（纺织材料与纺织品设计专业论文）羊毛拉伸细化连续化生产研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

东华大学硕士学位论文 摘要 羊毛拉伸细化连续化生产研究 摘要 羊毛拉伸细化是上世纪末本世纪初重要的新兴技术，国外关于 这方面的研究有很多，但是在国外专利中，比较成熟的关键技术都 是保密的，国内的研究目前还无法达到工业化生产的目的。目前， 关于拉伸细化处理液的研究比较成熟，但对于拉伸过程中纤维的受 力状况还没有比较详实的研究和报道。本试验就羊毛拉伸细化的重 要工艺参数进行了分析，得出了适宜拉伸细化的最佳工艺参数。在 此基础上，本试验还对拉伸细化的连续化生产装置进行了模拟，并 利用自行设计的拉伸装置生产出细化毛条，对细化毛条的性能也进 行了基本的分析。具体内容包括： 1 、组建羊毛拉伸细化模拟试验装置和测试系统，采用毛条模拟 实际拉伸试验，程序化采集在不同试验条件下的羊毛束纤维细化处 理数据。 2 、通过拉伸细化装置采集到的数据，分析束纤维拉伸过程中主 要工艺参数如拉伸速度、毛条捻度和握持距等参数对拉伸过程中毛 条力学行为的影响。 3 、 针对不同工艺参数制得的细化纤维测量了其力学性能、细度、 沸水收缩率与纤维的摩擦性能，并通过优化方法确定羊毛拉伸细化 的最佳工艺参数。 4 、在分析拉伸细化工艺参数的基础上，本试验还对拉伸细化的 连续化生产装置进行了模拟，并试制了细化毛条，对细化毛条基本 物理性能指标进行了测量。 东华大学硕士学位论文 摘要 通过试验与分析，本课题得出了如下结论： l 、拉伸过程中速度对应力曲线影响最大，通过束纤维在拉伸过 程中应力变化对速度进行调节，采取慢一快一慢的速度分布，得出 初始模量下降4 8 7 3 、屈服区应力下降1 9 7 7 、断裂比功下降 1 7 2 4 。说明采取这种速度进行拉伸不仅可以有效地降低拉伸过程 中应力变化快形成的冲击和损伤，而且可以避免能耗大，结构不稳 定等不足，通过提高屈服区速度的方式缩短拉伸作用的时间，提高 生产效率。 2 、通过应力曲线反映出，束纤维的捻度应控制在3 3 3 5 捻l o c m 为宜。握持距对应力的影响较小，但握持距的增加会形成屈服区减 小和强化区提前的趋势。本试验还得出束纤维的极限拉伸率可以达 到l1 0 ，屈服区范围可以拉伸到8 0 伸长率。 3 、通过对不同拉伸细化工艺下的细化纤维进行了研究，确定了 拉伸效果的评定指标：直径、断裂伸长率、沸水收缩率和比应力。 具体分析了拉伸速度、毛条捻度、握持距对这些指标的影响，借助 多目标优化法确定了最佳的捻度为3 3 3 捻l o c m ，拉伸率为8 0 。拉 伸改性后纤维直径明显降低，纤维直径变化率达到了2 6 0 9 。 4 、对羊毛拉伸细化连续化生产设备的各个关键组部件进行了模 拟，并采用自行研制的羊毛拉伸试验设备制得了细化毛条，其一般 结果优于o p t i m 的结果。在试验过程中发现，可以改善毛条拉伸细 化效果的关键性因素除拉伸速率及分布、毛条捻度、罗拉握持距与 纤维长度外，罗拉所加压力、罗拉与纤维长度的配合等也有一定的 影响。 关键词：羊毛，拉伸细化，力学行为，工艺参数，纤维性能，连续 化加工 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho ns u c c e s s i o n a lp r o c e s s i n go f d r a w i n gf o rt h ew o o l a bs t r a c t t h es l e n d e r i z i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tn e w t y p et e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h e r ei sd e e pi n v e s t i g a t i o nt ot h i sa s p e c ta ta b r o a da n dh o m e f u r t h e rm o r et h i si t e mh a sb e e ni n d u s t r i a l i z e da ta b r o a d b u tt h e yk e e p k e yt e c h n o l o g ys e c r e t i no u rc o u n t r y ，t h i st e c h n o l o g ys t i l l c a n tb e i n d u s t r i a l i z e d p r e s e n t l y ，t h e r ei sm u c ho fi n v e s t i g a t i o na b o u tt h el i q u i d s f o rs t r e t c h ，b u tt h e r ei s n te n o u g hi n v e s t i g a t i o na n dr e p o r tt om e c h a n i c a l