乌拉草/棉/维纶复合纱线的开发与性能

王利军， 王春红， 龙碧璇，YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique， 徐 磊(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387； 3. 天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室， 天津 300387；. NED工程技术大学 纺织工程系， 巴基斯坦 卡拉奇 999010)

乌拉草/棉/维纶复合纱线的开发与性能

王利军1,2,3， 王春红1,2,3， 龙碧璇1,2,3，YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique4， 徐 磊1,2,3
(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387； 3. 天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室， 天津 300387；4. NED工程技术大学 纺织工程系， 巴基斯坦 卡拉奇 999010)

针对乌拉草/棉/维纶赛络纺包芯纱存在毛羽较多和条干较差等问题，加装导纱器引入外包缠纱，设计一种改善其条干和减少毛羽的新型纺纱方法：改进型赛络菲尔纺。对影响纱线性能较大的纱线捻系数与导纱间距进行了实验，并以断裂强度、断裂伸长率、毛羽指数和条干均匀度为性能评价指标，对改进型赛络菲尔纺制备的乌拉草/棉/维纶复合纱的工艺进行模糊综合评价。结果表明：捻系数对纱线性能影响顺序依次为400、380、360、340；改进型赛络菲尔纺在单纱间距为10 mm，捻系数为400时，复合纱的综合性能最好，与传统赛络菲尔纺工艺制备的包芯纱对比，毛羽指数下降了73.49%，条干不匀率减小了29.05%。

乌拉草； 改进型赛络菲尔纺； 模糊综合评价； 捻系数

乌拉草作为多年生植物原料，有“东北三宝”之一的称号，因其含有空腔结构使其具有防寒保暖的功效，含有的黄酮类物质及挥发油使其具有除臭抑菌的功效[1]，常被制作鞋垫、床垫和护腰等填充料[2]。近年来对乌拉草的研究较多，但主要集中在纤维提取和非织造工艺，而对乌拉草纤维进一步加工成纱线或纺织品的研究甚少[3]。本文课题组利用转杯纺纱技术制备了乌拉草/棉(质量比30/70)混纺纱线[4]，由于乌拉草纤维具有刚性大、不易弯折的缺点，故导致纺纱易断头，制备的纱线强力较低、毛羽较多。再利用空心锭包缠纺技术对混纺纱线进行棉纱包缠，纺纱工艺较复杂。为解决上述问题，需要探究新的专用纺纱方法。

将可溶于高温热水的维纶单纱或长丝作为芯纱，外包覆短纤维，并对环锭细纱机纺纱三角区进行工艺改造纺制包芯纱，再对包缠纱进行退维处理，即可形成空心纱[5]。空心纱具有轻而膨松、柔软性及保暖性好等特点[6]，已在毛纺[7]、棉纺[8]中被广泛应用。制备含有乌拉草的空心纱不仅具有空心纱自身的优点，还能发挥乌拉草的优势和拓宽乌拉草的应用领域，满足人们对纺织品绿色健康的要求。

为解决乌拉草/棉/维纶包芯纱断裂强度低、条干均匀度差等问题，本文实验用维纶做芯纱，混纺纱断头减少，并使其可纺性得到了提高。其次为降低乌拉草/棉/维纶包芯纱的毛羽，把导纱器加装到传统赛络菲尔纺工艺上，将外包缠纱引入，设计一种新的纺纱方法——改进型赛络菲尔纺。通过对纺纱三角区受力分析影响纱线综合性能的因素，并用模糊综合评价法对新工艺改进型赛络菲尔纺制备的乌拉草/棉/维纶复合纱的工艺进行评价。

1 实验部分

1.1 实验材料

乌拉草纤维，直径为40.62 μm，长度为100.52 mm(实际纺纱时剪短为40 mm左右)，断裂强度为268.31 MPa，由生物-化学联合脱胶制得。棉纤维，主体长度38 mm，直径17.66 μm，断裂强度294.56 MPa，天津天纺投资控股有限公司提供。水溶性维纶单丝，线密度为14.5 tex，水溶温度为 40 ℃，北京光辉纺织有限公司提供；棉单纱，线密度为28 tex，江苏常州飞鹤纱线织造有限公司提供。

