等汇聚点与非等汇聚点的复合纺纱技术进展

2021-01-06曹吉强于伟东杜赵群

毛纺科技 2020年6期

曹吉强，于伟东，杜赵群

(1.东华大学纺织学院，上海 201620； 2.新疆大学纺织与服装学院，新疆乌鲁木齐 830046；3.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

环锭纺是应用非常广泛的纺纱方法。20世纪30年代已经出现基于环锭纺的复合纱，Joseph[1]发明了短纤维/短纤维复合纱。复合纺纱线相关研究表明，其合股纱可作为床单、织带、针织、编织、皮带、绳索等用纱[2-3]。到20世纪50年代末，长丝/短纤维复合纺纱出现。1986年，国际羊毛局(IWS)提出了在Sirospun纺纱系统中将长丝与粗纱条平行喂入汇聚加捻成纱技术[4]，文献[5-6]研究了短纤维/长丝的Sirofil纺。作为纤维纱线技术专刊申请量居国内主要高等院校首位的东华大学[7]，在21世纪初由于伟东教授领衔的纺织材料与技术和纤维软物质(Textile Materials Technology & Fibrous Soft-matter,TMT-FSM)团队研究了自然汇聚点[8-10]多轴系的复合纺纱机构，发明了有关等汇聚点[11-12]与非等汇聚点[13-15]的复合纺纱专利，对该技术的轴系有效数及变化形式作了理论阐述。本文以设计研制实用复合纱机构为基础，阐述以轴系数和成纱结构排列分类复合纱，实现了提升纤维可纺性、改变成纱性能与复合纱功能化，可为复合纺纱技术的应用与创新提供范例和依据。

1 复合纺纱方式及对成纱结构和性能的影响

1.1 复合纺纱方式

在环锭细纱机的牵伸区喂入2组纤维：粗纱须条和长丝束，当其从前罗拉钳口输出时，粗纱须条和长丝束加捻汇聚而纺成纱。2种汇聚方式受力示意图见图1。其为典型的对称与不对称的二轴系复合纺纱，中间粗线是添加的三轴系复合纺在汇聚点O的受力示意图，其中，F1、F2为组分张力；W1、W2为组分轴系间距；β1、β2为组分汇聚角；M1、M2为组分扭矩。与过O点垂线严格对称的汇聚(β1=β2)为对称汇聚，见图1(a)；而喂入的丝束或须条线密度或张力各异，为不对称汇聚(β1≠β2)，见图1(b)；若中间粗线(三轴系)左右摆动，则仍为不对称纺纱。因此，复合纺可引入多(大于等于2)轴系来满足环锭纺成纱结构的多样性、高性能及功能智能化。

图1 2种汇聚方式受力示意图

1.2 工艺参数对成纱结构和性能的影响

纱线的结构、性能和纺纱生产效率受纺纱工艺参数的影响。主要包括4个工艺参数：轴系间距(W)、汇聚点高度(H)、张力(F)、须条线密度(Nt1)和长丝线密度(Nt2)，线密度直接决定成纱结构。其他因素还包括：相关研究提出的钢丝圈尺寸、导纱钩孔径、影响汇聚点不稳定的线密度不匀等[16-18]。

1.2.1 轴系间距

纺纱的轴系间距影响组分间距，而组分间距的大小是影响汇聚点、成纱结构和性能的重要因素之一。轴系间距(W)是一个独立的参数，若W1=W2，则沿图1中心线方向对称；若W1≠W2，则沿图1中心线方向不对称，即若β1=β2，则沿图1中心线方向对称；若β1≠β2，则沿图1中心线方向不对称，纱线会根据轴系间距(W)不同，呈现出不同的内部结构。轴系间距(W)与汇聚点高度(H)成正切关系，W1,2=H·tanβ1,2。纺包芯纱时，以一定张力长丝为芯，并位于短纤维须条正中或两边上，可被短纤维须条包覆。

1.2.2 汇聚点高度

汇聚点高度(H)是变量，当F1=F2自然汇聚时，汇聚点的位置取决于捻度，即捻回角(β)和轴系间距(W)，即H=W1,2/tanβ1,2，捻回角(β)由轴系间距造成汇聚点的对称或不对称，由轴系间距(W)与汇聚点高度(H)可确定实际捻回角和捻度(Ttex)的关系式：

式中：β为捻回角，(°)；d为纱线直径，mm；Ttex为纱的捻度，捻/(10 cm)。

在实际加工中锭速和前罗拉线速度有关，即须条输出速度决定捻度的大小和汇聚点高度。若前罗拉速度(v1)大，锭速(v)不变，汇聚点位置降低，汇聚点不稳定增大。而锭速变化，纱线张力(F)、汇聚点夹角、扭矩(M)、捻度等均发生改变。锭速增加时，捻度增大，张力亦增加，汇聚点位置上移，在加捻扭矩(M)作用下，捻度向上传递，复合特征纱线强力增大。

