洪 杰, 劉梅城, 陳志華, 宋志成, 野建軍

(1.江蘇工程職業(yè)技術學院 a.紡織服裝學院; b.江蘇省先進紡織工程技術中心,江蘇 南通 226001;2.江蘇大達麻紡織科技有限公司,江蘇 南通 226300)

繩芯作為鋼絲繩的重要組成部分,其主要作用在于填充起內部支撐使得鋼絲繩結構穩(wěn)定、外力作用下起緩沖作用使鋼絲繩保持正常的形狀、存儲和釋放油脂潤滑鋼絲繩,來確保鋼絲繩的使用壽命和質量[1-3]。其中劍麻纖維以其長度較長、強力高、耐磨性好、吸油率高等特點,特別是耐腐蝕性好及制成的繩芯硬度適中,廣泛用于鋼絲繩領域[1,3-4]。然而現有將劍麻纖維紡紗、合股再捻繩制取為繩芯過程中,生產設備整體較落后,生產流程長、工序多,需要大量人工介入,使得產品質量波動性較大,會造成纖維繩芯直徑不均勻、散差大和強力不勻等問題[2-3]。還存有耐疲勞、耐磨損不好,導致繩芯使用不達預期,繩芯局部出現麻紗疙瘩,捻制后鋼絲繩形成局部凸起,而凸起部分與滑輪作用因應力集中效應被磨損并出現斷絲,進而導致整繩報廢[5]。

基于此,本研究在劍麻紡紗過程中復合高性能纖維長絲,制取系列劍麻/長絲復合繩芯用紗,并結合繩芯含油要求及浸油工藝要求,予以設計再進行合股和捻繩,從而開發(fā)制取鋼絲繩用繩芯,以提升繩芯的強力及所制取鋼絲繩的耐疲勞性能,同時精簡生產流程。

1 纖維原料

本研究所用劍麻纖維為進口自非洲坦桑尼亞的一級劍麻(江蘇大達麻紡織科技有限公司),纖維長度>90 cm,線密度7～9 tex,色澤潔白有光澤,束纖維強力>780 N,比重1.25 g/cm3,斷裂強度0.51 N/tex,斷裂伸長率1.8%。

化纖長絲首先選取了耐腐蝕、耐沖擊、強度高、密度低的超高相對分子質量聚乙烯(簡稱PE長絲,江蘇九九久科技有限公司),規(guī)格為44.44 tex(400 D/240 F)、88.89 tex(800 D/480 F),纖維斷裂強度3.35 N/tex,斷裂伸長率3.4%。繩芯制取中還需考慮含油率,而現有浸油工藝多為長時間高溫下進行[6],兼顧考慮原料性能與生產成本,還選用了高強滌綸長絲(簡稱PET長絲,浙江古纖道綠色纖維有限公司),規(guī)格為44.44 tex(400 D/96 F)、88.89 tex(800 D/192 F),纖維斷裂強度0.83 N/tex,斷裂伸長率14.6%。

2 生產與測試

2.1 生產流程

本研究首先制取了傳統的劍麻紗、股線及繩芯,然后制取了復合長絲的包覆及包芯包覆紗、股線和繩芯。傳統的劍麻繩芯生產工藝流程:人工撿麻→L1-L4型梳麻機(4道)→B1-B4型并條機(4道)→TGS0950型針紡機→SW6型劍麻紗剪毛機→500型一體機(捻股、合繩、燒毛)。

2.2 性能測試

單紗、股線及繩芯強力性能測試使用的儀器為TH-8100A型電腦式萬能材料試驗機(蘇州拓博機械設備有限公司),參考標準為GB/T 8834—2016《纖維繩索 有關物理和機械性能的測定》,測試拉伸速度200 mm/min,隔距50 cm,每一品種取樣測試5次,取平均值。

繩芯含油測試依據的標準為NY/T 245—2016《劍麻纖維制品 含油率的測定》。

3 劍麻/長絲復合繩芯用紗制取與性能

3.1 單包覆紗制取

本研究先行紡制了1 666.7 tex劍麻單紗,用于對比。并對針紡機進行了改造,加裝長絲喂入裝置(圖1),可根據需要紡制復合長絲包芯紗、復合長絲包覆紗或復合長絲包芯包覆紗[7]。分別加入44.44、88.89 tex的PE長絲,紡制了1 666.7 tex的劍麻/PE長絲單包覆紗Ⅰ、單包覆紗Ⅱ,對所紡紗進行強力測試和外觀拍攝對比,見表1和圖2。

