纱线断裂功对经编织造性能的影响

张灵婕， 缪旭红

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

经编织物具有独特的风格和性能，其身骨、弹性、尺寸稳定性、保形性、悬垂性等介于机织和纬编织物之间，不易脱散。目前棉纱在机织及纬编织物上已有广泛应用，而经编对纱线的强力要求较高，以往大都采用合成纤维长丝，棉纱应用较少，限制了经编产品类型及应用。经编装备、控制系统[1-2]和新型纺纱技术[3]的发展，为棉纱在经编机上的高速生产提供了可能。近年来，消费者越来越追求天然纤维制品，因而棉经编织物生产及开发引来越来越多的关注及探索。虽然经编装备以及纱线质量有所提高，但相比涤纶而言，棉纱在经编机上生产难度仍较大。很多人针对此问题进行相关研究：如国外很多学者对经纱动态运动进行研究[4]，并对其运动过程进行模拟[5-6]；胡瑜等[7]研究经纱织造对纱线损伤情况的影响；张灵婕等[8]针对经编机张力补偿装置进行了研究。另外相关学者也针对棉纱在经编机上的织造工艺[9]、纱线性能[10]等进行探讨：刘行等[11]针对纱线张力测试方法进行探索，并提出相关的评价方法[12]。从以往研究结果来看，棉纱以及涤纶在经编织造中的张力远小于纱线断裂强力。目前还没有学者对棉纱与涤纶的经编张力进行对比研究，也没有结合纱线断裂功[13]进行纱线张力的研究。本文通过对棉纱及涤纶进行经编织造张力以及纱线断裂性能测试，根据测试数据计算纱线张力做功以及纱线断裂功。在经编织造过程中除张力作用外，纱线还受到与机器部件以及纱线间的摩擦及空气阻力等作用，与张力值相比相差较大，且受力较为复杂。为简化分析，忽略摩擦作用，通过实验对棉纱与涤纶的织造张力、张力做功及断裂功的关系进行研究，探讨断裂功对经编织造性能的影响，为棉纱的经编织造提供一定的理论参考。

1 实验部分

1.1 仪器和原料

仪器：TM4-EL型高速特里科经编机(E28)，江苏润源控股集团有限公司；TS1-200-A2-CE1型张力仪，德国Schmidt有限公司；SCM01型四通道声振分析仪、LMS Test.Lab软件，比利时LMS公司；YG061-1500型电子单纱强力测试仪，北京北信科仪分析仪器有限公司。

原料： 原料1为14.58 tex 长绒棉集聚纺棉纱；原料2为9.72 tex 集聚赛络纺棉纱；原料3为 8.33 tex(72 f)涤纶；原料4为6.11 tex(24 f) 涤纶高弹丝(PBT)，仅用于后梳织造。

1.2 实验方法

1.2.1张力测试

选用张力仪、四通道声振分析仪同步采集张力和主轴信号，再用LMS Test.Lab软件配套进行信号处理分析，搭建完整的动态张力测试系统。实验时以高达 1 kHz 的采样频率进行张力采集，采集时间为30 s，目的是测试棉纱以及涤纶的织造张力。为避免机器、梳栉位置等因素造成的数据差异，选择在同一台机器上进行测试。实验时，尽量选择在相同位置对纱线进行数据采集。张力仪使用配套支架固定如图1 所示，按仪器标注的缠绕方向固定纱线。调整张力仪倾角与纱路保持一致。

图1 张力仪固定位置Fig.1 Position of tension sensor

工艺参数的设置尽量保证各纱线一致。在送经量设置上针对织造情况稍作调整，整体上保证织造情况以及产品质量稳定，即调整为适合生产的状态进行实验。待机器运行稳定后开始张力测试。织造时选择2把梳栉对称垫纱，前梳GB3分别使用原 料1～3，后梳GB4使用原料4进行织造。实验条件及参数设置如表1所示。实验在温度为25 ℃，相对湿度为65%条件下进行。

表1 织造参数Tab.1 Parameters of knitting

注：机上纵密为21横列/cm；测试机速为1 000 r/min。

1.2.2纱线拉伸性能测试

采用电子单纱强力测试仪对纱线进行拉伸断裂实验。依据GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定(cre 法)》，设置测试温度为(25±2)℃，湿度为(65±2)%，纱线夹持距离为250 mm，拉伸速度为 500 mm/min，预加张力为0.5 cN/tex，分别对原料1～3进行10次拉伸断裂测试，得到纱线的伸长与强力关系曲线，根据测试得到的伸长与强力值计算纱线断裂功。

1.2.3纱线张力做功量计算

经编织造过程中，纱线从经轴1退绕，依次经过导纱杆2，分纱筘3，张力杆4，导纱梳5，具体路径如图2所示。

图2 经纱纱路图Fig.2 Route of warp yarn

纱线从经轴1上退绕到编织成圈一直受到张力作用，在张力作用下纱线产生伸长，因此可以认为，张力对纱线做功。由于经编机张力杆4的作用，纱线经过张力杆4前后张力大小会有较大差异，所以单循环内质点受张力作用可看成2个阶段：第1个阶段是从经轴1退绕经过导纱杆2，分纱筘3到达张力杆4，简称x段；第2阶段是从张力杆4到导纱梳5，简称y段。则从经轴1到导纱梳5，简称z段。分别对x和y段的纱线进行张力测试。纱线张力累积做功计算公式为：

