低扭矩环锭纺纱原理及其单纱的结构和性能

陶肖明，郭 滢，冯 杰，徐宾刚，华 涛

(香港理工大学 纺织与制衣学系，香港 999077)

自环锭细纱机问世以来，单纱低捻度导致低强力是一直未解决的难题。降低捻度可提高细纱机产量，降低单纱残余扭矩，但导致低强力，不能同时实现环锭单纱的低扭矩、低捻度、高强力。在传统环锭纱加捻过程中由于纤维被拉伸、弯曲和扭转，纱中储存的能量一部分在纺纱过程中被释放，但仍然有相当一部分能量被保留下来，为纱的残余扭矩［1］。残余扭矩使得单纱有退捻、释放内部扭应力的趋势，被认为是造成织物纬斜、螺旋线纹，以及影响机织物表面光洁平整等最基本的原因［2－3］。传统环锭纺技术不能通过降低单纱捻度而显著减少残余扭矩，需要在后道工序中进行定型处理，这将增加能耗并造成纤维损伤及废汽、废水和化学品的排放。过去，已有很多种方法被用来减小或消除纱的残余扭矩，如湿热定型［4］、化学处理、并纱、Tandem 纺纱法［5－6］等，但这些方法生产成本较高，容易损伤纤维，或者不能得到低扭矩单纱。

新兴的低扭矩环锭纺纱技术(扭妥TM)可以通过一步法得到低扭矩环锭单纱［7－9］。经过不断改良，目前已经发展到第5代。本文回顾了低扭矩环锭纱的纺纱原理和单纱结构，通过对比3代低扭矩纱及其织物的性能，介绍该技术的最新发展。

1 低扭矩环锭纱技术的原理

低扭矩环锭纺纱技术的创新之处在于，在传统环锭细纱机的前罗拉和导纱钩之间安装了1个简单的机械式假捻装置(见图1)，从而改变了纤维在成纱中的排列，使纱的残余扭矩通过其内部平衡而显著降低，在较低的捻度下，得到了扭矩低，毛羽少，强力较高以及手感柔软的单纱［7－9］。

图1 低扭矩环锭纺纱原理示意图Fig.1 Schematic diagram of low torque ring spinning system

如图1所示，由于假捻装置的引入，传统环锭细纱机的纺纱区被分为2个部分:第1部分从前罗拉钳口到假捻器为A区;第2部分从假捻器到导纱钩为B区。当纤维经过牵伸从前罗拉引出后，在A区被假捻器加以一定数量的假捻(Z向)，使得在A区的纱具有远高于正常纱的捻度(见图2(a))。当纱离开假捻器进入B区，又被假捻器加以相反而相同数量的捻度(S向)，因此该区中纱的捻度显著降低［10－11］(见图 2(b))。在假捻作用的同时，钢领和钢丝圈产生的真捻从气圈区(C区)传递上来，真捻和假捻之间的相互作用改变了传统纺纱过程纱的捻度和张力的分布，使得低扭矩纺纱过程不同于传统的纺纱过程。

图2 低扭矩纺纱系统中的捻度分布Fig.2 Yarn twist distribution in low torque ring spinning system.(a)Zone A;(b)Zone B

在低扭矩纺纱系统中，所加假捻的数量可以通过1个新引入的参数进行调整，称为速度比，表示的是假捻器速度和出纱速度的比值。不同的速度比，将得到不同的捻度和张力分布［11］以及不同的纺纱三角区［10］，因此，其值大小直接影响最终成纱的质量［8］。图3示出利用高速摄影机在传统环锭纺纱和低扭矩纺纱过程中观察到的纺纱三角区［11］。

图3高速摄影仪下纺纱三角区形态比较Fig.3 Spinning triangle under high speed camera.(a)Ring spinning;(b)Low torque ring spinning

从图3可看出，低扭矩纺纱过程中的成纱三角区在长度方向大大减小，这主要是由于在低扭矩环锭纺纱系统中，假捻器的作用使A区的纱捻度显著增加，即在三角区的纤维所受张力显著增大，极大地增强了纤维在三角区中的转移［12－13］，从而形成了其特殊的单纱结构，这从一方面解释了低扭矩纱具有低捻高强的特点。另一方面，在低扭矩纺纱过程中观察到的成纱三角区有比较明显的纤维分束现象，有助于纤维在纱内部的位置变化及相互之间抱合力的增强，其结构特点也使低扭矩纱强力的提高得到了进一步的解释。

在低扭矩纺纱过程中，纱线捻度的变化也导致了纱线张力分布的变化。由于在A区的纱具有高捻度，因此纱线承受的张力可以相对较低，极大地减少了在纺纱过程中断头的机会。而在捻度较低的B区，假捻器和纱之间的作用使纱线张力显著增加［10－11］，有助于在纺纱过程中保持低扭矩纱独特的结构特点。

