再生棉涤包缠纱的纺纱工艺参数优化

郭晨宇 杨瑞华

（江南大学，江苏无锡，214122）

我国每年产生大量废旧棉纺织品，为实现循环高质高效再利用，可将部分废纺织品通过前纺工序制成再生棉纤维，再将其制备成纱线。邵珠莲等［1］、BÉCHIR W 等［2］通过使用转杯纺成纱方法生产混纺纱线产品，提高再生棉纤维的利用率。同时，我国在再生涤纶的生产［3-4］和技术［5］上具有较大的优势，这对我国化纤产业的可持续发展有着重大的现实意义。

长丝/短纤维包缠纱综合了短纤维服用性能和长丝的功能性，可以有效提高短纤纱的成纱强力，受到市场的欢迎［6］。为了提高再生棉纤维的利用率，本研究选择再生涤纶长丝包缠在再生棉短纤纱外层而形成紧密的纱线结构，提升成纱品质。目前，可生产包缠纱的纺纱方法有环锭纺、转杯纺、空心锭纺等，其中发展最为成熟、应用最广泛的是环锭纺［7］。在环锭纺纱机上加装长丝喂入装置，长丝与短纤须条保持一定距离在前罗拉钳口处汇合后加捻成纱，这种纺纱方法也被称为赛络菲尔纺。在实际成纱过程中，纺纱原料是工艺参数选择的基础，影响包缠纱性能的主要工艺有捻系数、长丝与须条间距、长丝预加张力等。本研究以再生棉纤维和再生涤纶长丝为对象，再生棉纤维具有长度短、长度整体度差的特点，加捻区须条形态与常规棉纤维相比更为复杂，成纱更为困难。在对汇聚点理论分析的基础上，探究长丝牵伸倍数、短纤须条与长丝间距、成纱捻系数等主要纺纱工艺参数对成纱性能的影响，通过试验测试分析各工艺参数下的纱线性能，优化再生涤棉包缠纱的纺纱工艺。

1 试验部分

1.1 试验原料

纤维长度是进行理论模型分析的重要参照，也是进行纺纱工艺参数设计的主要依据。本试验采用再生棉纤维和再生涤纶长丝，其中对再生棉纤维纺纱工艺的要求更加严格。再生棉纤维是将废弃半制品、边角料及不合格品经过开松、退色等工艺还原成单纤维形态，但经过撕扯、打击、切割等作用得到的单纤维长度较短［8］。

经过试验测试，再生棉纤维的主要性能指标：成熟度0.87，上四分位平均长度23.5 mm，短纤维率（＜12.7 mm）47.61%，整齐度65%，断裂强度25.2 cN/tex，伸长率3.5%。再生涤纶长丝的主要性能指标：细度83.33 dtex/36 F，断裂强度38.1 cN/tex，模量467.2 cN/tex，伸长率30.1%。

1.2 纺纱设备

为进一步优化纺纱工艺参数，本试验在经改装的TH598 型环锭细纱机上纺制线密度为28 tex的包缠纱。成纱装置如图1 所示。

1—包缠纱；2—手动摇架；3—导丝轮；4—辊筒；5—长丝张力盘；6—长丝；7—粗纱。图1 包缠纱成纱装置示意图

在细纱机上加装一套控制长丝退绕的机构和控制长丝张力的预牵伸机构，长丝置于置顶式纱架，采用轴向被动退绕的形式，上方经过张力片，下方经过导丝轮，与经牵伸的短纤须条保持一定间距从前罗拉喂入，短纤须条与长丝于前罗拉前钳口处汇聚并合，最终加捻成纱，被卷装到纱管上形成包缠纱。

生产参数的改变会引起短纤须条与长丝汇聚点的位置变动，汇聚点的稳定有利于提高复合纱的成纱质量，因此汇聚区在纺纱系统中的地位非常重要。考虑到再生棉具有纤维短、长度整齐度差等缺点，通过分析汇聚点运动变化，从而稳定成纱运动，优化生产参数，提高纱线质量。

