液态水沿纱线轴向传递及影响因素的探讨

闫小兵,冯萌雨,张一心

(西安工程大学,陕西 西安710048)

纤维集合体的润湿行为是一个受很多复杂因素影响的过程,其中受到较多物理、化学等因素的影响[1-2],因此对整个导湿过程的模型化建立存在很大的难度[3]。液体在纤维集合体中的导湿行为可以涉及到很多应用领域,诸如织物的染色、过滤液体等,国内外研究者对芯吸领域不断深入研究且提出了许多新的假设,并建立了很多不同的纤维集合体导湿模型[4-6]。本文通过试验了解液态水在纱线中传递的方式及路径,对其整个芯吸过程进行客观的描述,从纱线细度、结构、组成、捻度4个方面研究了环锭纺和转杯纺单纱的湿传递性能,为液态水沿纱线轴向传递及影响因素的研究提供一些理论参考。

1 试验部分

1.1 材料及准备

试验材料采用纱线线密度为19.437、14.578、11.662 tex纯棉梭织用环锭精梳纱;14.578 tex和11.662 tex的梭织用转杯纺纯棉纱以及11.662 tex涤棉混纺纱。试样先按标准步骤进行煮练,以去除棉纤维中的天然蜡质和纺纱中加入的油剂等,然后先热水后冷水进行冲洗,以去掉残留的煮练剂;试样在空气中干燥24 h以上。另准备大烧杯、直尺、铁架台、蓝色墨水、夹子、温度计等试验用具。

1.2 试验仪器

手动捻度仪,MDI数码生物显微镜;佳能SX10CCD传感器,有效像素1 000万,光学变焦20倍,数码变焦4倍,最高分辨率3 648×2 736,短片拍摄640×480(帧/s)。自己搭建毛细管效应测试装置,如图1所示。将纱线固定好一端,另一端放入有色液体中,记录每秒钟的芯吸高度值。

图1 纱线芯吸性能测试装置

1.3 试验方法

准备好一个盛有蒸馏水的大烧杯,染色的相关选择先要通过对织物的吸附试验来确定。经试验,发现蓝色墨水对织物芯吸的效果基本没有影响,而用亚甲基蓝等有机染料,则会出现明显的染色层与吸湿的水层分离,故试验选择微量蓝墨水为色料。先将直尺垂直于烧杯上方,与烧杯内原有液面有一定距离;然后往烧杯中缓缓加入有色液体,在液体接触到纱线的瞬间,开始按秒计时和摄像。每组6根纱线,试验时间为30 min,测10组,取平均值。

2 结果与分析

2.1 纱线的细度对液态水沿纱线轴向传递的影响

分别对19.437、14.578、11.662 tex的纯棉环锭纺单纱做芯吸试验,分别测试在300 s和30 min内的芯吸高度和芯吸速率的变化规律,每组每隔5 s记录一次芯吸高度值,测10组,然后取平均值。图2(a)是300 s内液态水芯吸高度随时间的变化趋势;图2(b)是300 s内液态水芯吸速率随时间的变化趋势;图3(a)是30 min内液态水芯吸高度随时间的变化趋势;图3(b)是30 min内液态水芯吸速率随时间的变化趋势。

图2 300 s内液态水沿纱线轴向传递变化趋势图

从图2(a)可以看到:在300 s内,3种不同细度相同结构的纯棉环锭纱芯吸高度随着时间的增加不断升高,但是并没有随着纱线细度的增大而增高,却呈现出了19.437 tex的芯吸高度高于14.578 tex而低于11.662 tex。图2(b)可以看出:11.662 tex的纱线在第5 s就已达到最高的芯吸速率,之后随时间的增加而减小;而19.437 tex与14.578 tex的纱分别于第30 s和第40 s时达到最高芯吸速率,但在第325 s,3种纱线的速率有着相同的趋势。