b e h a v i o ro ff i b r eb u n d l e s t h i sr e s e a r c hi sj u s ta n a l y z i n gt h ei m p o r t a n t t e c h n i c a l p a r a m e t e r s t o s l e n d e r i z i n g a n dg e t s o p t i m a l t e c h n i c a l p a r a m e t e r s o nt h eb a s i so ft h i s ，t h i sr e s e a r c hs i m u l a t e dt h ec o n t i n u u mo f e q u i p m e n tf o rs l e n d e r i z a t i o n m o r e o v e r ，w ep r o d u c e ds l e n d e r i z e dt o p u s et h ee q u i p m e n ta n da n a l y z e dt h ee s s e n t i a lp e r f o r m a n c eo ft h i st o p t h e s er e s e a r c h e si nd e t a i la r ej u s ta sf o l l o w i n g ： a s e tu pa na p p a r a t u sw i t hm e a s u r e m e n ts y s t e mt h a tc a nb eu s e dt o s l e n d e r i z ew o o lf i b e r sa n dt og e tt r e a t m e n td a t ai nd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sb ys i m u l a t i n gs l e n d e r i z i n ge x p e r i m e n t b a n a l y z ek e yt e c h n i c a lp a r a m e t e r se f f e c to nm e c h a n i c a lb e h a v i o ri n t h ef i b r eb u n d l e ss l e n d e r i z e dp r o c e s s i n g ，s u c ha ss t r e t c hs p e e d ，t o pt w i s t a n dg a u g el e n g t h ，b yt h ed a t aa c q u i r i n gf r o ms i m u l a t i n g s l e n d e r i z i n g e x p e r i m e n t c a i ma ts l e n d e r i z e dw o o lw i t hd i f f e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，m e a s u r e f i b e r sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r , d i a m e t e r , b o i lw a t e rs h r i n ka n df r i c t i o n c o n f i r mo p t i m a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o rs t r e t c hb yo p t i m i z e 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t d o nt h eb a s i so fa n a l y s i st e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h i sr e s e a r c hs i m u l a t e d c o n t i n u u mp r o d u c td e v i c e ，t r i a l p r o d u c es l e n d e r i z e dw o o la n dm e a s u r e d b a s i cp h y s i c a lc a p a b i l i t y t h ec o n c l u s i o n sh a v eb e e na c h i e v e df r o mt h ee x p e r i m e n t sa sm e n t i o n e d a b o v e t h ed e t a i lf o l l o w s ： a s p e e d h a sm a x i m a l e f f e c to ns t r e s sc