应用灰色聚类方法评价特种动物纤维综合物理性能

邢丽娟， 刘新金， 苏旭中， 曹秀明

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122； 2. 江苏阳光股份有限公司， 江苏 江阴 214426)

特种动物纤维具有优雅靓丽的光泽，柔软细腻的手感，其制品因吸湿性强，透气性高，弹性好，保暖性强等多种优良性能已作为高档绿色纺织原料进行开发研究[1]，但是动物纤维长度短，短绒率较高，长度及细度离散率大，开发高支纱仍存在很多的困难[2]，目前对特种动物纤维高支纱的开发仍是国内外学者关心的课题。

侯秀良等[3]对山羊绒的拉伸性能进行了研究；杨锁廷等[4]研究了牦牛绒拉伸细化后的产品性能；刘婵等[5-6]采用氧化脱色工艺对牦牛绒实现脱色。目前对驼绒纤维的研究主要集中在结构与性能，而对特种动物纤维物理性能指标的综合分析研究较少。本文以骆驼绒、山羊绒、牦牛绒为研究对象，测试表征纤维物理性能的各分项指标，利用灰色聚类方法对特种动物纤维物理性能指标作了综合分析，以期为特种动物纤维的开发提供参考。

1 纤维性能测试与对比分析

1.1 实验材料与仪器

实验材料：牦牛绒、山羊绒、骆驼绒均由江苏中孚达纺织科技有限公司提供。

实验仪器：BEION F10型全自动纤维细度仪(上海北昂医疗技术有限公司)，YG004型电子单纤维强力机(常州纺织仪器厂)，Y151SM 型纤维摩擦系数仪(常州第二纺织机械有限公司)，XCP-1 A型纤维卷曲弹性仪(上海新纤仪器有限公司)。

1.2 纤维性能测试

1.2.1纤维长度测试

采用纤维长度排图法测试毛绒散纤维的平均长度，从所取样品中抽取0.2～0.3 g毛绒纤维，剔除较粗、较长、易缠结纤维，右手捏紧纤维束平齐的一端，左手将纤维束最外端露出的纤维贴在黑绒板的左侧，从左到右轻轻拉出纤维，并将纤维平行于黑绒板的上侧贴服在黑绒板上，纤维束在黑色绒板上经过多次排列，使得纤维成为一端平齐，另一端从长到短的有序排列。纤维在排列过程中要求厚薄均匀，图形底边长25 cm左右[7]。

1.2.2纤维细度测试

使用纤维细度仪测试纤维的平均直径，每次测试纤维根数为1 800根，测试5次，取其平均值，线密度换算公式为

(1)

式中：d为纤维直径，μm；Ndt为线密度，detx；δ为纤维密度(取δ=1.32 g/cm3)。

1.2.3单纤维强力测试

采用电子单纤维强力机进行单纤维强力测试。试样夹持长度为10 mm，拉伸速度为10 mm/min，测试30次,取其平均值。

1.2.4纤维卷曲性能测试

使用纤维卷曲弹性仪测试纤维卷曲数、卷曲率和卷曲弹性率等性能。试样夹持长度为20 mm，加轻负荷为0.002 cN/dtex，重负荷为0.05 cN/dtex，测试20次，取其平均值。

