浆纱可织性及经纱织造断头率预测方法
| 日期：06-04-12 17:18:36 编辑：亚洲纺织联盟网 |
在织造过程中，经纱需承受由经纱张力和各种摩擦力引起的复合应力。经纱能够承受这些复合应力的能力称为经纱可织性。随着喷气织机、剑杆织机和片梭织机等新型织机的转速和入纬率不断提高．对经纱可织性的要求越来越高。浆纱工序是织前的最后一道准备工序，上浆的好坏直接影响经纱可织性。为此．研究经纱可织性也就是研究浆纱可织性。经纱可织性的优劣一般用“经纱织造断头率”这一指标来表征。经纱织造断头率不仅取决于经纱张力和所承受的循环应力．而且与织物组织、经纱质量、织造速度、开口形状及工作环境有关。较高的经纱织造断头率不仅降低织造效率、增加挡车工的劳动强度，而且直接影响织物质量。为此．纺织企业非常重视控制经纱织造断头率，并通过提高浆纱的可织性来降低经纱断头率。 由于影响上浆质量因素的复杂性，至今没有找到合适的评价浆纱可织性的指标体系。只有先找到合适的评价浆纱可织性的指标体系，才能制定出合理的上浆质量指标．进而为合理制定浆料配方和上浆工艺参数提供量化依据。为了全面分析影响浆纱可织性的各种因素．进而制定合理的评价浆纱可织性的指标体系，搞清经纱在织造时的断裂机理是非常必要的。 1 经纱织造断裂机理 经纱在织造过程中受到的复合应力作用可分为两大类：磨损作用和应变。磨损作用主要来自：与综眼、停经片间摩擦，引纬时与引纬器间摩擦，打纬时与钢筘和纬纱间摩擦．开口过程中相邻经纱间摩擦，与后梁、分绞棒问摩擦等。应变主要来自上机张力、周期性的开口和打纬作用引起的经纱张力，其中，打纬引起的应变较大。大多数断头发生在停经机构和织口之间。 1．1 纤维滑移和断裂引起的经纱断裂 经纱织造断裂是由于纤维的滑移和断裂引起的。经纱上浆的目的主要是为了提高纤维的耐滑移性和保护纱线表面的纤维免受各种摩擦引起的纤维断裂。对于未上浆的纱，当其受到各种摩擦作用时，会使一些纤维从纱线中被抽拔出来，经纱结构变得较松散．这势必导致内部纤维滑移．使经纱产生不可恢复的伸长。随着磨损作用的持续．越来越多的纤维被抽拔出来，直至纱中剩下的较少纤维不能承受所受应力而使纱线解体．即经纱断头。纱线内部纤维滑移趋势主要受内部纤维摩擦力和纤维间的咬合力所控制。但对于上浆纱，被覆的浆液使纱线表面的纤维伏贴，毛羽减少，故纤维不易从纱线中抽拔出来；同时因浸透到纱线内部的浆液对纱线内的纤维具有粘附作用．延迟了纱线内纤维的滑移。因此上浆经纱的断裂以纤维断裂为主，纤维滑移为辅。 1．2纱线中薄弱环节引起断裂 在织造过程中．经纱断裂通常是由于纱线中薄弱环节引起的断裂。短纤纱在通过机器元件时，其上粗节和细节部位会产生摩擦和应力集中，从而在薄弱环节引起断头。织机织造效率的降低与经纱中薄弱环节的增加有极大的相关性。 1．3疲劳引起断裂 在循环应力作用下纱线的断裂称为疲劳断裂。在经纱受较小的应力作用时，甚至在应力远远小于其断裂强度时．反复加载和卸载常常引起纱线上某些部位应力集中，进而降低其抵抗性直至纱线断裂。由于破坏的累积作用，随着应力循环次数的增加．经纱抵抗断裂的能力逐渐降低。为此，经纱断裂的根本原因不是因为加在经纱上的负荷太高，而是由于累积破坏使纱线变得太弱。 1．