u r v e a d o p t s l o w l y - q u i c k l y - s l o w l ys p e e dd i s t r i b u t i n g c a nk n o c k d o w ni m p a c ta n d d a m n i f i c a t i o n ，f u r t h e rm o r ea v o i dl a r g ee n e r g yc o n s u m ea n ds t r u c t u r e i n s t a b i l i t y m o r e o v e r ，w ec a ne c o n o m i z et i m eb yi m p r o v i n gt h es p e e di n s u b m i ta r e a b w ec a nc o n f i r mt h a tt h ef i b e rb u n d l e st w i s ts h o u l db em a s t e ro f 3 33 5t u r n s lo c mb ys t r e s sc u r v e t h eg a u g el e n g t hh a sl e s s e re f f e c to n s t r e s sc u r v eb u tt h ei n c r e a s eo fg a u g el e n g t hw i l l1 s h o r t e ns u b m i ta r e a a n da h e a ds t r e n g t h e n i n gp a r t s t h i sr e s e a r c he d u c em a x i m a ls t r e t c h i n g r a t i oo ff i b e rb u n d l ei sl10 a n dt h er a n g eo fs u b m i ta r e ar e a c h8 0 c e n s u r e o p i n i o n o fe f f e c t i v e n e s sa b o u ts t r e t c h b yi n v e s t i g a t e s l e n d e r i z e df i b e rf r o md i f f e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sm e c h a n i c a l c h a r a c t e r , d i a m e t e ra n db o i lw a t e rs h r i n k a n a l y s i so ft h ee f f e c tt o o p i n i o nw i t hs t r e t c hs p e e d ，t o pt w i s ta n dg a u g el e n g t ha n de n s u r et h e o p t i m a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r si st w i s t ：3 3 3 t u m s lo c m ，s t r e t c h i n gr a t i o ： 8 0 t h ed i a m e t e ro fs l e n d e r i z e dw o o li sd i s t i n c tr e d u c ea n dt h ev a r i e t y i s - 2 6 0 9 d 。m a k es l e n d e r i z e dt o pb yc o n t i n u o u ss l e n d e r i z ee q u i p m e n tw h i c h w a sd e v e l o p e db yt h ea u t h o r si nt e x t i l em a t e r i a l sa n dt e c h n o l o g yl a b ( t m t ) a n dt h er e s u l t i sb e t t e rt h a n o p t i m i nt h ep r o c e s s i n g o f e x p e r i m e n tw ef i n dt h a tw ec a na d o p tt h ee f f e c t i v e n e s so fs l e n d e r i z e d w o o lb ya d j u s tp i v o t a lf a c t o rs u c ha ss p e e dd i s t r i b u t i n g ，t o pt w i s t ，g a u g e l e n g t h ，p r e s s u r eo nr o l e ，l e n g t ho f f i b e re t c w a n gg u o q i a n g ( t e x