專利名稱：單股無扭矩環錠紗線的加工方法與設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于短纖維紗線內扭矩平衡技術領域，進一步涉及紡紗機織及針織過程控制領域。
背景技術：
加捻是短纖維紡紗的重要環節。在此過程中，紗線將發生彈性扭轉變形，以期獲得足夠的強度，耐磨性和平滑性。但是作為負面效應，紗線也同時會產生大量的殘余扭矩或捻度活性。紗線的這種捻度活性將會對后續產品的加工質量有很大的影響。例如用具有捻度活性的紗線來做針織，那么由于紗線內部扭轉應力的變化，織物的線圈將失去均衡。為了獲得最小能量狀態的自然結構，線圈將趨于旋轉并釋放內部的扭應力，結果它的一頭翹起并突出織物表面，而另外一頭則滯留在織物內部。線圈的這種變形將會增大織物的轉曲度一種類似肋骨效應的變形，這在紡織生產中是需要極力避免的，因此紗線內扭矩的平衡就尤為重要。
紗線是由大量纖維靠它們之間的磨擦力聚合在一起的。因此，紗線的殘余扭矩或織物的轉曲度主要受這些纖維特性的影響，例如纖維的類型和截面形狀，纖維的聚合形式以及紗線的內部結構等等。
首先，不同類型的纖維具有不同的模量(即張力，彎曲和剪力)和截面形狀，因而會在紗線中引入不同程度的應力。據Arauj and Smith在《紡織研究雜志(Textile Research Journal)》，Vol.59，No.6，1989中報道，在棉/聚酯混合的紗線中，增加聚酯的比例將會提高轉杯和環錠紗線的捻度活性，進而增大織物的轉曲度。這是因為聚酯具有較高的模量，而且這兩種纖維具有不同的截面形狀。
其次，不同的紗線結構具有不同的應力分布。實驗結果表明，如Barella and Manich在《紡織研究雜志》，Vol.59，No.12，1989中；Lord and Mohamed在《紡織研究雜志》，Vol.44，No.7，1974中；和Sengupta，and Sreenivasa在《紡織研究雜志》，Vol.64，No.10，1994中，摩擦紡紗線(DREF-II)具有最大的殘余扭矩和變形趨勢，依次為環錠紡、轉杯紡和空氣噴嘴紡紗線。這四種紗線殘余扭矩的不同正反應了它們之間的結構差異。一般認為，單股環錠紗線是由許多均勻包絡的同心螺旋線構成，其纖維的遷移特征較弱。因此當環錠紗線反向加捻時，它的強度會逐漸降低直到零，這時紗線將全部散開。相對環錠紗線而言，非傳統工藝加工出的紗線通常具有內核-外殼式的層念結構，例如轉杯紡，空氣噴嘴紡和摩擦紡紗線。這些紗線的包絡密度并不均勻，主要特征是局部的纖維纏結和包裹，因此當反向加捻時，紗線的強度并不會完全消失，見Castro等在《紡織研究雜志》，Vol.58，No.7，1988中所公布。
另外，許多可能會影響到織物線圈移動自由度的因素，也會影響最終織物的轉曲度。這些因素包括織物結構，針織機器參數，以及織物后處理所涉及的織物放松和織物設置。我們已詳細報道了以上所有會影響織物轉曲度的因素，見Lau and Tao在《亞洲紡織(Textile Asia)》，Vol.XXVI，No.8，1995。
與其他材料一樣，紗線的殘余扭矩可采用不同的方法加以降低或消除。在過去幾十年里，已發展出種類眾多的扭矩平衡法。根據基本原理，大體上可以把它們歸為兩大類永久性處理法和物理扭矩平衡法。
