第八章纱线的几何结构(讲稿)

1第八章纱线的几何结构纱线的结构是：决定纱线内在性质和外观特征的主要因素建摸的基本依据构成纱线的纤维：可有短纤维纱，长丝束纱短纤混纺纱，长丝混合纱长短，短短，长长复合纱纱线的成形方式：传统的环锭纺纱，股线，花式纱线新型纺纱：转杯纺(rotor-spinning)，静电纺纱(electrostaticspinning)，摩擦纺纱(friction-spinning)，自拈纺纱(self-twist-spinning)，喷气纺纱(air-jet-spinning)，涡流纺纱(vortex-spinning)，平行纺纱(Parafil-spinning)，包芯纺纱(core-spinning)，膨体纱(bulkyarn)和变形纱(textured-spun(orfilament)-yarn)等新型结构纺纱：如塞洛纺纱(Sirospun)，塞洛菲尔纱（Sirofilyarn），分束纺(Solospun)纱，集聚纺纱(compactyarn)等纤维及其成纱方式使纱线结构存在差异：如结构松紧程度及均匀性，纤维在纱中的排列形式，纤维在纱中的移动轨迹，加捻在纱的轴向和径向的均匀性，以及纱线的外观形状及毛羽等。纱线结构的基本问题是纤维在纱中的排列状态，以此入手借助观察实验方法，如截面切片和示踪纤维法，进行研究和表征。本章以传统的环锭纱线的结构特征为主，兼顾某些非环锭纺纱加工纱线的结构特点，描述纱线几何结构特征的三项内容。纱线的加捻与纤维的排列密度纤维在纱中的转移与分布纱线的均匀性并对其相关特征指标和理论作基本地介绍。2第一节纱线的加捻与纤维的排列形式一．纱线的加捻及其表征加捻是使纱线具有一定的强伸性和稳定外观形态的手段。将纤维束须条、纱、连续长丝束等纤维材料，绕其条状轴线的扭转，搓动或缠绕的过程，称为加捻。加捻可以获得不同程度的捻度：高、低不同方向的加捻：Z捻（左手旋）；S拈（右手旋）不同形式的加捻：真捻（单区加捻）；假捻（双区对称加捻）。1．捻度与理想螺旋结构捻度T是指单位长度上的捻回数（cm-1）。纱是由一系列不同直径的同心圆柱体所构成；每根纤维在半径r的圆柱面上螺旋排列；纤维排列密度的保持不变；纱线是由大量的纤维组成，纤维直径大大地小于纱线直径（yfdd）。捻度与螺距h的关系为：Th1图8-1理想螺旋形纱线几何结构(a)和其圆柱展开图(b)(c)并有：222)2(rhl(8.1)222)2(RhL(8.2)rThr22tan(8.3)RThR22tan(8.4)22)tan(1)/2(1cos/Rrzhrzzq(8.5)32．捻系数与纱线线密度纱线线密度常用单位长度的重量表示，即纱线的号数tN(tex)。根据前理想结构假设，理想纱的单位长度内的体积为2R，比容为)(13gcmy，则其质量为yR/2(g)。因此，纱的号数为：)(1052texRNyt(8.6)又510tyNR(8.7)代入捻回角β的计算式(8.5)得：tytyTN0112.0102tan5(8.8)式中，TNtt(8.9)为纱线的捻系数。捻系数t大，捻回角β也大。式(8.8)为：tgyt2.89(8.10)式中：yy/1为纱线的密度（3cmg）。3．捻回角捻回角是一个几何概念值，捻系数表面上是一与纱线捻度和号数相关的值，但本质仍与纤维在纱中的几何排列相关的变量。Schwartz发现，如果纱截面中纤维数量有限，即纱的直径偏小，纤维直径偏粗，则tanβ=2πR/h不够准确。如图8-2所示，纱线的有效直径'yd，应该是通过外层纤维中心的圆的直径。即fyyddd'，fd为纤维直径。故(8.4)式应该为：kdyThddfy)(tan(8.11)式中：yyyfydddddk/'/)(为Schwartz常数。