2 低扭矩环锭单纱的内部结构

2.1 实验材料

基于示踪纤维技术，选取Tencel纤维进行纱结构分析。试样为29.5 tex低扭矩环锭纱和同样条件下纺制的传统环锭纱，捻度均为4.4捻/cm。Tencel纤维的线密度为0.167 tex，长度为38 mm，直径为12.08μm。示踪纤维比例约为0.32%。

2.2 实验方法

单纱内部结构分析中，主要利用本文设计开发的纱线结构连续测量分析系统［14］进行示踪纤维图像的拍摄及分析，图4给出了该系统的构架图。

图4 纱线结构连续测量系统简图Fig.4 Sketch of continuous system for yarn structuremeasurement

实验过程中，含有示踪纤维的纱样通过一水平轴释放，通过一个盛满观测溶液的观测槽。在观测槽中，一面抛光的钢片与水平面呈45°角放置，其上方是与放大器相连的CCD摄相机，在纱线通过镜面的过程中，摄像机捕捉到2个相互垂直的面上的示踪纤维形态，并进一步分析得到纤维在纱内部的三维形态及结构特点。本文，纱的轴向设为z向，纱横截面设为xy平面，r是纤维上某点到纱芯的距离，R为纱的半径，则r/R反映了纤维上某点p(x，y，z)距离纱中心的相对位置，此外，Rx和Ry是两个垂直面上纱的直径;则x/Rx和y/Ry分别代表p点的2个相对径向位置。

2.3 单纱内部结构特点

在低扭矩环锭纱中，40%左右的纤维轨迹属于非同轴异形螺旋线，如图5所示。纤维螺旋线的中心轴线常常与纱的中心轴线偏离。在传统环锭纱中，纤维主要呈现2种结构形态，即同心圆柱形(见图6(a))和同心圆锥形(见图6(b))，其纤维螺旋线中心线与纱的中心轴线一致。

图5 低扭矩环锭单纱的内部结构Fig.5 Structural features in low torque ring yarn(a)3-D trajectories of fiber;(b)Deformed nonconcentric helix and local reversion of fiber segments

另外，在低扭矩环锭纱中，约70%的纤维片段或多或少地存在反转现象(见图5(b))，即纤维片段的螺旋轨迹显示的捻度方向与纱实际捻度方向相反。按照纤维空间取向角及其方向性的确定方法［15］，可以得到沿着纱轴方向某根纤维空间取向角的大小及方向分布。如图7所示，虽然所处平均径向位置相同，但是由于低扭矩环锭纱纤维存在反向片段，该纤维的平均空间取向角(7.13°)远小于传统环锭纱中该根纤维的平均空间取向角(10.53°)。这些反转纤维片段的存在有助于平衡单纱中存在的扭应力，降低纱中的残余扭矩。同时，在传统环锭纱中，单根纤维的空间取向角波动范围很小，而在低扭矩环锭纱中，由于单根纤维在纱中的内外位置不断发生变化，其空间取向角分布的范围比较广。另有数据表明，在低扭矩环锭单纱中，一部分纤维的平均相对径向位置距离纱芯较近，且其从内到外频繁发生转移且幅值较大［15］，这使纱的结构更加紧密，纤维间的抱合力进一步增强，纱线断裂强力得以提高。

图6 传统环锭纱中纤维的三维形态Fig.6 3-D trajectories of fiber in conventional ring yarn(a)Concentric cylindrical helix;(b)Concentric conical helix

图7 纤维片段空间取向角的分布Fig.7 Distributions of fiber spatial orientation angles

3 低扭矩环锭纱及其织物的性能

本文通过不同低扭矩环锭单纱产品与传统环锭纱及其织物之间的性能比较，分析低扭矩环锭单纱及其织物的性能特点，具体数据如表1～6所示。所用数据主要由低扭矩环锭纱生产厂家提供。其中湿扭结个数是利用自主设计开发的纱线扭结测试仪［16］测得，该值可用来表征纱线的残余扭矩大小，纱线单位长度上的湿扭结数越少即纱线的残余扭矩越小。

表1 第1代低扭矩环锭纱性能 (29.5 tex)Tab.1 Properties of 1st low torque ring yarns(29.5 tex)

通过实际生产得到的数据进一步证实低扭矩环锭单纱具有低捻高强、残余扭矩和毛羽少等特点。经过多次水洗之后，低扭矩针织物的歪斜变形小，且顶破强力较高、透气性以及手感较好，主要性能接近具有正常捻度的传统环锭针织物。如表3中，当捻度降低20%时，29.5 tex低扭矩环锭针织纱的强力已经接近正常捻度的传统环锭纱。当捻度降低30%时，100米长度上，低扭矩环锭纱3mm以上毛羽根数远远低于具有正常捻度的传统环锭纱，且强力已经满足工业应用的需求，而同捻度水平的传统环锭纱强力很弱，且在纺纱过程断头严重，很难纺制。此外，第5代低扭矩纺纱技术在高支纱的生产上有进一步突破，尤其是单纱条干(表5)。对比第4代高支低扭矩机织布和传统环锭机织布的性能可以发现(表6)，在相同条件下，高支低扭矩机织布在经向和纬向都具有较好的断裂强力、撕裂强力和耐磨擦性，这是由于高支低扭矩单纱具有较好的物理性能［17］。

