空心锭包覆纺纱的芯纱残留捻回及其应用

敖利民， 楼 焕， 唐 雯

(1. 嘉兴学院 材料与纺织工程学院， 浙江 嘉兴 314001； 2. 上海工程技术大学 纺织服装学院， 上海 201620；3. 嘉兴学院 商学院， 浙江 嘉兴 314001)

空心锭包覆纺纱是以2根及以上长丝纱或短纤纱为原料纺制包缠结构复合纱的纱线再加工技术，其技术特征为：采用空心锭机构实现外包缠纱对芯纱的螺旋线状“顺向包缠”(不同于平行纺纱与空心锭花式捻线的逆向包缠)[1]。相关研究[2-3]表明，卷绕于锭管上、并随空心锭高速回转的外包缠纱对芯纱进行缠绕时，因离心力、空气阻力、科氏力等作用，产生一定的缠绕张力。而缠绕张力产生的轴向扭转力矩，使芯纱产生附加回转，且回转方向与外包缠纱对芯纱缠绕的回转方向相同，因而产生对包缠捻度的抵消效应。从加捻理论角度来看，缠绕点处芯纱在外包缠纱张力作用下的回转，属于假捻作用[4]。依据假捻理论，捻回由加捻点处向喂入点传递，在缠绕点以下芯纱段形成捻回分布(局部真捻)；当芯纱携带捻回经过缠绕点(假捻点)后，即进行解捻，芯纱上无捻回保留。然而，由于外包缠纱在锭管上的退绕点变化导致气圈高度、形态的变化，使外包缠纱张力及其对芯纱产生的扭转力矩处于不断波动中，这就使得缠绕点处的假捻效应不断变化；另外，芯纱张力的波动，以及芯纱与空心锭中心孔壁摩擦接触条件的不断变化(另一处假捻作用区)，使得缠绕点下，作为黏性弹性体的芯纱上的捻回分布，也处于动态变化中。二者的共同作用，即可能导致芯纱经过缠绕点时，芯纱上携带的捻度与假捻效应产生的反向加捻捻度不匹配，形成芯纱上的捻回残留。芯纱上的残留捻回(以下简称残捻)将经外包缠纱对芯纱的缠绕而被固定。本文在对空心锭包覆纺纱芯纱残捻现象进行实验验证的基础上，结合实验分析影响芯纱残捻分布的因素，并对利用芯纱残捻特征，纺制纱/纱复合间隔色/段彩包覆纱的技术应用进行实证。

1 芯纱残捻验证实验

1.1 实验原理

为呈现芯纱上可能存在的残捻，本文采用了异色双芯纱法纺制包覆纱，即以不同颜色的2根纱线组成双芯纱，并合喂入空心锭包覆机进行包覆复合。如果在包缠后芯纱上存在残留捻回，则2根异色芯纱会发生轴向扭转，使芯纱可视面上呈现2种颜色芯纱片段的间隔分布，经外包缠纱的包缠得以固定在复合纱内，使复合纱呈现间隔色/段彩外观。异色双纱并合—加捻分色—包缠—片段呈色原理如图1所示。双芯纱分别为A色和B色，若双芯纱上存在捻回，2根纱线轴向扭转，则沿其长度方向上呈A—B—A—B—……间色分布。此时，若采用B色外包缠纱，则复合纱呈B—A+B—B—A+B—……间隔色分布，其中，A+B为B色外包缠纱对A色芯纱螺旋线状分割形成的A-B小色块混色色段[5]；同理，若采用A色外包缠纱包缠，则复合纱颜色呈A—A+B—A—A+B—……间隔色分布；若采用C色外包缠纱包缠，则复合纱颜色呈A+C—B+C—A+C—B+C—……间隔色分布。

图1 异色双纱并合—加捻分色—包缠—片段呈色原理

反之，如果芯纱上没有残留捻回，则观察不到显著的间隔色/段彩特征。

1.2 实验方案

异色双芯纱包覆纺纱技术路线如图2所示。2根芯纱分别从芯纱筒子1和2上经导纱瓷眼沿轴向退绕并向前输出，并合后进入弹簧式张力器3，在张力器两夹片间经过而施加一定的张力，由下端进入空心锭4的中心管，从上端引出后再穿过汇合导纱钩6的瓷眼。锭管5套装在空心锭4上，并随空心锭高速回转，卷绕于锭管上的外包缠纱7也随锭管5一起高速回转，并以螺旋线状缠绕在芯纱上。在实用工艺范围内，由于会和导纱钩6的位置限制，外包缠纱对芯纱的缠绕点一般位于会和导纱钩处[1]。实现包缠复合的纱线由引纱辊8引出，经导纱杆9的引导，穿过横动导纱器10上的导纱瓷眼，在横动导纱器的引导下，以圆柱螺旋线卷绕到由卷绕辊11摩擦传动的纱管上形成管纱卷装12。