1.2.3 张力

纺纱中，尤其是长丝/短纤维复合纺时，因二者粗细不同，所受张力F也不同，F大者被包缠，而F相同并不一定对称，而是线密度大者被包缠；若F1=F2，且线密度相同，则沿图1中心线方向对称。二轴系只有1个汇聚点，且为自然汇聚，为二者不同偏向的互扭成纱。三轴系可有2个汇聚点，此时是非自然汇聚，即2个汇聚点高度不同(非等汇聚点)。由此，利用双须条对称喂入，而长丝束以低张力或欠喂，可实现呵护碳纤维的或形状记忆高弹纱的纺纱[19-20]。对二轴系的复合纺可调节长丝张力，使长丝束与短纤维须条包缠互换，实现等模量的纱体，在受力下汇聚点完成结构变换，克服剥皮现象，可变为更柔弹，也可变为强韧的复合纱，以适应于不同性质纤维的纺纱继而实现成纱的高弹性、舒适化等功能。特别是在须条线密度(Nt1)和长丝线密度(Nt2)差异无法改变的情况下，调整张力(F)，是最方便快捷的调控方式。对于汇聚点第一成纱段的张力，有待进一步的定量分析。

1.2.4 线密度

纱线张力(F)不同，汇聚点位置不同，当纱线组分粗细不同时，需引入第4个因素线密度(Nt)，即须条线密度(Nt1)和长丝线密度(Nt2)。在加捻张力(FT)作用下，纤维须条和长丝，各自走最短路径完成自然汇聚，早期的多轴系复合纺纱基本都是如此。当F1=F2的自然汇聚时，线密度(Nt)大者被包缠；当纺长丝与短纤维复合纱时，通常长丝偏细，须条包缠长丝一定要加张力(F)。依此原则，通过对须条和长丝粗细的选择和张力的相配选择，可实现对称复合纺，否则须加入人工强迫的定点汇聚；若要使长丝和短纤维张力(F)相同，应使用较粗的长丝，但又失去了复合纺意义；而不对称汇聚则会出现包缠效果，粗纱一般为被包覆的芯纱。结合轴系、须条和长丝细度、硬挺度和排列选择，可控制汇聚点的位置，进而纺成不同结构的复合纱。Nt1+Nt2等于复合纱线密度(N)。

由此可知，轴系间距(W)可调节汇聚点位置的高度(H)，张力(F)和线密度(Nt)可以调节汇聚的角度。在三轴系纺纱过程中，若捻度(Ttex)不发生变化，轴系间距(W)变大，会产生上传捻度(TUp)增大，即第1个汇聚点以上的捻度增大，通常纺纱第1个汇聚点以上的捻度是极小的。

2 等汇聚点复合纺纱技术进展

等汇聚点只有1点，Sirospun纺纱系统是等汇聚点与非等汇聚点多轴系复合纺纱的原型，二轴系与三轴系可通过分层、包缠、包芯和互扭结合，即2+2，2+3，3+3组合，可实现大于等于四轴系的复合纺，本文主要研究二轴系和三轴系复合纺纱技术。而大于六轴系，一是成纱变粗；二是变为等汇聚点的自然行为。

2.1 二轴系的对称与不对称纺纱

二轴系对称与不对称复合纺纱方法[21-22]见图2。

图2 二轴系对称与不对称复合纺纱方法

2.1.1 对称纺纱

Sirospun纺和长丝/短纤维复合纺为单一或双组分的等汇聚点纺纱。二轴系成纱结构有互绞或包芯分层结构及不对称包缠的等模量结构，见图2(a)。Sirospun纺多为单组分须条间的对称互扭等汇聚点纺纱系统。为在汇聚点得到对称互扭结构效果，丝束或短纤维须条一般是相同粗细、相同组分质量的；为得到包芯或包缠，一般用同轴或用细度仅为须条的1/10的长丝束，相当于长丝螺旋中心轴与须条同轴；若要得到不对称互绞，只需调节长丝的张力。

2.1.2 不对称纺纱

不对称互绞或包缠的复合纺是较普遍使用的。作为发明专利[21-22]，一种二轴系长丝互动等喂复合纺纱装置，可用于长丝变位包缠和同轴包芯的复合纺纱，以及长丝束或细纱在短纤维须条左右移动时，可周期或非周期性的变角度包缠而使该复合纱呈不同的光学效应；二轴系互动间歇式超喂复合纺纱装置，见图2(b)，可用于变位的间歇式超喂或等喂的包缠复合纺，而使复合纱呈不同的竹节效应。

