纤维梳理性能的内涵与评价

刘让同， 李 亮， 刘淑萍， 李淑静

(1. 中原工学院 服装学院， 河南 郑州 710048； 2. 纺织服装产业河南省协同创新中心， 河南 郑州 710048；3. 河南省功能纺织材料重点实验室， 河南 郑州 710048； 4.中原工学院 纺织学院， 河南 郑州 710048)

梳理是使纤维集合体中的纤维分离成单纤维状态、达到伸直取向的主要措施之一。不同纤维的梳理性能存在差异，如何评价其梳理性能是许多学者研究的热点。目前关于纤维梳理性能的探讨大都从应用层面入手，从工艺角度进行描述，如为分析判断梳棉机的梳理质量，提出用梳理度、梳理力、冲击力、转移率等指标进行衡量，同时研究者指出梳理度仅可作为参考指标，不能真实反映梳棉机实际的梳理质量[1-2]。从工艺角度、应用层面描述纤维的梳理性能时，由于各种因素交织在一起，易使评价结果产生不确定性，因此，有必要从理论角度进行审视，使梳理性能内涵更清晰。

纤维的梳理性能与其物理力学性能密切相关[3-4]，也就是说通过纤维特性可判定其梳理性能，使问题更简化。为此，本文从材料特性入手探讨纤维梳理性能的内涵，研究纤维性能对梳理性能的影响：通过对纤维物理性能的主成分分析，提取梳理性能内涵描述数据；通过建立梳理指数模型，实现对纤维梳理性能的水平评价；通过梳理性能分类模型实现对纤维梳理性能的归属评价。

1 梳理性能的内涵

传统的纺纱理论和实践表明[5]，纤维的分离度、伸直度、取向度与平行度越高，越有利于后续的牵伸工艺，成纱的强力越高，条干越好。实际上分离伸直与取向平行不是纤维本身固有的状态，纤维集合体中的单纤维既不分离伸直也不取向平行，且含有疵点和短绒，要使纤维达到这种状态就需要依靠梳理，因此，梳理的目的就是要提高纤维集合体中各单纤维的分离度、伸直度、取向度、平行度，使纤维疵点、短绒率等减少。通过梳理，纤维可达到分离伸直、取向平行、低疵点、少短绒的状态，这种潜质就是纤维的梳理性能，该潜质的发挥与纤维自身及加工条件有关，纤维梳理性能的评价是在加工条件一定时，针对纤维自身可梳理潜质被发挥程度的描述。

纤维本身具有易卷曲、易纠缠、易断裂的特点，在加工过程中易出现缠结、集束、断裂成短纤维现象，这与纺纱要求形成了矛盾，对梳理性能内涵的了解是解决这一矛盾的关键。

纤维梳理性能的内涵可从其自身状态和空间关系二方面进行分析，为便于纺纱过程中纤维的运动，首先要求纤维之间是一种分离的状态(第1个维度，或者叫作分离维)，这是基本目标；其次，从纤维自身状态上看，分离可以是单纤维状态，也可以是束纤维状态(第2个维度，或者叫作集束维)；同时，纤维可以是三维卷曲、成结的分离，也可以是伸直、平行的分离(第3个维度，或者叫作伸直维)；在加工过程中纤维可能被拉断损伤(第4个维度，或者叫作梳断维)。这4个维度可全面描述纤维在梳理过程的状态。由此可见，梳理性能的内涵就是使纤维形成某种状态的能力，是分离维、集束维、伸直维和梳断维四者的有机组合，本文定义为梳理性能内涵4维度。

2 实验部分

2.1 试 样

采集到20种纤维，其规格如表1所示。

表1 纤维规格参数

注：“—”表示样品为市购，产地不详

2.2 测试指标和测试方法

纤维梳理过程中，梳理机件利用相邻针面间的分梳、剥取和提升作用完成对纤维的梳理[9]，其效果取决于纤维的物理及力学性能，主要包括几何参数、力学、静电、表面摩擦、吸湿性等方面。测试指标、表征符号及对应的测试方法为：截面形态系数X1通过纤维横截面实际面积与其理论截面积之比计算得到[6-7]；扭转截面形态系数X4为纤维不同位置的半径与其理论半径之比的平方和[6-8]，通过制作纤维横截面切片，然后分别测试其面积和不同位置的半径来实现；初始模量X2、相对抗弯刚度X3、相对剪切弹性X5、相对抗扭刚度X6、回复率X9、断裂伸长率X12、断裂强度X13通过 Instron 5565型万能强力仪测试[6-7]；质量比电阻X7采用YG321型纤维比电阻仪测试；动态摩擦因数X8用Y151型纤维摩擦系数测定仪测试；线密度X10采用Y171型纤维切断器-中段法、密度X14采用密度梯度法、回潮率X15采用烘箱法分别进行测试[6-7]；长度X11采用Y131梳片式羊毛长度测定仪或大容量棉花纤维测试仪(HVI)进行测试[6]。试样置于温度为(25±2)℃、相对湿度为(65±2)%的环境中调湿24 h后进行测试[6-8]。