1，2—芯纱筒子； 3—弹簧式张力器； 4—空心锭； 5—锭管；6—汇合导纱钩； 7—外包缠纱； 8—引纱辊； 9—导纱杆；10—横动导纱器； 11—卷绕辊； 12—管纱。

在芯纱喂入直至成纱卷绕的行进路线中，除外包缠纱张力在缠绕点处对芯纱的扭转作用产生假捻作用外，芯纱穿过空心锭中心管，也受到中心管下端、管壁、顶端的周向摩擦作用，形成一个复杂的、变化的(芯纱与中心管接触条件不断变化)的假捻效应。不断波动的空心锭假捻作用，对缠绕点下方芯纱的捻回分布会有一定的扰动，破坏其分布均匀性。

为检验包缠复合后芯纱上是否存在残捻，设计验证纺纱实验如下。

分别以111 dtex(48 f)白色和82.5 dtex(36 f)黑色涤纶DTY长丝纱组成双芯纱喂入，外包缠纱为82.5 dtex(36 f)黑色涤纶DTY长丝纱，纺制包覆纱。所用设备为HKV141D型空心锭包覆机，空心锭速设定为15 000 r/min，引纱速度为50 m/min，名义包缠捻度为300 捻/m，包缠捻向为S捻。

依据1.1节所述原理，如果芯纱上存在残捻，依此方案纺制的双芯包覆纱，沿其长度方向上，应呈现“黑—麻灰(白+黑)—黑—麻灰……”的色段间隔分布。

1.3 实验结果

用上述方案纺制的纱线绕制的纱卡(A4黑卡纸，横向绕纱，纱间间隔5 mm)如图3所示。可以看出，复合纱呈“黑—麻灰—黑—麻灰—……”间隔分布，表明包缠复合后芯纱上确有捻回分布。同时，黑、麻灰色段的长度均不等长，呈无规律性。

图3 “(白+黑)白”复合纱纱卡

由于外包缠纱对芯纱的包缠作用，芯纱的残捻被固定在纱体中不能退捻。分析芯纱残捻的特征，需要厘清2个方面的属性，即捻度和捻向属性。

由于异色双纱的扭转呈色特征，即使是局部性不完全扭转(不形成完整捻回，以下称为局部假捻)，也会产生片段分色效果。判断真捻、局部假捻的方法是轻轻搓转色段中部，如果色段消失，变成另一色，即为局部假捻；如果色段随搓转而移动，则为真捻。真捻的捻向，可通过简单观察色段两端扭转(倾斜)方向判断其是Z向还是S向。

具体测试方法如下：将纱样沿纱管径向退绕(避免轴向退绕时卷绕捻势转化为捻回对测试结果的影响)，舍弃至少5 m长的纱头(结束纺纱时设备惯性输出的不正常纱线)，用第1只夹头夹持纱线再剪断舍弃纱线。从纱管上继续退出纱线，并用第2只夹头在距第1只夹头夹持线0.5 m处夹持。点数两只夹头间0.5 m长纱段上的黑色或麻灰色段数量，同时判断产生的色段是真捻还是局部假捻(以F记录)，如果是真捻判断捻向是Z向还是S向，依次记录每个色段的捻向。然后，松开第1只夹头，继续退绕一定长度的纱线，用第1只夹头在距第2只夹头0.5 m处夹持纱线，记录两只夹头间色段数量及每个色段的捻向(F、Z、S)。依此类推，两只夹头交替换位，连续测试从纱管退绕纱线上各0.5 m片段内的同色色段数和捻向。如果夹头夹在所测色段中间部位，则本段记录，下段不记录，以避免重复记录。

