棉结在静电场中的运动规律

曹继鹏，孙鹏子

(辽东学院，辽宁丹东 118003)

将静电技术应用于纺织领域，已有几十年的历史［1］。早在 20 世纪 60 年代，J.Shaw［2］就提出了在自由端纺纱中用静电力运送、定向和凝集纤维的设想。静电技术应用在梳理方面的研究，很早有过文献记载［3］，但该文献并没有详细论述。在文献［4－5］中，对静电纺纱过程中纤维与电场间的相互作用、纤维所受电场力及其运动等方面进行了比较详细的研究。文献［6］介绍了利用非均匀静电场来分离纤维的研究，实验装置是由美国新奥尔良市的南方地区研究室(SRRL)设计，通过改变2个电极板其中一个的形状(即改变曲率)，进而改变不同区域的电场强度来使长短纤维得到分离。前苏联学者［7］从实验和理论上对静电场纤维充电动力学和运动形式进行了较为系统的研究。国内学者张渠等［8－9］对纤维在电场中的动态过程及运动规律进行系统的分析和研究，在讨论电场空间分布的基础上，对纤维在进入电场前后的几种带电方式、带电量及其变化规律进行论述，并引入纤维重力及输送纤维的气流力加以分析，最后导出纤维在电场中的运动方程组。文献［10－13］的实验结果表明，在梳棉机上加装静电型棉网清洁器，在电压和静电板与锡林隔距恰当的条件下，可以使生条的质量得到改善，其中生条中纤维棉结和带籽屑棉结的含量都有不同程度的降低。但是随着实验条件的改变，电压和隔距的设置也要随之发生变化，才能充分发挥出静电型棉网清洁器的作用。棉结通常分为纤维棉结和带籽屑棉结，根据Hebert等［14］的研究，棉结中有13% ～27%的籽屑(即带籽屑棉结)，与纤维棉结相比，带籽屑棉结在加工过程中不容易被去除，并且会影响纱线和织物的品质。为进一步探讨静电型棉网清洁器去除棉结的机制，本文通过自制静电装置，对棉结在静电场中的运动规律进行了实验研究，结果显示不同类型棉结脱离极板的电压范围是不同的，棉结在静电场中起飞场强与样品aQura棉结平均直径呈正相关。

1 实验部分

1.1 实验原料及条件

实验原料为山东棉，原料aQura棉结检测结果为:棉结总含量为 324粒/g，平均直径为771μm，其中纤维棉结含量为271粒/g，直径为675μm，带籽屑棉结含量为53粒/g，直径为1 258μm。生条在改造的A186F型梳棉机上加工而成，盖板踵趾差为0.56 mm，锡林速度为350 r/min，道夫速度为30 r/min。并条工序在A272F型并条机上进行。实验过程中温湿度均保持恒定。

1.2 实验方法

利用自制的实验装置(见图1)，从原棉、棉卷、生条、一并条和二并条每类实验样品中分别用镊子随机取出10个纤维棉结和10个带籽屑棉结，逐一放入静电场的下极板上(静电场两极板隔距固定为100 mm)，然后缓慢调节静电压，观察棉结的起飞情况，并记录起飞时的电压值。

图1 实验装置简图Fig.1 Experiment device diagram

1.3 实验现象

在逐渐升高静电压的过程中发现，棉结在起飞前要完成一个充电过程，如果电压升高过快，会造成一下子超过棉结起飞的电压，棉结将会在起飞后做上下跳跃运动，这时的起飞电压值将不准确。因此实验过程中要求缓慢提升电压，使棉结正好达到起飞即可，这时棉结静电力恰好能克服重力而起飞，一般起飞后将侧移到极板的边缘或贴附在封闭绝缘罩壳上。

2 实验结果

2.1 棉结在静电场中起飞的电压值

将不同种类样品中取出的纤维棉结和带籽屑棉结分别放置在静电场中，记录其起飞时的电压值，结果见表1。

表1 取自不同样品的纤维棉结和带籽屑棉结在静电场中起飞时的电压值Tab.1 Voltage of fiber neps and SCNs from different sam ples when they take off from electrostatic plate kV

2.2 棉结起飞电压值及对应直径

对10次起飞的电压值范围进行了汇总并求其均值，根据均值求出对应的场强值。同时对每种试样都用印度Premier aQura棉结和短纤维测试仪对其中的纤维棉结和带籽屑棉结的直径进行检测，结果见表 2、3。