2.3 测试结果及其标准化

为便于统计分析，需要对测试结果进行无量纲化处理或标准化处理，本文采用min-max方法对数据进行标准化整理[10]，即

Di=(Ti-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(1)

式中：Ti为某指标的测试值；Tmax、Tmin分别为该测试指标中的最大值和最小值；Di为该指标的标准化值。数据标准化处理结果列于表2中。

表2 标准化整理后的纤维性能指标

3 结果与讨论

3.1 梳理性能内涵因子的提取

采用主成分分析法对表2中纤维物理性能数据进行主成分提取[11-12]，其结果列于表3中。可知，纤维的物理力学性能可重新组合成多个因子，但其中第4个因子的累积贡献率达到87.985%，也就是说取前4个因子即可代表原始变量全部内容87.985%的信息，因此，将这4个因子作为主因子取代原始变量，分别用Yl、Y2、Y3和Y4表示。

通过上述方法提取的主因子，与梳理性能4维度理论上存在对应关系，但每个因子对应的维度还需要进一步研究。采用旋转成分矩阵方法探讨4个主因子与各物理性能之间的关系，其结果见表4、5。

从表4可以看出，4个主因子与纤维梳理性能之间有一些可区分性的相关关系：主因子Y1与截面形态系数、扭转截面形态系数和断裂伸长率显著正相关，与相对抗扭刚度、相对剪切弹性显著负相关，这些特性集中反映了纤维延伸、弯曲和扭转的难易程度，与梳理时纤维分离状态有关，因此，Y1与分离维对应，定义为分离因子。

表3 解释的总方差Tab.3 Explained total variance

表4 旋转成分矩阵Tab.4 Rotational Component Matrix

表5 物理性能影响成分得分系数矩阵Tab.5 Coefficient matrix of component score

根据表5得到Y1与纤维物理性能关系见式(2)。

(2)

主因子Y2与纤维线密度、断裂强度、初始模量、相对抗弯刚度和长度呈显著正相关，在梳理过程中，适当的刚性和较好的断裂强度，有利于减少梳理机件对纤维的损伤，因此，Y2与梳断维对应，定义为梳断因子，根据表5得到Y2与物理性能关系，见式(3)。

Y2=0.03X1+0.186X2+0.214X3-0.217X4+

0.012X5-0.045X6+0.053X7+0.012X8-

0.129X9+0.228X10+0.276X11-0.029X12+

0.252X13-0.06X14-0.03X15

(3)

主因子Y3与纤维的质量比电阻、回复率、断裂伸长率、长度和扭转截面形态系数显著正相关，与密度显著负相关。质量比电阻、回复率、断裂伸长率、长度和扭转截面形态系数越大，梳理时纤维容易集束，因此，Y3与集束维对应，定义为集束因子，并根据表5得到Y3与各物理性能关系，见式(4)。

(4)

主因子Y4与纤维的回复率、断裂伸长率和动态摩擦系数显著负相关，与回潮率和密度显著正相关。回复率、断裂伸长率和动态摩擦系数越大，纤维集合体中的单纤维越不易伸直取向，回潮率和密度越高，纤维越易伸直取向，因此，Y4与伸直维对应，定义为伸直因子，根据表5得到Y4与各物理性能关系，见式(5)。

(5)

选取的4个主因子中，其中前2个因子的累积贡献率较大，已达到60.496%，说明这4个主因子的贡献率有主次顺序，且这4个主因子对梳理性能的贡献率呈现依次递减的规律，因此，在一般情况下，可按主因子 1～4 的主次顺序来分析评价不同纤维的可梳理性。

3.2 梳理性能内涵因子讨论

通过上述分析认为，分离维、梳断维、集束维和伸直维是纤维梳理性的内涵分量。通过式(2)～(5)可对本文所选纤维试样的梳理性能分量进行计算，结果列于表6中。可看出，不同纤维的各梳理性能分量大小也有所不同。

分离因子Y1主要受截面形态系数、扭转截面形态系数、相对剪切弹性、相对抗扭刚度和断裂伸长率的影响。相对抗扭刚度表示纤维产生扭转变形的难易程度[7]，其值越大，纤维越不易缠结。相对剪切弹性代表纤维对剪切变形的回复程度，其值越大，纤维剪切变形中的塑性变形越少，纤维越不易缠结。鉴于纤维一般为非正圆截面，引入截面形态系数和扭转截面形态系数，其值越大，表示纤维较易弯曲和扭转，不易分离。断裂伸长率表示纤维承受拉伸变形的能力，变形能力强的纤维不易分离。在5种物理性能的综合作用下，分离因子呈现如表6所示的规律，即蚕丝和棉纤维的分离因子较小，而丙纶、涤纶和粘胶纤维的分离因子较大。说明蚕丝和棉纤维在梳理时易缠结，而丙纶、涤纶和粘胶纤维易分离。