永久性處理法主要是通過將紗線的彈性扭轉變形轉變為塑性變形，以達到釋放殘余扭矩的目的。該方法主要涉及材料的各種處理技術，例如熱處理，化學處理和加濕處理等等。Araujo和Smith在《紡織研究雜志》，Vol.59，No.6，1989中證實，對于空氣噴嘴和轉杯紡紗，單股棉/聚酯混合紗線的熱處理可以有效地降低紗線的殘余扭矩。但對于自然纖維比如棉或毛，永久性處理過程將相當復雜，可能會涉及到蒸汽處理，熱水處理和化學處理(例如棉紗的絲光處理和毛紗的鈉亞硫酸氫鹽處理)。另外對于自然纖維，永久性處理并不能完全消除單股紗線的殘余扭矩，同時可能會導致纖維的損傷和破壞。
相對永久性處理而言，物理扭矩平衡是一種純機械性的處理技術。該方法的主要特點是充分利用紗線的結構，使不同紗線產生的殘余扭矩能夠相互平衡，而紗線仍保持彈性形變的特征。目前工業中進行紗線扭矩平衡需要在單獨的機器上進行，成本較高，方法包括將兩條相同的單股紗線反向合成加捻，所加捻數與單股相同；或以相反的方向喂入兩條具有相同捻數的單股紗線。
近些年來也出現了一些新的紗線扭矩平衡法。Sawhney和Kimmel在《紡織研究雜志》，Vol.65，No.9，1995中設計出了用于加工無扭矩紗線的串聯紡紗系統。該紗線的核心是由空氣噴嘴系統加工而成，而外面包裹著類似于DREF-III紗線的外殼纖維。Sawhey等在《紡織研究雜志》，Vol.62，No.1，1992中提出了一種加工環錠棉外殼/聚酯內核紗線的方法，該紗線是通過利用一種與合成紗線捻向相反的核心紗線，或對紗線的聚酯部分進行熱處理而達到平衡狀態的。但不難看出，以上方法所涉及的機器與加工工藝普遍較為復雜。陶肖明在《紡織研究雜志》，Vol.57，No.10，1997中利用轉杯紗線的內核-外殼式的層式結構，加工出了無扭矩單股紗線，但此技術并不適用于環錠紗線。
發明內容
本發明的目的是克服上述現有技術的缺點與不足，提出一種全新的單股無扭矩紗線的機械加工方法，并將其應用于環錠紡紗工藝中。該方法的基本原理是加工具有可控分束纖維結構的單股紗線，并使紗線中N束纖維產生的殘余扭矩之和(Σj=1NMj)]]>與整個合成單股紗線的殘余扭矩(M)相互平衡，即Σj=1NMj-M=0.]]>該方法所采用的技術方案是在傳統的環錠紡紗機器上安裝了一個纖維分束機構和一個假捻器；纖維分束機構安裝在紡紗三角區之前，用以將無捻的原紗條分解為多束的子纖維束；假捻器安裝在介于前羅拉和環錠紗機鋼絲圈之間，作用是在子纖維束獲得原環錠紗機的真捻以前，產生假捻，然后通過升高或降低假捻器的旋轉速度，使得最終紗線的內扭矩達到平衡。
本發明提供的單股無扭矩環錠紗線的機械加工方法，為短纖維紗線內扭矩的平衡領域開辟了新的思路，顯示了如下的優越性1.由于該方法對現有環錠紡紗機器的改進，只涉及安裝一個纖維分束機構和一個假捻器，因此該技術方法簡便，通用性強。
2.該技術可在一部紡紗機器及一個工藝步驟內，加工出單股無扭矩紗線。因此與傳統扭矩平衡法相比，在獲得同樣的無扭矩紗線前提下，該方法具有節省加工時間，降低加工成本的優點。
3.該方法加工的單股無扭矩紗線，可突破現有物理平衡技術加工無扭矩股紗的最高紗支極限。
4.由于該方法在傳統的環錠紡紗機器上安裝了一個假捻器，它能夠增強紡紗三角區內紗線的扭矩，提高紗線強度，從而確保了紗線在低捻系數下的正常紡紗。因此該方法能夠加工出傳統環錠紡紗機不能正常加工的低捻度紗線。
5.由于該技術是一個純機械的工藝工程，所以它可以應用于所有類型短纖維材料的生產，例如棉，毛和合成纖維等等。另外，該方法能夠避免例如永久性處理中由于熱或化學處理等導致的纖維破壞或損傷。