t i l em a t e r i a la n dd e s i g nd e p a r t m e n t ) 2 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u p e r v i s e db yp r o f e s s o ry uw e i d o n g k e yw o r d s ：w o o l ，s l e n d e r i z i n g ，m e c h a n i c a lb e h a v i o r ，t e c h n i c a l p a r a m e t e r s ，c h a r a c t e r so f f i b e r ，s u c c e s s i o n a lp r o c e s s i n g 3 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王l 霸另骇 日期：声卵，年，月y 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密曰，在j l 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：王j 秋豸殇 日期：凶耐年f 胡加日 指导教师签名：乡乙确易 j 聃：舻矽7 日 东华大学硕士学位论文l 引言 1 1 羊毛拉伸细化的现实意义 1 引言 我国是羊毛生产大国，绵羊毛产量居世界第二位，2 0 0 2 年为3 0 7 6 万吨，其 中细毛1 1 2 1 9 3 n 屯，占羊毛总产量的3 6 4 8 ；半细毛1 0 2 4 1 9 吨，占羊毛总产量的 3 3 2 9 ；粗毛9 2 9 7 6 吨，占羊毛总产量的3 0 3 2 ；从全国看，细毛、半细毛及其 改良羊的数量占全国绵羊总数4 1 3 8 ，粗毛羊占5 8 6 2 。我国目前有4 0 8 万毛纺 纱绽加工能力，每年需3 5 万吨左右净毛原料，虽然国产净毛折合为1 2 7 4 万吨， 但实际收购上来的羊毛最多也就是1 1 万吨，仅占需求量的3 0 ，九十年代以来， 平均每年进口羊毛2 3 万吨，2 0 0 0 年、2 0 0 1 年外毛进口量在3 0 万吨左右，2 0 0 2 年 羊毛与羊毛条的配额量近3 4 万吨左右【l j 。近年来，人们对衣着不单是一种保暖 的需求，而且是美观大方、轻便、舒适、易护理保养等。价格适中，穿着舒适 便捷的休闲服装和运动服装以及高档的内衣，如羊毛内衣、羊毛衬衫更受到消 费者的欢迎。传统上毛织物多用于秋、冬季服装，其主要特征为保暖。事实上， 羊毛的良好的隔绝性能和轻柔化，同样适用于春、夏装。这些用途都要求羊毛 织物轻薄化，因此，羊毛织物的轻薄化已经成为不可逆转的发展趋势。 此外，从南京羊毛市场的价格走势也可以比较明显的看出羊毛市场走向f 2 】， 图卜1 毛条细度一价格柱形图 图1 1 是南京羊毛市场2 0 0 4 年1 0 月1 5 日澳大利亚自梳条细度价格柱形图。 东华大学顿学位论文 引言 从图中可以看出，7 0 一8 0 支毛条价格与5 0 支毛条差距非常大，这一方面反映出 羊毛产品向轻薄化方向发展，另一方面也孕育着巨大的商机。随着价格的上涨， 成本大大增加，这就使得轻薄毛织物价的格居高不下。与此同时，近年来原毛 大量积压，而积压的主要品种都是偏粗的中低支毛，如果可以对中低支毛条进 行改性，使其细度变细，将有利于减少积压，提高产品附加值。这些使得羊毛 细化技术有着可观的经济效益，以原毛每公斤4 8 元为例，加上细化成本及税收， 计价1 0 0 元，而其市场价为2 5 美元詹g ，即每) j i z 1 公斤可盈利1 0 757 l ，以每 年加工6 万吨国产毛计，年盈利可达6 45 亿元，年o i 。 1 2 羊毛拉伸细化的机理 2 1 羊毛自身的特点决定其可拉伸性 羊毛可以进行拉伸细化是由羊毛本身的分子结构所决定的，羊毛的结构是 复杂和多层次的，通常认为基原纤是由3 个螺旋或2 + 2 个重复螺旋的q 型大分 子组成，大分子之间通过二硫键结合在一起。 图】f 2 羊毛纤维的各层次结构综台示意图 如图卜2 所示，微原纤是由数根基原纤构成的，而基原纤又由n 螺旋大分 子构成，人分子问的二硫键完全可以通过化学方法打开，此时实施拉仲就会使 大分子间产生构象转变和滑移。在生产纱线的过程中，毛条或粗纱的抽长拉 变兰奎兰堡兰些兰兰 ! ! l 童 细就是由于纤维间的滑移产生的。但是太分了之间也并不是只通过二硫键结合 的，还存在盐式键、氢键和范德化力的作用q 如图1 3 所示 j 二一。之：。 图i - 3f 毛大分子结构示意目i ” 同时，羊毛纤维的还存在结晶度著异，细胞间还有细胞间质( c m c ) 的作 用i 。因此，需要综合考虑分子叫各种不同的结合力，尽量使纤维人分子问的作 用力减弱，从而实现大分了的泔移。 2 2 羊毛拉伸细化的理论依据 从开前国内外的羊毛拉伸细化的研究结果来看，人们普遍接受大分子构象 改变理沧，即在扣伸过程中羊毛大分了构琢由n 螺旋链转变为b 折叠链h ，从 而使大分子长度伸长；同时，羊毛人分子之问的二硫键打开，大分子伸长后在 新的位置r 连接起柬，从而产生永久定形。