无论是天然纤维还是化学纤维都有各自的优缺点,随着经济与科技的发展,生活水平的日益提高,单一种类的纤维和纱线已经难以满足人们对服装服饰的要求,因此复合纱线应运而生。复合纺纱技术可以集几种纤维的优势于一体,扬长避短,促进了纺纱技术水平以及纱线结构复杂性和多元性的发展,使纱线和织物的风格有了全新的改变。
长/短纤维复合纺纱已经有许多科技工作者进行研究,但大都采用包芯纱或是包缠纺纱的方式,在长期的生产应用中,越来越多的科研人员发现了这2种复合纱线的不足,因此,对于复合纺纱的设计和生产方法还需要进一步研究和探讨,且应用创新性思维开发设计的纱线结构更能强化不同纤维之间性能的互补,满足人们对纺织品高感性、功能性日益增长的要求。
TRIZ理论属于创新性思维开发理论的一种,其在指导创新实验与科研过程当中,起到了较好的效果。因此,本文对设计的新型结构复合纱线进行了TRIZ理论的分析,找出物理矛盾,并分别解决具有新型结构复合纱线的设计和制作问题。
1 TRIZ指导复合纱线的设计与制作
1.1 问题的提出和分析
目前常用的复合纱线为包芯纱或是包缠纺纱(见图1)的方式,然而在应用过程中,它们均存在结构上和服用性能方面的缺陷。
图1 包缠纱和包芯纱
由于加捻过程中的纤维内外转移运动,包芯纺纱中若要形成理想的包芯结构,需要如下假设存在:1)长丝从须条中间喂人;2)长丝所受的张力足够大;3)长丝为一个刚形体,但在实际纺纱过程中,芯丝对纤维在加捻三角区中的转移具有一定的阻碍作用,使棉纤维在纱线中反复转移的程度和数量下降,三角区的纤维内外转移数量,长丝和短纤维须条在细纱机前钳口处的相对位置等都会影响到其包覆效果。因为2种成分的差异,纤维纠缠的紧密度受到限制,不同种类的纤维之间在纱线内部各自集中分布,它们之间存在着明显的“界面”(2种纤维的分层处),很容易造成纤维滑脱,纱线耐磨性差,织物使用过程中易起毛起球等一系列的问题。
包缠纺纱虽然在一定程度上解决了纤维滑脱的问题,但是纱线结构依然不尽理想,仍存在短纤维和长丝缠绕不紧密的问题,同时长丝包缠在外引起纱线的服用性能相对较差,因此,对于复合纺纱的原理和方法还需要进一步研究和探讨。
根据包缠纱和包芯纱的结构和成纱机制,可以通过增加纤维总量,或者增加纱线捻度来提高纱线性能。但纤维总量的增加必然会导致纱线的线密度增大而使得纱线变粗,而捻度的提高又会改变纱线的风格,且纱线手感变硬反而在一定程度上降低了纱线的服用性能。九屏幕法是TRIZ理论重要的系统思维方法,而新型复合纱线的设计思路可以用九屏幕法(见图2)来分析。从当前系统的子系统和超系统中寻找纱线设计渠道。首先在子系统(纱线的组分)中,可以选择新型功能性纤维,给予纱线特殊的功能和结构;其次在超系统(成纱工艺)中,选择新型的成纱工艺给予纱线新的结构,在环锭细纱机上改变长丝的排列方式和导入方式制作复合纱线,避免单纯的纤维总量和捻度增加带来的弊端。
图2 新型结构复合纱线的九屏幕法分析
1.2 应用TRIZ理论设计新型结构纱线
1.2.1 TRIZ技术矛盾解决原理的选择
本文的目的在于设计出一种新型结构的复合纱线,该新型结构能够弥补包芯纱和包缠纱的不足,而赋予复合纱线较好的综合性能。根据TRIZ技术矛盾解决原理,将存在于复合纱线设计和生产过程中的各种矛盾的技术参数列在表1中。
表1 复合纱线设计和生产过程中的矛盾矩阵表
1.2.2 新型结构复合纱线的设计
在TRIZ发明原理1(分割)和原理17(维数改变)的启发下,可以创新性地将包芯纱和包缠纱中整体的长丝复丝分割成几个部分,使单根长丝之间在未加捻须条中是相互独立的。经加捻后,形成空间螺旋结构,从而改变原来复丝中单丝的简单二维关系,增加了单丝在纱线内部的维数。
实验所设计的复合纱线是采用3根涤纶单丝(13.33 dtex/1F,江苏仪征至和化纤有限公司)与棉短纤维(粗纱定量5g/(10m),重庆三峡技术纺织有限公司)进行复合纺,纱线规格是(JC40S+3×13.33) dtex,900捻/m,Z捻。纺纱过程中,在改造的环锭细纱机上,从粗纱管上退绕下来的短纤维粗纱绕过导纱杆经导纱喇叭进入牵伸区。3根涤纶单丝分别由导丝轮引导从前罗拉后端等间距平行的喂入前钳口与须条汇合(如图3所示),这也是所研究的复合纱线的特殊之处。
图3 单丝在须条和加捻三角区中的分布
根据这个发明原理形成的设计思路,应用Smart Draw软件绘制新型结构复合纱线的理想结构模型,如图4所示。从横截面看,3根单丝相互独立并以三角形形状分布在细纱内部;从纵向看,单丝立体螺旋分布在纱线内部,与单丝所处位置的内外棉纤维相互纠缠,二者联系紧密,长丝成为纱线的主干,显著提高单纱强力,整体上3根单丝就像是以螺旋立体结构嵌入到单纱中。
1.3 应用TRIZ制作新型结构复合纱线
上述新型结构复合纱线的制作需要在普通环锭纺细纱机上进行适当改造。