图3(a)与图2(a)所呈现的变化趋势并不相同。14.578 tex的纱在第5 min到第6 min时,芯吸高度超过19.437 tex纱的芯吸高度,并于第9 min再次超过11.662 tex纱的芯吸高度。在第24 mim时,三者芯吸高度基本达到定值。理论上,三者的芯吸高度应该按细度的大小顺序排列,但所测结果则是细度为14.578 tex纱线的芯吸高度大于19.437 tex和11.662 tex。这是因为纱线线密度越大,虽然毛细管会越多,可增强纱线的芯吸作用,但是,毛细管内部纤维排列状态也会变得复杂,造成毛细管的不连续性,便不利于芯吸;而当纱线线密度越小时,纱线排列紧密,使得毛细管尺寸变小,同样不利于芯吸。此试验结果表明评价纱线芯吸性能应将短时效果和长时效果同时进行考量。从图3(b)可以看出:初始芯吸速率最快的是11.662 tex,其次是19.437 tex和14.578 tex,第6 min时,可以看到芯吸速率开始明显降低,之后三者速率随时间的变化而逐渐接近。从上面的数据可以看出:芯吸高度比芯吸速度有着更高的区别度,而芯吸速度适合短时间内的评判。

图3 30 min内液态水沿纱线轴向传递变化趋势图

2.2 纺纱方式对液态水沿纱线轴向传递的影响

在相同条件下,分别对11.662 tex和14.578 tex的环锭纺和转杯纺进行纱线垂直芯吸试验,每组4根,测10次,取平均值。其中图4(a)是300 s内液态水芯吸高度随时间的变化趋势,图4(b)是300 s内液态水芯吸速率随时间的变化趋势,图5(a)是30 min内液态水芯吸高度随时间变化的趋势,图5(b)是30 min内液态水芯吸速率随时间的变化趋势。

由图4(a)可以看出:在纱线芯吸的前300 s内,11.662 tex的环锭纺单纱和转杯纺单纱芯吸高度基本保持一致,而14.578 tex的环锭纺单纱的芯吸高度高于14.578 tex的转杯纺单纱芯吸高度。由图4(b)可以看到:11.662 tex的环锭纺单纱前15 s内的芯吸速率高于其他3种纱线,但是在20 s后,11.662 tex转杯纺单纱的芯吸速率高于其他3种纱线,且速率降低幅度也较大,而14.578 tex的转杯纺单纱和精梳纺单纱芯吸速率在50 s之后变化基本很小,说明这2种纱线内部空隙较为均匀。

图4 300 s内液态水沿纱线轴向传递变化趋势图

在图5(a)中,虽然11.662 tex的2种单纱在前9 min的芯吸高度均高于其他2种,但11.662 tex转杯纺单纱在8 min左右时已经基本达到芯吸平衡,说明纱线内部的毛细管过于纤细。一般来说,细管直径越小越能增加毛细压力,越能使液态水更快地进入纱线的毛细孔,即紧密纱的毛细高度在任何时候都应该高于环锭纱。但是,过于细小的毛细管会产生减慢液体上升的阻力,在紧密纱的毛细管中就可能出现这种效应,这说明存在一个使水快速进入纱线孔隙的最佳毛细尺寸。当孔隙大于最佳尺寸时,毛细压力低会使液体上升速度减慢,因此,过小或过大的孔隙都不利于快速芯吸,故芯吸效果不如同细度的环锭纺单纱芯吸效果好。再次出现的交叉上升现象表明:纱线的结构对芯吸效果的影响是复杂的,在建立评价体系时应短时与长时效果同时考量。图5(b)为30 min内液态水沿纱线芯吸速率随时间变化的趋势图,图5(a)中可以明显看到细度高的2种纱线虽然纺纱方式不同,但是,芯吸速率的变化却基本相同,而14.578 tex的2种纱芯吸速率变化有较大的区别。从图5中可以看出14.578 tex的转杯纺纱线内部孔隙较为均匀,芯吸速率基本不产生较大变化。