圖1是粗紗的兩束分喂機構示意圖；圖2是一種無捻紗條的多束分束機構示意圖；圖3是另外一種無捻紗條的多束分束機構示意圖；圖4(a)是機械假捻裝置的主視圖；圖4(b)是圖4(a)所示的一種機械假捻裝置的俯視圖；圖5(a)是圖4(a)所示的機械假捻器的放大主視圖；圖5(b)是圖5(a)所示的機械假捻器的俯視圖；圖6(a)是另外一種機械假捻器的主視圖；圖6(b)是沿圖6(a)的S-S的剖視圖；圖7是一種空氣噴嘴假捻器的剖視示意圖；圖8(a)是具有兩束纖維結構的單股紗線的扭矩平衡的示意圖；圖8(b)是沿圖8(a)的S-S的剖視圖；圖9是具有多束纖維結構單股紗線的扭矩平衡的過程示意圖；圖中1.從動轉子，2.基架，3.導紗管，4.傳動皮帶，5.電動機，6.主動轉子，7.磁鐵，8.固定銷，9.聯接活頁，10.曲形溝槽，11.一個半圓柱體，12.另外一個半圓柱體，13.壓縮空氣，14.表示壓縮空氣沿切向進入，
15.具有Z捻的一束纖維，16.具有Z捻的另外一束纖維，17.具有S捻的合成單股紗線，18.原紗條，19.子纖維束在假捻器加捻作用下合成的單股紗線，20.單股紗線(19)反向加捻后的單股紗線，21.成紗樣本，22.表示根據成紗樣本(21)殘余扭矩的大小來作出升高或降低假捻器的旋轉速度的控制，100.粗紗的兩束分喂機構，200.一種無捻紗條的多束分束機構，300.另外一種無捻紗條的多束分束機構，400.機械假捻裝置，500.一種機械假捻器，600.另外一種機械假捻器，700.空氣噴嘴假捻器，800.環錠紗機的鋼絲圈，900.表示成紗樣本(21)的濕纏繞法殘余扭矩測試，1000.環錠紡紗機，I.表示纖維束(或紗線)的入口方向，II.表示纖維束(或紗線)的出口方向，M1.纖維束(15)產生的內扭矩，M2.纖維束(16)產生的內扭矩，M.合成單股紗線(17)產生的內扭矩。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的方法作詳細的說明。
在圖1中，粗紗的兩束分喂機構(100)可安裝在環錠紡紗機的紗條牽伸區和紡紗三角區之前，作用是將兩束粗紗按一定的間距分開。粗紗由入口方向(I)進入兩束分喂機構(100)，隨后按照一定的間距分開并由出口方向(II)引出，然后進入后面的牽伸區。
在圖2和圖3中，無捻紗條的多束分束機構(200或300)可安裝在環錠紡紗機的牽伸架上，位于紗條牽伸區之后和紡紗三角區之前，用以將原無捻紗條分解為若干的子纖維束。多束纖維分束機構(200或300)與環錠紡紗機的前羅拉接觸并由其帶動旋轉。原無捻紗條經牽伸后由入口方向(I)進入纖維分束機構(200或300)滾子上若干環形分布的間斷性(200)或連續性(300)溝槽，其后分解為若干的子纖維束，最后各子纖維束由出口方向(II)引出，進入后面的紡紗三角區。
在圖4，圖5和圖6中，主動轉子(6)、從動轉子(1)、導紗管(3)和磁鐵(7)固定在基架(2)上；基架(2)進一步與電動機(5)一起固定在鋼領板上，構成一個假捻裝置(400)；假捻裝置(400)可安裝在前羅拉與環錠紗機鋼絲圈之間；假捻器(500或600)在磁鐵(7)的吸附作用下與主動轉子(6)和從動轉子(1)緊密接觸。電動機(5)通過傳動皮帶(4)帶動主動轉子(6)轉動，并進一步由主動轉子(6)靠摩擦高速帶動假捻器(500或600)與從動轉子(1)一起轉動；紗線由入口方向(I)進入假捻器(500或600)，并在其旋轉作用下加捻，加捻后的紗線通過導紗管(3)從出口方向(II)引出。