本文在实验初期阶段应用TRIZ发明原理1(分割)、27(廉价替代品)和31(多孔材料)作为导丝机构的创新源头。为了使3根单丝相互独立地进入须条,导入机构需要将3根单丝独立地导入,因此应用多孔材料作为导人机构,让单丝从多孔材料的孔中穿行。在TRIZ原理27指引下,利用九屏幕法分析细纱机的超系统,在实验室找到了廉价替代品:缝纫针。缝纫针自带针孔,且针孔的大小合适,最后利用强力胶将3根缝纫针并排粘连在一起,固定在钢丝上,钢丝可以自由附在摇架的任何位置。
图4 新型结构复合纱线的理想结构
第1次设计的导入机构在初始纺纱的过程中,效果较好,但是由于棉短纤维总是在空气中漂浮,停留在单丝和导入机构的表面,且随着纺纱过程的持续进行,针孔便很快被由长丝带入和由漂浮带来的棉短纤维堵塞,增大单丝导入前进的阻力,单丝张力过大,导致单丝的断裂和纺纱过程的终止。
经过系统分析发现,出现这种情况主要是因为导入机构的孔太小,容易被堵塞,高速运动的单丝长期摩擦针孔对针孔的使用寿命有很大的影响,所以增大孔眼有利于导入机构的应用,优化其被堵塞的特点。但是面积增大将使导入机构整个体积增大,且增大单丝之间的距离,影响纱线最终结构,且针孔面积的增大有严格的限度,依靠增大针孔面积并不是有效的方法。本文再次利用TRIZ矛盾矩阵(见表2)寻找解决方法。
表2 针孔在使用过程中的矛盾矩阵表
应用TRIZ发明原理15(动态化)来改善导人机构,将静止的针孔导丝装置换成可以在单丝的摩擦力作用下一起运动的金属导轮,且该导轮中的3个导丝槽以1mm间距均匀分布,在纺丝过程中,导轮的线速度相对于单丝为零(如图5所示)。
图5 单丝绕导轮一路径及单丝和导轮的位置
由于导轮与单丝一起运动,有效地避免了单丝对导轮的高强度摩擦对导入机构的损害,同时杜绝了棉短纤维对孔的堵塞,使单丝能够以稳定的张力运动至须条中,大大提高了生产效率。
2 新型结构复合纱线的结构和性能
2.1 纱线的结构
用显微镜观察纱线结构时,因为涤纶单丝和棉短纤维在外观颜色上非常接近,视野中不易清晰地分辨出2种纤维,所以采用TRIZ发明理论32(改变颜色)来制作显微镜纱线标本。
制作复合纱线切片,通过实验室光学显微镜放大50倍观察得到纱线的横截面结构,如图6(a)所示。其中,纱线内部直径较大的3处为涤纶单丝切面,其周围颜色相近的腰圆形的是棉纤维切面,而其他红色的为颜色对比纤维切面。
采用示踪纤维法研究纱线的纵向结构,结果见图6(b)。将理想结构(见图4)和光学显微镜观察得到的纱线横纵向结构(见图6)进行对比,可以发现在TRIZ理论指导下生产的新型结构复合纱线结构与设计的理想纱线立体结构具有相似性,即在横截面内,3根涤纶单丝形成三角形分布在纱线内部;在纱线的纵向,3根单丝之间、单丝与棉纤维以及棉纤维与棉纤维内外转移,相互交缠在一起,且单丝基本处于纱线内部成螺旋状,外层覆盖棉纤维。
图6 新型复合纱线结构图
2.2 纱线的性能
对纱线的拉伸性能和毛羽性能进行测试,结果如表3所示。所有纱线均采用相同的材料,按照相同的纺纱工艺纺制而成。采用YG020B型电子单纱强力仪进行拉伸测试(测试参数:500mm,500mm/min,60组);毛羽测试采用YG171B-2型纱线毛羽测试仪(测试参数:10m,30m/min,30组)。由表3可以看出,新型纱的断裂强度和断裂伸长率明显高于其他纱线。这是因为单丝在纱线内部的螺旋缠绕,使得长丝和棉纤维紧密连接,且纤维的缠绕螺旋及单丝本身不容易释放自身的应力,所以新型结构复合纱线具有优异的拉伸性能。新型纱毛羽性能低于包缠纱,却明显高于包芯纱和普通棉纱,因为包缠纱中的复丝直接包缠在棉纤维的表面,而新型纱的3根单丝的螺旋结构处于纱体的内部,仍有部分棉短纤维在纱体表面,所以新型纱仍存在一定量的毛羽。同时特殊的空间立体结构也给予该新型结构复合纱线较佳的耐磨性能。因而新型长丝短纤维复合纱线有广泛的应用前景,且以特定的喂人机构引入3根单丝的复合纺纱技术应用也为新型纱线生产技术增加了新的成员。
表3 纱线的拉伸性能和毛羽性能
3 结论
TRIZ理论是解决复合纱线缺陷的有效方法,并能够提高使用者的创新能力。复合纱线的研发符合TRIZ九屏幕分析方法。本文设计的新型结构复合纱线在TRIZ理论指导下,通过将实际问题转化成相应的问题模型,然后利用最优的TRIZ技术发明原理,找到切合实际的方法来解决当前纱线设计和制作问题。这种方法不仅节约了时间,而且提高了解决问题的效率。实验最终表明所设计的3根涤纶单丝在纱线内部螺旋状的三维立体结构具有独特的新颖性,且与传统的包芯纱和包缠纱对比,新型结构复合纱线具有优异的断裂强力和耐磨性能,在毛羽性能上也有明显的改善。
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