圖1 長絲喂入Fig.1 Filament feeding

表1 單包覆紗強力Tab.1 Strength of single wrapped yarn

圖2 單包覆紗外觀Fig.2 Appearance of single wrapped yarn

從表1可知,加入PE長絲的單包覆紗強力得到提升。這是因為PE長絲其伸長較小,與劍麻相近,紡紗喂入時,長絲保持了較好的伸直狀態(tài)下包覆于劍麻,包覆紗在受外力拉伸作用時,能發(fā)揮其強度優(yōu)于劍麻的特點。再看圖2所紡紗的外觀,相比純劍麻紗,劍麻/PE長絲單包覆紗其表面毛刺有所減少,且長絲線密度越高外觀相對越為光滑。這是由于包覆的PE長絲線密度越大,外層包覆作用面積相比越大,有助于纖維更好地貼敷于紗線主干。因此,復合PE長絲的單包覆紗在強力提高的同時表面毛刺也得以減少,初步達到了預期效果。

3.2 雙包覆紗、股線及繩芯制取

在單包覆紗的基礎上,本研究嘗試進行雙包覆試紡。鋼絲繩芯在大多數情況下需要浸油,以確保含油符合要求,根據現行繩芯企業(yè)實際生產中的浸油工藝,超高相對分子質量聚乙烯不宜經由這一工序,因此在雙包覆試紡時,還使用了PET長絲[6,8]。雙包覆試紡時,兩根長絲分開喂入,先喂入長絲包覆在劍麻紗的里層,后喂入的長絲包覆在劍麻紗的外層,形成兩次包覆的雙層包覆結構,如圖3所示。分別加入44.44 tex PE長絲、44.44 tex PET長絲所紡1 666.7 tex的雙包覆紗強力及紗線外觀如表2和圖4所示。

圖3 雙包覆Fig.3 Double wrap

表2 雙包覆紗強力Tab.2 Strength of double wrapped yarn

圖4 雙包覆紗外觀Fig.4 Appearance of double wrapped yarn

根據表2中的數據,加PE長絲的雙包覆紗Ⅰ其強力再次顯著提升,相比純劍麻紗高出29.1%,加PET長絲的雙包覆紗Ⅱ其強力反而下降。分析認為這是由于PET長絲伸長性能相比劍麻差異過大,試紡中PET長絲在引出時張力片為7.2 g,長絲張力過輕,未能很好保障喂入的PET長絲處于張緊伸直狀態(tài)下包覆成紗,同時張力裝置未能保證兩根喂入長絲的張力一致,因此在受外力拉伸作用時由于PET長絲和劍麻纖維斷裂伸長的不一致,存在斷裂的不同時性所致[9],需要后續(xù)研究中加以改進和完善。結合圖4雙包覆紗的外觀,采用長絲進行雙包覆時,里層進行第一次初步包覆,控制較長的劍麻毛刺,外包進行第二次包覆,以使包覆更加緊密,雙包覆劍麻紗的毛刺顯著減少,完全達到劍麻紗經燒毛后的表面效果。

將加入PET長絲的雙包覆紗Ⅱ經過浸油處理后,與雙包覆紗Ⅰ共用設計制取了股線和繩芯,具體性能如表3所示。

表3 雙包覆紗制取股線和繩芯性能Tab.3 Properties of ply yarn and rope core made by double wrapped yarn

從表3可知,股線Ⅱ的強力高于股線Ⅰ,這是由于加入PET長絲紗的雙包覆劍麻紗Ⅱ通過加熱浸油處理后,劍麻纖維吸收油脂出現溶脹現象,而滌綸長絲遇熱收縮后可以有效提高對劍麻紗包覆的緊密度,長絲包覆效果能更有效提高劍麻紗線強力、減少成紗毛刺[10-11]。兩種不同股線所制取的繩芯強力差異不大,相比純劍麻繩芯都有一定提高,含油經測試分別為15.2%、14.7%,符合繩芯要求。

3.3 包芯包覆紗、股線及繩芯制取

鑒于單包覆紗、雙包覆紗的成效與不足,本研究進一步采取包芯包覆方式以減少毛刺兼顧強力,設計了加入88.89 tex長絲為芯絲和44.44 tex長絲為包覆絲的試紡方案。