Δl=FE,l=L480,n=Sl

w=∫Fdl,W=nw

式中：Δl为纱线伸长量，mm；F为纱线张力，cN；E为纱线模量，cN/mm；L为纱线送经量，mm/腊克；n为指定纱段内成圈循环数；S为纱段长度，mm；l为单个线圈长度，mm；w为指定纱段单循环张力做功，cN·mm；W为指定纱段纱线张力累积做功，cN·mm。

则本文实验条件下纱线张力做功计算公式可表示为:

Wx=Sxlwx，Wy=Sylwy

Wz=Wx+Wy

式中：Sx为x段纱线长度；Sy为y段纱线长度；Wx、Wy分别为x段和y段内纱线张力累积做功， cN·mm；wx、wy分别为x段和y段单循环张力做功，cN·mm；Wz为z段内纱线张力累积做功，cN·mm。

1.2.4纱线断裂功计算

纱线在拉伸力作用下不断伸长最终断裂，这个过程中拉伸力对纱线所做的功叫纱线断裂功，其计算公式为

Wd=∫fdls

式中：Wd为纱线断裂功，cN·mm；f为纱线所受拉伸力，cN；ls为纱线受拉伸力作用下的伸长量，mm。

2 结果与分析

2.1 张力测试结果

对实验采集的张力数据进行处理，得到相应的最大值、最小值、均值、标准差及CV值如表2所示。可知，x段3种纱线张力水平较小且较为接近，对经编织造影响较小，因此，重点对y段张力进行分析。此前的研究理论认为，由于棉纱与涤纶之间因强力以及伸长性能的差异，导致棉纱在织造过程中纱线张力波动大，承受能力低，进而影响棉纱织造，在此阶段发生断纱。从表2所示结果可以看出，棉纱张力平均值及最大值大于涤纶，但也远远小于纱线断裂强力。从标准差结果来看，3种纱线结果差距较小，理论上意味着3种纱线张力基于平均值的浮动值接近；从CV值来看，涤纶相比其他2种棉纱更大，也就是说涤纶张力整体上相较平均值的波动程度反而比棉纱大。

表2 纱线张力Tab.2 Tension of yarn

纱线y段直接反映纱线张力随成圈运动的变化，因此，对此段纱线进行角度域转化，对单循环张力数据作图，得到棉纱与涤纶随主轴角度变化的张力曲线，如图3所示。比较棉纱和涤纶的张力曲线发现，纱线张力随主轴角度变化趋势一致，说明纱线张力单循环内主要受成圈动作影响。从单循环张力曲线难以得出棉纱张力与涤纶张力波动存在较大差异这一结论。

图3 纱线张力随主轴角度变化曲线Fig.3 Curve of yarn tension change with spindle angle

2.2 纱线断裂功测试结果

图4示出纱线张力与伸长曲线。可以看出，选用的棉纱与涤纶的断裂强力差别较小，而断裂伸长相差很大：14.58 tex棉纱(原料1)断裂强力为 259 cN，断裂伸长约为16.48 mm，初始模量约为 16.21 cN/mm，断裂功为2 150.41 cN·mm； 9.72 tex棉纱(原料2)断裂强力为255 cN，断裂伸长约为 16.57 mm，初始模量约为15.36 cN/mm，断裂功为 1 972.69 cN·mm； 8.33 tex涤纶(原料3)断裂强力约为250 cN，断裂伸长约为 35.34 mm，初始模量约为25.98 cN/mm，断裂功约为 7 151.28 cN·mm。

图4 纱线伸长与强力曲线Fig.4 Elongation-strength curve of yarn

2.3 张力做功计算结果与分析

无论棉纱还是涤纶，纱线张力均未超过其初始模量对应的纱线强力值，因而纱线模量选用其初始模量进行计算。通过实际测量得到，Sx长度约为 1 154 mm，Sy长度约为700 mm。

表3示出纱线张力做功及断裂功。从结果发现，3种纱线张力做功总和小于纱线断裂功，因此，纱线可用于经编织造。棉纱张力做功值虽小于其断裂功，但二者差值和涤纶张力做功与断裂功之间的差值相比要小很多。综合摩擦力、空气阻力等其他影响经编织造性能的因素后，棉纱整体上表现为处于即将断裂的边缘。

表3 纱线张力做功及断裂功Tab.3 Tension and rupture work of yarn cN·mm

3 结 论

为更深入认识经编织造对纱线力学性能的要求，本文从纱线张力做功以及纱线断裂功角度进行实验研究。结果表明，纱线张力从经轴退绕到导纱梳阶段累积做功小于纱线断裂功，认为这可以作为纱线是否符合经编织造要求的初步判定指标。与涤纶相比，棉纱张力做功与其断裂功差值要小很多，由此认为纱线断裂功与其织造张力做功差值大小可用来衡量纱线经编织造能力的大小，差值越大纱线经编织造适应能力越强。

在经编织造过程中纱线除受到张力外，还受到摩擦力、空气阻力等作用，但认为与纱线张力相比其作用力较小且受力复杂，因而本文忽略摩擦力、空气阻力等其他因素对纱线经编织造性能的影响。下一步将对本文研究结果进行验证，并考虑摩擦力、空气阻力等因素对经编织造性能的影响做进一步研究。

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