环保转杯牛仔纱外观规律探究

刘晨芳，徐剑桥，汪 军，陈 霞，江 慧

(东华大学 a.纺织学院；b.环境科学与工程学院：上海 201620)

0 引言

牛仔服饰因其时尚性和穿着舒适性，从诞生至今流行不衰，遍及全世界[1]。但是，牛仔面料生产一直存在严重的污染问题，未得到很好解决。

近年来，前人开发了一种具有双分梳功能的转杯纺纱机(简称“双分梳转杯纺纱机”)，该纺纱机含有2个相互独立的喂入系统和梳理系统[2-3]。当2种颜色的条子分别从2个喂给罗拉口喂入时，输出的纱线具有特殊的外观，即2种颜色的纤维在纱线表面间隔分布，且有一定的随机性，具有牛仔纱的外观特性,但是关于这种纱线的外观颜色规律却鲜有研究。

随着计算机应用水平的提高，数字图像处理技术在纺织领域中的应用越来越多[4]。笔者拟利用双分梳转杯纺试验机，在不同直径的转杯下纺制相同黑白颜色比例的纱线以及黑白2种纤维混合次数不同的纱线，再采用图像处理法[5-6]对双分梳转杯纺牛仔纱的外观规律进行研究。

1 实验方案

为了能更清楚地观察纱线的外观规律，笔者以颜色对比较为明显的黑白2种颜色粘胶纤维条子为原料，左喂给罗拉喂入黑色粘胶条子，右喂给罗拉喂入白色粘胶条子，在双分梳转杯纺试验机上纺制50 tex的牛仔纱。具体实验方案见表1，相应纺纱工艺参数见表2。

表1 不同转杯直径的双分梳转杯纺试验机纺牛仔纱实验方案

表2 纺纱工艺参数

2 结果与分析

2.1 纱线图像采集与处理

以φ48 mm转杯的双分梳转杯纺试验机纺制的纱线为例。图1为高清摄影仪拍摄的1张宽度为3.4 cm(即图像上纱线长度)的原始图像，从中可看出黑白2种颜色的纤维在纱线表面间隔分布。将其灰度化处理后，可看出纱线的主体部分只占图像的一部分且纱线中有黑白2种颜色的分布。因此需要将纱线与背景，以及纱线中的黑、白部分进行区分。笔者采用阈值分割法对纱线区域和背景区域以及纱线中的黑、白区域进行分割，然后在图像的列向(大致垂直于纱线轴向的方向，纱线轴向即纱线长度方向)计算每列中白色像素和纱线宽度(像素表示)的比例，以其代表该截面处白色纤维的比例。图像处理的研究结构如图2所示。

图1 原始纱线外观

图2 图像处理的研究结构

根据对此拍摄条件下图像中的背景与纱线中黑白纤维的灰度分布范围，以及结合纱线中黑白纤维50/50的比例条件，确定分割背景和纱线区域的阈值为140，分割黑白纤维的阈值为100。在该阈值下，可将纱线与背景，以及纱线中的黑白纤维较好地区分。经过2次二值化后，纱线区域中的白色纤维部分灰度值为1(白色)，背景区域以及纱线中的黑色纤维灰度值为0(黑色)。

2.2 外观颜色分布规律

2.2.1 基于单张图像外观分布规律分析

对图像进行一系列处理后，可以将纱线、背景以及纱线的黑色粘胶部分和白色粘胶部分分割，因此可利用程序显示白色区域沿纱线轴向的分布规律。将纱线沿轴向的每个像素逐点输出白色部分占纱线宽度的百分比，如图3a)所示。将φ58 mm转杯纺制的纱线进行同样处理，得到的图像如图3b)所示。其中，横坐标代表1张图片的像素值，纵坐标代表白色纤维占纱线宽度的比例。

a) 转杯直径为48 mm

b) 转杯直径为58 mm图3 白色粘胶纤维百分比分布

从图3可以看出，无论转杯直径为48 mm还是58 mm，沿着纱线轴向(每张图片对应的纱线长度约为3.4 cm)，每个像素点处白色所占比例并不一致，说明纱线沿轴向颜色分布并不均匀，由此可以利用双分梳转杯纱这种特性织造牛仔面料，模仿牛仔面料表面风格。从图3还可发现，在双分梳转杯纺试验机上用小直径转杯纺的纱线白色纤维比例比大直径转杯纺的纱线大，即用大直径转杯所纺纱线的黑色纤维更多的分布在表面。但由于1张图片不具有代表性，因此需要采集多张图片进一步处理分析。

2.2.2 基于转杯周长外观分布规律分析

1张图片仅代表实际纱线长度为3.4 cm，而多张图片的叠加方可代表1个转杯周长。首先利用MATLAB中的dir函数获得指定文件夹下的所有图片(每根纱线拍摄50张图片，对应实际长度为170 cm)，并存放在1种文件结构体数组中[7]。然后将二值化后的每张图片存储至1个变量中，使文件夹中的所有图片连成1张图片。

以φ48 mm转杯为例，其周长为150 720μm，转化为像素值为8236像素，即8236个像素代表1个转杯周长。由于拍摄角度等因素的影响，1个转杯周长不能代表整根纱线的分布规律，因此需要将多个转杯周长纱线的白色粘胶纤维比例进行平均以减小误差。

选择像素点的数量影响最终规律的探索，经过前期的运行结果发现φ48 mm转杯对应284个像素输出1个白色比例，而φ58 mm转杯对应321个像素输出1个白色比例时，可以更好地看出变化规律。运行结果如图4和5所示。图4中横坐标对应的单位坐标代表284个像素值，图5中横坐标对应的单位坐标代表321个像素值。其相交位置为白色纤维百分比的平均值，横坐标为像素值，纵坐标为白色纤维百分比。

