喷气涡流纺成纱结构与性能的关系研究

摘要：探讨了喷气涡流纺纱线结构对其性能的影响，从理论上证明喷气涡流纺纱线的导湿性能优于环锭纱，提出建立喷气涡流纺纱线“结构一性能”模型的可行性。1  前言喷气涡流纺（也称：MVS纺纱技术）与涡流纺的区别在于采用正向压缩空气，在凝聚腔体内形成高速旋转涡流场，对集聚在凝聚加捻口上的自由尾端纤维加捻成纱。其自由端纺纱原理完全突破了传统的喷气纺加工原理，是喷气纺与涡流纺加工原理的综合。该技术的进一步成熟，将在很大程度上替代喷气纺和涡流纺，甚至在转杯纺的产品领域，该技术将成为21世纪最具潜力的纺纱技术[1、2]。不同纺纱系统导致不同的纱线结构，喷气涡流纺的纱线结构不同于环锭纱、喷气纱和转杯纱。纱线结构的差异是引起纱线性能变化的主要原因。本文主要对喷气涡流纺的成纱过程与纱线结构性能进行分析，以建立喷气涡流纺的纱线结构与性能的关系。2  喷气涡流纺纱结构
Guldemet Basal与william Oxenham利用解捻方式，证实了喷气涡流纺的纱线具有双层结构[1]，分析了喷气涡流纺纱与喷气纺纱的原理及纱线结构的差异，认为喷气涡流纺的纱线具有环锭纺的纱线外观，比喷气涡流纺的纱线有更多的包缠纤维[2、3] 。Soe，AungKyaw等人对比了环锭纺、转杯纺与喷气涡流纺的纱线结构与特性[4]，认为纱线都可看成由纱芯纤维、包缠纤维、包缠一浮游纤维、腹带纤维和浮游纤维组成，不同纺纱系统导致各成分比例存在差异；环锭纺的纱线是由均匀一致的芯纤维以螺旋方式构成的纱体；喷气涡流纺的纱线具有周期性包缠纤维，大部分浮游纤维是由包缠纤维自由端构成的，而纱芯纤维的末端被包缠纤维束缚；转杯纱外观不同于前两者，纤维的组成难以分类。喷气涡流纺原理及其纱线结构（见图1）。
图1  喷气涡流纺纱的理想结构3  包缠纤维对成纱性能的影响
对比喷气纺与喷气涡流纺，其纱线的形成都离不开包缠纤维，两者最大区别是包缠纤维的数量差异[2]（见图2）。图2  增加包缠纤维机理对喷气纺与喷气涡流纺而言，在旋转气流作用下，从牵伸须条中分离的边缘纤维量存在差异，前者须条一直处于非自由状态，对单纤维控制较强。Soe，AungKyaw[4]的研究表明，喷气涡流纺的纱线在一个捻回内，包缠纤维所占面积与纱表面之比达0.57。这意味着喷气涡流纺的纱线表面一半以上都被包缠纤维包覆。3.1  纱线外观Soe，AungKyaw[4]的研究表明：喷气涡流纺的纱线比环锭纺、转杯纺具有更高频率的粗细节；喷气涡流纺与转杯纺的纱线均匀性均好于环锭纱；喷气涡流纺的纱线毛羽比环锭纺和转杯纺纱线的少；喷气涡流纺的纱线表观直径较环锭纺和转杯纺纱线的好。Guldemet Basal[3]等人认为，喷气涡流纺的纱线具有环锭纺的纱线外观，比喷气纺纱线具有更好的均匀性、较少的粗节和毛羽。造成喷气涡流纺纱线外观特性不同的主要原因是其具有高比例包缠纤维。喷气涡流纺纱线中的螺旋包缠纤维占纤维总数的60％，而喷气纺纱线中外包纤维仅占纤维总数的20％～25％[5]。喷气涡流纺纱线中高比例的包缠纤维使得大量纱芯的尾端纤维束缚在纱体上，减少了头端造成的毛羽，同时圈状的包缠纤维使得喷气涡流纺纱线外观蓬松，实质手感滑爽。由于纤维长度分布不匀、弯钩纤维及单纤维脱离前罗拉约束时间存在着差异，造成了喷气涡流纺纱线包缠不匀，这将直接导致粗细节较环锭纺和转杯纺纱线多。对喷气涡流纺纱线外表包缠纤维的有效控制涉及喷孔角度、喷嘴直径、前罗拉与空心锭距、导引针的长短等工艺参数的优化。3.2  织物的耐磨性和抗起球性C．Rameshkumar[6]等人研究发现，喷气涡流纺纱线制成的针织物耐磨性较环锭纺纱线制成的织物优越，但抗起球性能不如环锭纱织物好。造成该现象的主要原因是，喷气涡流纺纱中的包缠纤维在摩擦过程中制约了纤维的运动，对纱线的解体起着决定作用；反之，因喷气涡流纺纱线大量包缠纤维的存在，摩擦中易使包缠纤维自由头端纠集成球，若采用低强度的纤维，该现象能得到有效缓解。3.3  纱线强伸性能Guldemet Basal[3]等人对比了喷气涡流纺与喷气纺纱线的强伸性能发现，喷气涡流纺纱线的断裂伸长略低于喷气纺纱线，断裂强力却明显高于喷气纺纱线。主要原因是，喷气涡流纺纱线的包缠纤维紧紧地包覆纱体内部纤维，对纱线的强力起关键作用[7]。Maria Cybulska[8]等对短纤纱的断裂机制研究后发现，喷气涡流纺纱线断裂区域的主要特征是，疏松的、有圈状折叠状的包缠纤维和纱线直径较小（细节），说明包缠纤维螺旋包缠角对喷气涡流纺纱线的断裂贡献不显著；喷气涡流纺纱线断裂强力高于喷气纺纱线的。主要原因是，喷气涡流纺纱线拥有更多的包缠纤维量，喷气涡流纺纱线中大量的包缠纤维对纱芯平行单纤维的束缚限制了纤维间的滑移，制约了喷气涡流纺纱线断裂过程中纱线的解体。喷气涡流纺纱线外表包缠纤维的转移频率与强度对纱线强力的贡献也有一定的规律可寻。4  纱芯纤维对成纱性能的影响
