薛元，汪燕燕，王怡淞，卜华香，吕明明

(1.江南大学 纺织科学与工程学院,江苏 无锡 214122；2.无锡市和展机电技术有限公司，江苏 无锡 214174)

近年来，花式纱线因其独特的结构和外观效果被广泛使用，占据了纱线市场的一定份额[1]。段彩竹节纱是一种具有粗细形态变化和色彩分布变化的纱线[2-3]。纱线形态的粗细变化会使竹节条产生随机分布的凹凸感，纱线色彩的分段变化会形成段彩随机分布的花色视觉纹理。段彩竹节纱在普通竹节纱风格的基础上，将形态变化与色彩变化相结合，赋予纺织品更强的色彩层次感与纹理立体感，不但可以满足大众对流行趋势的追求，还实现了在流行服饰及装饰用纺织品领域的创新应用。

1 具有粗细节特征的段彩竹节纱

1.1 粗细节段彩竹节纱的特点

传统的定义中，把粗细节纱平均线密度定义为基纱线密度，大于基纱线密度的部分定义为粗节，小于基纱线密度的部分定义为细节[4]。文中根据动态与恒态交替纺纱形成粗细节的机理，把恒态纺纱形成的线密度定义为基纱线密度，把动态纺纱形成的大于基纱线密度且长度小于基纱长度15%的纱段部分定义为粗节；把动态纺纱形成的小于基纱线密度且长度小于基纱长度15%的纱段部分定义为细节。

段彩竹节纱的设计需要考虑色彩分布的花形周期，还需要考虑线密度变化的粗细节周期，其中粗细节周期又可以分为粗节周期和细节周期。

通常在一个粗细节周期中，基纱长度占比大于70%，粗节段长度占比小于15%，细节段长度占比小于15%。粗节段是在基纱上密集分布的长度很短、线密度约为基纱1.2～4倍的若干粗节，最小长度为8 mm左右，最大长度不限；细节段是在基纱上密集分布的长度很短、线密度约为基纱40%～60%的若干细节，最小长度为5 mm左右，最大长度不限。粗节倍率和细节倍率的变化范围为1～3之间，粗节具有蓬松性，细节则较为紧密。

1.2 段彩竹节纱的结构参数

图1 段彩竹节纱粗细节外观结构示意Fig.1 Schematic diagram of the appearance and structure of thick and thin segment colored slub yarns

2 三通道环锭细纱机纺制粗细节段彩竹节纱机理

2.1 三通道环锭数控细纱机组成

三通道环锭数控细纱机如图2所示。由图2可以看出，三通道数控纺纱机采用嵌套设计，将控制纤维喂入的后罗拉由单一钳口变为3个钳口，3只后罗拉借助各自程序控制的伺服电动机驱动，从而实现多根粗纱的异速喂入[5]。独立的3个后罗拉以不同速度喂入3股粗纱，经独立的后区牵伸和共同的前区牵伸后，再汇合加捻形成纱线。

注：1,2,3—粗纱；4,5,6—后皮辊；7,8,9—后罗拉；10—中皮辊；11—中罗拉；12—前皮辊；13—前罗拉。图2 三通道环锭数控细纱机示意Fig.2 Schematic diagram of three-channel ring spinning numerical control spinning frame

2.2 三通道环锭细纱机数控纺纱参数

设左、中、右3个牵伸通道喂入粗纱的线密度为ρ1，ρ2，ρ3，颜色值分别为C1(r1,g1,b1)，C2(r2,g2,b2),C3(r3,g3,b3),通过伺服电动机独立驱动的前罗拉、中罗拉、3只后罗拉线速度分别为VQ,VZ,VH1,VH2,VH3，3根粗纱牵伸后的线密度分别为ρ′1,ρ′2,ρ′3，3根粗纱经过牵伸加捻后形成的纱线线密度为ρy，3根粗纱牵伸后的牵伸比为E1,E2,E3，锭子转速为nD，纱线中3色纤维的混纺比为λ1,λ2,λ3，纱线颜色值为Cy(ry,gy,by)[5]，捻度为TW，则三通道环锭数控细纱机纺纱参数如下[6]：

各通道牵伸比为

(1)

成纱线密度为

(2)