最早从事羊毛拉仲细化研究的澳大 利亚的联邦工业与科学研究院( c s i r o ) 就是基于这样的理论进行开发的。 一 ( a ) 未经处理的羊毛纤维 ( b ) o p t i mf i n e t m 纤维 圈1 - 4 未经处理的羊毛纤维与o p t i mf i n e 7 ”纤维x 射线衍射圈 雌蝻 一 东华大学硕士学位论文1 引言 如图1 - 4 所示【l l 】，通过其开发的o p t i mf i n e t m 与未经处理的羊毛纤维的x 射线衍射图可以明显的反映出大分子构象的转变。但是分子构象的改变必然导 致比较大的内应力，因此改性后的羊毛的沸水回缩率较大，很难保证在加工和 穿用的过程中不产生变形。 关于如何对羊毛进行细化，也存在其它的理论，其中溶胀差异理论是指利 用羊毛纤维正皮质层和偏皮质层对碱液吸收的不同，使正皮质层细胞产生很大 的膨胀，结果使角朊蛋白大分子链的结合键产生松弛，此时施加机械拉伸实现 细化【1 2 1 。另外还有热塑性理论，即根据时温等效理论，利用羊毛的热塑性，在 不要求高湿度和化学试剂的条件下拉伸细化羊毛1 1 3 1 。基于以上几种理论都有相 关专利，其中o p t i mf i n e t m 纤维已经开始工业化生产1 1 4 j 。在本课题组的研究中 提出一种全新的理论，即大分子滑移理论，这一理论已经有文献报道f i 5 】【1 6 】。 1 3 羊毛细化拉伸的工艺 关于羊毛拉伸细化的处理液的研究已经有比较全面的报道【1 7 , 1 8 , 1 9 2 0 ，2 1 1 ，本课 题组也有成熟的结果 2 2 , 2 3 】。这里还需讨论羊毛拉伸细化的工艺，羊毛拉伸的工 艺是决定其设备设计的关键因素，要想实现工业化生产，确定工艺也是非常重 要的。在早期的研究中曾出现过不经加捻直接拉伸的工艺【2 4 】，但由于拉伸的过 程中很难控制滑移，这种方法基本上已经被淘汰。接下来的拉伸细化工艺都采 用了加捻拉伸的方法，这种方法对加捻的毛条进行拉伸，可以很好地对纤维进 行控制，而且可以避免出现两头大，中间小的现象。毛条的拉伸效果与所加的 捻度有关，捻度越高，异形截面越明显，相应的拉伸载荷越大1 2 5 1 。以上工艺尽 管大体上相差不大，但由于其拉伸机理有所不同，采用的化学试剂也有一定区 别，应综合比较分析各种工艺方法的优缺点，并考虑细化产品的后期开发等因 素，优选工艺参数，完善工艺体系。 在澳大利亚c s i r o 已经申请的专利中已经提出了以下的工艺路线。 图1 5o p t i m 纤维的工艺路线图 4 东华大学硕士学位论文 l 引言 如图1 5 所示【2 6 1 的工艺路线的基本参数如温度，处理液浓度等都已经有优 化的结果。 在美国专利u s 2 0 0 3 1 0 0 6 8 4 9 3 中采用加捻毛条，根据溶胀差异理论处理羊 毛。在预处理的过程中采用l 3 9 1 的单乙醇胺，8 1 3 9 1 的氢氧化钠，浸泡温度 为3 0 。c 6 0 c ，以4 0 。c 为宜，浸泡时间为2 0 5 0 分钟。为提高拉伸比，羊毛纤 维的膨胀和增塑需要一个还原过程，可用于还原过程的还原剂亚硫酸盐、亚硫 酸氢盐、硫代乙二酸钠等，还原剂的反映条件根据还原剂的种类和浓度不同而 不同，一般为1 3 分钟，温度6 0 。c 1 0 0 。c ，还原剂的浓度为2 0 - 4 0 9 l 。拉伸后 的羊毛纤维经过水洗后要进入氧化过程，可以作为氧化剂的是过氧化氢、溴化 钾、溴化钠等。其中过氧化氢比较适宜，因为它的残余物容易洗掉，过氧化氢 的浓度为2 3 。该专利中还提到氧化处理后要经过一个中和浴，可以采用盐酸 硫酸等无机酸或醋酸、甲酸、7 , - - 酸等无机酸。该专利中给也出了一种工艺路 绻1 2 7 1 a 、对羊毛条加真捻； b 、用碱液对加捻的毛条进行溶胀和增塑； c 、使溶胀和增塑的羊毛纤维中的二硫键断裂的还原过程； d 、经过还原的膨胀且增塑的纤维施以1 2 到1 6 倍实际拉伸的过程； e 、经拉伸的羊毛纤维经氧化剂氧化的过程： f 、纤维由酸中和的过程； g 、松弛下的干燥过程。 根据这种工艺生产出的毛条制得的纱线弹性伸长率下降到不到1 0 ，沸水 中收缩不高于l ，碱液中处理重量损失少于2 2 。 国内也有关于羊毛拉伸细化的工艺，其工艺路线如下【2 引。 匪目_ 匮亘圃咽 定形剂a 定形处理i 叫定形剂b 定形处理卜_ + i 柔软型细化羊毛 图卜6 本课题组的拉伸工艺路线 东华大学硕士学位论文 l 引言 如图1 - 6 所示，该工艺是基于拉伸滑移理论，因此拉伸效果比较好，拉伸 后的稳定性也较好。二次定形由交联剂、催化剂和水组成，可以获得很好的定 形效果。 1 4 羊毛拉伸细化设备的研究现状 羊毛拉伸细化设备的设计是一个比较系统而复杂的过程，设计思路主要有 两种，一种是将对集合体实施假捻的装置和拉伸的装置合为一体，但工艺的调 整较困难，另一种是将对集合体实施假捻的装置和拉伸的装置单独进行传动， 分别实现其功能【2 9 】。