1.2.5纤维摩擦性能测试

1.3 测试结果与分析

在相同环境下对9种纤维进行性能测试，结果见表1。

表1 纤维的物理性能指标Tab.1 Fiber physical performance indicators

由表1数据可得到：1)纤维长度排序(从长至短)为：黄骆驼绒、白骆驼绒、白山羊绒、青山羊绒、紫山羊绒、白羊羔绒、黑牦牛绒、青牦牛绒、脱色牦牛绒。纤维的长度直接影响纤维的加工性能和使用价值，纤维长度越长，短绒含量越少，所纺纱品质好。2)纤维细度排序(从细至粗)为：白山羊绒、紫山羊绒、青山羊绒、白羊羔绒、黄骆驼绒、白骆驼绒、脱色牦牛绒、青牦牛绒、黑牦牛绒。25 μm以上纤维含量为：青山羊绒1.24%、白山羊绒1.34%、紫山羊绒1.66%、白羊羔绒3.52%、脱色牦牛绒3.6%、黄骆驼绒4.27%、青牦牛绒6.45%、白骆驼绒6.82%、黑牦牛绒7.37%。毛绒纤维的细度不仅决定了成纱的细度、强力，还决定了织物的手感和性能，即在毛纤维相同长度下，纤维越细所纺的纱线支数越高，条干好，强力高，相应织物的各种特性也越好[8]。白羊绒最细，故可开发高支纱，且制成的织物柔软、轻薄。特种动物纤维需要分梳加工提取，可以更好地控制含粗率，提高纱线质量。牦牛绒和驼绒由于部分含有髓质层，含粗率高，羊绒纤维含粗较少。细度不匀率越大，成纱条干均匀度越差，驼绒纤维细度不匀率较其他纤维高，因为驼绒纤维沿生长方向两端粗细不匀，且驼绒纤维含有不同程度髓质层，致使细度不匀率增加。3)纤维强力排序(从高到低)为：黑牦牛绒、青牦牛绒、白羊羔绒、黄骆驼绒、白骆驼绒、紫山羊绒、白山羊绒、青山羊绒、脱色牦牛绒。强度是评定毛绒纤维的首要性质，影响着纺纱工艺配置。强度低，不宜作精纺用毛，且生产出的织物品质较低档。黑牦牛绒和青牦牛绒的强力较高，且单纤维强力是羊绒和骆驼绒的1.5倍左右，脱色牦牛绒的单纤维强力最低，主要是因为脱色处理过程中纤维受到一定程度的损伤使得强力降低。4)纤维卷曲性：纤维的卷曲使得纤维间的抱合力大大增加，因此，成纱强力提高，且卷曲性能好的纤维，织物的弹性也随之提高，织物的抗皱性和保暖性得以改善。一般纤维的卷曲数在25 mm长度内6～9个为宜；适当的卷曲率可提高纤维的可纺性，一般卷曲率在10%～15%之间为宜，卷曲率小于10%时则越大越好；此外，纤维的卷曲回复率较高，纤维受力后卷曲恢复能力好，因而其纺织品的弹性恢复性能优异[9]。脱色牦牛绒卷曲数最多，紫山羊绒最少，黑牦牛绒的卷曲率最大，紫山羊绒最少，故在纺纱加工中，紫山羊绒抱合性较差。5)纤维摩擦性能：纤维的摩擦性能与纱线的抱合力及织物的柔软度有关，纤维的摩擦因数越大，纤维之间的抱合力越大，利于纺纱的顺利进行。9种纤维中白山羊绒的摩擦因数最小，故纺纱过程中纱线抱合力较差，但制成的织物手感柔软、滑糯。

2 运用灰色聚类法的纤维性能评价

从表1可看出，9种特种动物纤维的物理性能在各指标下的表征不相同，很难根据单项指标对纤维物理性能进行综合评价，因此，需要采用数据分析的方法对纤维的物理性能进行综合评价，而灰色聚类分析可以较好地研究“小样本， 贫信息”的不确定性，因此，采用灰色聚类分析法对特种动物纤维的物理性能进行综合评价是比较合理的[10]。

记9种特种动物纤维为聚类对象i，以测试结果中的平均长度、长度不匀率、15 mm以下短绒率、线密度、细度不匀率、强力、卷曲数、卷曲率、卷曲回复率、摩擦因数为聚类指标j，将纤维的物理综合性能分为好、中、差三档，记为k1、k2、k3，即聚类灰数为S=3[11]。

2.1 矩阵的构建

聚类计算中所有数据均以正相关计入[12]，因此，以100/长度不匀率，100/短绒率，100/线密度，100/细度不匀率作为参数计入，行为聚类对象编号，列为相对应的纤维测试性能的指标测试值，将处理后的数据进行均值化无量纲处理，构成聚类白化矩阵xij9×13，结果见下式：

(2)

2.2 灰类白化函数的确定

定义j指标对k个灰类(k=k1，k2，k3)的区间，方法定义[13]如下：

表2 灰数白化区间表Tab.2 Interval of whiting of grey number

定义λjk为j聚类指标k子类的边界值，见式(3)。

(3)

2.3 标准权系数的确定

(4)

2.4 灰色聚类权系数的确定

聚类系数σik的确定是根据白化权函数和标准权系数确定，根据j指标k子类的白化函数和标准权系数处理聚类白化矩阵xij9×13，按式(5)计算i对象属于k灰类的灰色聚类系数σik，从而确定研究对象处于好、中、差类别的概率，聚类原则是择取每个行向量中值最大者，以此对应的灰类为所属类。σik值越大，对象处于某个类别的概率就越大。根据计算出的灰色聚类权系数构造聚类系数矩阵σik9×3。

(5)

(6)

从式(6)可看出，特种动物纤维物理性能综合评价处于好这档的纤维有：4#、7#、8#、9#，但4#纤维的灰色聚类系数比7#、8#、9#大，说明4#纤维落在第一档的概率比较大，即白山羊绒的性能好于白羊羔绒、白驼绒和黄驼绒。特种动物纤维物理性能综合评价处于中档的纤维有：5#、6#，即紫山羊绒和青山羊绒的物理性能在9种纤维中属于中等。特种动物纤维物理性能综合评价处于差这档的纤维有：1#，2#，3#即黑牦牛绒、青牦牛绒、脱色牦牛绒，但脱色牦牛绒纤维性能最差。