成纱混纺比为

(3)

(4)

成纱色彩为

Cy=(ry,gy,by) ，

(5)

(6)

纱线捻度为

TW=nD/VQ。

(7)

2.3 三通道环锭数控细纱机纺制粗细节纱的机理

三通道环锭数控细纱机主要采用主牵伸通道和辅助牵伸通道相配合的方式纺制段彩竹节纱[6-7]，在粗节周期，通过主牵伸通道连续喂入1或2根彩色粗纱纺制基纱部分，通过辅助通道断续式喂入1或2根粗纱纺制粗节部分[8]；在细节周期，通过主牵伸通道连续喂入2或3根彩色粗纱纺制基纱部分，通过辅助通道断续式停喂1或2根粗纱纺制细节部分。通过调控主体粗纱、辅助粗纱的喂入及牵伸方式，实现基纱、粗节、细节纺制模式的随机切换。主体粗纱采用连续喂入及恒定牵伸方式；如果辅助粗纱采用断续喂入与断续式牵伸，辅助粗纱停喂时长是喂入时长的5倍以上，则可在基纱上形成密集分布的粗节；如果辅助粗纱采用停顿喂入与停顿式牵伸，辅助粗纱喂入时长是停喂时长的5倍以上，则可在基纱上形成密集分布的细节；如果将辅助粗纱的喂入方式在完全停止喂入、间断喂入和间断停顿之间进行切换，则可在基纱上形成一段密集分布的细节段、一段密集分布的粗节段。由三通道数控环锭细纱机纺制粗细节纱的基纱段、粗节段、细节段，其颜色值分别为CyJ(ryJ,gyJ,byJ)，CyC(ryC,gyC,byC)，CyX(ryX,gyX,byX)。

3 段彩竹节纱外观形态的时序化设计

在三通道环锭数控细纱机左、中、右3个通道分别喂入A，B，C 3种不同颜色的粗纱(假设A为蓝色，B为红色，C为黄色)，通过3个通道的交变式牵伸，使纱线粗细及3色混纺比发生变化，从而生产段彩竹节纱。

3.1 粗节分布规律的时序化设计及其纺制

3.1.1段彩竹节纱粗节分布的时序化设计 采用1根主体粗纱和2根辅助粗纱的纺纱模式时，主体粗纱恒定喂入，辅助粗纱长时间停顿、断续式同步或异步喂入形成粗节；采用2根主体粗纱和1根辅助粗纱的纺纱模式时，主体粗纱恒定喂入，辅助粗纱长时间停顿、断续式喂入形成粗节[9-10]。设定粗节与基纱长度之比小于20%，且粗节线与基纱线密度之比大于33%。图3为采用1根主体粗纱和2根辅助粗纱纺制形成的粗节段彩竹节纱及其花型效果；图4为采用2根主体粗纱恒定喂入、1根辅助粗纱断续式喂入纺制形成的粗节段彩竹节纱及其花型效果。

图3 采用1根主体粗纱和2根辅助粗纱纺制形成的粗节段彩竹节纱及其花型效果Fig.3 Thick segment colored slub yarns formed by one main roving and two auxiliary rovings and their pattern effects

图4 采用2根主体粗纱和1根辅助粗纱纺制形成的粗节段彩竹节纱及其花型效果Fig.4 Thick segment colored slub yarns formed by two main rovings and one auxiliary roving and their pattern effects

3.1.2段彩竹节纱粗节段的纺制模式

1)采用1根主体粗纱和2根辅助粗纱纺制。1根主体粗纱连续喂入，经恒定牵伸形成段彩竹节纱的基纱，2根辅助粗纱在时间段TJC内不喂入、在时间段TC内同步或者异步喂入(文中纺制模式以2根辅助粗纱同步喂入为例)，以时序化的断续式喂入和断续式牵伸形成段彩竹节纱的粗节，辅助粗纱时序化喂入和停喂的规律即为段彩竹节纱粗细节的变化规律。其中，TJC≥4TC，粗节纱线密度变化的周期时长为T=TJC+TC。设3个牵伸通道后罗拉速度分别为VH1(t)，VH2(t)，VH3(t)。

按照运动规律将运动周期分为3段：

(8)

