喷气涡流纺中气流与纤维运动对单纱强度影响研究

发布时间：2018-02-13 03:22

本文关键词： 喷气涡流纺气流特征单纱断裂强度纱线结构纤维截面形态异形纤维　出处：《东华大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：喷气涡流纺纱技术生产流程短,占地面积和用工少,符合我国纺织行业结构调整、技术进步和产业升级的需要,是纺织工业发展规划(2016-2020)在纺织装备工程方面的推进方向之一。研究与开发具有我国自主知识产权的喷气涡流纺纱技术和设备,并改变以粘胶纤维为主体原料的现状,是喷气涡流纺研究领域的重点。本课题依据经典短纤纱断裂强度计算理论,结合喷气涡流纺自身独特单纱构型及断裂机理,通过力学分析建立喷气涡流纺单纱断裂强度理论计算公式,及滑脱长度和加捻长度理论计算公式。然而该理论计算公式较复杂,难以简明判断单一因子的影响关系,故本文选取公式中的喷嘴结构参数和纤维性能这两方面进行深入分析。喷嘴结构参数方面,进行单因子纺纱实验,根据单纱断裂强度实测值,建立单因子关系方程式;纤维性能方面,选取关键参数纤维加捻角度,分析混纺和改变纤维截面这两方面对单纱断裂强度的影响。本课题研究在喷嘴结构设计、纤维原料截面改良及性能开发方面具有指导意义,主要内容和结论如下:(1)建立喷气涡流纺的单纱断裂强度理论公式。根据力学理论并结合喷气涡流纱纤维独特加捻特点,建立喷气涡流纺的单纱断裂强度σy的理论计算公式,由理论计算公式可知σy与五大因素有关:(1)气流状态(Ca、ρa、va、var);(2)纤维属性(L、Fb、μf、rf、σf、ρf);(3)单纱属性(n、εy);(4)喷嘴结构(θ、δ、r0、d、d1、d2);(5)纺纱速度vy。在纺纱原料和单纱细度确定的情况下,单纱断裂强度与气流状态和喷嘴结构有关。同时喷嘴结构和装配状态在一定程度上也会影响喷嘴内气流状态,如锥面体的装配位置会影响涡流腔内负压的位置及气流在锥面体外壁的冲撞问题,这都将影响成纱质量。在单纱属性(n、εy)及纺机状态(喷孔入口压强、喷嘴位置、纺纱速度等)确定的情况下,单纱断裂强度将受喷嘴结构和纤维属性的直接影响。(2)建立喷气涡流纱中纤维滑脱长度和加捻长度理论计算公式。根据纤维在喷气涡流纱中的受力和纤维在单纱断裂过程中产生滑脱的条件,建立纤维滑脱长度理论计算公式。根据是否将转移加捻长度计入加捻长度,加捻长度的计算可分两种情况进行讨论:一是用规则加捻长度(自由加捻长度)来表征加捻长度;二是将转移加捻长度也作为加捻长度,即用纤维加捻总长度来表征加捻长度。前者根据纤维在涡流腔中受力分析,后者根据喷嘴的卷吸作用分析和试验,分别建立两种情况下的理论计算公式。(3)选取喷嘴结构的六大参数以粘胶为纺纱原料,进行喷嘴参数的单因子纺纱实验,建立各参数与单纱强度的单因子影响方程。喷气涡流纺的喷嘴结构参数对单纱断裂强度有重要影响。本课题对选取的喷嘴结构参数喷孔角度θ、锥面体外壁锥角δ、锥面体的位置(锥面体与导引体之间的距离lc)、喷孔距中心轴距离d1、涡流管内腔构造及锥面体入口构型这六个因素进行分析。通过数值建模分析各参数对气流场的影响,并结合相应的纺纱实验,建立各喷嘴参数与单纱断裂强度的理论关系式。在一定范围内,单纱断裂强度与喷孔角度符合正弦函数趋势;与锥面体锥角tanδ值呈负线性关系;与lc值和d1值均呈线性关系。喷气涡流纺涡流管的喷孔角度,应选45°~55°左右。锥面体外壁锥角δ越小,单纱强度将越大。锥面体与导引体之间的距离lc值在2~3mm较宜。喷孔距中心距离d1选取时要尽量避免气流绕壁面流动,尽量使得气流能够在涡流腔中自由扩散。在该前提下,d1值越大越好。涡流管在柱腔与渐扩区中间再加一个过渡腔后,涡流腔内产生的负压位置与喷嘴外纤维头端距离更近,负压更大,切向速度较大,纤维更容易被吸入和分离,从而使得形成的纤维自由尾端更多,纤维加捻长度更长,成纱强度更大。(4)纤维抗弯刚度/扭转刚度对单纱加捻角度及其对单纱断裂强度影响的研究。