4起球引起断裂 因织造过程中持续的磨损作用．表面纤维脱离纱体，纱的结构变得松散，进而形成围绕纱线的环或球，并随着织造的进行而增多、增大，最终导致经纱断裂。对于浆料被覆率很低的浆纱．其耐磨性较差．在织造过程中将产生大量毛羽，很容易因出现严重的起球现象而引起断裂。 1．5纱疵与接头引起断裂 纱疵是引起经纱织造断头的一个主要原因。一些疵点，特别是那些长而大的疵点，其强度和伸长率很低．在承受织造负荷时，会持续或间断地松开。纱线上的瘤节．如粗节、棉结或其它结节的存在会影响开口时相邻经纱的运动．当其导致经纱张力非常高时，将引起经纱断头。因此，在织造前消除经纱上的粗节是非常必要的。大约30％～70％经纱断头是由于纱线中的粗节和打结接头造成的。为此要正确预测经纱织造断头必须考虑纱线上疵点的出现频率。接头包括打结和捻接接头，目前基本上采用后者，因为捻接与打结相比不仅可减少经纱断头，而且还可提高织物外观质量。捻接纱的断裂强度、断裂伸长和断裂功低于原纱。捻接纱的强度是原纱的60％～90％．捻接处直径增加25％～36％．而纱线毛羽则大大减少。当捻接纱在捻接区域断裂时，在拉伸曲线上．当达到最大负荷时出现明显的粘滑现象，最后像正常纱一样断裂。但当在捻接区域以外断裂时，几乎不会出现粘滑现象。与采用打结接头相比，经纱和纬纱均采用捻接接头时．可减少约50％的经纱断头率。捻接接头导致的经纱断头占总断头的10％左右(而打结接头占25％左右。 2浆纱可织性的影响因素 除了织造条件外，浆纱可织性主要受原纱质量和浆纱工序影响。为了降低经纱织造断头率、提高织造效率、生产高质量的产品．经纱需通过上浆实现增强、耐磨、保伸和毛羽伏贴。在大多数情况下，人们期望上浆后强力增大一点．但更为重要的应是浆纱过程中尽量减少伸长损失。假如浆纱引起过大的伸长损失，其弹性变差．这势必抑制其抵抗织造时反复应力作用的能力。随着浆纱毛羽增多．织造时相邻经纱间纠缠倾向增加，在喷气织造时易引起纬纱断头。对提高浆纱可织性来说，浆纱是一至关重要的工序。大约38％的经纱断头是由于浆纱工序造成的。为此，许多研究者从各种角度研究了浆纱工序对浆纱可织性的影响。 2．1 浆料质量对浆纱可织性的影响 合适的浆料浸透与被覆是提高浆纱可织性的关键所在。被覆保护浆纱表面免受磨损和伏贴毛羽：浸透不仅提高浆膜与纤维间的结合及阻止纱线结构解体，而且使被覆可靠。浆料浸透率优化范围在20％～30％之间，当浸透率超过40％时，浆纱弹性大大降低。当浸透率太低时，浆纱耐磨性差且织造落物多，但当浆料浸透太高时．会导致浆纱脆而硬．容易产生应力疲劳和断裂，甚至于不能进行织造。通过浆料被覆来伏贴毛羽是非常重要的．尤其是在用喷气织机织造时。Strauss测试发现，随着浆膜完整度的增大，经纱能更好地承受织造时的摩擦力，浆纱可织性能得到提高。浆纱被覆差且扁平时，易引起织造问题及影响织物质量。当浆料浸透较少．却又主要集中在纱线周围时，限制了其保护浆纱抵抗磨损的能力。 2．2浆膜性能对浆纱可织性的影响 柔韧、延伸性好及均匀的浆膜与纱线表面的粘着性好，可保护纱线抵抗织造时的复合应力。浆膜强度与浆纱可织性间的相关性较小。研究浆膜物理机械性能对浆纱的耐磨性的影响时．必须同时考虑浆料对纱线的粘着性。