纯棉高支纱的纱线强伸性能测试与评价方法探讨

蔡 赟，季 承，葛陈鹏

（1.无锡一棉纺织集团有限公司，江苏 无锡 214000；2.江苏格罗瑞节能科技有限公司，江苏 无锡 214101）

纱线强伸性能的表征主要采用断裂强力和断裂伸长率等性能指标，这些指标一方面在纺纱企业中用于评价产品的质量并反馈指导生产，另一方面在织造企业中用于评价原料的品质。综合而言，纱线的强伸性能评价在纺纱生产、纱线贸易、织造加工方面发挥着巨大作用，长期以来在纺织产业中占据极为重要的地位。

通常情况下，业内人员普遍参照国家标准《纺织品卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定（CRE法）》（GB/T 3916—2013）[1]测试纱线的强伸性能。该现行国家标准规定纱线强伸性能的测试采用等速伸长试验仪（CRE），该仪器有一个固定的夹持器用于加持试样的一端，一个等速驱动的夹持器用于夹持试样的另一端，通过等速拉伸纱线试样直至纱线断裂，最终记录断裂强力和断裂伸长值。鉴于纱线强伸性能的重要意义，研究者对于上述测试方法的性能与机理进行了研究。洪武勇[2]提出从主体结构、夹持装置、长度测量装置等方面开展创新设计，以提升强伸性能试验仪的稳定性。张志刚等[3]以及郭鹏辉等[4-5]则研究了仪器的测试原理、拉伸速度对纱线强力指标的影响及原因。Neckar B[6-7]以及Sriprateep K等[8-9]提出将纱线的强伸性能表征拓展到更高信息维度，对不同纱线的应力应变曲线进行理论建模，分析各类纱线性能变化的内在原因。在实际纺纱生产与贸易中，目前应用最广泛的仍是GB/T 3916—2013标准规定的纱线强伸性能测定方法。

在实际生产中，无锡一棉纺织集团有限公司技术人员发现，参照现行标准开展的纱线强伸性能测试在面对纯棉高支短纤纱时可能存在一定问题，主要表现为测试结果与织造生产断头率相关性不足，导致部分出厂纱线尽管强伸性能达标，但客户反映织造效率不高。本研究主要针对上述实际生产中出现的问题开展一系列实验与理论研究，以期针对高支短纤纱相关产品提出更具针对性的强伸性能测试方法，用于指导纺纱生产。

1 实验条件

1.1 仪器

纱线强伸性能测试采用岛津AGS-X电子单纱强力仪，纱线条干变异系数（Coefficient of Variation，CV）测试采用USTER5条干仪。

1.2 样品

本实验对无锡一棉纺织集团有限公司生产的高支纯棉纱进行强伸性能测试，取规格相同的两种8.33 tex纯棉纱样品，参照GB/T 3916—2013规定的纱线强伸性能测定方法，对每种纱线进行100次采样，测试并记录各品种纱线的断裂强力、断裂强力CV、断裂伸长率、断裂伸长率CV。其规格与强伸性能指标如表1所示。

表1 纱线样品规格及其标准强伸性能测试结果

2 大容量连续采样测试方法构建

通过表1的测试结果可知，品种1明显表现出更高的平均断裂强力与断裂伸长率，同时，各项强伸性能CV更低，表明其性能更稳定。但是在织造生产中，用户反映使用品种1时，经纱断头率明显更高。本研究认为，上述现象发生的原因在于，当纱线线密度较低时，其单位时间消耗的纤维更少，若采用相同的细纱样本采样次数，相比高线密度纱线，低线密度纱线对应的粗纱、棉条采样长度更小，有更高的概率无法采样到前纺生产积累的片段性质量问题。

针对上述问题，本研究提出对于高支纯棉品种的强伸性能测试，首先应增加样本容量，并对细纱卷装进行连续的测试样品采集，其次开展断裂强力与断裂伸长率测试，最后构建一系列更关注强伸性能在纱线长度方向上的分布规律的表征指标，用于更深入地分析纱线质量。构建大容量连续采样测试方法的具体操作如下。（1）回潮率平衡：参照现行标准，将纱线样品在标准温湿度环境中平衡48 h；（2）样品采集：从单个或多个卷装中连续采集纱线样本2 000次，每个纱线卷装上的样本采集次数不少于200次；（3）性能测试：对采集样本依次执行纱线断裂强力与断裂伸长率测试；（4）强伸性能指标统计：统计纱线断裂强力均值及CV、纱线断裂伸长率均值及CV；（5）强伸性能直方图绘制：绘制强力与伸长率分布的直方图，用于观察强伸性能分布；（6）强伸性能散点图绘制：以断裂伸长率为横坐标、以断裂强力为纵坐标绘制强伸性能散点图，并作线性回归分析，判断异常值数量；（7）强伸性能波普图绘制：采用离散傅里叶变换技术，绘制纱线断裂强力沿纱线长度方向变化的强力波谱图，分析是否存在周期性。

