合成纤维非转移式热缩率检测装置改进

郁 兰，周 彬，王慧玲，闵庭元，王韶辉，杨惠新

(1.盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005;2.江苏省生态纺织工程技术研发中心，江苏 盐城 224005;3.盐城市纤维检验所，江苏 盐城 224005;4.法国国际检验局南京办事处，江苏 南京 210000;5.南通三思机电科技有限公司，江苏 南通 226200)

合成纤维热缩率是影响织物外观质地与内在品质(蓬松性、弹性、手感和保暖性)的重要因素［1－2］，热缩率也是织物选材和成本核算的一个重要参数。通过掌握这一参数的变化特征，确定织物生产工艺参数，既可获得符合设计要求风格的织物，保证面料规格的准确性和外观质量，还可提高原料使用的经济性［3－4］。

合成纤维热缩率的测试原理为:在规定条件下用热处理介质(沸水或干热空气)处理试样，测量处理前后试样长度的变化，计算其对原试样长度的百分比［5］。目前，合成纤维热缩率的测试仪器主要有XH-1型纤维热收缩测试仪。仪器由摄像装置依次读取试样圆筒架上纤维热处理前后纤维长度的变化，并自动计算纤维平均热缩率和变异系数。实验前先将35根纤维试样逐根悬挂到试样圆筒上，纤维试样的一端被圆筒上的上夹持器所夹持，试样下端悬挂张力夹。将试样圆筒放入仪器。通过摄像头采集纤维试样长度信息进入计算机。仪器测量时试样圆筒转动1周得到35个试样热处理前长度数据。加热前试样长度测试完毕，转动圆筒顶上旋转按钮使托架上升，纤维处于松弛状态。取出试样圆筒放入烘箱或者将纤维集中放到沸水中，在预定温度下加热处理，到达预定时间，取出试样圆筒在标准温度条件下冷却和温湿平衡。再进行试样加热后长度测试，求取纤维的单根热缩率和平均热缩率［5－6］。这种装置和检测方法存在以下缺陷:1)圆筒上的纤维加热前长度测试完成后，需要转移到烘箱(或沸水)进行加热，然后再将试样圆筒放回热收缩测试仪，在转移过程中，纤维受到张力夹的拉伸作用会产生意外伸长，影响热缩率测试结果的准确性，同时转移过程使实验员的劳动强度增大，由于烘箱(或沸水)在加热纤维过程中需要提前预热，导致热损失较大;2)纤维悬挂在圆筒上，开始测试某根纤维时，圆筒上的纤维需要旋转至CCD(电荷耦合器件)摄像头正前方，这个过程纤维由静到动再到静需要一定的稳定时间，导致CCD摄像头采集实验数据时间较长，实验效率较低。本文将针对这些缺陷，在检测装置内部集成红外线加热器进行热处理，避免了纤维热处理前后的转移，同时在检测过程中，纤维由原先的挂在圆筒上环形排布随圆筒旋转改为直列排布且固定不动，由CCD摄像头平移进行数据采集。

1 装置的结构设计

合成纤维热缩率检测装置如图1所示。包括样品箱、测试箱、试样架卡板、试样架、导轨、步进电动机、透明防热隔板、红外线加热器、CCD摄像头、工业控制计算机和排水管。样品箱内固装试样架卡板，试样架可固定在试样架卡板上，样品箱底部固装红外线加热器，样品箱底部有一排水管。测试箱底部固装有导轨，导轨下方连接步进电动机，CCD摄像头安装在导轨上，在步进电动机的传动下，CCD摄像头可左右往复平移。CCD摄像头通过信号线与测试箱外的工业控制计算机连接。样品箱和测试箱之间为透明防热隔板［1－2］。

图1 检测装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of device structure

2 装置的检测原理

热缩率测试前，按照 FZ/T 50004—2011《涤纶短纤维干热收缩率试验方法》或GB/T 6505—2008《化学纤维长丝热收缩率试验方法》的相关要求，首先对纤维试样进行热处理前平衡，然后打开样品箱，准备预加张力夹子，试样的预加张力F按下式来计算:

