吳佳慶， 王 迎， 郝新敏， 宮玉梅， 郭亞飛

(1. 大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院， 遼寧 大連 116034；2. 軍事科學院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所， 北京 100010)

賽絡紡包芯紗是由2根粗紗和1根長絲加捻形成的復合紗。相較于傳統(tǒng)的短纖/長絲包芯紗，賽絡紡包芯紗在芯紗的包覆效果上有較大改善，具有手感好、毛羽少、紗線光潔等特點，因此，賽絡紡包芯紗憑借其優(yōu)異的性能和特殊的紗線結(jié)構(gòu)，廣泛運用于多功能紗線、牛仔面料、輕薄型面料等領(lǐng)域。

賽絡紡包芯紗初始研究目的是在賽絡紡的基礎上添加1個氨綸長絲喂入裝置[1-2]，開發(fā)彈性織物。經(jīng)過多年的發(fā)展以及對賽絡紡包芯紗結(jié)構(gòu)的研究，紡紗工藝得到充分優(yōu)化并應用于工業(yè)化生產(chǎn)，在功能紗線及織物風格提升方面取得了較大的成果，已開發(fā)出新型高性能復合紗，如棉/莫代爾/錦綸包芯紗[3]、棉鍍銀長絲賽絡紡包芯紗[4]，以及用作牛仔織物原料的高彈性賽絡紡棉雙絲包芯紗[5]。

目前，關(guān)于紡紗過程參數(shù)的研究仍不夠深入，尤其是關(guān)于長絲喂入位置不同帶來的紗線結(jié)構(gòu)性能的差異，因此，本文通過改變長絲喂入位置，紡制出3種賽絡紡包芯紗，并對紗線截面、成紗質(zhì)量、紗線結(jié)構(gòu)、耐磨性能、拉伸斷裂過程、紗線退捻特征進行深入分析，以期為優(yōu)質(zhì)紗線結(jié)構(gòu)設計與加工提供理論指導。

1 實驗設計

1.1 實驗原料

粗紗1：白色棉短纖，精梳棉，線密度為450 tex，捻度為6.3 捻/(10 cm)。粗紗2：黑色滌綸短纖，線密度為540 tex，捻度為3.26 捻/(10 cm)。芯紗：滌綸長絲(六角形異形纖維)，線密度為83.3 dtex(36 f)，該長絲沿軸線方向有溝槽，具有高吸水性，可提升織物抗靜電性能。粗紗及芯紗均購于湖南東信集團湘潭東信棉業(yè)有限公司。

1.2 實驗方案

賽絡紡包芯紗實驗方案如表1所示，粗紗喂入位置如圖1所示。選用白色棉和黑色滌綸2種短纖維作為喂入粗紗，白色棉粗紗1在左喇叭口3喂入，黑色滌綸短纖粗紗2從右喇叭口4喂入(4與導紗鉤7、錠子中心8同一軸向)，通過調(diào)節(jié)導絲輪6改變滌綸長絲5的喂入位置，可以制備3種不同紗線結(jié)構(gòu)的賽絡紡包芯紗。

圖1 賽絡紡包芯紗粗紗和長絲喂入位置Fig.1 Roving and filament feeding position of siro-spinning core-spun yarn

表1 賽絡紡包芯紗實驗方案Tab.1 Experiment scheme of siro-spinning core-spun yarns

1.3 細紗工藝

在改裝的FA503型細紗機上加裝滌綸長絲喂入裝置，并按照表1方案紡紗。3種紗線采用相同細紗工藝：捻系數(shù)為470，設計紗線線密度為65 tex，芯紗牽伸倍數(shù)為1.06倍，2個粗紗中心間距為3.5 mm，錠速為8 000 r/min。

1.4 紗線性能測試

紗線紡制完成后在標準恒溫恒濕實驗室(溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%)中調(diào)濕24 h后，測試紗線各項性能指標。

1.4.1 包芯紗截面觀察

使用樹脂對紗線進行包埋處理固化后，再用Leica RM2245型半自動輪轉(zhuǎn)切片機(萊卡顯微系統(tǒng)(上海)貿(mào)易有限公司)沿紗線截面切片，在正置金相顯微鏡(常州市第一紡織設備有限公司)上觀察紗線截面。

1.4.2 包芯紗條干和毛羽測試

參照GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗條條干不勻試驗方法 第1部分：電容法》，在CT3000型條干均勻測試分析儀(陜西長嶺紡織機電科技有限公司)上測量紗線條干和毛羽。測試速度為200 m/min，測試時間為0.5 min。每種試樣測試3次，結(jié)果取平均值。