試紡時一根長絲通過引紗管喂入前羅拉,與劍麻纖維條一起從前羅拉輸出,形成劍麻包芯纖維條,再經過錠子加捻,另一根長絲經過引紗管引出,在錠子頂部與導紗管之間與劍麻包芯紗垂直相交。隨著錠子的轉動加捻過程中包覆在劍麻包芯紗的表面,形成包芯包覆劍麻紗,紡紗示意參考圖1。所紡1 250 tex純劍麻紗和兩種包芯包覆紗的強力及紗線外觀如表4和圖5所示,兩種包芯包覆紗的橫截面如圖6所示。

從表4和圖5可知,包芯包覆試紡時包芯包覆裝置的張力片質量調整為21.6 g,張力增加對PE長絲作用顯著。結合圖6,PE長絲用作芯絲時處于伸直張緊狀態(tài)位于紗中形成島相,很好發(fā)揮其強力作用,外加包覆PE長絲也能處于伸直狀態(tài)再包覆于劍麻,使得加有PE的包芯包覆紗強力進一步提升,且毛刺也有顯著減少。然而對于PET包芯包覆,從圖6看雖然其芯絲處于中心位置形成島相,但結合表4數據,對于PET長絲的調控作用仍未能達到預期,后續(xù)包芯包覆喂入長絲裝置中的張力調控還應繼續(xù)優(yōu)化,以提升其適用性。

表4 包芯包覆紗強力Tab.4 Strength of core wrapped yarn

圖5 包芯包覆紗外觀Fig.5 Appearance of core wrapped yarn

圖6 包芯包覆紗橫截面Fig.6 Cross section of core wrapped yarn

將所紡加PET長絲包芯包覆紗Ⅱ經浸油加工后,按5根加PE長絲包芯包覆紗Ⅰ和2根浸油后加PET長絲包芯包覆紗Ⅱ合股,再以3股合繩制取繩芯。同期制取了7根純劍麻紗合股,3股合繩的傳統純劍麻繩芯用于對比,具體數據如表5所示,外觀形態(tài)如圖7所示。

結合表5和圖7可知,以包芯包覆紗制取的繩芯強力相比傳統制取的純劍麻繩芯提升顯著,高達29.8%,同時未經剪毛、燒毛工序制取的股線、繩芯表面光潔,繩芯直徑和含油經測試也符合標準要求,可滿足下游鋼絲繩企業(yè)的要求。進一步使用復合繩芯制取了8股成繩纖維為芯填充式結構,直徑10 mm,其規(guī)格型號標稱為8×25F-FC-10 mm電梯用鋼絲繩,并對其耐疲勞性能參考GB/T 12347—2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗方法》用鋼絲繩疲勞試驗機在460 kg配重下進行了測試。相比傳統劍麻繩芯鋼絲繩的60萬次,復合繩芯鋼絲繩為90萬次,提升了50%。

表5 包芯包覆紗制取股線和繩芯性能Tab.5 Properties of ply yarn and rope core made by core wrapped yarn

圖7 包芯包覆紗制取股線和繩芯外觀Fig.7 Appearance of ply yarn and rope core made by core wrapped yarn

4 結 論

針對傳統劍麻紗生產,本研究在針紡機上設計加裝了長絲喂入裝置,選用PE長絲、PET長絲,試紡制取了單包覆紗、雙包覆紗、包芯包覆紗,并制取了股線、繩芯,對強力、外觀、含油和制取鋼絲繩后的耐疲勞等性能進行了測試,結果表明:

1) 采取包覆方式可減少劍麻紗毛刺,隨著包覆長絲線密度增加或進行二次包覆,毛刺減少更為顯著;

2) 采取包芯包覆方式在減少毛刺的同時可兼顧強力提升,最終復合有PE長絲、PET長絲的繩芯強力提升29.8%,含油符合行業(yè)所需,制取的鋼絲繩耐疲勞性能提升了50%;

3) 采用本研究進行復合長絲劍麻紗、股線及繩芯制取,實現強力提升、毛刺減少的同時無需剪毛、燒毛工序,有效解決了剪毛、燒毛工序耗費人工和事實上造成的劍麻纖維原料浪費問題。

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