式中:F为预加张力负荷，cN;T为试样的线密度，dtex;p为单位线密度的预加张力，cN·dtex，对于牵伸丝和纤维素纤维，p取(0.050±0.005)cN/dtex;对于变形丝，p取(0.20±0.02)cN/dtex。

取出试样架，先将待测纤维试样逐根悬挂到试样架上，试样的一端被试样架上的上夹持器所夹持，下端夹上预加张力夹子。然后将试样架轻轻固定在样品箱内试样架卡板，盖上罩盖。开始测试，CCD摄像头在步进电动机带动下在导轨上平移，逐一采集热处理前纤维试样长度信息，并将信息通过信号线导入工业控制计算机。

根据测试要求，选择不同的热处理方式处理纤维试样，如果是干热空气处理，先将纤维试样下端的预加张力夹子去掉，使纤维试样呈松弛状态悬挂在试样架上，然后打开红外线加热器，根据不同产品要求，设定不同的加热温度和热处理时间，热处理时间为14～16 min。红外线加热器功率为1～12 kW，温控范围为50～300℃，红外线波长范围在0.76～1000 μm之间。红外线加热器所产生的电磁波以光速直线传播到达纤维表面，当红外线的发射频率和纤维内大分子运动的固有频率(即红外线的发射波长和纤维内大分子的吸收波长)相匹配时，引起纤维中大分子强烈振动，在纤维的内部发生激烈摩擦产生热从而快速均匀地对纤维试样进行热处理，热处理结束后，按照标准规定的要求进行纤维试样热处理后的平衡［7－8］。平衡结束后，开始测试纤维热处理后长度，纤维试样的一端被试样架上的上夹持器所夹持，在纤维试样下端夹上预加张力夹子。CCD摄像头在步进电动机带动下在导轨上平移，逐一采集热处理后纤维试样长度信息，并将信息通过信号线导入工业控制计算机。根据热处理前后纤维试样的长度变化，计算热缩率［9］。如果是沸水收缩处理，取下纤维试样，将其呈放松状态放入网袋中，在样品箱内注入含有质量浓度为1g/L表面活性剂的去离子水或蒸馏水，确保试样完全浸没且不能碰样品箱内壁，然后打开红外线加热器，根据不同产品要求，设定不同的加热温度和热处理时间，煮沸。加热到标准规定的时间，停止加热，打开排水管排水，然后对纤维试样进行红外线烘燥，烘燥温度为50～160℃，时间为60 min，按照标准要求进行热处理后的平衡。平衡结束后，开始测试纤维热处理后长度，再将纤维试样逐根悬挂到试样架上，试样的一端被试样架上的上夹持器所夹持，下端夹上预加张力夹子。CCD摄像头在步进电动机带动下在导轨上平移，逐一采集热处理后纤维试样长度信息，并将信息通过信号线导入工业控制计算机［10］。根据热处理前后纤维试样的长度变化，计算合成纤维热缩率［1－2］。其计算公式为:

式中:S为热收缩率，%;L0为试样处理前的长度，mm;Ls为试样热处理后的长度，mm。

3 合成纤维热缩率检测实验

3.1 合成纤维干热空气处理热缩率检测

以涤纶为例，测试其在干热空气处理后的热缩率，涤纶线密度为1.3 dtex，其过程如下。

1)对涤纶试样进行热处理前平衡。在温度为20℃，相对湿度为65%的标准温湿条件下进行热处理前平衡，平衡时间为2 h。

2)涤纶热处理前平衡后，打开样品箱罩盖，按照上述标准的要求选取张力夹子，由于涤纶线密度为1.3 dtex，预加张力为0.065 cN，准备0.065 cN的预加张力夹子，取出试样架，先将10根待测纤维试样逐根悬挂到试样架上，纤维试样的一端被试样架上的上夹持器所夹持，在纤维试样下端夹上预加张力夹子。然后将试样架轻轻固定在样品箱内试样架卡板，盖上罩盖。