同样：tyk0112.0tan(8.12)4当纱截面中含有大量纤维时，即符合理想状态假设时，k＝1。但当纤维数量减少，则k值小于1。Schwartz常数可以通过下述方法进行估算，假定由纱的直径计算所得的面积yA等于截面中纤维截面积之和fA加上纤维间的空隙面积，则有纤维的填充因素为：22yfyfddnlAlA(8.13)式中n为纱截面中的纤维根数。nddyf(8.14)因此：nddkyf11(8.15)由于对纤维填充因素来说，一般为0.5～0.9，n往往大于40的值，故一般k值取1。依据上式，拈系数t也受k值的影响。其他条件不变，fd变小或yd变大时，t可以选低些，反之则大一些。kTNktyttan2.89(8.16)图8-2纱线外层测量直径yd与捻回角估计时间的有效直径fyyddd'的差别示意图54．捻缩及其理论估算加捻成纱时，纤维的原伸直长度与纤维螺旋轨迹长度在理论上应该是相等或相近的，而纤维头端沿纱线轴向上的投影长度变短，故引起纱的收缩。这种收缩现象在长丝束和短纤维须条的加捻中，均会发生。其结果直接影响纱线的号数和加捻程度。通常收缩率可以用两种方式来表示：收缩因素：1有捻纱的长度零捻纱的长度＝yC(8.17)捻缩率：1零捻纱长度有捻纱长度零捻纱长度yR(8.18)两者的关系为：yyRC11(8.19)通常收缩因素对短纤维纺纱较为实用，有捻纱的长度在理论可以为0到零捻纱的长度，故yC1。yC值实际的意义为送出须条长度与实际成纱长度的比值。由于不同径向层面中纤维的加捻程度不同，按式(8.4)，r＝0时，θ＝0，故T＝0；r＝R时，θ＝，T为最大。因此纱中不同位置纤维的收缩是不一致的。现考虑长度为h的一段加捻纱，假设其为理想的分层螺旋结构；内外层的压缩和伸长是均匀的。则将这段纱展开后的纤维的平均设为l，h即为一个捻回的长度，并设n为垂直纤维轴线的单位面积中的纤维根数。则如图8-3(a)所示，以θ角通过纱截面，并在[r，r＋dr]圆环中的纤维根数dn为：cos)2(drrndn(8.20)由式(8.4)可得：tan2hr；则：dhdr2sec2(8.21)代入(8.20)得：dhndntansin222(8.22)又因为：sechl则：dhdltansec(8.23)6由式(8.22)和(8.23)得：.2constnhdldn(8.24)dldn为常数的物理意义是，相对纤维长度的任意增量dl中，纤维的数量的增量dn为一常数。即根数长度的分布应为一直线。图8-3h段纱中纤维排列及长度分布前述纤维的综合平均值l，可以由最小长度（螺距h）和最大长度（表面纤维轨迹长度）的平均值求得：)sec(21hhl(8.25)故收缩因素：2sec1hlCy(8.26)捻缩率：)2(tan1sec1sec2lhlRy(8.27)将此理论计算与实际粘胶，锦纶、醋酯等长丝纱的测量结果进行对比，如图8-4所示。Landstreet等对棉纤维捻缩率进行的试验，结果如图8-5所示。其经验公式为：7neyTR(8.28)式中，n为常数；eT为单位英寸的捻回数。图8-4棉纱线加捻后的收缩率a.普通座标；b.对数座标图8-5收缩因素与捻回角关系曲线的和实际对比85．捻幅及股线加捻单位长度纱线加捻时，纱线截面上任意一点在该截面上相对转动的弧长，称为捻幅P。如图11-8所示，原来平行与纱轴的AB倾斜成BA，当L为单位长度＝1时，AA‘即为A点的捻幅。如以P表示A点的捻幅，代表BA的捻回角，则PAAtan（11-1）(b)(a)图11-8捻幅捻幅P同样可以表示纱线加捻程度，并且捻幅可以表示纱线截面内任意一点的加捻程度及方向。同一截面中，当各点距纱的中心距不等时，捻幅亦不等，捻幅与该点至纱的中心距r成正比。即PRrp（11-2）式中，p为半径r处的捻幅；R为纱线的半径；P实际是最外层的捻幅。