在圖6中，另一假捻器(600)由兩個開有曲形溝槽(10)的半圓柱體(11和12)構成，兩個半圓柱體(11和12)由活頁(9)聯接，并由銷釘(8)固定；假捻器(600)可開合，便于安裝紗線；打開銷釘(8)后可以將紗線放入曲形溝槽(10)內用以加捻，紗線在曲形溝槽(10)內有一段摩擦長度。紗線由入口方向(I)進入假捻器(600)，并在其旋轉作用下加捻，最后由出口方向(II)引出。
在圖7中，空氣噴嘴假捻器(700)可安裝在前羅拉和環錠紗機鋼絲圈之間；其中，壓縮空氣(13)進入空氣噴嘴假捻器(700)，并沿切向(14)進入加捻區；紗線由入口方向(I)進入空氣噴嘴假捻器(700)，并在壓縮空氣(13)沿切向(14)的吹動下加捻，最后由出口方向(II)引出。
在圖8中，單股紗線(17)由兩束纖維(15，16)構成；具有Z捻的一束纖維(15)和具有Z捻的另外一束纖維(16)產生的內扭矩之和(M1+M2)，與其合成的具有S捻的合成單股紗線(17)的內扭矩(M)相平衡，即M1+M2-M＝0在圖9中，本發明方法是在環錠紡紗機(1000)的紡紗三角區前安裝了一個纖維分束機構(100，200或300)，用以將無捻的原紗條(18)分解為若干的子纖維束；同時在介于前羅拉和環錠紗機鋼絲圈(800)之間安裝了一個假捻器(500，600或700)，其旋轉方向與鋼絲圈(800)相同，功能是在纖維束獲得原環錠紗機的真捻以前，產生假捻，并根據成紗樣本(21)殘余扭矩大小的濕纏繞法測定(900)，來作出升高或降低假捻器(500，600或700)的旋轉速度的(人工)控制(22)，使得最終各子纖維束的捻向與其合成的單股紗線相反，并使各子纖維束產生的殘余扭矩之和與整個合成單股紗線的殘余扭矩相互平衡。下面就結合圖9對本方法過程作詳細的說明1.在紡紗三角區之前，纖維分束機構(100、200或300)將原紗條(18)分解成為兩束或兩束以上的子纖維束；2.在紡紗三角區內，各子纖維束在假捻器(500、600或700)的作用下獲得了捻度，再合成為單股紗線(19)，這時紗線中各子纖維束與其合成的單股紗線(19)具有相同的捻向；3.在假捻器(500、600或700)和環錠紗機鋼絲圈(800)之間，各子纖維束與其合成的單股紗線(19)同時反向加捻，這時紗線內部各子纖維束與其合成的單股紗線(19)形成反向捻度，成為單股紗線(20)，并最終卷繞在紡紗機的錠子上；4.利用濕纏繞法(900)對成紗樣本(21)進行殘余扭矩測試，(具體方法后述)，然后根據成紗樣本(21)殘余扭矩的大小，來作出升高或降低假捻器(500、600或700)的旋轉速度的(人工)控制(22)；5.重復步驟1-4，直到紗線的殘余扭矩平衡為止。
上述步驟4中的濕纏繞法殘余扭矩測試(900)，其原理可參考ISO標準ISO03343-1984。室溫下，實驗裝置放置在水里，整個實驗在水里進行。最后以紗線的濕纏繞個數來作為紗線殘余扭矩的衡量標準。
本發明已多次在本實驗室的Zinser-319型環錠紡紗機上進行了驗證，獲得了滿意的效果。實驗所用原材料為100％純棉粗紗，其參數列于表一。環錠紡紗機錠子的轉速為7000r/min，單股紗線支數取為30tex。分別取3檔不同的紗線捻系數(1.9，2.4和3.1)進行紡紗。表一
實驗中，選用纖維分束機構(300)，將其安裝在環錠紡紗機的牽伸架上，由前羅拉摩擦帶動旋轉，纖維分束機構(300)可連續平滑地將原紗條分解為三束子纖維束；選用假捻器(600)，將其安裝在鋼領板上，位于環錠紡紗機的前羅拉與鋼絲圈之間，并由假捻器(600)旋轉帶動曲形溝槽內的紗線加捻。利用濕纏繞法對成紗樣本進行殘余扭矩測試，然后根據成紗樣本殘余扭矩的大小，來調整假捻器(600)的旋轉速度；實驗中，對于每一檔捻系數，當假捻器(600)的轉速升高到20000r/min時，紗線的內扭矩達到平衡。