假如某浆料具有优良的浆膜性能，但其与纱线的粘着力很小时．则当浆膜在承受织造过程中反复弯曲和磨损作用时，会很容易从纱线上脱落下来，这就导致了浆纱的耐磨性能很差。 2．3原纱质量对经纱可织性的影响 Hari发现．上浆率变化对弱纱的增磨率影响很小。尽管浆纱的耐磨性平均值比原纱提高较多，但浆纱后．耐磨次数低于其均值的比例有所增大，这些耐磨性较差的浆纱是经纱断头的潜在来源。纱线中的薄弱纱段不会通过上浆而得到显著的增强。与耐磨性好的纱相比，耐磨性差的纱上浆后，其耐磨性的改善较小。对于捻接纱，与强度较大的捻接接头相比，薄弱捻接接头的浆纱增强率很小。这意味着浆纱工艺不能很好地改善薄弱的捻接接头纱的强度．故其易于在织造时断头。捻接工艺不仅减小了浆纱拉伸强度和耐磨性指标的平均值，还增加了纱的弱环频率。 不同种类的疵点纱线，上浆效果不同。较大疵点获得较大的上浆增强率，归结于其较蓬松。因为较蓬松的结构可吸收更多的浆液，因而获得较高的上浆率和强度。 2．4浆纱工艺参数对浆纱可织性的影响 上浆率过大或过小都会导致经纱断头率迅速增大。上浆率过小时．纱线不具有抵抗织造时摩擦的能力：过大的上浆率会导致浆纱脆、无弹性，使浆纱在织造时快速产生应力疲劳和断头。超过最佳的上浆率时．不再改善浆纱的耐磨性。 Hari发现，纱线中水分可较大地改善使用淀粉上浆的棉纱性能。这主要是由于纱线中水分改善了浆料的浆膜和粘着性能。 浆纱过程中浆纱的伸长率过大时．不仅会降低浆纱的断裂伸长率．还会增加很多新的弱节．进而导致过多的经纱织造断头。 原纱的圆整度不太好时，低压上浆导致纤维和浆膜表面的圆整度更差，但高压上浆没有降低其纤维和浆膜表面的圆整度。因而，高压上浆不但没有引起纱线扁平，而且上浆均匀。另外，高压上浆后．纤维表面的直径比原纱小．使纱线结构更为紧凑。高的纱线堆砌密度可增加纤维间粘接力．减少内部纤维滑移，进而提高高压上浆纱的可织性。 在同样上浆率的情况下，与低压上浆相比．高压上浆纱的浆膜厚度变薄，但浸透增加。较高的浸透有利于纱线内部纤维间粘接和使浆膜有可靠的基础．因而耐磨性得到较大的改善。总之，高压上浆提高了浆纱可织性．是由于均匀的被覆、较大的浸透和较高的纤维堆砌密度。 预湿上浆是最近发展起来的一种新型上浆技术，其不仅可大大降低粗特棉纱的上浆成本．而且提高了浆纱强度和耐磨性．毛羽大大减少．大大改善了浆纱的可织性。但其提高浆纱可织性的机理尚未完全搞清楚。 3浆纱可织性的评价指标 多年来研究人员一直在探索合理的评价浆纱可织性的指标体系，但尚未找到较完善的评价体系。如Strauss提出评价浆纱可织性需进行5项基本测试：上浆率、浆料浸透、浆料被覆、伸长和毛羽m]。Hari提出，浆纱可织性由耐磨寿命(W)和耐磨过程中纱线伸长(Ep)确定，可织性可用/W/E来评价。Barella建议采用刚度、减伸率、断裂伸长率CV值、耐磨性、耐疲劳性等指标来评价浆纱的可织性，并发现在上述指标中．只有耐疲劳性与浆纱可织性有很好的相关性。Robert提出的评价浆纱可织性的指标为：落浆、浸透、被覆、毛羽、强度、伸长和耐磨性。 3．1 浆纱强伸度、耐磨性、毛羽指数和粗细节 为使经纱能顺利地织造，经纱必须具有一个最低限度的强度值．以抵抗织造时所承受的应力。