所谓捻幅是指单位长度纱线加捻时，纱线截面中任意一点相对转动的弧长，称为捻幅p。即：hrLrp2/(8.29)显然，由式(8.4)和(8.5)可得：tan2rTp(8.30)tan20rTp(8.31)式中：为纱截面中某点的相对转动角；0p为纱表面的捻幅；L为某纱段的长度(cm)。如图8-6所示，在理想分层螺旋结构纱中，捻幅的分布符合：9RrppS(8.32)为线性均匀分布、外层捻幅最大，即maxppS，而纱中心的捻度为零。通常将纱截面中捻幅为零的点称为捻心。图8-6纱的径向捻幅分布示意图图8-7双股线加捻的捻幅分布当二根纱合股加捻时，通常股线的捻向与单纱相反，这时纱线截面中的捻幅会发生变化，捻心会发生移动。如图8-7所示，单纱的捻幅P1和股线的捻幅P2及其相互间的关系为：SSSSrrpprrpp22221111(8.33)式中：p1S，p2S为单纱和股线在其各自半径r1S，r2S处的捻幅；r1S，r2S分别为单纱和股线的半径；r1，r2分别为单纱和股线在某一点的径向距离。由于二根单纱的几何尺寸相等，故r2＝r1；r2S＝r1S。由于单纱与股线的捻向相反，在r处的捻幅值rp应该为：SSSSSrrrrprrpppp11211212(8.34)当rp=0时，SSSSSrrrPrrP112112(8.35)令捻心的位置为03，r0值即为0103间的距离。其值为：SSSSPPPrr2121031200＝(8.36)由式(8.36)可以得出：当p2S→0时，r0→0，单纱的捻心不动；p2S＝p1S时，捻心移至单纱的表面，即股线最外层的纱无捻；p2S10＝2p1S时，r00，捻心跑向另一侧。图8-8双股线的捻心与捻幅分布图,符合0p2Sp1S时的状态若取03为坐标轴心，r为03到纱截面中某点的距离为：rrpppSSSr12122'(8.37)同向捻向(8.34)式为：SSSSSrrrrprrpppp11211212双股线加捻后的捻系数关系可以通过捻幅关系求得，因为：111111/22ttSSSNrTrp；221222/42ttSSSNrTrp，且ttNN22，式中下标1表示单纱；2表示合股线所以：12122ttSSpp(8.38)若要使合股线中纤维的强力得到最大的利用，所有纤维应该有同样的捻幅值，即p2S＝2p1S。因此股线的最佳捻系数为：112tt(8.39)三股纱合股时的股线捻幅与单纱捻幅间的关系同理可得：331333/)1(sec22ttSSSNrTrp＝(8.40)式中下标3表示三股线，α＝60°。1113133332ttttSSNNpp(8.41)11对于三股线的33213SSpp时，捻心趋向无穷远，纱中各点的捻幅相等。故三股线的最佳捻系数为：133tt(8.42)二．纱中纤维的排列与密度纤维在纱中的排列是指纤维间的相互堆砌方式。纱中纤维可以伸直或伸长和卷曲起拱；纤维会发生位置的变化和纠缠；纤维可以在某一段中与周围任何纤维都不接触。因此纤维的聚集方式复杂、堆砌密度不同。故讨论三个问题：纱线中纤维的理想排列；纱线的密度和填充系数；纱线中纤维的实际堆砌形式。1．理想堆砌方式Schwarz就圆形截面纤维在纱中的排列状态，提出了两种基本的理论排列方式：开启式（openpacking）排列；密堆式排列（hexagonalclosepacking）。（1）开启式：是指圆形纤维的分层排列。显然，堆砌i层的纱线表观外径为：fyirir)12((8.43)第i层纤维的螺旋半径iR为：firiR)1(2(8.44)第i层纤维根数：)1(21sin1iINTni(8.45)表8-1开启式纤维排列参数表层数i各层半径iR纱的半径yiri层最多纤维根数in纱中纤维总根数iN各根纤维所占角度(i层间隙角ii层间隙距