式中：ξ=1,2,3,…,n-1,n；TC(ξ)/TJC(ξ)≤20%。

在一个运动周期内，三通道后罗拉速度的时序化规律为

(9)

三通道牵伸比时序化规律为

(10)

成纱线密度时序化规律为

(11)

成纱混色比时序化规律为

(12)

成纱颜色时序化规律为

(13)

2)采用2根主体粗纱和1根辅助粗纱纺制。2根主体粗纱连续喂入，经恒定牵伸形成段彩竹节纱的基纱，1根辅助粗纱在时间段TJC内不喂入、在时间段TC内喂入，以时序化的断续式喂入和断续式牵伸形成段彩竹节纱的粗节，辅助粗纱时序化喂入和停喂的规律即为段彩竹节纱粗细节的变化规律。

按照运动规律将运动周期分为3段：

(14)

式中：ξ=1,2,3,…,n-1,n；TC(ξ)/TJC(ξ)≤20%。

三通道后罗拉速度的时序化规律为

(15)

三通道牵伸比时序化规律为

(16)

成纱线密度时序化规律为

(17)

成纱混色比时序化规律为

(18)

(19)

3.2 细节分布规律的时序化设计及其纺制

3.2.1段彩竹节纱细节分布的时序化设计 采用1根主体粗纱和2根辅助粗纱的纺纱模式时，开始时3根(2根)粗纱恒定喂入，中途2根(1根)辅助粗纱断续式短暂停喂形成细节；采用2根主体粗纱和1根辅助粗纱的纺纱模式时，开始时3根粗纱恒定喂入，中途1根辅助粗纱周期性短暂停喂形成细节。设定细节与基纱长度之比小于20%，且细节与基纱线密度之比小于66%。图5为采用1根主体粗纱和2根辅助粗纱纺制形成的细节段彩竹节纱及其花型效果；图6为采用2根主体粗纱和1根辅助粗纱纺制形成的细节段彩竹节纱及其花型效果，开始时3根粗纱恒定喂入，中途1根辅助粗纱周期性短暂停喂。

图5 采用1根主体粗纱和2根辅助粗纱纺制形成的细节段彩竹节纱及其花型效果Fig.5 Thin segment colored slub yarns formed by one main roving and two auxiliary rovings and their pattern effects

图6 采用2根主体粗纱和1根辅助粗纱纺制形成的细节段彩竹节纱及其花型效果Fig.6 Thin segment colored yarns formed by two main rovings and one auxiliary roving and their pattern effects

3.2.2段彩竹节纱细节段的纺制模式

1)采用1根主体粗纱和2根辅助粗纱的纺纱模式。开始时3根粗纱连续喂入、牵伸形成基纱，2根辅助粗纱在时间段TJX内同步或者异步喂入(文中纺制模式以2根粗纱同步喂入为例)、在时间段TX内不喂入，以时序化的断续式喂入和断续式牵伸形成段彩竹节纱的细节，辅助粗纱时序化喂入和停喂的规律即为段彩竹节纱粗细节的变化规律。其中，TJX≥4TX，细节纱线密度变化的周期时长为T=TJX+TX。设3个牵伸通道后罗拉速度分别为VH1(t),VH2(t),VH3(t)。

按照运动规律将运动周期分为3段：

(20)

式中：ξ=1,2,3,…,n-1，n；TX(ξ)/TJX(ξ)≤20%。

三通道后罗拉速度的时序化规律为

(21)

三通道牵伸比时序化规律为

(22)

成纱线密度时序化规律为

(23)

成纱混色比时序化规律为

(24)

(25)

2)采用2根主体粗纱和1根辅助粗纱的纺纱模式。开始时3根粗纱连续喂入、牵伸形成基纱，1根辅助粗纱在时间段TJX内喂入、在时间段TX内不喂入，以时序化的断续式喂入和断续式牵伸形成段彩竹节纱的细节，辅助粗纱时序化喂入和停喂的规律即为段彩竹节纱粗细节的变化规律。

按照运动规律将运动周期分为3段：

(26)

式中：ξ=1,2,3,…,n-1,n；TX(ξ)/TJX(ξ)≤20%。

三通道后罗拉速度的时序化规律为

(27)

三通道牵伸比时序化规律为

(28)