1.4.3 包芯紗拉伸斷裂性能測試

參照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》，在YG061F型電子單紗強力儀(蘇州市電子儀器有限公司)上測試紗線的拉伸斷裂性能。拉伸速度為250 mm/min，夾持距離為250 mm。每種試樣測試10次，結(jié)果取平均值。

1.4.4 包芯紗耐磨性測試

根據(jù)FZ/T 01058—1999《紗線耐磨實驗方法 往復式磨輥法》，在LFY-109型電腦紗線耐磨儀(山東省紡織科學研究院)上測試，記錄紗線斷裂時磨輥的往復次數(shù)來表征紗線耐磨性能。測試條件為：砝碼質(zhì)量 20 g，國產(chǎn)80號摩擦砂紙。

1.4.5 包芯紗形貌觀察

在真空條件下對樣品進行噴金處理，使用JSM-7800F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，日本電子株式會社)觀察紗線拉伸斷裂情況。

采用普通相機觀察紗線斷裂、往復摩擦和解捻后的形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 包芯紗截面結(jié)構(gòu)分析

采用光學顯微鏡觀察YA、YB和YC3種包芯紗的橫截面形貌如圖2所示。圖中黑色虛線圓圈外部為包埋紗線用樹脂，圈內(nèi)淺灰色、深灰色和深黑色部分分別是紗線中滌綸長絲、棉纖維和滌綸短纖。

圖2 3種賽絡紡包芯紗紗線截面(×200)Fig.2 Cross sections images of three kinds of siro-spinning core-spun yarns (×200)

由圖2(b) 包芯紗YB橫截面可以看出，滌綸短纖、棉和滌綸長絲3部分成分界限清晰，說明YB的成紗結(jié)構(gòu)為2根粗紗須條圍繞著長絲同步同向加捻成紗。芯紗被滌綸和棉纖維包裹于紗芯中央，是一種對稱包芯結(jié)構(gòu)。這種對稱的包芯結(jié)構(gòu)雖有利于對長絲的包覆，但由于3種成分之間的聯(lián)系較少，紗體缺少對長絲的有效握持，在紗線使用過程中內(nèi)外層之間易出現(xiàn)滑動，也就是包芯紗常見的滑絲現(xiàn)象。

由圖2(a)、(c) 包芯紗YA、YC橫截面可以看出，滌綸短纖、棉和滌綸長絲3部分在紗線橫截面上分布清晰。由于YA和YC中的長絲分別在白色棉纖維和黑色滌綸短纖上喂入，形成了一個具有弱捻回的包芯紗，再和另一須條匯合加捻形成非對稱包芯結(jié)構(gòu)紗線。從圖2(a)、(c)還可觀察到包芯紗紗體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，滌綸長絲被棉纖維或滌綸短纖包裹，再和另一須條組成完整紗體。由于從匯聚點向上傳遞的捻度小，短纖維開始沒有完全包覆滌綸長絲，隨著和另一須條匯合向錠子移動，加捻向心力使纖維間擠壓，纖維發(fā)生轉(zhuǎn)移，一定程度上保障了最終成紗時的良好芯紗包覆效果。在這種非對稱結(jié)構(gòu)中，滌綸長絲在紗體中以纏繞的方式存在，實際上加強了紗線各組分之間的聯(lián)系，一定程度上解決了滑絲問題，有利于提升紗線品質(zhì)。

2.2 包芯紗成紗質(zhì)量分析

在賽絡紡包芯紗制備中，不同的長絲喂入位置會形成不同的紗線結(jié)構(gòu)，尤其是在喂入2根成分不一的粗紗時，紗線結(jié)構(gòu)差異更加顯著。圖3示出賽絡紡包芯紗加捻三角區(qū)?？芍?，賽絡紡包芯紗中纖維呈現(xiàn)類似雙股線的雙繞螺旋形態(tài)[6]。在捻回由下而上傳遞過程中復合區(qū)Ⅲ捻回大，外層短纖維相互擠壓糾纏，纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移多，從而形成緊密的紗線結(jié)構(gòu)；捻回繼續(xù)向弱捻區(qū)Ⅱ傳遞，使得粗紗須條進行少量的纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移包纏從而得到弱捻紗；無捻區(qū)Ⅰ粗紗須條從前鉗口輸出，纖維伸直程度好，纖維排列的平行程度高。

