尚珊珊， 郁崇文

(东华大学 纺织学院, 上海 201620)



喷气涡流纺涡流管喷孔工艺的实验研究

尚珊珊， 郁崇文

(东华大学 纺织学院, 上海 201620)

喷气涡流纺是利用高速旋转气流在涡流管中对纤维加捻而使其成纱，为了研究涡流管喷孔参数对纺纱的影响，对涡流管的喷孔参数(喷孔孔径、喷孔角度和喷孔个数)进行探讨，选择2种喷孔直径(0.5、0.6 mm)，并在这2种直径下选择7种喷孔角度(30.0°、32.5°、35.0°、37.5°、40.0°、45.0°、50.0°)、3种喷孔个数(4、5、6)，以粘胶为原料在喷气涡流纺纱小样机上进行纺纱实验，结果表明：当喷孔角度为45.0°,喷孔直径为0.5 mm,喷孔数目为4时，成纱质量好且能耗小。

喷气涡流纺； 喷嘴； 涡流管； 喷孔参数

喷气涡流纺是在喷气纺的基础上发展起来的，属于不完全自由端纺纱，由棉条直接喂入，在喷嘴内涡流的作用下随气流的旋转加捻成纱[1-2]。喷气涡流纺的研究始于20世纪后期[3]，目前产品开发比较成熟的企业是日本村田公司[4]和瑞士立达公司。国内外的纺织学者对喷气涡流纺技术进行了各种有益的探索，但都局限于纱线结构[5]、纺纱工艺和产品性能[6]，对喷嘴的研究很少，而喷嘴对纤维原料、产品质量乃至纺纱过程有直接的影响，因而，研究喷嘴很有必要。涡流管作为喷嘴的主要组成部分，喷孔的参数直接影响喷嘴性能。同时，纺纱实验受温湿度影响大，需要合适的温湿度条件[7]。

喷气涡流纺喷嘴对原料的性能是有要求的，粘胶、棉、涤/棉、毛等原料的性能差异较大，不同的原料所适用的涡流管喷孔参数也不相同。目前，喷气涡流纱的常用原料是粘胶类纤维(粘胶、Tencel、Model等)，纯棉用得较少。本文旨在优选适用于纯粘胶(1.23 dtex×39 mm)的喷气涡流纺涡流管喷孔参数，并在自行研制的喷气涡流纺纱小样机上进行纺纱实验。

1 喷气涡流纺的纺纱机制

压缩气流在喷嘴入口处形成足够大的负压，经前罗拉输出的平行纤维束被吸入喷嘴，其头端进入空心引纱管，与此同时，部分纤维的后端脱离了前罗拉的控制，从纱体中分离出来，形成自由端纤维，在气流的轴向作用下，自由端纤维呈伞状倒伏在锥面体的锥面，在气流的切向作用下，中心纤维的四周按一定方向缠绕，完成对纤维须条的加捻而形成实捻状的短纤维纱[8]。其机制如图1[9]所示。

图1 喷气涡流纺纱机制图Fig.1 Mechanism diagram of jet vortex spinning

2 涡流管喷孔参数的优化

涡流管(如图2所示)的作用主要是利用高速回转气流(如图3所示)对牵伸后的须条进行加捻而成纱。涡流管的喷孔参数对纺纱影响很大，其差异可以引起气流的很大变化，因此直接影响纤维的运动状态[10]。涡流管喷孔主要参数有：喷孔直径d、喷孔个数M和喷孔角度β。喷孔角度β指喷孔相对于涡流管横截面的倾斜程度，它决定喷孔出口处气流速度各分量的大小[11-12]。

图2 涡流管Fig.2 Vortex tube

图3 涡流管内射流流向Fig.3 Air flow vortex tube

为了探索涡流管的喷孔参数对纺纱的影响，本文选择2种喷孔直径d(方案1：0.5 mm、方案2：0.6 mm)，并在这2种喷孔直径下选择7种喷孔角度β(30°、32.5°、35°、37.5°、40°、45°、50°)，3种喷孔个数M(4、5、6)分别进行了单因子的纺纱实验，并从中优化出较佳的涡流管喷孔参数。纺纱工艺参数为：纺纱速度170 m/min，压力0.55 MPa，前罗拉钳口到喷嘴入口的距离10 mm，导引针到锥面体的距离1 mm。