1.2 纺纱技术与工艺设计

首先将乌拉草纤维剪成与棉纤维相等的长度；然后利用XFH 型小和毛机(天津嘉诚机电设备有限公司)将其与棉纤维开松混合，经过罗拉式梳理机(自制)形成棉网，接着将棉网在DSSr-01 小型数字式并条试验机(天津市嘉诚机电设备有限公司)上2次并条制备成熟条；将熟条在DSRo-01 型数字式粗纱试验机(天津市嘉诚机电设备有限公司)上制备为捻系数为95、线密度为400 tex的乌拉草/棉混纺粗纱。根据前期预实验和课题组对乌拉草/棉混纺纱的研究，当乌拉草/棉混纺质量比为30/70时，纺纱相对容易且纱线含有一定含量的乌拉草纤维，有利于发挥乌拉草的保健功能[4]，故本文实验采用乌拉草/棉混纺质量比为30/70进行混纺。厂家提供的维纶长丝线密度为14.5 tex，且芯纱含量为20%～25%时中空结构比较好[6,8]。本文采用赛络菲尔纺制备了成纱捻系数为300、线密度为50 tex的乌拉草/棉/维纶包芯纱，结果得到的纱线3 mm以上毛羽指数与条干不匀率分别为27.35%、21.55%。

考虑到赛络菲尔纺乌拉草/棉/维纶包芯纱包芯纱毛羽较多和条干较差，而通过股线或空心锭包缠纺纱的方法对纱线毛羽进行包缠，存在着不经济性等因素。故本文在原有的赛络菲尔纺基础上，加入棉纱线作为外包缠纱，使棉纱线与包芯纱处于一定间隔，在纺纱时，使其在前罗拉处与2根粗纱须条一并输出，纺纱图如图1所示，外包缠纱不添加任何预加张力。

图1 实际纺纱图Fig.1 Actual spinning diagram

保证芯纱在2根粗纱中间位置的同时对其施加预加张力，确保在汇聚点处芯纱能够较好地被须条包覆，得到以乌拉草/棉并包覆维纶芯纱的混纺纱，及外包缠纱棉纱的复合纱线。这种纺纱方法可在环锭纺纱机上得到应用，并可一步式纺制成类股线或包缠纱结构。

图2示出改进纺纱方法的示意图，其中：F为成纱纺纱张力；F1、F2分别为汇聚点上方包芯纱与外包缠纱所受的张力；M为成纱回转时产生的力矩；M1、M2分别为包芯纱与外包缠纱的力矩；汇聚点为O与O′。本文实验使芯纱的位置正好处在在2根性状相同的粗纱中间，芯纱预加张力较大，故O′ 以上的三角区受力类似于对称纺纱。实验选取成纱捻向为S捻，这是由于本文使用的外包缠纱与芯纱都为Z捻，使外包覆纱线对芯纱有倍捻的作用，而当成纱念向为S捻时，即会有解捻作用，因此Z捻相较于S捻较为紧密，并使维纶芯纱的退维困难[9]。

图2 改进型赛络菲尔纺简易图Fig.2 A simplified map of improved sirofil spinning

根据改进型赛络菲尔纺纺纱的影响因素以及参考相关文献[10-11]发现，单纱间距以及成纱捻系数对纱线质量影响显著，因此对改进型赛络菲尔纺制备乌拉草/棉/维纶复合纱的工艺进行优化，如表1 所示。

表1 改进型赛络菲尔纺复合纱工艺参数Tab.1 Improved Sirofil composite yarn spinningprocess parameters

1.3 纱线性能测试

参照ASTM D2256—2002《单线法测定纱线拉伸性能的试验方法》，采用Instron3369型万能强力机测试纱线拉伸性能。测试速度为250 mm/min，夹持隔距为250 mm，测试样品数为20个。

参照GB/T 3292—1997《纺织品 纱条条干不匀试验方法 电容法》，采用ME100型乌斯特条干仪测试纱线条干不匀率，测试时间为2 min，测试速度为200 m/min。

参照FZ/T 01086—2000《纺织品 纱线毛羽测定方法 投影计数法》，采用YG172A型纱线毛羽测试仪测试纱线毛羽，测试速度为30 m/min，片段长度10 cm，实验次数5次。

2 结果与讨论

2.1 单纱间距对复合纱性能的影响

改进型赛络菲尔纺纺纱过程中捻系数设为380，分别设定单纱间距8、10及12 mm，主要探究单纱间距对纱线断裂强度、断裂伸长率、毛羽和条干性能的影响，结果如表2所示。

表2 不同单纱间距纱线性能Tab.2 Yarn properties with different single yarn space

1)纱线拉伸性能分析。由表2可知，当单纱间距增大时，纱线的拉伸断裂强度呈先增大后减小的趋势，当单纱间距为10 mm时，纱线的断裂强度达到最大值。

当单纱间距增大时，位于汇聚点上方的外包缠纱和包芯纱的长度均会增加，纱线上捻度减小且其在须条上的传递会减弱，而当捻度减小到一定程度时，单纱上的横向压力所产生的摩擦阻力小于纺纱的拉伸张力，即产生断头或意外伸长。当单纱间距为12 mm时，须条捻度减小，摩擦阻力和横向正压力均减小，前钳口与聚汇点的摩擦力界控制力也减小，此时乌拉草纤维与棉纤维滑脱长度增加，从而导致成纱结构不匀，并使成纱强力变差。当单纱间距减小时，汇聚点位置上移，导致成纱扭矩减小，因此成纱段长度变长。由于扭矩与捻度呈正比例关系，故当成纱捻度减小和纱线包缠能力降低时，成纱强度减小，断裂伸长率增大。