2.2 三轴系的对称与不对称纺纱

三轴系对称复合纺纱方法见图3。其中等汇聚点三轴系的不对称复合纺较为普遍，除其中一轴在中轴线上外(见图2)。三轴系等汇聚点的成纱是分层结构，为呵护式纺纱或高弹复合纱纺纱，常用的三轴系复合纺纱也有相关研究，如通过控制各轴系纤维体的各轴系的位置、张力和复合比，获得3种成纱结构：类股线、包芯纱和包缠纱结构[23]。一种对碳纤维对称保护的三轴系复合纺纱工艺[19]，见图3(a)；一种高弹力复合纱的纺纱工艺及其设备[20]，见图3(b)；一种短纤维束对称包覆刚性纤维长丝的纺纱装置及方法[24]，见图3(c)，可以保证碳纤维不受损伤，为呵护式纺纱；实现了化纤长丝包覆刚性纤维长丝[25]，可解决碳纤维加工脆断问题。

图3 三轴系对称复合纺纱方法

3 非等汇聚点复合纺纱技术进展

非等汇聚点不同于等汇聚点的自然汇聚，是受控汇聚，故该点须握持。非等汇聚点一般是不对称的，对称只是个例(见图2)。三轴系有2个汇聚点，且多不在同一水平线上，本文只介绍三轴系不对称纺纱，四轴系纺纱亦有对称和不对称之分，本文只讨论四轴系对称纺纱。对大于六轴系的复合纺纱技术可以采用二到四轴系组合。

3.1 三轴系的不对称纺纱

非等汇聚点的轴系不对称复合纺纱技术是复合纺纱技术的基本形式，国内外亦有相关研究。樊理山等[26]研究了三组分长丝与短纤维复合纱线的生产原理；陈征兵等[27]研究了毛纺织行业新型环锭纺纱技术中加捻三角区的改进问题；Matsumoto等[28]提出了环锭纺细纱机上的三短纤维须条复合成纱方法。于伟东等[13-14]研究环锭纺非等汇聚点复合纺纱技术，如非对称分束展丝的非等汇聚点纺复合纱及其应用，可用于对超短、易掉屑、易飞花纤维和偏短、偏弱回用纤维的保护式、柔软光洁、高支化的复合纺纱。三轴系不对称复合纺纱方法如图4所示。

图4 三轴系不对称复合纺纱方法

图4(a)为一种易掉屑短纤维的三轴系非等汇聚点复合纺纱装置及呵护式纺纱方法[29]，易掉屑木棉须条与长丝束在前罗拉钳口输出后的第1汇聚点A处加捻复合形成加捻结构段，再在第2汇聚点B处与棉须条加捻复合而减少毛羽并增强纱体，形成三轴系复合纱。该技术有效控制了木棉掉屑量。

图4(b)三轴系不对称复合纺纱方法[30]用于羊绒、羊毛二须条和氨纶丝的三轴系非等汇聚点(A、B)的复合纺纱，最终形成羊绒覆盖率高且羊绒不易剥离，又具有高弹形状记忆的复合纱。由于羊毛纤维既与氨纶丝有很好的抱合力，又与羊绒有优异的交互作用，故可稳定成纱结构，又可在羊绒含量较低时充分展现羊绒特性。同理，该机构也可用于木棉纺纱，外层是棉，中间层是木棉，芯纱是弹力丝或弹力纱，这样既完全呵护木棉纤维，达到成纱的完全防掉屑，又增加了成纱弹性。

图4(c)三轴系不对称复合纺纱方法[31]是将刚性的金属丝通过螺旋轨迹转变为弹性纤维，并在其外层包覆舒适的天然纤维，形成包芯结构的有捻须条，并包缠在弹力丝上，形成2根长丝1根短纤维的高弹形状记忆的复合纱。其第1汇聚点A较为隐蔽，须条的加捻三角区；第2汇聚点B为包缠成纱点。纺制的智能功能复合纱可用于声子吸收、反波原理的电磁屏蔽、产业用、服装、家用纺织品、可穿戴柔性传感器等[31-33]。

3.2 四轴系的对称纺纱

四轴系对称复合纺纱，最典型的是徐卫林等[34]研究的“嵌入纺”技术，四轴系非等汇聚点对称(嵌入式)复合纺原理图见图5。第1级复合汇聚点为C1、C2；第2级即最终复合汇聚点为C，该技术设计合理，但在C1、C2点必须具有握持机构，若无握持机构，四轴系会遵循自然汇聚原则变为等汇聚点，即只有1个汇聚点C，这也是该复合纱综合性能难以提升的根本原因。另外，在无握持机构情况下，最有效方式是提升C1、C2的位置，须条进入三角区，即变为包芯纺。