图4 d=0.5 mm，M=4时β对纯粘胶纱性能的影响Fig.4 Effect of β on pure viscose performance under conditions of d=0.5 mm and M=4. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

图4示出当d=0.5 mm、M=4时β对纯粘胶纱性能的影响。可以看出：随着β的增大，纯粘胶纱的强度先增大后减小；而单强不匀率的总体趋势是先减小后增加；条干不匀率总体趋势是先增加后减小又增加；断裂伸长率的总体趋势是先增加后减少；喷气涡流纱的毛羽明显很少, 尤其是3 mm以上有害毛羽几乎没有[13]。总体看来，当d=0.5 mm、M=4时β以40°～45°为佳。主要是因为通过涡流管喷气孔进入的气流速度分为3个方向，沿涡流管内壁对纱体进行加捻的切向气流，指向纱芯的径向气流，与纱体输出方向相同的轴向气流。当β较小时，通过涡流管的喷气孔进入气流的切向和径向速度大但轴向气流小，不利于引纱，对成纱造成影响；当β逐渐增大，超过一定值时，气流轴向速度变大而切向、径向速度变小，不利于纱体的加捻，从而影响成纱质量。

图5 d=0.5 mm，M=5时涡流管喷孔角度β对纯粘胶纱性能的影响Fig.5 Effect of vortex tube′s jet orifice obliquity β on pure viscose performance under conditions of d=0.5 mm and M=5. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

图5示出当d=0.5 mm、M=5时β对纯粘胶纱性能的影响。可以看出：随着β的增大，纯粘胶纱的强度先增大后减小；而单强不匀率的总体趋势是先平缓增加后平缓减小最后又突然增加；条干不匀率总体趋势是先增加后减小又增加；断裂伸长率的总体趋势是先缓慢增加再急剧减小然后又增加的；毛羽指数较小。总体看来，当d=0.5 mm、M=5时β以40°～45°为佳。这与图4的结果相似，这也是由于β较小时，气流的切向和径向速度大而轴向速度小，不利于引纱；而当β增大到一定值时，气流轴向速度变大而切向、径向速度变小，不利于纱体的加捻。

图6示出当d=0.5 mm、M=6时β对纯粘胶纱性能的影响。可以看出，当d=0.5 mm、M=6时β以35°～40°为佳。因喷气孔直径相同，增加涡流管喷气孔数，就显著增加了气流量，使得气流的各项分量也随之增大。因此，当β为35°～40°时，气流可实现较好的加捻和顺利的引纱。

图7示出当d=0.6 mm、M=4时β对纯粘胶纱性能的影响。可以看出，当d=0.6 mm、M=4时β以40°～45°为佳。相对于图4，图7涡流管的喷气孔直径增加了0.1 mm，气流量也随之有所增加，这也是由于β较小时，不利于引纱；而当β逐渐增大并超过一定值时，气流的切向、径向速度变小，不利于纱体的加捻，从而影响成纱质量。

图6 d=0.5 mm，M=6时β对纯粘胶纱性能的影响Fig.6 Effect of β on pure viscose performance under condition of d=0.5mm and M=6. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

图8示出当d=0.6 mm、M=5时β对纯粘胶纱性能的影响。可以看出，当d=0.6 mm、M=5时，β以40°～45°为佳。这也是由于β较小不利于引纱；而当β逐渐增大并超过一定值时不利于纱体加捻而造成的。

图9示出当d=0.6mm、M=6时β对纯粘胶纱性能的影响。可以看出，当d=0.6 mm、M=6时，β以35°～40°为佳。相对于图6，图9涡流管的喷气孔直径大了0.1 mm，气流量相对来说更大一些。因此，当β为35°～40°时，气流就可以实现较好的加捻和顺利的引纱。

图7 d=0.6 mm，M=4时β对纯粘胶纱性能的影响Fig.7 Effect of β on pure viscose performance under condition of d=0.6 mm and M=4. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

依据涡流管喷孔方案1和方案2中较好的参数再次进行纺纱实验验证，以确定最佳涡流管喷孔参数，结果如表1所示。可以看出，就单纱强度而言，当d=0.6 mm，M=4，β=45°时，单纱强度最大；当d=0.5 mm，M=4，β=45°时，单纱强度次之；当d=0.6 mm，M=5，β=45°时，单纱强度也较好。以上试样的单强不匀都在9.5%左右，有害毛羽指数都很小，性能较好。总体看来，涡流管的喷孔参数以参数A：d=0.5 mm，M=4，β=45°;参数B：d=0.6 mm，M=4，β=45°;参数C：d=0.6 mm，M=5，β=45°为佳。