3)CCD摄像头在步进电动机带动下在导轨上平移，逐一采集热处理前纤维试样长度信息，并将信息通过信号线导入工业控制计算机。

4)将涤纶试样下端的预加张力夹子去掉，使涤纶试样呈松弛状态悬挂在试样架上，然后打开红外线加热器，红外线加热器功率为1 kW，热处理温度为200℃，热处理时间为15 min。

5)热处理结束后，在温度为20℃，相对湿度为65%的标准温湿条件下进行热处理，然后平衡2 h［1－2］。

6)平衡结束后，开始测试涤纶热处理后长度，涤纶试样的一端被试样架上的上夹持器所夹持，在涤纶试样下端夹上预加张力夹子，其张力负荷为0.065 cN。CCD摄像头在步进电动机带动下在导轨上平移，逐一采集热处理后纤维试样长度信息，并将信息通过信号线导入工业控制计算机。

7)根据热处理前后试样的长度变化，计算出热缩率为8.34%，实验结果见表1。

表1 干热空气处理热缩率实验结果Tab.1 Experimental results using hot air treatment

3.2 合成纤维沸水收缩处理热缩率检测

以锦纶为例，测试其在沸水收缩处理后的热缩率，锦纶线密度为1.1 dtex，其过程如下。

1)对锦纶试样进行热处理前平衡。在温度为20℃，相对湿度为65%的标准温湿条件下进行热处理前平衡，平衡时间为2 h。

2)热处理前平衡后，打开样品箱罩盖，因锦纶的线密度为1.1 dtex，预加张力为0.055 cN，准备0.055 cN的预加张力夹子，取出试样架，先将10根待测纤维试样逐根悬挂到试样架上，试样的一端被试样架上的上夹持器所夹持，下端夹上预加张力夹子。然后将试样架轻轻固定在样品箱内试样架卡板，盖上罩盖。

3)CCD摄像头在步进电动机带动下在导轨上平移，逐一采集热处理前锦纶试样长度信息，并将信息通过信号线导入工业控制计算机。

4)取下锦纶试样，将其呈放松状态放入网袋中，在样品箱内注入含有质量浓度为1 g/L表面活性剂的去离子水或蒸馏水，确保试样完全浸没且不能碰样品箱内壁，水完全没过锦纶，然后打开红外线加热器，红外线加热器功率为1 kW，温度为150℃，热处理时间为30 min。

5)煮沸30 min后，停止加热，打开排水管排水，然后将纤维试样进行红外线烘燥，烘燥温度为50℃，烘燥时间为60 min。在温度为20℃，相对湿度为65%的标准温湿条件下进行热处理后平衡，平衡时间为 2 h［1－2］。

6)平衡结束后，测试锦纶热处理后长度，再将锦纶试样逐根悬挂到试样架上，试样的一端被试样架上的上夹持器所夹持，在纤维试样下端夹上预加张力夹子，其张力负荷为0.055 cN。CCD摄像头在步进电动机带动下在导轨上平移，逐一采集热处理后试样长度信息，并将信息通过信号线导入工业控制计算机。

7)根据加热处理前后锦纶试样的长度变化，计算出热缩率为7.33%，实验结果见表2。

表2 沸水处理热缩率实验结果Tab.2 Experimental results using boiling water treatment

4 结论

改进后的合成纤维热缩率检测装置摒弃了现有检测装置热处理过程和检测过程分步导致合成纤维热缩率结果不准确的弊端，同时在检测过程中纤维试样由原来的在试样圆筒带动下旋转逐次检测改为纤维试样静止不动，由CCD摄像头在步进电动机带动下在导轨上平移，逐一采集纤维试样长度信息的方式，大大节约了纤维试样由静到动再静止所花费的时间，因此其结构简单，易于控制，工作效率高，效果好，耗能低，操作简便、快速，检测结果准确、可靠，具有较高的应用及推广价值。

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