對于每一檔捻系數，分別加工單股傳統紗線和具有三束纖維結構的單股無扭矩紗線以作對比。在實際紡紗過程中，在傳統紡紗工藝即不安裝假捻器的情況下，對于低捻系數1.9，紗線將發生斷頭，無法進行正常的紡紗。對于所有的捻系數，單股無扭矩紗線加工過程都可順利進行。實驗所得各類紗線的殘余扭矩及其他主要性能列于表二，其中″×″表示不能正常加工的紗線。
表二
從表二可以看出，所有單股無扭矩環錠紗線，其殘余扭矩都達到了零，獲得了滿意的平衡效果；與對應捻系數的傳統單股環錠紗線相比，單股無扭矩環錠紗線的強力和延展性稍有降低，但這個差別并不會影響后續產品的加工質量；與對應捻系數的傳統單股環錠紗線相比，單股無扭矩環錠紗線的均勻度和毛羽都得到了較好的改善；另外，單股無扭矩環錠紗線的加工方法可以加工出傳統環錠紡紗工藝不能正常加工的330tpm的低捻度紗線。
權利要求
1.一種單股無扭矩環錠紗線的加工方法，其過程為(a)在紡紗三角區之前，纖維分束機構將原紗條分解成為兩束或兩束以上的子纖維束；(b)在紡紗三角區內，各子纖維束在假捻器的作用下獲得了捻度，再合成為單股紗線，這時各子纖維束與其合成的單股紗線具有相同的捻向；(c)單股紗線通過假捻器，在假捻器和環錠紗機鋼絲圈之間，紗線內部各子纖維束與其合成的單股紗線形成反向捻度，并最終卷繞在紡紗機的錠子上。
2.根據權利要求1所述的單股無扭矩環錠紗線的加工方法，其特征在于，加工具有可控分束纖維結構的單股紗線，并使得紗線中N束纖維產生的殘余扭矩之和(Σj=1NMj)]]>與整個合成單股紗線的殘余扭矩(M)相互平衡，即Σj=1NMj-M=0.]]>
3.一種單股無扭矩環錠紗線的生產設備，是在傳統的環錠紡紗機器上安裝了一個纖維分束機構和一個假捻器；利用纖維分束機構將原紗條分解成為若干的子纖維束；利用假捻器產生的假捻，使得最終紗線中各子纖維束的捻向與其合成的單股紗線相反，并使各子纖維束產生的殘余扭矩之和與其合成單股紗線的殘余扭矩相互平衡。
4.根據權利要求3所述的單股無扭矩環錠紗線的生產設備，其特征在于，多束纖維分束機構(300)可安裝在環錠紡紗機器的牽伸架上，由紡紗機的前羅拉摩擦帶動旋轉；多束纖維分束機構(300)的滾子上開有若干環形分布的連續性溝槽，可連續平滑地將原紗條分解成為若干的子纖維束。
5.根據權利要求3所述的單股無扭矩環錠紗線的生產設備，其特征在于，假捻器(600)可安裝在鋼領板上，位于環錠紡紗機的前羅拉與鋼絲圈之間；假捻器(600)由兩個開有曲形溝槽的半圓柱體構成，可以開合，便于安裝紗線，由假捻器(600)旋轉帶動曲形溝槽內的紗線加捻。
全文摘要
一種涉及紡織領域內短纖維紗線的內扭矩平衡方法及其生產設備。利用具有可控分束纖維結構單股紗線的特點，提出了一種全新的單股無扭矩紗線的機械加工方法，并將其應用于環錠紡紗工藝中。該方法通過對現有環錠紡紗機器的簡單改進，實現了在一部機器及一個工藝步驟內加工單股無扭矩紗線的可能。該技術能夠適用于所有類型短纖維材料的生產，并可突破現有物理平衡技術加工無扭矩股紗的最高紗支極限，同時該技術能夠加工出傳統環錠紡紗機不能正常加工的低捻度紗線。單股無扭矩環錠紗線機械性能良好，手感好，條干均勻，無殘余扭矩。
文檔編號D02G3/26GK1453401SQ02118588
公開日2003年11月5日 申請日期2002年4月24日 優先權日2002年4月24日
發明者陶肖明, 徐賓剛 申請人:香港理工大學