapped composite yarns， especially the optimization of process parameters for wrapped yarns in practical production. Therefore， this paper selects polyester filament and cotton staple fiber composite spinning polyester-cotton wrapped yarn on the basis of existing materials， and carries out the research and optimization of process parameters of polyester-cotton wrapped yarns.

The spinning principle of rotor composite spinning is that under the combing action， the staple fibers are carded into single fibers and enter the coalescing tank. The filament enters the spinning cup through an axial hollow spindle. The high speed rotation of the spinning cup produces a twisting effect that causes the filament and the staple fiber to be entangled into a yarn. It can be seen that twisting plays a key role in the yarn formation process of entangled yarn， and the twist factor is closely related to the structure and quality of the yarn. In order to explore the influence of twist coefficient on the appearance and structure as well as the performance of wrapped composite yarns， and to optimize the process parameters of polyester-cotton wrapped yarns by rotor spinning technology， the article used white cotton staple fiber as the core yarn and 50 D black polyester filament yarn as the outer wrapped yarn. As a result， ten sets of wrapped yarns with fineness of 68.3 tex were spun with twist coefficients in the 385-655 range. The appearance and structure of the yarns were analyzed， and their tensile properties， hairiness， dryness， defects and residual torque were tested and compared. The results show that the wrapped yarns have spacer color effect; the influence of the twist coefficient on the properties is in accordance with the known theory， which further verifies the scientific validity of the relevant theory. Moreover， the critical twist coefficients of the wrapped yarns are in the 475-535 range， and the yarn quality is optimal when the twist coefficient of the wrapped yarns is 505 according to the results of the comprehensive indexes.

The twist factor influences the appearance， structure， and performance of wrapped composite yarns. Through the experimental research and analysis conducted in this paper， the experimental results align with the theory， further verifying the scientific validity of the relevant theories and providing practical experience for the spinning and performance of rotor-spun wrapped yarns. In the future， it is necessary to continue exploring relevant experimental studies on rotor-spun wrapped yarns， considering the influence of multiple factors on yarn performance， and further adjusting and improving them to promote the innovation and development of rotor spinning wrapped yarns.

Keywords：rotor spinning; wrapped yarn; twist factor; strength; evenness CV; hairiness