采用本方法测试了连续15 m长(30段)所纺复合纱长度方向色段分布特征，计数对象为黑色色段数量并判别了其产生捻向，测试结果为：ZZZ、FSZZFS、SFZZ、ZSFZZ、SSFZZ、ZZZFF、FZSS、ZFSZ、SSSSZS、SSFSS、ZSSZ、ZSZZSS、SSSSZ、ZFFF、FSZ、ZSZ、SZZ、SZFZF、SFZF、ZFSFS、FSS、SFFFS、ZZZFZF、ZFZZFF、SZFZF、ZSZZF、ZFSZS、ZSSZFS、FZZZFZ、SZSZZS。其中，“ZZZ”表示0.5 m长纱段上有3个黑色色段，且均为Z捻；“SFFFS”表示0.5 m长纱段上有5个黑色色段，其中首尾2个黑色色段为S捻捻回，中间3个黑色色段均由局部假捻(F)产生；其余以此类推。

从以上测试结果可以看出，复合纱中芯纱沿其长度方向不同片段上，分布着不同捻向的真捻和局部假捻形成的黑色色段(麻灰色段同理)，且单位长度纱段内，色段的数量(长度)并不相同。

根据假捻理论，当外包缠纱对芯纱进行S向包缠时，包缠张力使芯纱回转，将在缠绕点下方的芯纱上形成Z向捻回分布。芯纱向上运动经过缠绕点(假捻点)后，将进行S向解捻。如前所述，理论上芯纱携带的Z捻将恰好被解捻，但由于芯纱携带捻度随芯纱张力及其与中心管摩擦条件变化的波动，以及外包缠纱张力及其对芯纱包缠角(气圈形态变化导致)[1]变化引起的扭转力矩的波动，解捻捻度与芯纱所携带捻度不能恰好抵消，且随着二者消长情况与波动的瞬时变化，使被包缠的芯纱上产生捻向变化的捻回或不完全扭转形成的局部假捻。

芯纱残捻捻向的复杂性，决定了芯纱残捻不能以一般意义的捻度概念对其分布特征加以表征。为便于计数、统计，本文采用单位长度纱线上的单一色段数量，表征芯纱残捻的分布特征，即残捻捻度大小。

2 影响芯纱残捻分布的因素分析

2.1 影响因素

从本质上来看，芯纱残捻由外包缠纱的包缠张力产生，且与芯纱扭转性能紧密相关。外包缠纱张力的大小主要取决于外包缠纱线密度、空心锭转速、气圈段长度、气圈形态(包缠角)等，外包缠纱张力的波动，由其在锭管上退绕剥离点及退绕直径的变化引起的气圈高度和形态的变化引起；芯纱扭转性能除芯纱的本征结构(纤维种类、线密度、堆砌结构等)外，主要受芯纱张力大小及其波动影响，同时芯纱与空心锭中心管的摩擦条件变化(芯纱在外包缠纱张力拖动下，在中心管顶端以中心管顶端内径为回转直径随空心锭回转而回转[1]，芯纱与中心管管壁的接触条件不断变化)，也对芯纱扭转及捻回分布产生影响。影响外包缠纱张力及其波动，以及影响芯纱扭转性能及其变化的因素，都可能会对芯纱残捻分布特征产生影响。当外包缠纱与芯纱种类、规格确定后，其中的可控因素包括空心锭包缠转速、芯纱张力和引纱速度3个工艺参数。其中，空心锭转速和引纱速度是决定包缠捻度的参数，而只有芯纱张力的调整可以不影响包缠加工工艺。

2.2 实验设计

为探讨上述3个工艺参数对芯纱残捻捻度的影响，仍以前述纺纱实验所用芯纱和外包缠纱，纺制了不同工艺的复合纱。

为探讨锭速(影响外包缠纱张力)对芯纱残捻分布的影响，保持引纱速度和芯纱张力不变，引纱速度为25 m/min，调整弹簧式芯纱张力器的旋钮，调整芯纱张力至缠绕点不在外包缠纱张力作用下偏离，不发生气圈分叉[6](实现正常包缠的基本条件)，锭速依次选择15 000、12 500、9 375、7 500 r/min，纺制4种包缠捻度(名义捻度依次为600、500、375、300 捻/m)的包覆纱。

为探讨引纱速度(影响芯纱张力大小及波动)对芯纱残捻分布的影响，保持锭速和芯纱张力不变，锭速选择为15 000 r/min，芯纱张力调整同上，引纱速度依次选择为50、30、25、20 m/min，纺制4种包缠捻度(名义捻度依次为300、375、500、600、750 捻/m)的包覆纱。