1、2—粗紗須條；L—長絲左喂入點；R—長絲右喂入點； O、O′—匯聚點；Ⅰ—無捻區(qū)；Ⅱ—弱捻區(qū)；Ⅲ—復合區(qū)。圖3 賽絡紡包芯紗加捻三角區(qū)Fig.3 Twisting triangle area of siro-spinning core-spun yarn

紗線性能指標反映紗線品質(zhì)，直接影響織造加工。表2示出YA、YB、YC單紗強力、紗線線密度、紗線條干、毛羽等測試結(jié)果?？芍?，YA、YB、YC的線密度分別為65.11、65.13、65.13 tex，與設計的包芯紗線密度65 tex相近。YC初始彈性模量最大(100.77 cN/tex)，YB初始模量最小(86.02 cN/tex)，YA初始彈性模量居中(92.26 cN/tex)，長絲在紗線中伸長狀態(tài)造成了3種紗線初始彈性模量的差異。由圖1、3可知，長絲右側(cè)喂入的YC，喂入點與錠子中心在同一軸線上，紡紗過程中右側(cè)須條會逐漸偏離匯聚點O′，形成一個穩(wěn)定的匯聚點O。匯聚點O造成R處喂入長絲被拉伸，加捻三角區(qū)中L1大于L2，因此，加捻方向為Z捻時，包芯紗YC滌綸長絲及滌綸短纖圍繞著棉粗紗須條1螺旋纏繞，YC初始模彈性量最大，YA初始彈性模量次之。而在YB中，長絲始終處于2股線的中心，張力較小，因此，在小負荷拉伸過程中相同的伸長率下，YB的初始彈性模量最小。

表2 3種賽絡紡包芯紗成紗性能指標Tab.2 Performance indexes of three kinds of siro-spinning core-spun yarns

包芯紗YC的斷裂強度(13.08 cN/tex)較YB斷裂強度(13.04 cN/tex)相近，均大于YA的斷裂強度(12.62 cN/tex)。 三者強度差異不大的原因是3種紗線有類似的雙股線結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移率低，纖維排列整齊，所以強力利用系數(shù)相似[7]。

YA、YB、YC3種包芯紗條干均勻度差異微小，分別為12.46%、11.99%和11.79%。參照棉紗質(zhì)量等級對紗線條干CV值要求需小于等于14%，說明3種紗線都達到了優(yōu)等紗要求[8]。3種包芯紗的毛羽H值均較低，分別為3.68、4.13和4.06，這得益于賽絡紡包芯紗的成紗結(jié)構(gòu)，雙股線結(jié)構(gòu)在達到匯聚點前形成較弱捻回的紗線，匯聚后相互包纏使得部分毛羽被覆蓋和相互糾纏。包芯紗YA的毛羽較YB、YC要好些，這主要與長絲位置有關(guān)，長絲與須條間距增大，不同長度毛羽數(shù)呈減少趨勢[9]，YA長絲距離錠子中心線最遠，在紡紗過程中弱捻棉、滌包芯粗紗對滌綸粗紗的包纏更加緊密，使纖維和纖維頭端不易被甩出紗體，降低了紗線毛羽。綜上分析可知，3種包芯紗條干均勻，毛羽較低。

2.3 包芯紗耐磨性分析

由表2 中YA、YB、YC3種包芯紗摩擦至斷裂所需的摩擦次數(shù)可以看出，YB、YC的耐磨性遠遠好于YA，YB、YC的耐磨性差異較小，YC的耐磨性最好。紗線的耐磨性能與其線密度、捻度、毛羽、條干和拉伸斷裂功有顯著的相關(guān)性。在線密度相同的條件下，捻度、毛羽、條干都是斷裂功的函數(shù)，因此，紗線的耐磨性與拉伸斷裂功成正相關(guān)關(guān)系[10]。由表2可知，包芯紗YA的斷裂功為101 mJ，因此，耐磨性最差，YB、YC的斷裂功分別為119、121 mJ，耐磨性好。

圖4示出經(jīng)過200次往復摩擦后YA、YC包芯紗的外觀形貌。觀察紗線的摩擦過程可知，包芯紗YB由于是雙股線結(jié)構(gòu)，摩擦過程中表層纖維先斷裂，芯層長絲后斷裂，而YA、YC的摩擦斷裂次序完全不同于YB。

圖4 200次往復摩擦后YA、YC包芯紗外觀形貌Fig.4 Surface appearance of YA and YC core-spun yarns after 200 frictions

