抽吸式喷气涡流纺装置及纺制金属丝包芯纱的实验分析

王兴宝, 奚传智, 王 科, 王家源, 裴泽光

(1.东华大学机械工程学院，上海 201620； 2.经纬智能纺织机械有限公司，山西晋中 030601)

包芯纱是一种将短纤维包覆在连续长丝外部形成的具有复合结构的纱线[1]。它将具有不同特性的长丝和短纤维在纱线层面上进行复合，可充分发挥两者优势，为服装面料的功能化提供了一条重要的途径[2- 4]。目前，包芯纱的加工方法主要包括环锭纺、转杯纺、摩擦纺和喷气涡流纺等[5-8]，其中喷气涡流纺是利用喷嘴内部形成的旋转气流将短纤维均匀包覆在芯丝上，因此不仅不需要高速回转的机械部件，而且能够以550 m/min的高速生产包芯纱，同时还具有流程短、用工少、产量高、可纺支数范围广等优点。此外，喷气涡流纱是由平行无捻状态的纤维作为芯层，呈螺旋状包缠在芯层纤维外部的纤维作为鞘层的芯鞘结构纱线。这种特殊的双层结构使喷气涡流纺特别适合纺制包芯纱。在前期研究中，笔者开发了一种用于生产金属丝包芯纱的喷气涡流纺纱方法，对其喷嘴气流特性、成纱过程、纱线结构和性能进行了研究[9-12]。然而在喷气涡流纺的成纱过程中，旋转气流的切向和轴向速度分量产生的作用力会使一些纤维完全从纱体中脱落，从而成为落纤，随后从喷嘴出口中排出[11-13]，如图1所示。这不仅会造成不必要的材料浪费，还会导致纱线质量的降低[14]。这是由于纤维的损失将会导致纱线表面的纤维量减少，从而会增加包芯纱中的露芯缺陷[8]。因此，设计低落纤的喷气涡流纺纱喷嘴具有重要的意义。

图1 喷气涡流纺包芯纱成纱过程中落纤形成过程示意

一些研究人员已经注意到喷气涡流纺纱过程中的纤维损失问题，并尝试对喷嘴进行了改进设计。邹专勇等[15]基于数值模拟方法分析了喷气涡流纺纱过程中喷嘴加捻腔内部纤维的运动规律，分析了纤维临界角速度对落纤形成的影响，在此基础上提出了一种带有假捻喷孔的喷气涡流纺纱喷嘴，以实现减少纤维损失的目的[16]。张肖斌等[17]发明了一种喷气涡流纺槽孔型空心锭，其锥部设有连接引纱通道和加捻腔的通孔，可为纤维尾端提供一定的摩擦力，从而降低纤维从纱体中抽拔出来成为落纤的可能性。裴泽光[18]设计了一种在纺锭内引纱通道壁面上设有抽吸孔的喷气涡流纺纱喷嘴，可在引纱通道壁面处提供负压吸附力，以增大纱线在成形过程中通过引纱通道时受到的摩擦力并使纱线结构变得更为紧密，从而增大须条对纤维头端施加的握持力，以减少成纱过程中的落纤量。尽管上述研究均对减少纤维损失的原理进行了描述，但这些设计的有效性尚未得到实验验证。

本文基于文献[18]的思路，对喷气涡流纺纱喷嘴进行了设计与制造，对该喷嘴在纺制金属丝包芯纱的过程中减少纤维损失的效果进行了实验研究，并研究了抽吸孔直径和抽吸区长度对落纤量和纱线断裂强度的影响。

1 实 验

1.1 负压抽吸式喷气涡流纺纱喷嘴设计

传统喷气涡流纺纱过程中纤维受力示意如 图2(a) 所示，在传统喷气涡流纺纱过程中，倒伏在纺锭前端锥面上的纤维受到的作用力主要有：处于自由状态的纤维尾端受到的气流作用力Fa、离心力Fc、与纺锭外表面之间的摩擦力Fs以及已进入纱体内部的纤维头端受到的周边纤维施加的摩擦力Ff等，其中Fa可以分解为沿喷嘴轴向的轴向分量Fx和沿喷嘴腔室周向的切向分量Fy。当喷嘴内高速气流作用下纤维的受力满足式(1)时，一部分纤维将能够克服纱体中周边纤维施加的摩擦力从纱体中被气流抽拔出来而成为落纤。