1.3 长丝牵伸倍数的选择

在纺制包缠纱的过程中，长丝张力控制是十分关键的环节，生产中可以通过调节前罗拉线速度与辊筒线速度比设定长丝牵伸倍数，该倍数决定了长丝预加张力。因此长丝牵伸倍数越大，长丝预加张力也越大。

随着长丝预加张力增大，成纱汇聚点沿长丝方向向上移动，相对捻度上传增加，有利于增强长丝对短纤须条的抱合力。但预加张力过大，长丝将越容易趋于包缠纱轴心，会形成短纤包缠长丝的外观效果，成纱条干恶化。

包缠丝牵伸倍数的经验设计值一般在1.00倍～1.03 倍，具体最优值受原料特性等因素的影响［9］。为了加强长丝对整体长度较短的再生棉纤维的抱合力，更好控制再生棉短纤维的运动，稳定汇聚点形态，从而得到更稳定的纱线结构，长丝牵伸倍数在经验范围内宜偏大掌握。通过前期试验初步筛选，长丝牵伸倍数为1.03时，纱线质量较优。

1.4 短纤须条与长丝间距的选择

随着短纤须条与长丝间距的增加，成纱汇聚点的位置发生变动，短纤须条和长丝的运动路径被拉长，短纤和长丝的转移路径增加，有利于长丝对须条进行包缠。但间距过大时，汇聚点不稳定性增强，成纱条干恶化。因此适宜的短纤须条与长丝间距有利于提高包缠纱的成纱性能。

由于不同的纺纱原料和加工设备，研究者们对于该间距具体数值的讨论并未得到一个确切的结果，取值在4 mm～14 mm 的范围内［10］。本试验采用的再生棉纤维长度短，为了加强对短纤维的控制，选用3 mm、4 mm、5 mm 的小间距，在确保汇聚点位置稳定利于成纱的前提下，进一步探究再生棉短纤须条与长丝的最优间距参数。

1.5 成纱捻系数的选择

加捻是使纱线形成稳定纱线结构和获得一定强伸性能的重要手段，捻系数的大小直接关系到纱线的强力值。对包缠纱而言，长丝会影响包缠纱的纱线外观和性能。

在实际生产中，较小的捻系数不利于捻度的传递，纤维间的内外转移较少，纤维之间、长丝和短纤之间的抱合力不足，使得纱线结构不够紧密。但超过一定的捻系数后，短纤须条弱加捻三角区内纤维整体受力增加，纤维间内外转移程度过大，导致须条内部纤维受力差距过大，从而引起成纱汇聚点波动增加，使得成纱条干恶化。

针对再生棉纤维原料长度较短的特点，为了在纺纱过程中能够更好控制再生棉短纤须条，提高包缠纱的成纱质量，成纱捻度应适当偏大掌握。本试验将根据一般纱线捻度设计范围，讨论捻系数从325 至475 的包缠纱的纱线性能和质量，从中选取最优捻系数。

1.6 试验方案和测试仪器

本试验原料选用再生纯棉粗纱（定量6.5 g/10 m）和再生低弹涤纶长丝，在长丝牵伸1.03 倍的条件下，设计短纤须条与长丝间距为3 mm、4 mm、5 mm 以及捻系数为325 至475（每25 为一间隔）的试验，分析工艺参数对纱线质量的影响，最终获得最优纺纱参数。

纺制的纱线放置于恒温恒湿实验室（温度20 ℃、相对湿度60%）内24 h 进行调湿平衡之后，测试并分析短纤须条与长丝间距、成纱捻系数对纱线强力、条干CV和毛羽的影响。

使用XL-2 型纱线强伸度仪测试纱线的强力，夹持距离500 mm，拉伸速度500 mm/min，10 次后取平均值。

使用YG139 型条干均匀度测试仪测试纱线的条干CV，测试速度100 m/min，比例量程100%，测试时间1 min，测试次数2 次。

使用YG173A 型纱线毛羽测试仪测试纱线的毛羽，测试片段长度10 m，走纱速度30 m/min。

2 结果与讨论

2.1 外观形态

以短纤须条与长丝间距5 mm、长丝牵伸1.03 倍、捻系数375 工艺条件纺制的包缠纱为例，纱线外观特征如图2 所示，可以看出再生涤纶长丝对再生棉短纤维有良好的包缠效果。