为探讨芯纱张力对芯纱残捻分布的影响，保持锭速和引纱速度不变，锭速选择为15 000 r/min，引纱速度选择为30 m/min(名义捻度500 捻/m)，调整芯纱张力至缠绕点不在外包缠纱张力作用下偏离，不发生气圈分叉，记为“张力1”，然后依次旋转张力调整旋钮2.5、5、7.5转(每次递增2.5转)，记为“张力2、张力3、张力4”，纺制4种芯纱张力的包覆纱。

分别测试每种纱样0.5 m纱段上的黑色色段数量，每种纱线连续测试30段，取平均值并记录表中。

2.3 实验结果与分析

不同锭速纺制的复合纱每0.5 m纱段上黑色色段数量测试结果见表1；不同引纱速度纺制的复合纱每0.5 m纱段上黑色色段数量测试结果见表2；不同芯纱张力纺制的复合纱每0.5 m纱段上黑色色段数量测试结果见表3。

表1 不同锭速复合纱黑色色段测试结果

表2 不同引纱速度复合纱黑色色段测试结果

表3 不同芯纱张力复合纱黑色色段测试结果

从表1中可以看出，在实验涉及的锭速范围内，随着锭速的增大，芯纱残捻捻度增大，这显然是因为随着外包缠纱包缠回转转速的增大，外包缠纱气圈段离心力、空气阻力的增大引起了包缠张力增大，假捻效应(捻度)增大，因而增大了芯纱残捻的捻度基数，使残捻数量增多。

从表2可以看出，在实验涉及的引纱速度范围内，随着速度的减小，芯纱残捻捻度增大，但增大的幅度有所降低。这是由于引纱速度增大会导致芯纱张力增大，因而增大了芯纱的抗扭刚度，假捻效应减弱。降低引纱速度，芯纱抗扭刚度会减小，但减小到一定程度后，张力对芯纱抗扭刚度的影响程度有所下降，芯纱本身的抗扭刚度开始起主要作用。

表3中数据表明了在实验涉及的芯纱张力范围内，芯纱残捻捻度随芯纱张力的增大而减小，如前所述，芯纱张力的增大会增大抗扭刚度，减弱假捻效应(捻度)，因而减小了芯纱残捻的捻度基数。

表1中锭速12 500 r/min，引纱速度25 m/min，与表2中锭速15 000 r/min，引纱速度30 m/min，2个方案具有同样的名义捻度500 捻/m；表1中锭速7 500 r/min，引纱速度25 m/min，与表2中锭速15 000 r/min，引纱速度50 m/min，2个方案具有同样的名义捻度300 捻/m。从2对纱样的残留捻度测试结果可以看出，在名义包缠捻度相同时，高锭速、高引纱速度方案的残留捻度要大于低锭速、低引纱速度方案，这表明保持名义捻度不变时，锭速增加对残留捻度的影响要大于引纱速度降低。

3 芯纱残捻特征的应用与实例

3.1 芯纱残捻特征的应用

通过前述分析可知，芯纱残捻是空心锭包缠机构顺向包缠所具有的固有特征，它源自外包缠纱张力在缠绕点处假捻作用的固有波动性，以及黏弹性芯纱张力的随机波动，加之空心锭机构(中心管)本身的假捻扰动效应，使芯纱残留捻向变化的捻回和局部假捻。残捻可使并合的异色芯纱扭转产生片段分色，并通过外包缠纱的缠绕固定在纱体内。上列实验采用的是两色双芯纱，但不难理解，采用3色、4色、……多芯纱，可使复合纱沿其长度方向呈多色间隔分布，因而呈现多色段彩效果。

空心锭包覆纺纱芯纱残捻特征的一个显而易见的应用，就是纺制纱/纱包缠复合结构间色/段彩纱。即以2根及以上不同颜色的芯纱组成多芯纱进行包缠复合，可制得段彩外观的复合纱。

不同于采用段染或多色粗纱调控喂入的色纺技术[7-9]制取的短纤段彩纱，芯纱残捻产生的段彩效果属于多根芯纱轴向扭转产生的“可视面呈色”，而非色段整体为同一颜色，因而具有闪烁、游移的特点，即纱线张力改变，捻回重分布，色段即发生游移(但会在织入织物后基本得以固定)。