(1)

式中：θ为锭子前端锥面的锥角，α为纤维尾端与锭子锥面母线之间的夹角，β为Fs与纤维尾端之间的夹角。

成纱过程减少纤维损失的原理示意如图2(b)所示，为了解决成纱过程中的纤维损失这一问题，本文提出了一种在纺锭入口段引纱通道壁面上设置气流抽吸孔的喷气涡流纺纱喷嘴设计。在锭子内设置连接负压抽吸孔和负压泵的负压抽吸腔，通过施加负压抽吸力来增加纱体与引纱通道间的摩擦力，从而使纱线结构更加紧密，以增加摩擦力Ff，使纤维头端受到的周边纤维施加的握持力增大，从而提高自由状态的纤维尾端对空气阻力和离心力的承受能力而保持在纱体中，同时有利于形成结构更加紧凑的金属丝包芯纱。

图2 喷气涡流纺成纱过程中的纤维受力示意

1.2 喷嘴制造工艺

负压抽吸式喷气涡流纺纱装置纺锭装配体结构示意如图3所示，经过改进后的锭子由纺锭主体、负压抽吸管和纺锭端盖三部分组成，负压抽吸管被插入纺锭主体中并由纺锭端盖所固定。负压抽吸管上的抽吸孔将引纱通道和负压腔连通，负压腔通过气流通道与负压气源连接。采用浇铸成型的方法，以环氧树脂为材料，对纺锭主体与端盖进行快速、高精度制造。纺锭主体制造过程示意如图4所示，锭子主体的制造工艺如下：

图3 负压抽吸式喷气涡流纺纱装置纺锭装配体结构示意

图4 纺锭主体制造过程示意

a)选用硅胶材料制作一种可快速脱模并可重复性使用的模具。

b)将适量液态环氧树脂的两种组分按比例混合，将混合均匀后的液态环氧树脂注入硅胶模具内腔。

c)将充满液态环氧树脂的模具放入一个负压密封容器中静置一段时间，对环氧树脂进行脱气，防止纺锭主体零件中产生气泡。

d)将含有液态环氧树脂的硅胶模具从负压密闭容器中取出，静置至固化成型，得到零件毛坯。

e)根据纺锭主体的结构设计，对毛坯进行机械加工，去除多余的材料，以获得满足装配要求的纺锭主体。纺锭端盖可使用相同方法制造。

纺锭实物如图5(a)所示，选取了外径为1.6 mm、内径为1.3 mm，长度为73 mm的铜管制作负压抽吸管，并采用微细麻花钻在管壁上钻孔。为研究有无负压抽吸气流作用以及不同抽吸孔结构参数对纤维损失及纱线断裂强度影响，将未设置抽吸孔的纺锭作为实验对照组，并设计制作了如表1所示的5种负压抽吸管。图5(b)示出了由纺锭主体、负压抽吸管和端盖装配而成的纺锭装配体。装配好的纺锭及其他零部件一起进行装配，得到喷嘴装置，如图6所示。

图5 纺锭实物照片

表1 气流抽吸孔结构及排列参数

图6 负压抽吸式喷气涡流纺纱喷嘴

1.3 纺纱实验

实验选择平均长度为38 mm、细度为1.5 dtex的粘胶纤维作为金属丝包芯纱的外包短纤维，制成线密度为680 tex的粗纱。包芯纱的芯丝采用直径为50 μm、涂覆有5 μm厚聚氨酯涂层的超细漆包铜线。利用所制造的负压抽吸式喷嘴装置在喷气涡流纺纱试验机(DHU-P02)上进行了包芯纱的纺制。纺纱工艺与参考文献[9]中所述相似，不同之处是对纺锭结构及其工艺参数进行了修改。实验的工艺和机器设置数据如表2所示。其中，纺锭负压选择-60 kPa(表压)，这是由于经纺纱试验证明，在该压强条件下，负压抽吸管内的气流抽吸作用明显，且该负压值符合所采用的真空抽吸泵的工作要求。