图4 φ48 mm转杯对应的纤维分布规律

图5 φ58 mm转杯对应的纤维分布规律

从图4和图5可看出，无论是φ48 mm转杯纺制的纱线，还是φ58 mm转杯纺制的纱线，在同1个转杯周长中，白色纤维比例沿纱线轴向呈现先减小后增大再减小的趋势。此外，在相同阈值和黑白比例下，用φ58 mm转杯的双分梳转杯纺试验机纺制的纱线，在纱线轴向上白色纤维比例小于在φ48 mm转杯的双分梳转杯纺试验机上纺制的纱线。究其原因，可能是黑色纤维的摩擦因数与白色纤维有一定的差异，这需要进一步研究分析。

2.3 不同混合程度对纱线外观的影响

由上述实验与分析可得出结论：双分梳转杯纺试验机上纺制的纱线外观颜色沿轴向并非均匀分布。为了进一步研究这种不均匀分布是否由混合不均匀引起[8-9]，笔者还进行了不同混合程度的纺纱实验，其中黑白纤维比例同为50/50。具体的纺纱实验方案见表3，纺纱工艺参数同表2。由于只考虑外观规律而不考虑纱线的质量，因此利用纤维成条仪进行黑白粘胶纤维的多次混合。

表3 黑白纤维比例为50/50的不同条子混合方案

根据表3的实验方案进行纺纱，每个方案纺制的纱线在摄影仪下分别拍摄若干张图像，经过直观分析后，再将纱线利用图像处理法进行进一步分析。将图像经过同样的灰度化处理、阈值分割、二值化处理等得到白色纤维与黑色纤维分割清楚的图像以进行下一步的研究分析。

变异系数，即CV值代表了数据的波动程度，因此为了探究不同混合次数对纱线外观均匀性的影响，笔者利用白色纤维百分比的变异系数进行对比。变异系数越大，则证明数据波动越大，纱线混合越不均匀。变异系数等于标准差除以平均值，因此调用MATLAB中的std和mean函数求得白色比例的标准差与平均值。各方案的运行结果如表4。

表4 不同实验方案白色纤维混纺均匀性

由表4可看出，随着混合次数的增多，CV值呈下降趋势，说明纱线沿轴向白色纤维所占比例波动程度变小，纱线表面黑白颜色分布更为均匀。此外，2根条子从1个喂给罗拉口喂入的CV值明显大于从2个喂给罗拉口喂入的CV值，原因可能是双分梳有2个输纤口，并且2个输纤口为交叉排列，当2种纤维从出纤口喷出时可以在转杯中更均匀地混合。由此可以得出：双分梳转杯纺试验机纺制的纱线沿轴向2种颜色不均匀分布是由于2种纤维在转杯中混合不均匀导致的，利用纱线的这种特性，可以在此台纺纱机上纺制外观独特的牛仔纱。

3 织造工艺参数设置及其产品

上述实验表明，在双分梳单头试验机上纺制的色纺纱线外观呈现不均匀分布，可以利用这种纱线进行织造，模拟牛仔面料表面风格。为了进一步验证纱线的面料效果，笔者将纺制的黑白纤维比例为50/50粘胶纱线进行织造。综合考虑后，经纱均选用黑白纤维比例为50/50的双分梳转杯纺牛仔纱，纬纱分别选用黑白纤维比例为60/40，50/50，40/60，30/70的双分梳转杯纺牛仔纱进行织造，对比不同混纺比例织造牛仔面料的效果。织造工艺参数见表5。

表5 织造工艺参数

将不同比例的黑白粘胶纤维纬纱在半自动织样机上按照表5工艺参数织造，最终织物效果如图6所示。

a) 60/40纬纱 b) 50/50纬纱

c) 40/60纬纱 d) 30/70纬纱图6 黑白粘胶50/50混纺经纱与不同混纺比例黑白粘胶纬纱织造的织物

从图6可看出，无论纬纱混纺比例大小，织物都具有明显的牛仔风格，只是颜色深浅存在差异，证明了利用双分梳转杯纺试验机纺制环保牛仔纱的可行性。笔者直接利用有色纤维进行纺纱，大大减少了对环境的污染；且用双分梳转杯纺纱机纺制的纱线作经纱、纬纱织造出的织物具有明显的牛仔风格。此外，使用纤维染色，比纱线染色更为环保，避免了染色与后整理带来的污染问题，减少了废水排放。

4 结论

笔者在双分梳转杯纺试验机上纺制不同的双分梳转杯牛仔纱，再利用图像处理技术对纱线的外观规律进行探索，并利用这种规律进行粘胶牛仔面料的开发，得出以下结论。

a) 纱线外观颜色沿轴向方向是间隔分布的，且呈现出一定的随机性。

b) 用φ58 mm转杯的双分梳转杯纺试验机纺纱，纱线中黑色纤维相比φ48 mm转杯纺制的纱线更多地分布于纱线表面，且在1个转杯周长内白色纤维比例沿纱线轴向呈现先减后增再减的趋势。

c) 随着2种纤维混合次数增加，纱线外观颜色沿轴向方向分布更均匀，说明双分梳转杯纺牛仔纱的外观不均匀分布是由于纤维在转杯中混合不均匀引起的。

d) 利用这种双分梳牛仔纱织造的面料,具有明显的牛仔风格。