目前国外已有一些专利对设备进行过介绍，其中日本早期 曾经采用对不加捻毛条进行拉伸的设备，这项工艺的缺点是拉伸无捻毛条不经 济，而且机械较复杂，纤维必须被严格连续地握持，或是在约5 0 7 0 m m 范围内的 一个严格距离，否则没有足够的时间使羊毛定形。一些产业化应用中基本上都采 用有捻拉伸的方法。 澳大利亚联邦工业与科学研究院( c s r o ) 开发了比较早的一套加捻拉伸装 置，其设备示意图如图1 7 。 图1 7 假捻拉伸装置示意图 如图1 7 所示，1 为未拉伸毛条，2 为预处理槽，3 7 为假捻器，8 一l o 为定 形和水洗槽，1 1 为烘箱，1 2 为细化毛条。该设备的假捻与拉伸是同步进行的， 毛条在假捻装置中通过，受到滑轮的控制，前后两个滑轮速度不同实现拉伸【3 0 】， 其假捻拉伸装置如图1 8 6 东华大学硕士学位论文 1 引言 图1 8 假捻拉伸装置结构图 如图1 8 所示，5 7 为驱动装置，它通过皮带使5 0 转动，5 0 和3 0 是一体的， 同步转动，从而实现毛条的假捻。滑轮5 6 通过皮带带动锥形齿轮6 0 ，进而带动 假捻装置3 0 中的一组滑轮2 4 ，通过输入端与输出端的速度不同实现了对毛条的 拉仲。这套装置基本上可以很好地实现假捻拉伸，目前已实现工业化生产，内 蒙古鹿王集团耗资1 0 0 0 万元购买了第一台可以用于产业化的这种设备。有报道 称2 0 0 1 年，包头鹿王公司将o p t i m 纤维投放日本市场3 万件，很快被销售一 空，2 0 0 2 年该公司将o p t i m 生产线投入大生产运营，接单比上年增加十几倍， 生产销售了5 0 多万件，销售势头非常迅猛f 3 1 1 。o p t i m 纤维的性能国内外也有 很多的报道，但由于它是基于大分子构象理论生产的，其性能稳定性还存在一 定的怀疑，如热水回缩性较大，很难保证织物的稳定性。 新西兰也推出了羊毛细化设备，该设备是基于热塑性理论的，可以生产蓬 松性羊毛，该设备如图1 9 所示。 图1 - 9 新西兰羊毛细化设备 7 睡，0 ， 。 鼍l“ t， 阿一 嗲i ，r 一一争；，|l，0i-一 w 上 东华大学硕士学位论文 l 引言 该设备是通过计算机控制，利用微波技术对毛条进行加热【3 2 1 ，在拉伸的过 程中也采取了假捻装置，其假捻装置图如下： x 图1 - 1 0 假捻装置结构图 如图1 1 0 所示的假捻装置通过z 的旋转来实现，毛条从a 开始经过导向轮 c 缠绕到滑轮b 上，框架z 以x y 方向为轴对毛条加假捻，其中滑轮b 本身也 在自转，对毛条起引导做用【3 3 】。河北启发集团引进了新西兰羊毛研究所新开发 的拉伸专利技术和设备，成功开发了轻而暖系列毛线，但由于这套设备是根据 热塑性理论开发的，而且这套设备开发的重点在于拉伸后纤维的回缩特性，所 以只能开发蓬松毛线。 日本一些研究人员利用各向异性理论开发出一种新型的拉伸设备，这种拉 伸设备的有效拉伸为1 2 1 6 倍，基本上可以满足羊毛细化的要求【3 4 1 。其设备 如图1 1 1 所示。 砖鞠卜i 螬jl 增一! l 增。 l 哞i 谘。 弱 捕 n一 黧燎鲶燧影二产 i 1 i 蝴r 一墙圈il o 口i 图l 一1 1 拉伸设备结构图 8 东华大学硕士学位论文 l 引言 如图1 1 1 所示，3 为经过加捻的毛条，从简架4 上输出到预处理浸槽5 中， 毛条经过上罗拉6 7 ，下罗拉8 1 1 完成羊毛纤维的增塑和膨胀过程，在经过还 原浴1 7 后，上罗拉1 2 1 3 和下罗拉1 4 、1 5 、1 6 完成拉伸过程，在还原浴和拉 伸罗拉组中间还有蒸汽发生器使拉伸时纤维受到充分的加热。拉伸后的纤维经 过2 4 、2 9 、3 4 三个氧化浴后再经过中和浴3 9 ，5 9 6 2 个槽为上述各浴提供液体。 经过中和浴的纤维在经过4 8 和5 3 两个热水洗槽，之后再经过退捻装置5 5 ，完 成整个拉伸过程。 国内目前没有关于羊毛拉伸细化的设备的专利，但内蒙古鄂尔多斯羊绒集 团和天津工业大学正合作开发相关的设备，已经有相关设备的报道，并且已成 功地加工出拉伸细化羊毛条。该拉伸装置如图1 - 1 2 所示【3 5 1 。 一一 了了了了j l fl l uu 图1 1 2 国内的羊毛拉伸细化设备 俯视图 主视图 如图卜1 2 所示的羊毛拉伸细化设备采用假捻拉伸装置是对实施假捻的纤维 集合体进行拉伸，对实施假捻的纤维集合体进行拉伸时，必须使罗拉之间的纤 维集合体通过假捻在轴向给予束缚，使纤维在拉伸时不发生滑脱。拉伸的纤维 集合体的捻系数为8 0 3 0 0 ，在湿热状态下被拉伸，拉伸的纤维被密封在湿热的 密闭拉伸装置中，箱内温度可由4 0 , - - - 1 0 0 度，最好为7 0 - 9 0 度。加热可以由蒸汽 来实现，也可以由加热装置直接加热润湿的拉伸纤维。图1 - 1 3 为该设备的假捻 拉伸装置传动机构图。 9 东华大学硕士学位论文 l 引言 z 瓣r 耐 _ 1 i 。 幽皇纽ll ii 匕竺幽 防 一 墨凹l l 一1it 图1 1 3 拉伸和假捻装置一体式结构 如图卜1 3 所示，当皮带轮1 3 转动时，z 4 z 5 即做公转，又做自转。由z 4 传 动z 3 ，z 3 带动拉伸罗拉1 1 1 1 回转。