图2 包缠纱外观特征

2.2 短纤与长丝的间距对成纱性能的影响

在长丝牵伸1.03 倍的条件下，测试不同捻系数以及短纤须条与长丝间距对纱线强力、条干CV和毛羽的影响，试验结果如表1 所示。

表1 纺纱工艺参数对纱线性能的影响测试结果

表1 中将短纤须条与长丝间距均由具体值表示，分别为3 mm、4 mm、5 mm。从表1 可以看出，随着短纤须条与长丝间距的增加，纱线的强力基本先增大后减小。在不同的捻系数条件下，短纤须条与长丝间距为4 mm 时，其纱线的强力表现更好。其次，在不同短纤须条与长丝间距下，包缠纱整体条干CV良好，随着短纤须条与长丝间距的增加，纱线条干CV大体上有所降低，但当短纤须条与长丝间距为4 mm 时，其条干CV表现得更为稳定。同时，在长丝包覆作用下，纱线的毛羽表现良好，随着短纤须条与长丝的间距增加，纱线3 mm 毛羽数量呈现减少的趋势。

再生棉短纤和长丝的间距增加，有利于内外层纤维转移，增强纤维之间的抱合和长丝的包缠效果，短纤维间和长丝与短纤间不易产生滑移，同时，长丝能够更好地捕捉表层纤维从而减少毛羽，使得包缠纱结构更为稳定和紧密，受力时纤维强力利用率提高，纱线条干均匀度改善。须条弱捻区路径随着短纤须条与长丝间距的增加而增长，有利于捻度从汇聚点向上传递，从而降低纱线毛羽数量。但当该间距继续增加时，再生棉须条在汇聚点前的路径变长使得纤维易产生滑脱，不利于纤维间的抱合，对纤维的控制减弱，引起成纱强力降低，条干不匀率增大。通过试验对比验证可得，短纤须条与长丝的间距为4 mm 时，包缠纱性能较优。

2.3 成纱捻系数对成纱性能的影响

从表1 可以看出，在其他条件相同的情况下，纱线的断裂强力随着捻系数的增加先增大再减小，即存在一个临界捻系数。在短纤须条与长丝的间距为3 mm 和5 mm 时，纱线的临界捻系数为400 左右。在短纤须条与长丝的间距为4 mm 时，纱线的临界捻系数在375 左右。随着纱线捻系数增加，纱线的条干CV和毛羽均呈现出波动性变化。

成纱捻系数的增加有利于捻度向汇聚点以上传递，再生棉短纤维之间以及短纤维与长丝之间的抱合更紧密，有利于提高纱线的强力。而超过临界捻系数后，易造成内外层纤维应力分布不均衡而导致纱线强力下降。同时，由于过大的捻系数会造成纱线成纱汇聚点不稳定，纱线条干恶化，毛羽增加。当捻系数从325 增至400 时，包缠纱纱线强力明显增强，因此以再生棉短纤维为原料选取捻系数时，可以在设计范围内偏大掌握。通过试验对比验证可得，短纤须条与长丝的间距为4 mm，且捻系数为400 时，包缠纱强力略低于捻系数为375，而条干CV和毛羽均优于捻系数为375，因此最终选择捻系数400 为优选参数。

3 结论

（1）再生棉短纤维具有长度较短、强力性能受损等特征，因此本研究采取与再生涤纶长丝包缠的复合纱结构，可以有效降低纺纱过程中的断头率，弥补再生棉短纤维强力缺陷，减少有害毛羽数量，提高纱线条干均匀度，所得包缠纱基本性能较为优异。

（2）由理论分析可知，短纤与长丝间距、长丝牵伸倍数和成纱捻系数等纺纱工艺参数的变化会引起纺纱过程中汇聚点位置的变动，从而对包缠纱的性能产生影响，基本规律与分析结果相符合，具有一定的指导意义，但实际纺纱中需根据原料特性进行具体分析。本研究采用再生棉和再生涤纶长丝为原料纺制包缠纱，在长丝牵伸1.03 倍、短纤须条与长丝间距4 mm 以及成纱捻系数400的条件下，得到的包缠纱质量最优。