通过对示踪纤维在纱线中的加捻角度分析可知,纤维在涡流腔中的运动受纤维的扭转刚度影响较小,受纤维的抗弯刚度和动摩擦系数影响较大。在受相同作用力条件下,纤维的抗弯刚度越小,其加捻角度越大。当纤维在加捻过程中有较大程度的扭转情况时,也要考虑纤维扭转刚度的影响。纤维的抗弯刚度越大,摩擦系数越大,其对周围纤维的影响越大。五种纤维原料的加捻角度关系为:短腈纶纤维棉纤维长腈纶纤维粘胶纤维涤纶纤维。抗弯刚度越小,纤维摩擦系数越大,可纺性将越好,因此化纤可纺性:粘胶纤维腈纶纤维涤纶纤维。(5)喷气涡流纺中纤维截面构型对单纱断裂强度的影响。在相同纤维细度下,三角形特征直径最大,抗弯刚度和扭转刚度明显减小,其应流面积较大,故三角形纤维在喷嘴中受力较大,且其成纱强度高,十字形次之。这也是三角形和十字形纤维较普通圆形涤纶有更好的可纺性的原因。中空纤维抗弯刚度较普通纤维要大些,但在气流场中受力要比圆形的大些,从纺纱结果来看,中空纱的单纱断裂强度也有所改善。方形截面纤维的抗弯刚度和抗扭刚度比其他纤维都大,再加上其在气流场中的受力较普通涤纶纤维要小,故其可纺性不如普通涤纶。(6)通过分析混纺和改变纤维截面形态两方面对喷气涡流纺终端产品进行研发探究。喷气涡流纺对柔性纤维可纺性较好,对刚性大的纤维可纺性差,生产难度较大。要提高纤维的可纺性可从两方面来进行优化:一是选择与柔性纤维混纺,合理选择混纺比,刚性大的纤维只要控制在一定比例内,并优化纺纱工艺,使可纺性显著改善,这对扩大喷气涡流纺原料范围与拓展产品用途有积极意义;二是改善纤维的截面构型,增加沟槽或者中空,使得抗弯刚度减小而应流面积增大。此外,除了参考纤维的可纺性外还要将纤维的其他特性考虑进去。如三角形纤维除强度高以外,其外观有蚕丝的光泽,所纺单纱光亮度高;十字形纤维表面的沟槽结构,使其产生毛细现象,而且纤维与皮肤接触点少,从而达到导湿快干的目的;中空纤维有轻而保暖的特性。故通过改变纤维截面的形状可以改变其可纺性也可拓展其功能性,可大大提高喷气涡流纺产品的附加值。
[Abstract]:This paper studies and develops the theory of jet vortex spinning technology and equipment , which is based on the theory of mechanics theory and combines the unique single yarn configuration and breaking mechanism of jet vortex spinning . In the case of the determination of spinning raw material and single yarn fineness , the single yarn breaking strength is related to the state of air flow and the structure of the nozzle . In this paper , the influence of various parameters on the breaking strength of single yarn is studied by means of numerical modeling . ( 5 ) The influence of fiber cross section configuration on the breaking strength of single yarn is discussed in this paper .

【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS104.72

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