2)纱线条干不匀率分析。由表2所示，当单纱间距增大时，纱线的条干不匀率呈先减小后增大的趋势，当间距为10 mm时，复合纱条干不匀率最小。

当单纱间距增大时，汇聚点位置下移，成纱扭矩减小，使纱线的捻度减小并减弱了其在须条上的传递，当捻度减小到一定值时，单纱上的横向压力所产生的摩擦阻力小于纺纱的拉伸张力。又因棉纤维与乌拉草纤维性能差异，乌拉草纤维较粗硬，在纺纱张力下，棉纤维容易克服乌拉草与棉纤维产生的摩擦力而被快速抽走，从而使得纱线粗细不匀条干变差。当单纱间距为8 mm时，汇聚点的位置上移，成纱段复合纱的长度变长，扭矩变小，使得捻度上传变弱，须条纤维包覆维纶芯纱时，乌拉草纤维与棉混纺须条包覆维纶芯纱结构疏松，乌拉草头端不能较好的包覆进纱线中，接着在外包缠棉纱缠绕包芯纱时缠绕不够充分，乌拉草头端突出的地方经缠绕后，纱线变得粗细不匀而使条干均匀度降低。

3)纱线毛羽指数分析。纱线毛羽指数如表2 所示，当单纱间距为10 mm时，复合纱毛羽指数最小。因为乌拉草纤维较粗硬的缘故，使得纤维间的抱力较小，在须条加捻时不易被捻进纱轴，使纱线表面的毛羽增多。当单纱间距为8 mm时，汇聚点的位置上移，汇聚点下方成纱段变长，成纱扭矩减小，故成纱中纤维捻角减小，须条中乌拉草纤维头端露出纱轴的百分率增加，包芯纱上毛羽突出，然而由于外包缠纱棉纱缠绕包芯纱角度变小，其接触包芯纱上的毛羽面积减小，从而使得纱线毛羽增多。

综上所述，当间距为10 mm时，改进型赛络菲尔纺乌拉草/棉/维纶复合纱线的拉伸断裂强度最高，毛羽指数和条干不匀率最低，因此最佳单纱间距设定为10 mm。

2.2 单纱捻系数对复合纱性能的影响

本文实验探究当改进型赛络菲尔纺单纱间距设定为10 mm，捻系数分别为340、360、380和400时，对纱线的断裂强度、断裂伸长率、条干不匀率和毛羽指数性能的影响，结果如表3所示。

表3 不同捻系数纱线性能Tab.3 Yarn properties with different twist factor

由表3可知，当纱线捻系数增大时，纱线的断裂强度呈增大的趋势，且断裂伸长率和条干不匀率都减小。当成纱捻系数为400时，纱线的断裂强度最大，条干不匀率和断裂伸长率最小。

当捻系数增大时，汇聚点上方纱线的力矩小于成纱扭力矩M，因此汇聚点的位置上移，从而导致三角区的面积减小。汇聚点O与O′上方单纱和须条的力矩均增大，故纤维的内外转移更加容易，并有效的控制了纤维。须条经过O′汇聚点使须条加捻并合，提高了纱线的断裂强度，改善了条干的均匀度。当成纱捻系数增大时，外包缠纱线也增大了对包芯纱的轴向压力，使得纤维间的抱合力增大，纱线结构更加紧密，因此当纱线被拉伸时，即得到较高断裂强力和较低断裂伸长率的混纺纱线。且外包缠纱的力矩和纱线解捻程度的增大，使得外包缠纱能以足够大的面积包覆芯纱，从而使条干的不匀率减小。

随纱线捻系数的增大，纱线3 mm以上毛羽指数呈先减小后增大的趋势，当捻系数为360时，纱线毛羽指数最小。

当纱线捻系数较小时，扭矩即会减小，降低了纤维的内外转移能力，且部分浮游纤维不能被有效控制，故加捻时不易被捻进纱轴。其次外包缠纱上的力矩减小，降低了纱线解捻程度，减小了外包缠纱包覆包芯纱的面积。当捻系数增大时，外包缠纱也增大包覆包芯纱的面积，且其具有一定的解捻作用，使浮游的纤维在加捻时能够较好的被捻进纱轴。

2.3 不同捻系数复合纱性能模糊综合评价

由于表3并不能直观分析出纱线综合性能最好的成纱捻系数，因此采用模糊综合评价法来评价纱线的综合性能。它能够将定性评价通过模糊关系转化为定量评价。如纱线的多个构成指标：断裂伸长率、断裂强度、条干不匀和毛羽指数等构成纱线的综合性能，即可通过模糊数学进行分析评价[4]。其中模糊综合评价中的一种评价法为Borda数法[3]。