表2 第1代低扭矩环锭针织坯布性能 (29.5 tex，筒纱)Tab.2 Properties of 1st undyed knitted fabrics(29.5 tex，cone yarns)

表3 第4代低扭矩环锭纱的性能 (29.5 tex，筒纱)Tab.3 Properties of 4th low torque ring yarns(29.5 tex，cone yarns)

表4 第4代低扭矩环锭针织坯布的性能 (29.5 tex)Tab.4 Properties of 4th undyed knitted fabrics(29.5 tex)

表5 第4和第5代单纱性质对比Tab.5 Properties com parison of 4th and 5th low torque ring yarns

表6 第4代7.4 tex低扭矩机织布的性能Tab.6 Properties of fabrics produced by 4th 7.4 texconv entional and low torque ring yarns

4 结论

1)假捻装置改变了低扭矩纺纱三角区纤维张力及成纱过程纱线捻度分布，赋予低扭矩环锭纱独特的结构特点，提升了成纱及织物的物理性能。

2)低扭矩环锭纱的内部结构存在以下特点:纤维螺旋线呈现非同轴异形结构，且其螺旋半径不断变化;大量纤维片段存在反转现象;纤维空间取向角小且变异较大;纤维主要分布在单纱内层，单纱结构紧密;纤维转移幅度大，纤维转移率高。

3)在捻度显著减小(25% ～40%)的情况下，低扭矩环锭纱仍具有很好的可纺性，较高的强力，且纱的残余扭矩和3 mm以上毛羽长度的数量显著降低。低扭矩环锭纱能明显改善针织物的歪斜，同时具有较高的顶破强力、良好的透气性和抗起毛起球性能。高支低扭矩机织布具有较好的断裂强力、撕裂强力和耐磨擦性。

［1］ LAU Y M，TAO X M，DHINGRA R C.Spirality in single-jersey fabrics［J］.Textile Asia，1995，31(8):95－102.

［2］ TAO X M，LO W K，LAU Y M.Torque-balanced singles knitting yarns spun by unconventional systems:1.cotton rotor spun［J］.Text Res J，1997，67(10):739－746.

［3］ M ILOSAVLJEVIC S， TADIC T A. Contribution to residual-torque evaluation by the geometrical parameters of an open yarn loop［J］.JTextile Inst，1995，86(4):676－ 681.

［4］ PRIMENTAS A，IYPE C.Spirality of weft knitted fabrics:part III:an innovative method for the reduction of the effect［J］.Indian Journal of Fibre ＆ Textile Research，2003，28(2):202－208.

［5］ SAWHNEY A P S，ROBERT K Q，RUPPENIKER G F，et al. Improved method of producing a cotton/polyester stap le-core yarn on a ring spinning frame［J］.Text Res J，1992，62(1):21－ 25.

［6］ SAWHNEY A P S， KIMMEL L B. Tandem spinning［J］.Text Res J，1995，65(9):550 － 555.

［7］ TAO X M，XU B G，WONG SK.Method and apparatus for manufacturing a singles ring yarn:US，7096655 B2［P］.2006 －08 －29.

［8］ XU B G，TAO X M.Techniques for torque modification of singles ring spun yarns ［J］.Text Res J，2008，78(10):869－879.

［9］ YANG K，TAO X M，XU B G，et al.Structure and properties of low twist short-staple singles ring spun yarns［J］.Text Res J，2007，77(9):675 －685.

［10］ FENG J，XU B G，TAO X M.Dynamic measurement and modeling of flexible yarn dynamic behavior on a moving cylindrical solid structure［J］.Measure Sci Tech，2012，23:115605.

［11］ FENG J， XU B G，TAO X M. Investigation and optimization of yarn twisting efficiency and spinnability in a modified low torque ring spinning system［C］//Proceedings of the 10thAsian Textile Conference.Ueda，Japan:Society of Fiber Science and Technology，2009:7－9.

［12］ FENG J，XU B G，TAO X M，et al.Theoretical study of a spinning triangle with its application in a modified ring spinning system［J］.Text Res J，2010，80(14):1456－1464.

［13］ HUA TAO.Production，properties and structures of short staple low torque singles ring yarn for weaving［D］.Hongkong:The Hong Kong Polytechnic University，2006:23－35.

［14］ GUO Ying，TAO X M，XU B G，et al.A continuous measurement system for yarn structures by optic method［J］. Measure Sci Tech， 2010， 21(11):115706.

［15］ GUO Ying，TAO X M，XU B G，et al.Structural characteristics of low torque and ring spun yarns［J］.Text Res J，2011，81(8):778 －790.

［16］ MURRELLSC M，WONG K K，TAO X M，et al.Yarn snarling testing apparatus and method:US，7219556 B2［P］.2007－5－22.

［17］ FENG J， XU B G， TAO X M. Systematic investigation and optim ization of fine cotton yarns produced in a modified ring spinning system using statisticalmethods［J］.Text Res J，2012，83(3)，238－248.