但纱线强度可能不是关键性的指标，因为在织造时，作用在经纱上的拉伸力仅为原纱(未上浆纱)断裂强力的20％。另一方面．考虑到经纱在织造时需承受反复拉伸和磨损，浆纱伸度可能更为重要。Fassen发现原纱的疲劳强度仅是其静态强度的40％．但浆纱的动态强度高达其静态强度的80％，故测试浆纱的疲劳强度对于确定浆纱可织性是不重要的。 原纱强度测量的是一组纱线中的弱纱强度。原纱品质支数(CsP)被认为是反映纱线质量的综合指标。原纱的品质支数与单纱强度、伸长、纱线均匀度和疵点间具有很好的相关性。可织性指标/W/Ep表征与CSP具有很好的相关性(原纱为0．77．浆纱为0．99)．与粗细节也有非常好的相关性(原纱0．99，浆纱0．93)。Howand发现．某纱线可织性较差是因为其具有较多的粗节和细节。另外．其很大的短片段不匀意味着纱具有更多的弱环。小疵点的数量与降低经纱可织性也有一致性。 浆纱粗细均匀度和毛羽指数对浆纱可织性具有重大影响．对于喷气织机的织造来说．毛羽指数尤为重要。提高经纱耐磨性和减少毛羽是达到满意织造的前提。但Shinn没有发现经纱耐磨性和可织性间有任何直接的关系．尽管他观察到：耐磨性最好的经纱具有最高的织造效率。另外，他发现存在一最小的耐磨指标值，低于该值，经纱织造断头率猛增。 Sengupta发现，浆纱最小耐磨性值可很好地评判其可织性。他还发现．尽管在织造时纱线所受张力仅为其断裂强力的5％～12％，但仍然存在经纱织造断头。这表明．研究浆纱在疲劳破坏前后的耐磨性和拉伸特性是非常重要的。 3．2浆纱刚度 在织机上的经纱片中．各经纱的拉伸刚度、伸长和线密度不同，各经纱承受力分布是不均匀的，其中刚度较大的经纱承担较大的负荷，因而这些纱比较容易断裂。 Rajeshzai研究了棉经纱的拉伸疲劳特性，他发现浆纱初始模量受浆料种类、上浆率和短纤维含量的影响。初始模量的改变是很重要的．因为初始阶段纱线变形的改变对确定浆纱可织性起着重要作用。他还指出，浆纱蠕变对浆纱可织性有较大影响。 3．3落物、浆料粘着力和浆膜强度 Vidyarthi从大量工厂和实验室测试结果发现．浆纱拉伸特性与经纱可织性间不直接相关。织造落物和浆纱落物与浆纱可织性间相关性也较小(相关系数为0.33)。同时，浆料粘着力及浆膜强度与浆纱可织性间的相关性也较小。 3．4极端纱出现的频率 由于纱线结构不均匀和疵点频率不同，各经纱的疲劳寿命相当分散。疲劳寿命的极端值(强力最低、寿命最短)在预测浆纱可织性时非常重要。因而，具有这种极端值的纱线的频率是一很好的可织性指标。 在浆纱承受耐磨过程中．会产生新的弱节，因而低强力／伸长的纱线出现的频率较高．这一现象在低CSP值纱线中更为严重。 3．5浆液浸透率和被覆率 上浆率固定且定量上浆时．测试浆料在纱线内部和周围的分布情况是很重要的。浆料质量用两个参数表示，即浆料浸透率和被覆率。浆料被覆率一般用浆膜完整度来表征，即测试浆膜环绕纱线圆周的总角度，完全环绕时为360°。浆料浸透率是指浆料浸透到纱线内部的深度与纱线半径之比的百分率。 Adams发现了一个令人费解的现象，即在4个测试样本中，2号样本浆纱具有最高的耐磨性、强度和伸长。3号样本浆纱的强度不及原纱强度，并且断裂伸长在4个样本中也是最低的。