从表3中不同捻系数与纱线各性能对应数据得。论域D={D1，D2，D3，D4}={Q340，Q360，Q380，Q400}。团体X={断裂强度，断裂伸长率，毛羽指数，条干均匀度 }。按照下式，Li为获得的几种意见，从而计算出Borda数，其中x∈D，Bi(x)表示Li中排在x后的元素个数。

按各指标的优劣顺序对D中的元素进行排序：

L1(断裂强度)：D4，D3，D1，D2

L2(断裂伸长率)：D1，D2，D3，D4

L3(毛羽指数)：D2，D3，D4，D1

L4(条干均匀度)：D4，D3，D2，D1

得到Borda数，如表4所示。

表4 不同捻系数的Borda数Tab.4 Borda number of different twist factor

为了使决策结果更加接近于实际问题，通常采用意见加权法对其进行计算排序：

式中：Wi(x)为意见Li的权系数。

Wi(x)是通过天津工业大学纺织学院5教老师(分别编号为1、2、3、4、5)的询问意见汇总，对其进行加权法计算，结果如表5所示。

表5 意见Li的权系数计算Tab.5 Calculation of weight coefficient of opinion Li

根据计算所得的Borda数的大小，对D中元素进行排序，排序结果如下：D4，D3，D2，D1。即纱线捻系数对纱线性能影响顺序依次为：400，380，360，340。

综上所得，采用改进型赛络菲尔纺技术制备乌拉草/棉/维纶复合纱的最佳捻系数与单纱间距分别为400与10 mm，此时复合纱的综合性能最好。且采用改进型赛络菲尔纺技术纺纱时，纺纱断头率明显降低，纱线的可纺性和生产效率得到了提高。

采用改进型赛络菲尔技术在最优方案下制备的乌拉草/棉/维纶复合纱线，将其置于沸水中进行退维处理，复合纱退维率为97%，退维后乌拉草占乌拉草/棉复合纱的比例为19%，退维后的乌拉草/棉复合纱线具有了空心纱的特点，纱线变得轻而蓬松。

3 结 论

1)本文设计了一种改进型赛络菲尔纺纺纱方法，制备的乌拉草/棉/维纶复合纱单纱间距为 10 mm，捻系数为400时综合性能最优，与传统赛络菲尔纺制备的包芯纱对比，毛羽指数下降了73.49%，条干不匀率减小了29.05%。

2)通过对纱线的性能模糊综合评价，得到捻系数对纱线性能影响顺序依次为：400，380，360，340。模糊数学的应用，使评价的结果更加准确和科学，为纱线性能综合评价提供一种较有效的参考方法。

3)退维后的乌拉草/棉复合纱线不仅具有了空心纱的特点，纱线变得轻而蓬松，而且发挥了乌拉草的优点拓展了乌拉草的应用领域，还能为其他功能性纱线的开发提供思路和借鉴。

FZXB

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DevelopmentandperformanceofCarexmeyeriana/cotton/vinyloncompositeyarn

WANG Lijun1,2,3， WANG Chunhong1,2,3， LONG Bixuan1,2,3， YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique4， XU Lei1,2,3
(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposite,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.StateKeyLaboratoryofSeparationMembranesandMembraneProcesses,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 4.TextileEngineeringDepartment,NEDUniversityofEngineering&Technology,Karachi999010,Pakistan)

In view of more hairiness and poor yarn evenness of Carex meyeriana/cotton/vinylon composite yarn,a new yarn spinning method (modified sirofil spinning) was designed in which yarn carrier was added to introduce external fascinated yarns. The influence of twist factor and spacing on the yarn performance was discussed using strength, extension at break, hairiness index and yarn evenness as evaluation indexes. The performance of the composite yarn was evaluated by fuzzy comprehensive evaluation. The results show that the influence sequence of the twist factor on the yarn performance sequentially is 400, 380, 360 and 340; the composite yarn has the best comprehensive performance when the single yarn spacing is 10 mm and the yarn twist factor is 400 in the modified sirofil spinning; and the hairiness is reduced by 73.49% and the unevenness is reduced by 29.05%, compared with core spun yarn spun by conventional sirofil spinning.

Carex meyeriana; modified sirofil spinning; fuzzy and comprehensive evaluation; twist factor

10.13475/j.fzxb.20170201806

TS 959.2

A

2017-02-12

2017-05-15

天津市科技特派员项目(16JCTPJC44900)

王利军(1989—)，男，硕士生。主要研究方向为天然纤维提取与可纺性。王春红，通信作者，E-mail:18802231369@163.com。