夏睿奇 王 倩 朱立成

（武汉纺织大学，湖北武汉，430200）

1 问题的提出

在纺制超细棉纱的过程中，由于原料及现有技术的限制，主要存在原料要求高、成纱截面纤维数过少、成纱强度低及成纱结构配置复杂等4个方面的问题[1]。针对这些问题，前人提出了采用载体纺纱技术[2]、采用双精梳工艺[3]、改进环锭纺设备[4]、采用集聚纺[5-6]等措施。

载体纺纱技术主要是针对成纱截面纤维数过少的问题，保证单纱截面纤维根数达到35根以上，如崔玉梅等人在纺制1.9 tex棉纱时在原料中混入了33%的水溶性维纶短纤维，保证了纺纱过程中纱线的强度。但这样也带来需要另外准备水溶性纤维以及成纱还需要进行水浴处理工艺的问题，使得生产过程较为繁琐。

双精梳工艺主要是针对一次精梳后成纱棉结及断裂强力仍不理想的问题。二次精梳能排出大量短绒和棉结杂质，同时也能够使须条内的纤维分布更平行整齐，如庄文英等人在纺制3.64 tex×2特细股线时采用双精梳工序对长绒棉原料进行梳理，减少了棉结及毛羽。但双精梳工艺对原料的要求比较高，同时为了改善纤维排布顺序，多次精梳对设备也有一定要求，增加了生产成本。

目前，环锭纺是纺制超细纱线的主要方法，通过较大的牵伸倍数来获得超细纱线，这也是纤维损伤及纱线条干恶化的原因[7-8]。传统牵伸方式为三罗拉双胶圈两区牵伸，为了适应超细纱线的纺制，先后出现了三罗拉四胶圈两区超大牵伸[9]、四罗拉四胶圈三区超大牵伸等[10-11]，总牵伸可达200多倍，如张洪等人在纺制2.9 tex的棉单纱时采用了四罗拉四胶圈三区的方式，总牵伸180倍，成纱质量相对于三罗拉双胶圈两区牵伸的方式有较大提高。虽然采用多组罗拉胶圈多区牵伸的方式能够加强对纱线条干的控制，提高成纱质量，但是过多的罗拉与胶圈组合方式使得牵伸效率较低，同时对设备的改进较多，不利于操作。

集聚纺则是在传统环锭纺的基础上增加了对纱线的集聚作用，改善成纱的毛羽及条干等性能[12]。但在牵伸配置上与环锭纺存在相似的问题。

因此，本文以降低对原料的需求及简化生产设备的目的重新设计了核心纺纱装置，研究解捻程度和牵伸倍数对成纱性能的影响，探索超细纱线加工的新方法。捻度的大小反映了纱条沿轴向的扭转程度[13]，但不能准确反映加工过程中纱线的解捻程度。因此我们引入了滑移捻度的概念。采用直接计数法测试纱线捻度时，随着捻回数退去，纱条的主体逐渐散开，棉纤维间的抱合力下降，伴随着测试仪器的外加张力，纱条会阶跃式伸长甚至滑脱，此时已退去的捻回数称为滑移捻度。本文以该数值为基准设计采用退捻加捻法加工纱线时纱线的极限解捻程度。

2 试验方法

2.1 纺纱设备

试验中采用的设备为自制细纱小样机，其结构示意图如图1所示。

纱线从左端喇叭口1喂入，穿过后罗拉9与后胶辊3，经过假捻器4后再穿过前罗拉8与前胶辊5，最后成纱经过槽筒7回转卷绕到纱筒6上。通过二次加工的方法，使用假捻器对纱线一边退捻加捻一边牵伸，使得纱线处于有一定捻回的状况下接受牵伸，然后迅速加捻成纱。

图1 细纱小样机结构示意图

2.2 试验设计

本试验以棉纤维平均手扯长度为35 mm的JC 28.1 tex纱为原料。由于试验中采用定隔距（前后隔距均为1.5倍棉纤维平均长度，防止棉纤维牵伸不开），主要考虑解捻程度和牵伸倍数2个影响因素。考虑到设备牵伸效率，将牵伸控制在20倍以内，又由于小倍数牵伸（10倍以内）成纱质量较好且易于控制，故牵伸设置了5倍、10倍、20倍共3个因子，与此对应解捻程度也设置了3个因子。具体设置见表1。

表1 解捻程度与牵伸倍数试验水平表

用正交设计法设置样品的工艺参数。试验中有两个因素：解捻程度（A）、牵伸倍数（B）。每个因素都有3个水平。同时考虑到因素的交互作用（A×B）及误差（E）。通过以上条件，采用L9（34）正交表列出了9种样品的具体设置，见表2。