同时，当1 3 回转时，1 1 1 1 ，握持纤维集 合体i t i 沿轴线回转，给予1 2 和1 1 1 1 之间的纤维集合体假捻。假捻使纤维集合 体轴向抱合，抱合力使拉伸的纤维集合体内的纤维和纤维之间没有滑脱。而把 纤维抽长拉细。由7 组罗拉组成的6 区假捻拉伸装置中，前两区的拉伸倍数为1 2 和1 4 ，后4 区为1 0 2 - - - 1 0 4 之间。1 2 和1 1 1 l 之间的纤维集合体由热蒸汽或者 加热装置加热，使纤维保持一定的温度和湿度，温度范围为4 0 一- - 1 0 0 度【3 6 1 。 采用这种设备进行的拉伸试验表明，纯毛毛条，纤维平均细度2 1 3 5um ， 平均长度9 5 8 c m ，条重2 0 9 m ，经过拉伸细化以后，产品羊毛的平均细度为1 8 5 8 l jm ，长度为11 3 4 3 c m 。但由于该设备生产的毛条采用的化学试剂洗净比较困 难，后道工序难以进行生产，目前还没有投批量生产。 综上所述，目前国内外已有一些拉伸细化设备出现，对一些细化纤维的性 能也有研究，但由于不同细化方法机理不同，设备本身也有很大的差别，不同 的设备有不同的特点，产品性能也有会有所区别，还需要对各种不同的设备及 其产品的性能作进一步的分析比较。 1 5 不同品种细化毛的品质特征 从现有的羊毛拉伸细化的生产情况来看，主要有四个品种的纤维，其中为 人们关注的比较多的是o p t i m 纤维。 l o 东华大学硕士学位论文 l 引言 拉伸纤维的细度变化是拉伸的主要目的，羊毛细度的变化是最为关键的内 容，表1 1 是对o p t i m 纤维与普通纤维的一组对比数据。 表1 1 各种羊毛纤维细度和长度测试结果【3 7 】 直观和测试结果都说明o p t i mf i n e 拉细羊毛更细、更长、手感更柔软。 拉伸细化过程对纤维的机械性能影响较大，其主要指标为断裂强力，伸长 能力，初始模量，实测结果如表1 2 所示。 表1 2 拉伸改性前后纤维机械性能指标对比【3 8 l 指标直径断裂强断裂强度断裂伸长1 0 初始模断裂比 ( um )力( c n ) ( c n d t e x ) 伸长的强力量功 数据( )( c n )( c n d t e x ) ( c n d t e x ) 未处理羊毛纤维 19 5 55 6 21 5 83 3 0 3 9 13 0 3 0 3 3 拉伸8 0 1 6 6 95 2 32 0 42 3 64 2 95 0 10 3 3 拉伸1 0 0 1 6 4 55 6 72 2 52 2 34 4 15 2 5o 3 2 从表1 。2 中可以看出，拉伸后羊毛纤维细度下降3 | lm ，断裂强力变化不大， 断裂强度明显升高。断裂伸长下降，表明细化羊毛纤维弹性下降。伸长1 0 的纤 维强力和初始模量都有提高，断裂比功变化不大。断裂伸长率和断裂比功的下 降，将导致纤维的伸长和弹性的劣化和纤维耐疲劳性的降低，理论上会使织造过 程的断头增加。 拉伸之后的纤维除了长细度变化外，横截面的形态也发生了很大的变化， 这主要是因为在拉伸的过程中纤维受到握持力的作用，相互积压导致截面形态 发生变化。图1 - 1 4 反映了不同的拉伸细化产品都存在这一现象【3 9 】【4 0 i 。 东牛太学颤i | 学论i 引言 u n t f e a t e ( if i b r c a j 、世胖 k 唾地 譬函 c ) 未处理羊毛横截面( d ) o d i n 纤维的横截面 圈l 1 4o d in 纤维的横截面变化 由图卜1 4 可以看出，1 ) o 邮一纤维和o d i n 纤维的横截面都发生了较大的 变化：2 ) o d i n 纤维的截面变化较大，这主要是由于o d i n 纤维是无捻拉伸，罗 拉握持的力很大，作用也比较剧烈；3 ) 比较粗的纤维受到的握持力比较大，这 主要是因为租纤维的受力面积比较大，这有利于纤维细度离散的下降。纤维截 面的变化也使得纤维的光泽得到避一步的改善，使细化羊毛纤维具有丝般光泽。 纤维的表面摩擦性质从表1 - 3 数据看，顺鳞片的摩擦系数变化不人，而逆 鳞片的摩擦系数f 降明显。由于摩擦测量时采用的悬挂重量随纤维支数而变 ( 1 0 0 s 为l5 0m g 7 0 s 为2 0 0 r a g ) 故所得数据的可对比性更强 表】33 种羊毛纤维的摩擦园数与差微摩擦效应 如表i 3 所示，l o o s 羊毛和o p t i m 。纤维的u 值明显前者小于后者这说 明o p t i 铲纤维拉长后鳞片高度和鳞片度下降，接触面积增大。故o p t i m 。纤维的 u 。值上升。而“8 值囚鳞月棘齿作用的减弱，o p t i m 。的“o 值下降。由此使o 口l i m 。 纤维的差微摩擦效应值6s 和6d 均大幅度下降，其值分别为6 54 1 和4 6o 。 黪麓 秽 东华大学硕士学位论文 1 引言 这对防止羊毛的毡缩效果极为有利。而摩擦因数变化不大，又不影响纤维抱合 力和梳理控制，故o p t i m 纤维在摩擦性能上是明显优化的。这种优势比目前减 量处理来防止毡缩的方法明显得多【4 l j 。 日本产拉伸羊毛在较多纤维表面的鳞片上有经苛蚀的痕迹，鳞片较薄，鳞 片翘角小，而且鳞片边缘不清。