包芯紗YA剩余的是白色長絲居多，個別長絲表面包纏著白色棉纖維，幾乎沒有黑色滌綸。表明復合紗中的黑色滌綸、白色棉、白色滌綸長絲依次被抽出磨斷，從紗線摩擦末端纖維堆積順序也可看出白色棉纖維較黑色滌綸纖維后抽出；包芯紗YC紗體保持較為完整，個別長絲表面包纏著黑色滌綸纖維或少量白色棉纖維。表明YC紗體中的磨斷順序為白色棉、黑色滌綸、白色滌綸長絲，結(jié)合紗線摩擦末端纖維堆積順序也可看到黑色滌綸纖維比棉纖維后抽出。這種斷裂先后關(guān)系和長絲喂入情況有很大關(guān)系，YA包芯紗中長絲由棉粗紗中心喂入，長絲和牽伸后的棉粗紗須條形成類似雙股線中的一根單紗。由于長絲的張力，紗體中棉纖維結(jié)合緊密，纖維間聯(lián)系多，摩擦力大，抱合力好，耐磨性好于雙股線中的滌綸短纖紗。同理，YC包芯紗中長絲由滌綸粗紗條中心喂入，紗體中滌綸結(jié)合緊密，纖維間聯(lián)系多，摩擦力大，抱合力好，耐磨性好于復合紗股線中的棉紗。綜上，賽絡紡包芯紗在摩擦過程中，類似雙股線中未被長絲包纏的單紗易被磨斷。

2.4 包芯紗斷裂特性分析

圖5示出YA、YB、YC3種包芯紗的拉伸斷裂曲線?？芍篩A呈現(xiàn)多峰態(tài)后瞬時斷裂，說明該紗線的拉伸具有二項結(jié)構(gòu)特征；YB紗線為瞬時性斷裂，過程中呈現(xiàn)強力小且密集的抖動，表明紗線各組分的斷裂具有不同時性；YC的斷裂過程為，首先出現(xiàn)一定程度的階梯性斷裂，然后瞬時斷裂，表明紗線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各組分間斷裂層次清晰。

圖5 3種包芯紗的拉伸斷裂曲線Fig.5 Tensile fracture curves of three kinds of core-spun yarns

從斷裂過程可以看出，YA、YB、YC3種包芯紗都存在斷裂不同時性。造成這種現(xiàn)象的原因是：首先，賽絡紡包芯紗成紗時加捻三角區(qū)不對稱，匯聚點波動導致捻回傳遞困難，捻度分布不均勻，螺旋間距不一致，形成賽絡紡包芯紗的非對稱結(jié)構(gòu)[11]，這種非對稱結(jié)構(gòu)一定程度上導致紗線在拉伸時各組分承擔的應力有差異，從而出現(xiàn)拉伸斷裂不同時的現(xiàn)象；其次，復合紗中纖維間的擠壓作用力，增大了2種短纖維表面的摩擦力，給紗線提供強力而產(chǎn)生多次斷裂現(xiàn)象；最后，2種組分的部分纖維發(fā)生相互糾纏，在斷裂過程中提供一定的應力，因此，長絲3種位置的差異導致紗線的拉伸斷裂過程不同，YC紗線斷裂過程更加有層次，能夠一定程度上緩解破洞效應，提高紗線的耐久性和使用率。

2.5 包芯紗YC斷裂形貌分析

圖6示出拉伸前后包芯紗YC的外觀形貌。由圖6(a)可知，深色為滌綸短纖，淺色為棉短纖，外層纖維包纏緊密，紗線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由圖6(b)可知，紗線外層棉纖維已完全斷裂，黑色滌綸短纖暴露出來，未見白色滌綸長絲。以上分析說明，滌綸長絲被滌綸短纖包覆在紗芯內(nèi)，無明顯漏絲現(xiàn)象。間接證明YA、YC成紗結(jié)構(gòu)為長絲短纖包覆形成弱捻包芯紗，與另外一種短纖匯聚相互交纏形成類似雙股線結(jié)構(gòu)的復合紗。

圖6 包芯紗YC斷裂前后的外觀形貌Fig.6 Appearance of core-spun yarn YC before and after fracture. (a)Undrawn yarn；(b)Broken yarn of cotton fiber

圖7(a)示出包芯紗YC在G、J位置的掃描電鏡照片。

圖7 YC紗線拉伸斷裂過程中不同位置的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM images of different positions during tensile fracture process of YC core-spun yarn. (a) Yarn position of G and J(×30);(b) Yarn position of H and J(×30); (c) Enlargement of yarn position of H(×1 000)