表2 纺纱实验参数

1.4 包芯纱线密度与断裂强度的测定

本文采用测量纱线线密度的方法来间接表征不同工况下的落纤量。由于不同工况均使用了相同原材料和总牵伸比，纱线的线密度越高，表明在成纱过程中损失的纤维越少，反之亦然。因此通过使用精密天平称取长度为1 m的纱线样品重量以获得纱线的线密度。纱线断裂强度在材料试验机(ZQ-990LB)上选取样品长度为250 mm、测试速度为60 mm/min进行测试。在线密度和断裂强度测定试验中，以表2所示的参数条件下，对每个工况分别测量30个试样，以获得纱线线密度和断裂强度平均值。所有试验均在(20±2) ℃和(65±2)%相对湿度的标准实验室条件下进行。此外通过使用Minitab软件以95%的置信度对称重结果进行统计分析，通过Grubbs准则[19]检验数据中是否存在异常值，并采用单因素方差分析(ANOVA)研究了各参数对纱线线密度和断裂强度的影响。

2 结果与讨论

2.1 参数对纤维损失的影响

2.1.1 抽吸孔直径

图7(a)显示了抽吸孔直径对金属丝包芯纱线密度影响的实验结果(工况1-3、5)，“0”表示未设置抽吸孔的工况；图7(b)是在95%置信水平下对各参数进行Tukey多重比较[20]的结果。其中，在 图7(b) 的均值差值区间若不包含数值“0”，则表明对应的均值具有显著的差异。由 图7(a) 可以看出，设有不同直径的抽吸孔的喷嘴所纺出的纱线线密度均高于传统喷嘴所纺纱线的线密度，并且当抽吸孔直径从0.2 mm增加到0.4 mm时，纱线的线密度先增大后略有减小。在图7(b)所示的统计结果中，“0～0.2”“0～0.3”“0～0.4”时的均值差值区间均不包含数值“0”，这表明通过在纺锭的引纱通道壁面上设置抽吸孔对纱线的纤维损失有显著影响。在金属丝包芯纱成纱过程中，设有抽吸孔的纺锭会使引纱通道内壁产生负压吸附力，有助于增加纱体与壁面间的摩擦力以及纱体中纤维头端的握持力。因此，这部分纤维能够更好地承受其呈自由状态的尾端所受到的空气阻力和离心力，从而使其不易被高速旋转气流吹离纱体。从图7(b)中还可以看出，“0.3～0.2”“0.4～0.2”和“0.4～0.3”的均值差值区间均包含“0”，这意味着当吸气孔直径在0.2～0.4 mm之间变化时，纱线线密度未发生显著变化。这可能是由于抽吸孔直径的变化太小使得产生的负压吸附力变化不大，纤维头端所受到的握持力不会受到显著影响，进而导致纤维损失量没有显著变化。

图7 抽吸孔直径对包芯纱线密度的影响结果

2.1.2 抽吸区长度

图8(a)显示了抽吸区长度对包芯纱线密度影响的实验结果(工况2、4―5)，图8(b)是在95%置信水平下对各个参数进行Tukey多重比较的结果。从图8(a)可以看出，使用具有不同抽吸区长度的喷嘴纺制的纱线的线密度均高于未设置气流抽吸孔的喷嘴纺制的纱线的线密度，并且当抽吸区长度从 25 mm 增加到34 mm时，纱线线密度略有下降。从图8(b)可以看出，“0～25”和“0～34”对应的均值差值区间均不包含“0”，表明设有抽吸孔可以显著降低纤维损失。然而，“34～25”对应的均值差值区间包含“0”，表明抽吸区长度从25 mm增加到 34 mm 时，纤维损失没有显著差异。这是由于在纱线的形成过程中，自由尾端受到空气阻力和离心力的纤维的头端进入纱线通道较短时易使其从纱体中抽拔出来。而25 mm和34 mm的抽吸区长度均大于进入引纱通道内的纤维头端长度。因此，在这两种工况下，施加在纤维头端的负压吸附力是相似的，使得两种工况下纤维头端受到相似的握持力，其均足以将纤维保持在纱体中，因此在这两种工况下纤维损失差异并不显著。当纱体向下游运动，使纤维头端变得比引纱通道内抽吸区长度更长时，施加在纤维尾端上的空气阻力和离心力更无法克服其前端在纱体中受到的握持力。因此在这一阶段，纤维更不可能从纱体中被抽拔出成为落纤。