成纱线密度时序化规律为

(29)

成纱混色比时序化规律为

(30)

(31)

4 具有粗细节特征的段彩竹节纱纺制

4.1 具有粗节的段彩竹节纱纺制

4.1.1粗节段彩竹节的纱外观设计 设定粗细节纱的粗节段基纱密度为14.6 tex，粗节倍率为2，粗节长度为100 mm，基纱长度为600 mm；三通道数控细纱机上左、中、右3个通道可分别喂入不同颜色的粗纱，品种1#选用白色粗纱(左通道)、蓝色粗纱(中通道)和黄色粗纱(右通道)(见图7)，品种2#选用黑色粗纱(左通道)、红色粗纱(中通道)和黑色粗纱(右通道)(见图8)，其定量均为0.45 g/m。喂入方式为中通道粗纱连续稳定喂入，左通道和右通道的粗纱同步断续喂入。

图7 段彩竹节纱粗节段品种1#外观Fig.7 Appearance of type 1# thick segment colored slub yarn

图8 段彩竹节纱粗节段品种2#外观Fig.8 Appearance of type 2# thick segment colored slub yarn

4.1.2粗节段彩竹节纱的纺纱工艺设计 根据纺制粗节段彩竹节纱的机理，按照式(8)～(10)求出纺制粗节段彩竹节纱的工艺参数，具体见表1。

4.1.3粗节段彩竹节纱及其织物 粗节段彩竹节纱的线密度见表2。品种1#粗节倍率为1.9，品种2#粗节倍率为1.86，与倍率的理论值2相差不大，粗节效果较理想，且纺制出的粗节是按照设计的时序化规律分布的。图9为段彩竹节纱粗节段纱线及织物布面效果。由图9可以看出，当三通道数控细纱机上的1个通道连续稳定喂入粗纱，另2个通道同步断续喂入粗纱时，可织出2色点状条纹的段彩竹节纱，整个布面呈现出波浪的动感，竹节的存在使色彩更加凹凸分明。

表1 段彩竹节纱粗节段工艺参数设计Tab.1 Process parameters design of thick segment colored slub yarn

表2 粗节段彩竹节纱线密度Tab.2 Linear densities of thick segment colored slub yarns 单位：tex

图9 段彩竹节纱粗节段纱线及织物布面效果Fig.9 Yarn and fabric surface effects of thick segment colored slub yarns

4.2 具有细节的段彩竹节纱纺制

4.2.1细节段彩竹节纱的外观设计 设定段彩竹节纱细节段的密度为14.6 tex，细节倍率为2；三通道数控细纱机上左、中、右3个通道可分别喂入不同颜色的粗纱，品种3#选用白色粗纱(左通道)、蓝色粗纱(中通道)和白色粗纱(右通道)(见图10)，品种4#选用黑色粗纱(左通道)、红色粗纱(中通道)和白色粗纱(右通道)(见图11)，品种5#选用白色粗纱(左通道)、红色粗纱(中通道)和白色粗纱(右通道)(见图12)，其定量均为0.45 g/m。喂入方式为中通道粗纱连续稳定喂入，左通道和右通道的粗纱周期性同步断续停喂。

图10 段彩竹节纱细节段品种3#外观Fig.10 Appearance of type 3# thin segment colored slub yarn

图11 段彩竹节纱细节段品种4#外观Fig.11 Appearance of type 4# thin segment colored slub yarn

4.2.2细节段彩竹节纱的纺纱工艺设计 根据纺制细节段彩竹节纱的机理，按照式(20)～(22)，(26)～(28)求出纺制细节段彩竹节纱的工艺参数，具体见表3～表5。

表3 段彩竹节纱细节段品种3#工艺参数设计Tab.3 Process parameters design of type 3# thin segment colored slub yarn

表4 段彩竹节纱细节段品种4#工艺参数设计Tab.4 Process parameters design of type 4# thin segment colored slub yarn

表5 段彩竹节纱细节段品种5#工艺参数设计Tab.5 Process parameters design of type 5# thin segment colored slub yarn