由圖7(a)可以看出，位置G外層棉纖維在張力作用下幾乎全部發(fā)生斷裂，斷裂后纖維一端扎根在紗線上，另一端頭端纖維呈自由狀態(tài)散亂分布在主體紗芯周圍；位置J未見飄散的頭端自由纖維，紗線表層纖維變得蓬松，包覆在一束張緊的紗條周圍。

圖7(b)示出包芯紗YC在H、J位置的掃描電鏡照片?？芍?，H位置紗線表面光潔，表層纖維層呈收縮張緊的狀態(tài)，纖維傾斜呈現(xiàn)Z捻捻向。由于加捻內(nèi)部纖維分布密集，加捻向心力使纖維間擠壓現(xiàn)象明顯[12]。相對于H位置，J位置紗線表面纖維蓬松，小部分纖維頭端處于自由狀態(tài)，多數(shù)纖維同樣以Z捻包覆于紗芯周圍。對比斷裂過程圖可以確定，J位置表面包覆的蓬松紗線為斷裂過程中剩余的小部分未斷裂的棉纖維。

圖7(c)示出包芯紗YC在H位置的放大掃描電鏡照片?？芍?，H位置中有2種纖維成分，表面光滑的纖維為滌綸短纖，溝槽特征的為滌綸長絲。充分說明圖6(b)中H位置紗線為滌綸短纖/滌綸長絲包芯紗，滌綸長絲被滌綸短纖包覆。包芯紗YC的斷裂過程掃描電鏡分析結(jié)論與其摩擦過程中纖維被摩擦抽出順序結(jié)論具有一致性。

2.6 包芯紗退捻分析

圖8 示出YA、YB、YC3種包芯紗解捻后的狀態(tài)?？芍?，退捻后清晰地顯示了3種成分的纖維在YA、YB、YC包芯紗中的相對位置。

圖8 3種包芯紗解捻后形貌Fig.8 Untwist appearance of three kinds of core-spun yarns

3種包芯紗的共性特征為滌綸長絲被包覆在紗線內(nèi)部，紗線的主體部分沒有明顯的漏芯現(xiàn)象。YA解捻后紗線松散蓬松，短纖間糾纏少，紗線結(jié)構(gòu)幾乎破壞，說明這種紗線中不同組分纖維間的糾纏不夠多，相互連接較少，缺乏各層次之間的關(guān)聯(lián)，類似股線結(jié)構(gòu)退捻后各種成分分解。YB解捻后部分短纖相互糾結(jié)，互相包纏，完全解捻比較困難，說明YB各層次間的纖維有部分的關(guān)聯(lián)。YC解捻過程中短纖維相互糾纏，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，當退捻到一定程度后，部分短纖糾纏多的區(qū)域會出現(xiàn)反向加捻現(xiàn)象。這是因為在退捻過程中捻回的傳遞出現(xiàn)阻隔，無法連續(xù)傳遞的捻回堆積在阻礙處附近，導致對已完成退捻的紗段進行反向加捻。以上退捻分析說明YC結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，間接證明YC包芯紗斷裂強度大于YB、YC的原因。

3 結(jié) 論

本文通過改變滌綸長絲喂入位置，紡制了長絲分別在左側(cè)粗紗須條中心、2根粗紗須條中間、右側(cè)粗紗須條中心喂入的3種不同結(jié)構(gòu)的短纖/長絲賽絡紡包芯紗。對比分析了3種包芯紗的紗線截面、成紗質(zhì)量、耐磨性能、拉伸斷裂過程和紗線退捻特征，得出如下結(jié)論。

1)3種紗線包芯效果均較好；右側(cè)須條中心喂入包芯紗初始模量、紗線強力最高；左側(cè)須條中心喂入包芯紗毛羽最少。

2)包芯紗耐磨性測試表明，從兩側(cè)粗紗須條中心喂入的包芯紗耐磨性好于從2根粗紗須條中間喂入的包芯紗，賽絡紡包芯紗類似雙股線結(jié)構(gòu)中未被長絲包纏的單紗易被磨斷。

3)紗線斷裂特性分析表明，長絲在左側(cè)粗紗須條中心喂入的包纏紗斷裂有多峰特征；長絲在2根粗紗須條中間喂入的包纏紗斷裂有密集波動特征；長絲在右側(cè)粗紗須條中心喂入的包纏紗斷裂有階梯性特征，其斷裂方式能夠減緩破洞效應，提高紗線使用率。

4)包芯紗退捻分析表明,長絲從右側(cè)粗紗須條中心喂入的賽絡紡包芯紗解捻最困難，且退捻過程中有反向加捻現(xiàn)象，紗線結(jié)構(gòu)較其他2種紗線結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。