为了探究3组参数哪组更好，再在这3组参数条件下进行纺纱实验，以确定最佳的涡流管喷孔参数。结果如表2所示。

本文的纺纱实验是在自行研制的喷气涡流纺纱小样机上进行，由于成纱均匀度指标主要受牵伸装置影响，而本文中的纺纱样机的牵伸及摇架部分均是采用现有环锭细纱机上的三罗拉牵伸装置，故其成纱条干较差。由表2可见，在同样的纺纱条件下，参数A纱线的条干指标优于参数B、C的，说明参数A最优。而喷嘴结构参数主要是对成纱强度指标影响较大，从表2可见，就单纱断裂强度而言，参数A纺出的纱线强度都达到了10 cN/tex以上，而参数B、C的稍逊；就单强不匀而言，参数A的也优于参数B、C的；且三者的有害毛羽指数都很小。但由于参数A的喷孔数和喷孔孔径最小，在气压为0.55 MPa的条件下，显然，耗气量大小顺序是参数C>参数B>参数A，因此，综合考虑产品质量和能耗，将涡流管的最优喷孔参数定为参数A，即：d=0.5 mm,M=4,β=45°。

图8 d=0.6 mm，M=5时β对纯粘胶纱性能的影响Fig.8 Effect of β on pure viscose performance under condition of d=0.6 mm and M=5. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

图9 d=0.6mm，M=6时β对纯粘胶纱性能的影响Fig.9 Effect of β on pure viscose performance under condition of d=0.6 mm and M=6. (a) Single yarn strength, uneven of single yarn breaking strength; (b) Evenness, breaking elongation; (c) Hairiness index

表1 涡流管喷孔方案1和方案2中较好的参数对纺纱质量的影响Tab.1 Effect of better parameters I and II of vortex tube orifice on yarn quality

表2 优化参数A、B、C条件下的纺纱验证实验
Tab. 2 Verification spinning experiments under conditions of optimize parameters A, B, C

参数序号线密度/tex条干不匀率/%细节(-50%)/(个·km-1)粗节(+50%)/(个·km-1)棉结(+200%)/(个·km-1)断裂强力不匀率/%断裂强度/(cN·tex-1)≥3mm有害毛羽指数118711968344661891410724001A21856187230413190721010000231974204751728993781050900211997210743848889349815003B2184320235679648308996203198420033255439366994200412090208340887882269966003C21830213144106778809908700332005194132524490059788001

3 结 语

本文通过对喷嘴主要部件涡流管喷孔参数的探讨和纺纱实验验证，优化得出涡流管的最佳喷孔参数，结果表明：当β=45°,d=0.5 mm,M=4时，成纱质量好且能耗小。

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Experimental research of vortex tube′s jet orifice technology in jet vortex spinning

SHANG Shanshan, YU Chongwen

(CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

It is well known that jet vortex spinning is to form yarns employing high speed air vortex in vortex tube to entangle the fibers. In order to study the influence of the vortex tube′s jet orifice parameters on the spinning, the vortex tube′s jet orifice parameters (jet orifice diameter, jet orifice obliquity and jet orifice number) were discussed. The two jet orifice diameters (0.5, 0.6 mm) were chosen, and seven jet orifice obliquities (30.0°, 32.5°, 35.0°, 37.5°, 40.0°, 45.0° and 50.0°) and three jet orifice numbers (4, 5 and 6) were selected based on the above two diameters, and with viscose as raw material, jet vortex spinning experiments were performed on a small sample machine. The experimental results indicate that: the quality of the formed yarn is good and the energy consumption is less under the conditions: jet orifice obliquity of 45.0°, jet orifice diameter of 0.5 mm and jet orifice number of 4.

vortex spinning; nozzle; vortex tube; jet orifice parameter

0253- 9721(2013)06- 0034- 06

2012-06-02

2013-03-13

国家自然科学基金资助项目(51076026)

尚珊珊(1978—)，女，硕士生。主要研究方向为喷气涡流纺的喷嘴设计制作。郁崇文，通信作者，E-mail: yucw@dhu.edu.cn。

TS 111.8

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