图5 30 min内液态水沿纱线轴向传递变化趋势图

2.3 纤维组成对液态水沿纱线轴向传递的影响

在相同的试验条件下,对同细度的混纺纱与纯棉纱做芯吸试验比较,测10组,取平均值。其中图6(a)是300 s内液态水芯吸高度随时间的变化趋势,图6(b)是300 s内液态水芯吸速率随时间的变化趋势,图7(a)是30 min内液态水芯吸高度随时间的变化趋势,图7(b)是30 min内液态水芯吸速率随时间的变化趋势。

图6(a)可以看出:纯棉纱芯吸高度基本相同,而混纺纱从125 s开始芯吸高度超过纯棉纱,并有持续爬高的趋势;图6(b)中混纺纱的初始芯吸速率不及纯棉纱的初始芯吸速率。但混纺纱300 s内总体的芯吸速率变化较纯棉纱慢,在90 s后,混纺纱的芯吸速率一直处于纯棉纱的上方。

图7(a)可以看出:2 min后的混纺纱芯吸高度较纯棉纱有了很明显的提高,这主要是因为混纺纱中,纤维之间所形成的通道阻力小,而纯棉纱形成的通道内情况较为复杂,通道阻力较大,所以导致混纺纱芯吸高度优于纯棉纱。图7(b)中三者总体上芯吸速率相差不大,说明纱线组成对芯吸的速率来说没有太大影响,只对芯吸高度有较大影响。

图6 300 s内液态水沿纱线轴向传递变化趋势图

图7 30 min内液态水沿纱线轴向传递变化趋势图

2.4 捻度对液态水沿纱线轴向传递的影响

用Y331捻度仪分别对纯棉纱进行加捻和退捻,在退捻过程中发现,当捻度过低时,纱线会解体,故将纱线捻度最低限定在300 TPM。因此,在捻度为300、400、500、600、700、800 TPM 时对环锭纱和转杯纺纱进行芯吸试验,根据芯吸后纱线的平衡芯吸高度与捻度的关系,绘制图8。

图8 不同捻度下纱线的芯吸高度

由图8可以看出:对于3种环锭精梳纱和2种转杯纺纱,都存在一个临界捻度,当纱线的捻度大于或者小于该捻度时,纱线的平衡芯吸高度会随着捻度的变化而降低。因此,捻度对纱线芯吸性能的影响,应该也是由于纱线内部毛细管道的变化而变化的。当纱线捻度变小时,纱线内部纤维间的毛细管尺寸会变大;相反,当捻度增加时,纱线内部纤维间的毛细管孔径会变小,只要变化的孔径大于或者小于最佳的芯吸尺寸,那么芯吸效果都会减弱。

2.5 6种纱线的芯吸回归方程及相关系数

表1是30 min内6种不同纱线的芯吸高度与芯吸时间的对数回归方程,根据计算得到的相关系数可以看出,芯吸高度与芯吸时间的相关系数均接近1,说明两者有明显的相关性。

表1 6种纱线30 min内芯吸高度与芯吸时间的对数回归方程

3 结语

从纱线细度、结构、组成、捻度等4个方面研究了环锭纺和转杯纺单纱的湿传递性能,由试验结果分析可知:纺纱方式对纱线的芯吸性能影响显著,14.578 tex的环锭纱芯吸性能最好,14.578 tex的紧密纱芯吸性一般。单纱的纤维组成对纱线芯吸影响较大,11.662 tex的混纺纱芯吸性能明显高于11.662 tex的纯棉纱。各种结构的纱线理论上都存在一个最佳捻度,当纱线捻度小于或者大于该捻度时,纱线达到的芯吸平衡高度就会随捻度的变化而减小。根据30 min内6种不同纱线的芯吸高度与芯吸时间的对数回归方程的相关系数可以看出,芯吸高度与芯吸时间的相关系数均接近1,说明两者有明显的相关性。