芯纱残捻的分布随机性，使产生色段的段长均不相等，这恰好吻合了段彩纱色段长度分布无规律这一关键技术要求。同时由于空心锭包覆复合纺纱技术属于低张力加工技术，尤其对芯纱的种类、规格限制很小，可采用各种材质、品种、规格的纱线进行复合加工，纺制不同段色、混色效果的段彩纱。

芯纱残捻型段彩纱的色段长度分布控制存在一定的局限性，受芯纱、外包缠纱品种、规格与性能制约，同时也受锭速、捻度(引纱速度)等生产工艺限制。然而，对于纺制段彩复合纱，包缠捻度主要用于段彩效果的固定，选择范围可适当扩展，以满足调配段彩特征的需要。在不影响包缠工艺要求的前提下，可用于调整段彩分布的参数，即为芯纱张力，通过调整芯纱张力大小，可在一定幅度内改变残捻捻度，进而改变段彩分布特征。改变芯纱在空心锭机构(中心管各接触点处)的接触条件，改变其假捻效应对缠绕点下芯纱捻回分布的扰动效果，也可以在一定程度上改变复合纱色段分布特征，但不能实现定量控制。

3.2 应用示例

图4示出蚕丝段彩复合纱纱卡。其纺纱工艺参数为：芯纱采用3根11.7 tex熟色丝，颜色分别为明黄色、宝蓝色、草绿色；外包缠纱为4.7 tex本色熟色丝；锭速为15 000 r/min，引纱速度为25 m/min，名义捻度为600 捻/m，包缠捻向为S捻。

图4 蚕丝段彩复合纱纱卡

以3种不同颜色的熟色丝长丝作为芯纱进行包缠复合，可得到3色段彩长丝复合纱，用于蚕丝段彩纱面料的织制。采用低线密度本色熟色丝为外包缠纱对残捻产生的段彩效果进行固定，是为了减小外包缠纱对芯纱包缠作用产生的对段彩外观效果的影响。该产品示范的是利用有色长丝纺制段彩长丝纱的应用，可用于不同种类长丝纱段彩复合纱的开发[10-11]。

图5示出亚麻/涤纶段彩复合纱的纱卡。其纺纱工艺参数为：芯纱为27.8 tex亚麻漂白纱(采用湿法长麻纺)与红色167 dtex(48 f)涤纶FDY长丝纱组成的双芯纱；外包缠纱为涤纶单丝，线密度为69 dtex；空心锭锭速为15 435 r/min，引纱速度为28 m/min，名义包缠捻度为551捻/m，包缠捻向为S捻。

图5 亚麻/涤长丝复合段彩纱纱卡

由漂白亚麻纱和红色涤纶长丝纱组成的双芯纱，因芯纱残捻作用而赋予复合纱双色段彩外观。采用本色(半透明)涤纶单丝作为外包缠纱，同样是为了减少外包缠纱缠绕对芯纱段彩效果的干扰。图5中，复合纱整体呈“白-红”间色外观。复合纱的段彩外观，可以实现织物免染，同时通过涤纶芯纱的并合作用以及外包缠纱的包缠复合，可显著提高纱线强力，降低强力不匀率，降低纱线毛羽，实现织造免浆，提高织物的抗皱性，减轻乃至消除麻织物的刺痒感。以上效果可通过涤纶芯纱和外包缠纱线密度的合理选择，在保证麻纱、织物风格的前提下实现[12-13]。该产品示范的是利用有色长丝纱与本色、漂白短纤维纱复合纺制段彩复合纱的应用，在实现多组分纱线级混合(相对于混纺纱纤维级混合而言)的同时，通过复合可改善短纤纱的可加工性及其织物使用(服用)性能缺陷。

4 结 论

空心锭包覆复合纱的纺制过程中，外包缠纱张力对芯纱的假捻作用，会在芯纱上产生捻向和捻度无规律变化的残留捻回，并经外包缠纱的包缠得以固定。残留捻度的大小主要取决于影响外包缠纱张力大小和芯纱扭转性能的芯纱和外包缠纱的种类、规格与结构，并随锭速、引纱速度和芯纱张力等工艺参数的变化而变化。利用芯纱残留捻度产生的片段呈色效应，可采用2根及以上异色纱线组成多芯纱，纺制“纱/纱”复合段彩包覆纱，达到增加复合纱花色品种，实现复合赋色，乃至改善纱线可加工性能与织物服用性能的效果。