4.2.3细节段彩竹节纱及其织物 细节段彩竹节纱的线密度见表6。品种3#细节倍率为2.07，品种4#细节倍率为2.12，品种5#细节倍率为1.96，与倍率的理论值2相差不大，细节效果较理想，且纺制出的细节是按照设计的时序化规律分布的。图13为段彩竹节纱细节段纱线及织物布面效果。由图13可以看出，当三通道数控细纱机上的3个通道长时间稳定喂入粗纱，其中2个通道同步短暂停喂粗纱时，若基纱和细节长度较短，可织出点状花纹的段彩竹节纱；若2个通道粗纱异步短暂停喂，且基纱和细节长度较短时，织出的段彩竹节纱点状花纹色彩分布明显，如撒在布面上的繁星。由于细节的存在，整个布面立体感强，凹凸有致，与粗节相比，质地更加紧密厚实，花纹精致。若2个通道粗纱同步短暂停喂，且基纱和细节长度较长时，与短片段细节呈现出了截然不同的外观效果，织物上形成了时隐时现的细条纹，使布面染上了一抹别样的色彩。

表6 细节段彩竹节纱线密度Tab.6 Linear densities of thin segment colored slub yarns 单位：tex

图13 段彩竹节纱细节段纱线及织物布面效果Fig.13 Yarn and fabric surface effects of thin segment colored slub yarns

4.3 具有粗细节的段彩竹节纱纺制

4.3.1粗细节段彩竹节纱的外观设计 设定段彩竹节纱粗节段基纱密度为14.6 tex，粗节倍率为2，粗节长度为100 mm，基纱长度为600 mm，粗节周期为10个；设定段彩竹节纱细节段的细节密度为14.6 tex，细节倍率为2，细节长度为100 mm，基纱长度为600 mm，细节周期为10个；三通道数控细纱机上左、中、右3个通道可分别喂入不同颜色的粗纱，选用白色粗纱(左通道)、红色粗纱(中通道)和白色粗纱(右通道)，其定量均为0.45 g/m。喂入方式为中通道粗纱连续稳定喂入，左通道和右通道的粗纱周期性异步断续喂入。

4.3.2粗细节段彩竹节纱的纺纱工艺设计 结合纺制粗细节纱的机理，先纺制6个周期的粗节段彩竹节纱，接着纺制6个周期的细节段彩竹节纱，以此循环得到同时具有粗细节的段彩粗细节纱。具体工艺参数见表7。

表7 段彩竹节纱粗细节工艺参数设计Tab.7 Process parameters design of thick and thin segment colored slub yarns

4.3.3粗细节段彩竹节纱及其织物 粗细节段彩竹节纱的线密度见表8。粗节周期内j的粗节倍率为2.02，k的粗节倍率为2，细节周期内l的粗节倍率为2.06，m的粗节倍率为2.02，粗细节效果较理想，且纺制出的粗细节与设计的时序化规律吻合。图14为段彩竹节纱粗细节段纱线及织物布面效果。由图14可以看出，当段彩粗细节相结合时，粗节段较为蓬松，细节段较为紧密，呈现出两种不一样的外观风格，整体色彩上粗节段的素雅与细节段的明艳相间，给人别样的视觉冲击。

表8 粗细节段彩竹节纱线密度Tab.8 Linear densities of thick and thin segment colored slub yarns 单位：tex

图14 段彩竹节纱粗细节段纱线及织物布面效果Fig.14 Yarn and fabric surfance effect of thick and thin colored slub yarn

5 结语

通过定义具有粗节和细节特征的段彩竹节纱，指出其形成机理，在此基础上，提出粗细节段彩竹节纱的时序化设计方法；结合三通道环锭细纱机的数控纺纱原理，基于段彩竹节纱结构参数时序化分布特征，提出粗细节时序化纺制的原理和方法；设计了12种具有不同粗细节分布特征的段彩竹节纱花型及其成纱工艺参数，纺制了4种具有粗细节特征的段彩竹节纱及织物，效果良好。段彩竹节纱与传统竹节纱相比，色彩鲜明、花纹独特、风格多变，由于粗细形态变化和色彩分布变化同时存在，使段彩竹节纱更加立体、艳丽。文中对段彩竹节纱的色彩、花纹进行了深入探索，但在时序化纺制纱线时，由于细纱机起止有滞后性，导致粗细节线密度和长度与理论有偏差，这些问题值得进一步研究。