4.1  纱线弯曲性能环锭纱纤维的内外转移次数多，纱线相互缠结，纱线的结构紧密，造成了纱线的直径变小；这样纱线的拉伸模量较大，纱线中纤维的填充系数高，弯曲刚度相应也较大；对于自由端纺纱来说，纤维的内外转移次数较少，纱线结构疏松，纱线之间相对滑移较多，具有较小的弯曲刚度值[9]。喷气涡流纺纱线的抗弯刚度较环锭纺低。而Soe，Aung Kyaw[4]的研究表明，喷气涡流纺纱线的抗弯刚度都比环锭纺和转杯纺纱线大。原因可能是，包缠纤维对喷气涡流纺纱芯纤维包缠紧密，使得芯纤维弯曲时相互滑移较少，较环锭纺纱线螺旋状分布的纤维抗弯矩大。4.2  纱线导湿能力根据纱线毛细管导湿理论[10，11]，纱线中毛细管长度：L0=                                                   （1）式中：L0——纱中毛细管长度；L——纱线长度；L——纱线捻角。纱中毛细管液态水输运流量Q：Q～                                                     （2）纱中毛细管液态水输运的线速度V：V～                                                     （3）喷气涡流纺纱由平行纱芯单纤维与外包纤维2个部分组成，外表类似环锭纺纱线。喷气涡流纺的纱芯平行单纤维捻角a等于0，由式（1）知：纱中毛细管长度（L0）最小。由公式（2）、公式（3）可知：毛细管液态水输运流量（Q）最大、输运线速度（V）最大；同时喷气涡流纺纱线的纱芯单纤维平行排列使得毛细管的数量可能在一定程度上比同支环锭纱多，液态水输运能力进一步提高。理论分析表明，喷气涡流纺纱线比环锭纺纱线具有更高的导湿能力。而该理论还有待试验的进一步证明。5  喷气涡流纺纱线结构——性能模型
不同的纱线结构必然导致纱线性能的变化。目前，人们对喷气涡流纺纱线性能的研究还停留在定性描述纱线结构对纱线性能的影响上。喷气涡流纺纱线导湿性能的定量研究仅是形成喷气涡流纺纱线 “结构一性能”模型的开始，还需进一步构建“结构一强伸性能”“结构一品质指标”“结构一起毛起球”等数学模型或结构模型，最终通过模型定量研究和分析喷气涡流纺纱线结构与性能的关系，为设计纱线结构提供理论依据和实践支撑。6  结语
喷气涡流纺技术还处于发展的初级阶段，对喷气涡流纺纱线结构的认识还需从多角度、多手段进行研究，以便能定量表述喷气涡流纺纱线结构，为人们熟练运用喷气涡流纺技术提供基础保障。参考文献：[1]       Gray，W. M.. How MVS Makes Yarns [A]. Proceedings of EFS Conference[C]，1999:1-7；[2]       William Oxenham. Fascinated Yarns-A Revolutionary Development? [J].Journal of Textile and Apparel，Technology and Management, 2001; 1(2):1-7.[3]       Guldemet Basal，William Oxenham. Spun Yarn VS. Air-Jet Spun Yarn [J]. AUTEX Research Journal，2003.9，3(3)：96-101.[4]       Soe Aung Kyaw，Takahashi Masaoki，Nakajima Masaru et al.. Structure and Properties of MVS Yarns in Comparison with Ring Yarns and Open-End Rotor Spun Yarns [J]. Textile research journal，2004.12，74(9):819-826.[5]       李永霞，郁崇文. 喷气涡流纺初探[J]. 纺织导报，2005，8:69-71.[6]       C.Rameshkumar，P.Anandkumar，P.Senthilnathan et al.. Studies on Ring Rotor and MVS yarn Knitted Fabrics [J].  AUTEX Research Journal，2006，2(3):94-101.[7]       Oxenham，W. and Basu，A. Effect of Jet Design on the Properties of Air-jet Spun Yarns [J]. Textile research journal，1993，63(11): 674-678.[8]       Maria Cybulska，Bhuvenesh C. Goswami，David Macalister III.  Failure Mechanism in Staple Yarns [J]. Textile research journal，2001.12，71(12):1087-1094.[9]       徐广标，王府梅. 纤维和纱线结构对纱线弯曲刚度的影响[J].北京纺织，2002.8，23(4):58-60.[10]    王其，冯勋伟. 纱线和针织物导湿结构模型和应用研究[J].东华大学学报，2002，28(1):15-17.[11]    姚穆，施嵋梧. 织物湿传导理论与实际的研究[J]. 西北纺织学院学报，1990，2:57.