捻度对双层包覆纱断裂强力的影响

金礼月 李小红 时娟娟 黄晓梅 曹海建

（1.南通大学，江苏南通，226019；
2.安徽铭瑞新材料科技有限公司，安徽滁州，239000）

包覆纱是一种新型复合纱，其芯纱可以为长丝或短纤维，外包纱通过加捻并用螺旋的方式包缠在芯纱表面［1］。独特的包覆方式使两种纤维各方面性能得到互补，减少由单一纱线制成织物的性能不足，充分发挥了包覆纱的优势。在长丝包长丝和长丝包短纤维的试验研究中，芯纱容易裸露在外而影响织造过程，故需改进方法［2］。国内外学者针对包覆纱的拉伸性能做了许多研究。其中，周朝钢等通过细纱机制备了芳纶1313/超高分子量聚乙烯包覆纱，通过正交试验得出的质量最佳包覆纱工艺为牵伸倍数1.05 倍，捻系数330，芯丝张力0.2 cN［3］。邓世豪在优化绷带用氨纶/锦纶包覆纱的工艺试验中发现，包覆纱的强力主要取决于外包纱，弹性主要由氨纶决定［4］；
严雪峰等在研究包覆纱芯丝性能试验中发现，包覆纱强力与所制织物耐切割性呈正相关［5］；
仲霞等在包覆锦纶/氨纶的试验中发现，包覆纱的断裂强力呈先增加后降低的规律，并且较高的外包捻度会使织物手感变硬［6］。田鹭新等经过研究发现，在织物紧度一致的前提条件下，用芳纶1414 长丝织成织物的防刺性能比用超高分子量聚乙烯长丝的性能更优异［7］。

本研究以芳纶1414 长丝和聚酰胺（PA）长丝为外包纤维，以芳纶1414 长丝或超高分子量聚乙烯（UHMWPE）长丝为芯纱分别制备了包覆纱，重点研究捻度对包覆纱断裂强力的影响规律。其中，将芳纶1414 长丝为芯纱的记为K/K 包覆纱，UHMWPE 长丝为芯纱的记为K/P 包覆纱。

1.1 原料与设备

原料包括芳纶 1414 长丝（66.6 tex）、PA 长丝（7.7 tex）和 UHMWPE 长丝（44.4 tex）。

仪器设备包括HKV-101D 型络筒机、HKV-141D 型空心锭子包覆丝机和Instron5969H 型万能材料试验机［8］。

1.2 包覆纱制备技术

1.2.1 包覆纱结构设计

由于UHMWPE 长丝和芳纶1414 长丝表面都较为光滑，为了实现较好的包覆效果，采用双层结构的包覆工艺，内包较细的PA 长丝为过渡层，如图 1 所示［9］。内包纱 PA 长丝为 S 捻，外包芳纶1414 长 丝 为 Z 捻 。

图1 双层结构包覆纱结构示意图

1.2.2 包覆纱的工艺参数

牵伸速度21 m/min，里层PA 长丝捻度400 捻/m，锭速8 400 r/min，开机前根据不同外包捻度设置好相应外层的锭速。

根据包覆工艺要求和前期研究结果，外层捻度要低于里层捻度，但外层外包捻度低于100捻/m时包覆纱质量不理想，因此确定外包芳纶1414 长丝的捻度范围在100 捻/m～300 捻/m。为确定断裂强力的拐点，取50 捻/m 为一个梯度，即依次制备外包捻度 100 捻/m、150 捻/m、200 捻/m、250捻/m、300 捻/m 的 K/K 包覆纱和 K/P 包覆纱。

1.3 断裂强力测试

使用Instron5969H 型万能材料试验机，根据GB/T 3916—2013《纺织品卷装纱单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定（CRE 法）》，测试各捻度下两组包覆纱的断裂强力，调整夹距200 mm，设置拉伸速度100 mm/min，输入相应包覆纱的线密度［10］。每筒纱测量 10 次，取平均值。

2.1 卷绕率对包覆纱断裂强力的影响

在外包捻度分别为 150 捻/m 和 190 捻/m 的情况下，制备卷绕率分别为 1.0、1.2、1.4、1.6 的K/K 包覆纱，总共8 个纱筒样本，每筒上取5 个有效数值计算平均值，结果如表1 所示。

表1 不同卷绕率下K/K 包覆纱的断裂强力

由表 1 可知，在外包 捻度为 150 捻/m 和190 捻/m，卷绕率为 1.4 时，K/K 包覆纱的断裂强力均最大，分别达到233.60 N 和221.03 N。这是由于在牵伸速度不变的前提下，卷绕速度与卷绕率呈正比关系，适当的提升卷绕率有利于改善纱线质量，但增至一定值时，由于芯纱张力过大，会导致预伸长增大，进而使包覆纱断裂强力降低[11-13]。此外，卷绕率过小或过大时，会导致纱线不能均匀分布在纱筒上，影响后续织造过程[14]。因此本研究最终选定卷绕率为1.4，以提高包覆纱的断裂强力。