表2 样品工艺设计表

2.3 性能测试方法

所有样品在测试前至少在标准环境下[温度（22±2）℃、相对湿度（65±3）%]平衡24 h以上。样品细度由YG086型缕纱测长机取100 m长度的样品称重后计算得出，每种纱线测10次取平均值。样品毛羽根据FZ/T 01086—2000《纺织品纱线毛羽测定方法投影计数法》进行测试，由YG173A型纱线毛羽测试仪测得样品的毛羽数据，测试速度30 m/min，每种纱线每次取不同的10 m长片段，测10次取平均值。样品条干根据GB/T 3292.1—2008《纺织品纱线条干不匀试验方法第1部分：电容法》进行测定，测试设备为YG133B型条干均匀度测试仪，测试速度100 m/min，测试时间1 min，每种纱线测10次取平均值。样品的断裂强力根据GB/T 3916—2013《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）》进行测定，由YG068C型全自动单纱强力仪测得样品的断裂强力及断裂伸长率，纱线夹持长度500 mm，拉伸速度500 mm/min，每种纱线测20次取平均值。

3 试验结果与分析

成纱质量指标正交试验结果见表3。

表3 成纱质量指标正交试验结果

3.1 成纱细度

成纱细度指标的极差分析见表4。

表4 成纱细度指标极差分析结果

由表4得到因素主次为B＞A＞A×B＞E，即牵伸倍数的影响最大，解捻程度次之，而两者的交互作用影响较小。即组合A2B3能得到最细的纱线。为了验证其正确性，显著性检验见表5。

各因素的均方差（MS）与误差的均方差之比服从F分布，P值为F值对应的概率，当P≤0.05时，影响效果显著。由表5可以得到，牵伸倍数对成纱细度的影响效果显著，与均值检验相同。

成纱细度的均值主效应图如图2所示。

表5 成纱细度影响因素方差分析表

图2 成纱细度的均值主效应图

从图2中可以看到，当解捻程度超过2/3滑移捻度后会产生负效应，纱线细度增大，因此假捻器的转速不应超过2/3滑移捻度与纺纱线速度的乘积。虽然增大牵伸倍数能一直降低成纱细度，但大牵伸倍数会恶化纱线的毛羽、条干及强力指标，因此牵伸倍数的选择范围要结合其他性能指标来确定。解捻程度与牵伸倍数的交互作用及误差的均值曲线的斜率较小，说明这两个因素未对成纱细度有显著影响。

3.2 毛羽

经测试，原纱及样品1～样品9的3 mm毛羽数分别为 234.20根 /10 m、41.70根/10 m、54.10根/10 m、80.80根/10 m、48.80根/10 m、69.00根/10 m、68.70根/10 m、54.60根/10 m、53.30根/10 m、68.70根/10 m。可以看到，样品的毛羽性能均较原纱有较大提升。这是由于假捻牵伸工艺对浮游纤维有较好的控制，又对纱线须条有一定程度的改善[14-15]，有效减少了二次成纱的毛羽。但随着解捻程度及牵伸倍数进一步增大，成纱毛羽性能逐步恶化。纱线毛羽成因有很多，可以分为加捻毛羽与过程毛羽[16]。加捻毛羽是在成纱点处形成，而过程毛羽主要是成纱点后及后续工序中形成。在本试验中加捻毛羽主要产生于假捻器与前罗拉这段，纱线在后罗拉与假捻器之间通过假捻器回转退捻，然后在假捻器与前罗拉之间加捻。随着牵伸倍数的增大，解捻段纱线捻度降低，纤维间的抱合力下降，前、后罗拉转速不同产生的牵伸作用使得纱体内纤维具有不同速度[17]。牵伸倍数越大，纤维的速度变化越快。由于纱体表面无外界约束，一部分慢速纤维在快速纤维的挤压下，加上纤维自身的弹性影响，使得慢速纤维的端部发生翘起。在回捻段，假捻器重新给纱线加捻时，翘起的纤维端部就容易伸出纱体形成毛羽[18]。3 mm毛羽数指标的极差分析见表6。

表6 3 mm毛羽数指标极差分析结果

由表6得到因素主次为B＞A×B＞A＞E，即牵伸倍数的影响最大，牵伸倍数与解捻程度的交互作用次之，然后是解捻程度。即组合A1B1的3 mm毛羽数最少。为了验证其正确性，显著性检验见表7。