表2 纤维棉结在静电场中起飞的相关参数Tab.2 Related parameters of fiber nepswhen taking off from electrostatic plate

表3 带籽屑纤维棉结在静电场中起飞的相关参数Tab.3 Related parameters of SCNswhen taking off from electrostatic plate

2.3 不同类型的棉结形态

图2示出生条和棉卷中纤维棉结和带籽屑棉结的图像。可以看出，棉卷中的纤维棉结要比生条中的纤维棉结大一些，棉卷中的带籽屑棉结也要比生条中的带籽屑棉结大一些，这与分梳差异有关。生条和棉卷中带籽屑棉结都要比纤维棉结大一些，以上结果与aQura棉结尺寸检测结果相吻合。

3 棉结在静电场中的充电机制

3.1 棉结在静电场中的运动形式

棉结的几种运动形式如图3所示。电极充电时，随着电场强度不同，棉结将有各种不同的运动形式。当电场强度较低时，尽管棉结可以飞离极板，但是并不能到达上极板便开始下落，在下落过程中会黏附在罩壳侧面的板上(见图3中b)，随着电场强度的增加，棉结将会在两极板间飞越，由于与电极接触，因此剩余电荷的符号改变(见图3中a);当电场强度较高时，棉结未飞抵到对面的电极，棉结上附着的纤维就可能重新充电，并改变方向而飞向相反的一面，这样一直在电场中反复跳跃运动，运动轨迹几乎成一直线状态(见图3中c)。当“棉结小核”(指除去棉结周围附着的纤维后剩余的实心棉结部分)离极板非常近或贴近极板时，棉结可能出现长时间在电场中的充电状态，或者在原地附近做左右的摆动而不脱离电极(见图3中d和e)。实验结果表明，在一定条件下，也可能同时出现2种类型的棉结运动形式。

3.2 棉结充电机制

实验发现，棉结主要依靠周围附着纤维充电后运动的带动而起飞，因而棉结的充电机制可以借助纤维充电机制来分析。原苏联动力学院高压实验室的研究结果［7］，可以说明关于纤维与电极接触时充电机制的可能，如图4所示。

由图4可看出位于电极上且部分按电场方向定向的纤维上的自由电荷发生分离的情况。与电极极性相同的电荷q1集中到远离电极的一端上，而相反符号的电荷q'2集中在靠近电极的纤维端上(图4中的a)。由于纤维和电极间接触的存在，而且电极的电导率比纤维的电导率要低一些，使电荷q'2部分中和而达到q2值(图4中的b)。电场力作用于这时形成的纤维剩余电荷(q1－q2)上，即Fk=(q1－q2)·E0。此时，电荷q2诱发力F(镜像力)，此力指向电极的一侧，并与重量G一起使纤维保持在电极上，满足关系式F+G=Fk。当q2由于在贴近电极的纤维端上部分电荷的中和而进一步减少时，F减小，而Fk增大，使力的平衡破坏，因此纤维脱离电极。

电极充电过程中产生q1和q2的现象，使电极上纤维具有很大的伸直度并按电力线的方向定向，并使纤维以很大的速度脱离电极。

图2 生条和棉卷中的纤维棉结和带籽屑棉结Fig.2 Fiber neps and SCNs from card sliver and cotton lap.(a)Fiber nep of card sliver;(b)Fiber nep of cotton lap;(c)SCN of card sliver;(d)SCN of cotton lap

图3 棉结的几种运动形式Fig.3 Severalmovement types of nep

图4 纤维电极充电机理Fig.4 Fiber electrode chargingmechanism

基于以上分析，当“棉结小核”与电极板接触或距离很近时，将会阻止棉结上纤维充电时q2上电荷的减少，进而阻止Fk增大，使其不容易飞离电极，要使其飞离电极就需要继续增加电压。因而，附着纤维较多的棉结在静电场中更容易起飞，也将容易被静电型棉网清洁器去除。有研究表明，对于带籽屑棉结而言，附着纤维越少的在纺纱过程中越容易被去除［15］。因此从某种意义上来讲，这种静电型棉网清洁器的应用将很好地解决了附着纤维多的带籽屑棉结不易被去除的问题。