图8 抽吸区长度对包芯纱线密度的影响结果

2.2 参数对包芯纱断裂强度的影响

2.2.1 抽吸孔直径

图9(a)显示了抽吸孔直径对金属丝包芯纱断裂强度影响的实验结果(工况1―3、5)，图9(b)是在95%的置信水平下对各参数进行Tukey多重比较的结果。如图9(a)所示，设有不同直径的抽吸孔的喷嘴所纺出的纱线的断裂强度均高于传统喷嘴所纺出纱线的断裂强度，且随着抽吸孔直径从 0.2 mm 增加到0.4 mm，纱线断裂强度先减小后增大。图9(b)的统计结果显示，“0～0.2”“0～0.3”“0～0.4”“0.3～0.2”“0.4～0.2”时的均值差值区间均不包含“0”， 而“0.4～0.3”的均值差值区间包含“0”，这表明抽吸孔的存在对纱线强度有显著影响，且当抽吸孔直径在0.2 mm与0.3 mm以及0.2 mm与0.4 mm之间变化时，纱线断裂强度受到显著影响，而抽吸孔直径在0.3 mm与0.4 mm之间变化时，纱线的断裂强度没有显著变化。由2.1.1节的结果可知，不同直径抽吸孔的存在可显著降低纤维的损失，这意味着纱体中的芯纤维或包覆纤维量增加，即纱体中存在更多的纤维，以承担更大的拉力，同时可使纱体中纤维间的抱合力增加，从而显著提高纱线的断裂强度。统计结果还表明，抽吸孔直径为0.2 mm时的纱线强度显著高于抽吸孔直径为0.3 mm和0.4 mm时的纱线强度，这说明抽吸孔直径过大并不利于纱线强度的提高。从节约耗气量的角度考虑，抽吸孔直径为0.2 mm时最佳。

图9 抽吸孔直径对包芯纱断裂强度的影响结果

2.2.2 抽吸区长度

图10(a)显示了抽吸区域轴向长度对涡流包芯纱断裂强度影响的实验结果(工况2、4―5)，图10(b) 是在95%的置信水平下对各个参数进行Tukey多重比较的结果。从图10(a)中可以看出，使用具有不同抽吸区长度的喷嘴所纺制的纱线的断裂强度均高于未设有抽吸孔的喷嘴所纺制的纱线的强度。当抽吸区长度从25 mm增加至34 mm时，纱线的断裂强度略有下降。图10(b)中示出的统计结果表明，“0～25”和“0～34” 对应的均值差值区间均不包含“0”，这表明与未设有抽吸孔的喷嘴相比，抽吸区的存在可以显著提高纱线的断裂强度。然而，“34～25” 对应的均值差值区间包含“0”，这表明抽吸区长度为25 mm和34 mm下纱线断裂强度的差异并不显著。这是由于纤维束主要在靠近纺锭入口区域的引纱通道内加捻形成纱线，在这两种工况下纱线成形区域中纤维受到的负压吸附力的作用效果相似，继而时纱体中的纤维量、纤维间抱合力与纱线紧密程度差异不显著，进而对纱线断裂强度的影响也很小。

图10 轴向抽吸区长度对包芯纱断裂强度的影响结果

3 结 论

本文设计了一种在纺锭引纱通道入口区域的壁面上设有抽吸孔的喷气涡流纺纱喷嘴，以减少金属丝包芯纱纺制过程中纤维损失，并通过实验研究了抽吸孔直径和抽吸区长度对纤维损失和纱线断裂强度的影响。结论如下：

a)与传统设计的喷嘴相比，在纺锭中增设抽吸孔可以显著减少成纱过程中的纤维损失，但孔径在0.2～0.4 mm之间的变化对纤维损失的影响并不显著。当抽吸区长度从25 mm增加为34 mm时，对于纤维损失的影响并不显著。

b)与传统设计的喷嘴相比，通过在引纱通道壁面上设置抽吸孔对纱线断裂强度的提高有显著效果。当孔径从0.4 mm减小到0.3 mm时，纱线断裂强度的影响不显著，而孔径从0.3 mm减小到 0.2 mm 时，纱线断裂强度显著增加，孔径为 0.2 mm 时断裂强度最大。然而当抽吸区长度从 25 mm 增加为 34 mm 时，对于纱线断裂强度的影响并不显著。