表6 梳理性分量Tab.6 Combing components

注：Z为纤维梳理性综合评价函数。

梳断因子Y2主要受线密度、断裂强度、初始模量、相对抗弯刚度和长度的影响。长度和线密度是纤维的基本特征参数，长度越长，纤维越粗，断裂强度越高，纤维被梳断的概率越低。初始模量和相对抗弯刚度表示纤维抵抗变形的难易程度[7]，其值越大，纤维越不易变形，越有利于降低纤维的损伤，提高抗梳理能力。综合上述几个物理性能，梳断因子呈现如表6所示的规律，即苎麻的梳断因子较高，腈纶、锦纶、涤纶和蚕丝次之，粘胶纤维、细羊毛、丙纶和棉纤维较低。也就是说，粘胶纤维、细羊毛、丙纶和棉纤维在梳理时容易损伤，而苎麻不易被拉断受损。

集束因子Y3主要受质量比电阻、回复率、断裂伸长率、长度、扭转截面形态系数和密度的影响。质量比电阻越大，纤维梳理时易出现黏结现象，不利于纤维分离。断裂伸长率和回复率表示纤维抵抗变形和变形回复能力，其值越高，纤维越易集束。长度越长、扭转截面形态系数越大的纤维，越易集束，不利于分离。密度越高，越有利于纤维在梳理中的分梳、剥取，可降低纤维集束现象的产生。综合上述几种物理性能，集束因子呈现如表6所示的规律，即锦纶6、锦纶66和柞蚕丝的集束因子较高，棉纤维的集束因子较低，说明锦纶6、锦纶66和柞蚕丝梳理过程中易发生集束，棉纤维不易发生集束。

伸直因子Y4主要受动态摩擦系数、断裂伸长率、回复率、密度和回潮率的影响。纤维动态摩擦系数越大，纤维间的作用力越大，越易影响纤维的取向伸直。断裂伸长率和回复率值越高，纤维越易变形，不利于纤维的伸直取向。密度越大，纤维结构越紧密，越易伸直取向。综合上述几个物理性能，伸直因子呈现如表6所示的规律，即天丝、富强纤维和粘胶纤维伸直因子较高，丙纶和腈纶伸直因子较低，说明天丝、富强纤维和纤维粘胶梳理时容易伸直取向，而丙纶和腈纶不易伸直取向。

经过分析可知，纤维梳理时，分离因子Yl、梳断因子Y2、伸直因子Y4越大，纤维越易分离和伸直，不易出现梳断，这对梳理是有益的，即分离因子、梳断因子、伸直因子与梳理性呈正相关；而集束因子Y3越大，纤维越易集束，而不易分离，这对梳理是不利的，说明集束因子与梳理性呈负相关。

3.3 梳理性指数及分类模型

根据上述分析，可用Yl、Y2、Y3和Y4来描述纤维的梳理性，以各项主因子对应的特征值占总特征值的比例(即累积贡献率)为权重[11]，对4个主因子进行加权求和，可得到纤维梳理性综合评价函数Z，称其为梳理性指数，其计算方法如式(6)所示。

Z=Y1f1+Y2f2+…+Ymfm

(6)

按照4个主因子与梳理性能的相关关系，在集束因子Y3前加负号，可得：

(7)

基于该定义可知，梳理性指数越大，纤维的梳理性能越好。通过式(7)可对每个试样的梳理性指数进行计算，其结果列于表6中。不难发现，梳理性指数可反映不同纤维的梳理性能水平，相对而言，苎麻的梳理性指数较高，蚕丝类纤维较低；且大多数纤维的梳理性指数为负，说明纤维梳理都是有难度的。

从表6中Z值大小可得到不同纤维的梳理性指数分布，针对本文的纤维样品，其梳理性从易到难可分为5类：Ⅰ类(苎麻等：7#)、Ⅱ类(天丝、涤纶、粘胶纤维等：13#、12#、15#和14#)、Ⅲ类(维纶、锦纶、丙纶等：16#、20#、17#和19#)、Ⅳ类(各种棉纤维、羊毛等：5#、4#、3#、6#、1#、2#和18#)和Ⅴ类(桑蚕丝、柞蚕丝等：8#、11#、9#和10#)。该分类所表现的纤维梳理难易程度与实际纺纱梳理是吻合的，因此，可实现对纤维梳理性能的分类归属及水平评价。

4 结 论

1)提出了纤维梳理性能内涵的4个维度，其与纤维物理性能提取的主成分具有良好的对应关系，梳理性能的内涵为分离维、梳断维、集束维和伸直维的有机组合。研究表明，分离维、梳断维、伸直维与梳理性能呈正相关，集束维与梳理性能呈负相关。

2)建立梳理性4维度分量与纤维物理性能之间的相关关系，阐述了不同纤维梳理性存在差异的内因。以主因子累积贡献率为权重，建立可梳理性指数的计算模型，实现对不同纤维梳理性能的水平评价，梳理性指数值越大越有利于梳理。

3)提出了纤维梳理性分类模型，实现对纤维梳理性能的分类归属，提出了与梳理实践吻合良好、从易到难的纤维梳理性能分类实例。

FZXB

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