3 纺纱工艺实验

纱线性能取决于纺纱工艺的配置及纤维物理性能的好坏，采用四罗拉网格圈紧密纺分别纺制线密度分别为14.29 tex和20.83 tex的白山羊绒、黄骆驼绒和黑牦牛绒纱，对灰色聚类分析所评价的特种动物纤维综合物理性能的结果进一步验证。

3.1 纱线基本性能测试

3.1.1纱线拉伸性能测试

采用YG020 A型电子强力机测试纱线断裂强力和断裂伸长率等性能指标，测试30次，取其平均值。

3.1.2捻度测试

采用YG155 A型纱线捻度仪测试单纱捻度，设置实验方式为一次退捻加捻法，实验转速为1 500 r/min，试样长度为250 mm，测试30次，求其平均值。

3.1.3条干测试

采用YG133 B/M型条干均匀度测试仪测试单纱的条干均匀度。测试速度为200 m/min，测试时间为1 min，测试30次，求其平均值。

3.2 纺纱原理

四罗拉网格圈紧密纺是在环锭纺的基础上改进的，即在前罗拉和前胶辊前面加装异形管和引出罗拉及网格圈，形成吸风集聚装置，使纤维轴向集聚，减少加捻三角区，纺纱系统如图1所示。

1—引出胶辊； 2—异形管； 3—前胶辊； 4—中胶辊；5—后胶辊； 6—引出罗拉； 7—网格圈； 8—撑杆；9—过桥齿轮； 10—前罗拉； 11—中罗拉； 12—后罗拉。图1 四罗拉网格圈紧密纺装置Fig.1 Four-roller lattice apron compact spinning system

须条受到负压气流的作用，吸附到网格圈对应的吸风口处，并在倾斜于其运动方向的气流综合作用下，绕其自身轴向旋转，从而使纤维全部卷入纱体中，极大地降低了成纱毛羽，且强力得到提高[14]。对细纱机中胶辊开槽1 mm，形成滑溜牵伸，当纤维通过时，中罗拉与胶辊之间形成弹性握持，摩擦力界均匀分布，保证成纱条干。

3.3 纺纱工艺及纱线测试结果

纺纱方式采用四罗拉网格圈紧密纺，细纱机型号为JWF2506，根据特种动物纤维的物理性能，合理设置纺纱工艺参数，纺纱工艺设计见表3。纺制的纱线性能测试结果见表4。

表3 纺纱工艺设计Tab.3 Spinning process design

表4 纱线条干和拉伸性能Tab.4 Evenness and tensile performances of yarn

由表4可知：采用四罗拉网格圈紧密纺纺制的2种线密度的白山羊绒、黄驼绒、黑牦牛绒纱线，纺纱过程中合理设置工艺，纺制的2种线密度纱均是白山羊绒纱的强力、伸长率最高，条干均匀度最好，粗、细节及毛粒最少，黄驼绒纱的强力、条干仅次于白山羊绒，黑牦牛绒纱线的强力最低，条干最差。纱线的性能取决于纤维的综合物理性能和纺纱工艺的合理配置，由于白山羊绒纤维综合物理性能最好，纤维长度长，细度不匀率低，因此所纺纱线的性能最好。黄驼绒纤维内部含有髓质层结构，细度不匀率较高，纤维的综合物理性能仅次于山羊绒，因此在选择最优纺纱工艺的前提下，黄驼绒纱线性能次于白山羊绒，黑牦牛绒纤维的综合物理性能最差，黑牦牛绒纤维所纺纱线性能较差。

4 结 论

利用灰色聚类分析对9种特种动物纤维物理性能进行综合评价，可比较有效地协调各项指标，综合评价特种动物纤维物理性能。结果表明：白山羊绒纤维和驼绒纤维的物理性能优于其他动物纤维，脱色牦牛绒由于脱色过程中纤维受到损伤，因此综合物理性能最差；纤维的物理性能直接决定了纱线的物理性能，9种动物纤维的综合物理性能评价结果经江苏省中孚达纺织科技股份有限公司纺纱实验，进一步验证了灰色聚类分析对特种动物纤维综合物理性能评价的正确性。白山羊绒纤维纺制的纱线性能最好，黄驼绒纱线次之，黑牦牛纱线性能最差，灰色聚类分析结果为特种动物纤维的开发提供了参考。

FZXB