2.2 捻度对包覆纱断裂强力的影响

2.2.1 大梯度捻度对包覆纱断裂强力的影响

捻度梯度为 50 捻/m 时，K/K 包覆纱和 K/P包覆纱的断裂强力如图2 所示。由图2 可知，捻度在 100 捻/m～300 捻/m 时，K/P 包覆纱的断裂强力好于K/K 包覆纱；
K/P 包覆纱和K/K 包覆纱的断裂强力均随着捻度的增加呈先增加后减小的规律［15］。这是因为，捻度增加即包覆速度增大，使纤维间摩擦力变大，纱线滑移量减小，断裂强力增大。但当外包长丝的包覆捻回角随着捻度的增加而增加时，在轴向承受的有效分力减弱，芯纱发生塑形变形，使得包覆纱强力下降［16-18］。由此推测K/K 包覆纱和K/P 包覆纱的断裂强力拐点在100捻/m～200 捻/m。

图2 捻度梯度50 捻/m 时两种包覆纱的断裂强力

2.2.2 细化梯度捻度对包覆纱断裂强力的影响

捻度梯度为 20 捻/m 时 K/K 包覆纱和 K/P 包覆纱的断裂强力如图3 所示。由图3 可知，捻度在100 捻/m～200 捻/m 时 ，K/K 包覆纱 和 K/P 包覆纱均出现两个峰值，前者分别出现在140 捻/m 和160捻/m，后者则分别出现在150捻/m 和200捻/m。捻度大于 200 捻/m 时，K/K 包覆纱和 K/P 包覆纱的断裂强力都明显下降。这是由于高捻包覆下使芯纱受到较大压力，不利于芯纱在空心锭中保持稳定状态，导致纱线在拉伸时出现外包纱先行断裂，使包覆纱强力下降［19］。捻度为100 捻/m～120捻/m 时，K/K 包覆纱和K/P 包覆纱的断裂强力相差不大。捻度大于120 捻/m 时，K/K 包覆纱和K/P 包覆纱的断裂强力相差明显，且K/P 包覆纱的断裂强力平均值明显高于K/K 包覆纱，由此可知芯纱类别对包覆纱的断裂强力有明显影响。

图3 捻度梯度20 捻/m 时两种包覆纱的断裂强力

2.3 包覆纱拉伸断裂形貌分析

两种包覆纱在不同捻度下的断裂形貌各不相同。图4 是K/K 包覆纱外包纱先行断裂形貌，图5 和图6 分别是K/P 包覆纱芯纱先行断裂形貌和外包纱先行断裂形貌。

图4 K/K 包覆纱外包纱先断裂形貌

图5 K/P 包覆纱芯纱先断裂形貌

图6 K/P 包覆纱外包纱先断裂形貌

观察试验过程可知，对于K/K 包覆纱，捻度大于200 捻/m 时，基本都是外包纱先断，如图4 所示，断裂声音低沉；
捻度为 140 捻/m 和 160 捻/m时，外包纱和芯纱同时断裂，并发出清脆且较响的断裂声。对于K/P 包覆纱，捻度在100 捻/m～120 捻/m 时，芯纱先行断裂，如图 5 所示；
捻度大于 300 捻/m 时，外包纱先行断裂，如图 6 所示；
捻度为 150 捻/m 和 200 捻/m 时，外包纱和芯纱同时断裂。两组包覆纱的断裂强力达到峰值时，都是芯纱和外包纱同时断裂，说明制备效果良好的包覆纱外包纱和芯纱需要达到张力平衡，发生断裂破坏时应表现为二者同时断裂［20］。

（1）外包捻度为 150 捻/m 和 190 捻/m，卷绕率为1.4 时，K/K 包覆纱的断裂强力均最大。

（2）捻度在 100 捻/m～300 捻/m 时，K/P 包覆纱和K/K 包覆纱的断裂强力均随着捻度的增加呈先增加后减小的规律。

（3）捻度大于 120 捻/m 时，K/P 包覆纱的断裂强力平均值明显高于K/K 包覆纱。

（4）对于 K/K 包覆纱，捻度大于 200 捻/m 时，基本都是外包纱先断；
捻度为140捻/m 和160捻/m时，外包纱和芯纱同时断裂。

（5）对于 K/P 包覆纱，捻度为 100 捻/m～120 捻/m 时，芯纱先行断裂；
捻度大于300 捻/m时，外包纱先行断裂；
捻度为150 捻/m 和200 捻/m 时，外包纱和芯纱同时断裂。