4 结果与分析

4.1 纤维棉结起飞所需场强

由表2可看出，在原棉、棉卷、生条、一并条和二并条5种材料取出的纤维棉结中，起飞时场强均值最小的是生条中纤维棉结，为0.146 kV/cm，二并条和一并条中纤维棉结起飞场强稍大些，分别为0.162、0.178 kV/cm，原棉和棉卷中纤维棉结起飞的场强最大，分别为0.196和0.205 kV/cm。其原因是原棉和棉卷中的棉结未经过梳理工序，棉结比较僵硬，不利于完成充电。同时原棉和棉卷中棉结的直径也大一些，分别为675和699μm，这也是5类材料中最大的。生条和一并、二并条相比，一并和二并条中纤维棉结起飞场强增大，棉结平均直径也增大，在数量上相差不多，这说明生条经过并条工序后，在纤维棉结数量上没有发生大的变化。

4.2 带籽屑棉结起飞所需场强

由表3可看出，在原棉、棉卷、生条、一并条和二并条5种材料中取出的带籽屑棉结中，起飞时场强均值最小的是一并条中的带籽屑棉结，为0.175 kV/cm，依次是二并条和生条中带籽屑棉结，分别为0.183和0.186 kV/cm，原棉和棉卷中带籽屑棉结起飞的场强最大，分别为0.249和0.263 kV/cm。其原因也是原棉和棉卷中的棉结未经过梳理工序，棉结比较僵硬，同时带籽屑棉结的直径也很大，分别为1 258和1 282μm，这也是5类材料中最大的。生条和一并、二并条相比，一并和二并条起飞场强变小，但幅度并不很大，这是和纤维棉结变化趋势的不同之处，棉结平均直径同样在增大，数量上要比生条中的带籽屑棉结有较大幅度的降低，这说明生条经过并条工序后，在带籽屑棉结数量上有明显降低趋势，这不同于纤维棉结数量的变化趋势。

4.3 棉结起飞场强与其直径的相关性

使用SPSS分析软件［16］，对5类材料中的纤维棉结和带籽屑棉结在静电场中起飞时需要的场强和样品aQura检测的平均直径做相关性分析得出，Pearson相关系数R=0.903(R2=0.82)，P=0，故认为棉结在静电场中起飞场强与样品的aQura检测的棉结平均直径呈正的直线相关。

4.4 不同类型棉结起飞场强的比较

本文实验中得出:原棉中纤维棉结脱离极板的平均场强为0.196 kV/cm，原棉中带籽屑棉结脱离极板的平均场强为0.249 kV/cm;棉卷中纤维棉结脱离极板的平均场强为0.205 kV/cm，棉卷中带籽屑棉结脱离极板的平均场强为0.263 kV/cm;生条中纤维棉结脱离极板的平均场强为0.146 kV/cm，生条中带籽屑棉结脱离极板的平均场强为0.186 kV/cm;一并条中纤维棉结脱离极板的平均场强为0.178 kV/cm，一并条中带籽屑棉结脱离极板的平均场强为0.175 kV/cm;二并条中纤维棉结脱离极板的平均场强为0.162 kV/cm，二并条中带籽屑棉结脱离极板的平均场强为0.183 kV/cm。可见，在原棉、棉卷、生条和二并条中的带籽屑棉结脱离极板的平均场强均大于纤维棉结脱离极板的平均场强，增加的幅度分别为27.0%、28.3%、27.4%和13.0%;而一并条中二者平均场强相差不大。结果表明同一材料中的带籽屑棉结脱离极板的场强比纤维棉结要大一些。

5 结论

1)在静电场极板隔距为100 mm的条件下，原棉中纤维棉结和带籽屑棉结脱离极板的平均场强分别为0.196和0.249 kV/cm;棉卷中纤维棉结和带籽屑棉结脱离极板的平均场强分别为0.205和0.263 kV/cm;生条中纤维棉结和带籽屑棉结脱离极板的平均场强分别为0.146和0.186 kV/cm;一并条中纤维棉结和带籽屑棉结脱离极板的平均场强分别为0.178和0.175 kV/cm;二并条中纤维棉结和带籽屑棉结脱离极板的平均场强分别为0.162和0.183 kV/cm。

2)棉结在静电场中起飞场强与样品的aQura棉结平均直径检测结果呈正的直线相关。

3)带籽屑棉结脱离极板的平均场强大于对应样品中纤维棉结脱离极板。

4)棉结附着纤维的多少影响其在静电场中的充电时间和起飞电压，附着纤维很少的棉结在静电作用下更不容易完成充电和起飞，因而在静电作用下更难被去除。

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