但3号样本浆纱的实际织造效率最好(90.2％)．2号样本浆纱的实际织造效率最差(51．5％)。他利用扫描电镜发现．3号样本浆纱主要是被覆上浆，浸透很少，但2号样本浆纱主要是浸透上浆，被覆很少。故高浸透低被覆上浆时会导致经纱发硬．进而可织性不好。 4 经纱织造断头率的预测方法 预测经纱断头率的方法可分为三大类：实验方法、统计方法和仪器方法。三类方法中，目前普遍采用的是仪器方法。 4．1实验方法 所谓实验方法．就是在实验室进行标准实验。该方法的测试结果难于与实际织造效果相符合。Aggarwal发现经纱质量和经纬纱密度与经纱织造断头率间有很好的相关性，建立了原纱品质支数与经纱织造断头间的回归模型．模型中考虑了经纬纱密度。使用该模型的实际预测效果较好。 4．2统计方法 所谓统计方法，就是采用统计学的方法．推定疲劳寿命循环次数的分布特征。该方法一般与仪器方法结合使用。由于纱线上疵点出现频率不同和纱线结构不均匀一致，疲劳寿命数据的分散性很大。正因如此，了解疲劳寿命的统计分布规律是非常必要的。 疲劳寿命很少服从正态分布或对数正态分布．而较好地服从威布尔分布。但威布尔本人同时指出，尽管疲劳寿命分布的中间区域很好地服从威布尔分布，但两端偏差较大．另外寿命分布一般是不对称的，为此．威布尔分布不能可靠地用于预测经纱断头率。 4．3仪器方法 各种模拟实际织造效果的耐磨仪相继被研制出来，如CTA耐磨仪(Cyclic Tensile Abrade)、Zweigle耐磨仪、Reatlinger Webtester耐磨仪等。在这些仪器中．浆纱片将承受循环弯曲和磨损，磨损包括纱线之间、纱线与金属间(综丝和刚筘等)。CTA耐磨仪测试的疲劳寿命与实际经纱断头率具有好的相关性。不论是原纱，还是浆纱，Zweigle耐磨仪和CTA耐磨仪测试的磨损寿命均服从对数正态分布。但是．这两种耐磨仪的测试结果之间的相关性非常差。对于CTA耐磨仪，浆纱的疲劳寿命的均值及初期断裂值与经纱织造断头之间具有合适的相关性。 Rajeshzai使用Sulzel Ruti Webster 耐磨仪测试了浆纱的拉伸疲劳寿命，该仪器使经纱承受循环伸长和磨损作用。他发现，浆纱疲劳寿命符合三参数威布尔分布．并且是双峰的，没有出现其他研究者所发现的单峰威布尔分布情况。使用疲劳寿命的中值或平均值表征浆纱的疲劳特性，有时会得到错误的结论．因为其分布远远偏离正态分布．而是服从三参数威布尔分布。 5结语 综上所述，因为影响浆纱可织性的因素繁多以及经纱断裂机理非常复杂．到目前为止，尚未找到较为完善的评价浆纱可织性的指标体系，正因如此，纵使采用神经网络等较为先进的预测技术．也难于准确预测经纱织造断头率。另外，目前所使用的一些评价浆纱可织性指标之间存在很大的相关性，应深入研究这些指标间的相互关系，以大大精简评价指标的数量，使其能顺利地在纺织企业中被推广应用。 目前使用的评价浆纱可织性的仪器．只是简单模拟了拉伸、摩擦及磨损等一些织造条件．没有模拟打纬等影响可织性的关键因素，故这些仪器被称为耐磨仪。非常希望纺织科研人员和纺织仪器厂联合研制与织造条件完全一致的浆纱可织性评价仪，这样不仅可实现准确预测经纱织造断头率，还有利于完善浆纱可织性指标体系。