3 实验结果与讨论

3.1 强伸性能统计指标

采用本研究提出的大容量连续采样测试法，对于前文所述的品种1与品种2而言，其测试结果如表2所示。

表2 标准方法与大样本容量连续采样测试法结果对比

通过表2的实验结果可知，各纱样在采用大样本容量连续采样测试法后所得到的强伸性能与标准方法表现出较大差异。其中，对于品种1而言，大容量法所测得强力均值明显更低，且CV明显增大，同时其伸长率均值也明显降低，CV明显增大；对于品种2而言，其强力均值明显降低，强力CV明显增大，而伸长率均值几乎不变，但伸长率CV也明显增大。上述实验现象表明，对于各项强伸性能指标的测试结果而言，过低的样本容量均带来了明显的不稳定性，有必要提升样本容量获得更为准确可靠的测试结果。采用大样本容量连续采样测试法后发现，品种1虽然表现出更高的强力均值，但其伸长率更低，且各项CV更大，表明其虽然强力较大，但是伸长率较低，同时纱线性能的稳定性不佳，解释了其在织造过程中经纱断头率更高的原因。

3.2 强伸性能直方图

通过统计样本中纱线性能的区间分布能绘制出各纱样的断裂强力与断裂伸长率分布直方图，如图1、图2所示。

图1 纱线断裂强力分布

图2 纱线断裂伸长率分布

从实验结果来看，两种纱线的断裂强力和断裂伸长率分布都接近正态分布，说明采用大容量连续采样测试法获得的结果具有较高的合理性。其中，品种1表现出明显更高的强力，但其伸长率明显更低，说明品种1的弹性较品种2更弱，因此，可能更易于在织造生产中复杂载荷的作用下失效。同时，品种1在伸长率分布直方图中表现出明显更多的低伸长样本，说明品种1可能存在更多的伸长弱环，这也可能是导致其织造经纱断头率较高的原因。综合上述实验现象，通过分析大样本容量连续采样测试法所构建的强力与伸长分布直方图，能对纱线的织造效率差异作出合理解释。

3.3 强伸性能散点图

以断裂伸长率为横坐标，以断裂强力为纵坐标，对品种1与品种2分别绘制强伸性能散点图，如图3所示。

图3 不同品种纱线强伸性能变化

观察图3散点图及其线性拟合结果可知，品种1的平均强力高、伸长率低；纱线强力分布离散性大，纱线片段强力差异大；强力/伸长的比值（线性拟合结果斜率）较大，反映纱线弹性较差。同时，品种1的拟合结果表现出更低的R2拟合优度，表明强伸性能异常数值较多，纱线质量稳定性更差。上述分析结果同样与实际生产结果相吻合，解释了品种1织造断头率更高的原因。

3.4 断裂强力波谱图

基于连续采样的纱线样本，本研究提出对纱线断裂强力变化进行波谱分析，绘制纱线断裂强力的波谱图，如图4所示，由此对可能存在的周期性工艺问题进行深入研究。

图4 不同品种纱线断裂强力变化

通过图4断裂强力波谱图可以看出，品种1的强力具有明显的波普峰值，说明品种1的强力变化具有周期性的特点，推测可能存在周期性半成品质量问题。但通过纱线条干的波谱图分析，并未发现明显的周期性条干不匀，因此，推测纱线强力的周期性波动与纱线条干无明显相关性。在纱线条干变化稳定的前提下，纱线强力有明显的周期性波动，可能是因为前纺棉纤维原料混合不够均匀。

4 结论

针对传统单纱强伸性能测试方法对纯棉高支纱的不适应性，本研究提出一种大容量连续采样测试法，测定样品断裂强力、断裂强力CV、断裂伸长率、断裂伸长率CV、强伸性能直方图、强伸性能散点图、断裂强力波谱图，对现行方法进行补充完善。在对相同规格的高支纯棉纱开展的强伸性能测试实验中，大容量连续采样测试法表现出更为稳定可靠的测试精度，同时能从不同角度对试样强伸性能开展更为充分的评价，与实际织造生产中发现的现象具有较高的一致性。综上，本研究提出的方法对于纯棉高支纱的生产具有一定指导意义。