表7 3 mm毛羽数影响因素方差分析表

由表7可以得到，牵伸倍数对毛羽的影响效果显著，说明牵伸倍数是影响成纱毛羽的主要因素。综合以上分析，因素B以较小的牵伸倍数来减少毛羽。对于因素A×B取1水平为最小值，由于因素A的影响程度低于A×B，故因素A取1水平，即组合A1B1能得到的纱线3 mm毛羽最少。

成纱3 mm毛羽数的均值主效应图如图3所示。

图3 成纱3 mm毛羽数的均值主效应图

从图3可以看到，随着牵伸倍数及解捻程度增大，成纱毛羽逐渐增多。当各因素超过2水平时，3 mm毛羽数的增长更为明显。同时，对比9种样品与原纱的毛羽数据可以发现，将牵伸倍数和解捻程度均控制在1水平以内，成纱的毛羽水平呈下降趋势，组合A1B1为最小值。故要保证较好的毛羽水平，牵伸应小于5倍，解捻程度小于1/3滑移捻度。

3.3 条干均匀度

条干均匀度是纱线性能的重要指标，条干是否均匀影响到纱线的外观、断裂强力，以及后续织造。样品条干CV值指标的极差分析结果见表8。

表8 条干CV值指标极差分析结果

由表8可以得到因素主次为A＞B＞E＞A×B，即解捻程度的影响最大，牵伸倍数次之，而牵伸倍数与解捻程度的交互作用影响较小甚至低于误差。故因素A应选1水平，因素B选2水平，即组合A1B2的条干均匀度最佳。为了验证其正确性，显著性检验见表9。

表9 成纱条干CV值影响因素方差分析表

从表9的计算结果来看，解捻程度对成纱条干均匀度影响效果显著，而牵伸倍数对成纱条干均匀度无显著影响，验证了均值分析的判断。综合上述分析，组合A1B2的条干均匀度最佳。

成纱条干CV值的均值主效应图如图4所示。

从图4中可看到，随着解捻程度增大，纱线的条干均匀度是在下降的。牵伸倍数则对条干均匀度无持续性效应。综合考虑，解捻程度不超过1/3滑移捻度，牵伸不大于10倍时，成纱的条干均匀度优于原纱。

图4 成纱条干CV值的均值主效应图

3.4 断裂强度

影响纱线断裂强度性能的因素有很多，大的分类有原料的纤维细度和纺纱时的工艺条件两类[19]。在本试验中，主要的工艺参数为假捻器转速与前后罗拉的牵伸倍数。断裂强度指标的极差分析见表10。

表10 样品断裂强度指标极差分析结果

由表10可以得到因素主次为B＞A＞A×B＞E，即牵伸倍数的影响最大，解捻程度次之，而牵伸倍数与解捻程度的交互作用影响较小。即A1B2组合的断裂强力最佳。为了验证其正确性，显著性检验见表11。

表11 成纱断裂强度影响因素方差分析表

从表11的计算结果来看，牵伸倍数对成纱强度影响效果显著，而解捻程度对成纱断裂强度无显著影响，验证了均值分析的结论。综合上述分析，组合A1B2的断裂强力性能最好。

成纱断裂强度的均值主效应图如图5所示。由图5可以看到，因素A对成纱断裂强度表现为持续性负效应，当因素A超过2水平后表现更明显，因此解捻程度不宜超过1/3滑移捻度。因素B在2水平之前有提高纱线断裂强度的正效应，但超过2水平后纱线断裂强度急剧降低，说明牵伸应控制在10倍以内。综合考虑，要提高成纱的强力性能，假捻器转速应小于1/3滑移捻度与纺纱线速度的乘积，牵伸不超过10倍。

图5 成纱断裂强度的均值主效应图

4 结论

采用本文方法加工纱线时，滑移捻度能够很好地衡量设备在牵伸过程中对纱线的解捻程度。当牵伸倍数一定时，随着解捻程度的提高，成纱的细度变细，但成纱的毛羽、条干均匀度及强力性能会不断恶化。当解捻程度一定，增大牵伸倍数时，成纱细度有较大提高，但其他性能会恶化。通过正交试验发现：解捻程度是条干均匀度的显著影响因素，而牵伸倍数是细度、毛羽及断裂强度的显著影响因素。解捻程度与牵伸倍数的交互作用较弱。因此，在纺纱过程中对牵伸倍数的选择要更加重视。假捻器转速小于1/3纱线滑移捻度与纺纱线速度的乘积，且牵伸不超过10倍时，成纱的各项性能指标相对于原纱都有较好的提升。因此，该方法能够提高纱线细度的同时保证纱线的其他性能，其简单的结构，有利于以较小的成本生产超细纱线。当然，该纺纱方法及设备目前还不够成熟，仍需要进一步优化。