将拉伸羊毛与白山羊绒比较，其细度、鳞片间 距和形态接近羊绒，鳞片厚度和翘角仍与羊绒有较大差距。其原因主要是毛干 经拉伸横向结构变得紧密而纤细，鳞片因属角质物质而不发生改变，使其外观 看上去显现翘角增大。这对于拉伸羊毛的缩绒性可能会造成影响 4 2 j 。 羊毛经拉伸处理后，纤维的标准回潮率发生了显著变化，见表1 4 。 表1 4 拉伸羊毛标准回潮率对比表 由表1 - 4 可见，同种纤维随着纤维细度变细，纤维的标准回潮率呈下降趋势； 而变化程度仅与原始纤维呈对应关系。这说明羊毛经拉伸处理后，其吸湿机理 已与原始纤维产生了不同【4 3 】。由于回潮率的变化，细化羊毛纤维的染色性质也 发生了变化，主要表现为可以实现低温染色【4 4 1 。 1 6 本课题研究内容与意义 1 6 1 内容与意义 羊毛拉伸细化技术是当今毛纺织工业中的高新技术，不仅对羊毛本身的升 级利用意义重大，而且将触及其它纤维的细化升级利用，由此引导天然纤维高 档轻薄面料的开发和升级。细化毛的高经济价值和利润，将吸引工业界的关注 和投入，加速该技术工业化的进程和相关的应用研究。由于细化毛的特有性状， 将引起传统毛纺织染工艺的改进与适应，故有很高的研究价值。本文在本课题 组已有的研究基础上，重点研究拉伸工艺中速度变化对拉伸过程中束纤维受力 的影响，同时分析了捻度和握持距变化对束纤维拉伸应力的影响。在此基础上， 东华大学硕士学位论文 1 引言 还对拉伸细化的连续化生产设备进行了模拟，并通过自行设计的羊毛拉伸细化 连续化生产装置对毛条进行了连续化生产加工，制得连续的毛条。 1 6 2 存在的问题 l 、平稳拉伸：在毛条拉伸的过程中，不同的拉伸区段受力是不同的，尤其是弹 性区，应力上升速度很快，纤维容易被拉断，因此应考虑在这一阶段采取较慢 的拉伸速度实现平稳拉伸。 2 、快速有效拉伸：当拉伸过程进入屈服区，纤维受力趋于平缓，应力变化较小， 而且这一区段是对细化效果贡献最大的一段，此时应加快拉伸速度，提高拉伸 效率，实现快速有效拉伸。 3 、多区段拉伸：考虑毛条的拉伸受力情况是不断变化的，因此，不可能采取单 一的拉伸速度，必须采取多区段的变速拉伸，而不同阶段的拉伸速度的确定则 应由拉伸应力曲线来决定。 1 4 东牛大学删p 学位论文 2 节e 担伸化试验装q 化 r 标4 监i 越 2 羊毛拉伸细化试验装置与细化指标测量方法 本章着重介绍本论文所采用的试验皱置，并对主要试验装置一束纤维抻伸 细化试验装置进行了标定，还分析了试骑装置的系统精度，这里提出了分析试 验结果所聚用的提取特征佰的力法。对丁细化最为关键的特征指标细度，小覃 特别介绍了测量方法和原理。 2 1 羊毛束纤维拉伸细化装置 211 拉伸细化装置 本试验采用两端攫持( 桐、。丁前厉罗拉) 1 t l i 长式十t 伸测试装置，如图2 所不。该装置结构简单，使_ l j 力便，洲量数据准确，不仅能够模拟拉仲试验彬 拉伸过程，而且能够得出史叫托仲数据，调糕拉仲工艺。 菇蔷寨 兰! 二二一一l 拶 幽21 求纤维拉仲细化试验姨置 拉 申采f h 步进电机驱动螺杆，纤维夹持在动定夹头之削，山螺杆带动动峡 头在有蒸汽的热湿环境中做十一伸运动。奠町控技术十r 标如下： 动夹头最人动程：1 1 0 m m ，伸氏测量误差小_ j00 5 m m ； 试验速度设置：54 0 r a m r a i n 。 21 2 拉伸测试系统 拉力传感器用1 测试羊毛纤维束所受的牲力，其工作原理足通过非l | i 嚣的 电转换方法川高灵敏度f 由电阻应变计将纤维拉伸时所受的力信号转换成电信 弓，绎破大和模- 数转换后直接进入a i d 转换 ，最程是o l o o k g f , 非线+ 陀误 茇 02 ，f 乜压信号山放大器放大后输【 0 l0 v ，纤过p c i 。一l8 0 0 数据卜采集。 东华大学硕士学位论文 2 羊毛拉伸细化试验装置与细化指标测量方法 位移传感器用来测量羊毛纤维束的伸长，动夹头的位移是电感式直流位 移传感器，量程是0 - - 1 5 0 r a m ，非线性误差 o ， x d ，i = 1 ，m ( 4 - - 1 0 ) 第二步，求变化后各目标函数在d 上的极小值 彳2 z 密z ( x ) ， ( 4 一1 1 ) 以下列函数z ( x ) z ，j _ 1 ，2 ，m 作为求解的各分量目标函数。 2 ) 确定加权系数，对各优化指标确定加权系数 在上述统一量纲处理后，根据问题的特性，用合理而简便的方法确定出各 目标函数的权系数，常用确定权系数的方法有三种：口一法、专家评估法、判断 矩阵法。其中判断矩阵法已为实践所证明是很有效的，本文采用此法计算权系 数。 3 ) 用最短距离法求理想点，具体步骤见4 3 1 4 ) 求实际问题中与理想点最接近值 s t e p 3 求单目标最优化问题： 卿摆w , 一i ( x ) - f 木i 2 ( 4 - - 1 2 ) 得最优解舅，输出舅。 2 、优化实施 1 ) 对数据进行无量纲化处理，评价拉伸工艺的指标包括直径、比应力、断裂伸 长率、沸水收缩率，由于这四个指标量纲不同，故对每一指标进行无量纲化处 理，以消除量纲不同对优化结果的影响。 东华大学硕士学位论文 4 细化效果评价指标及细化毛理化性能 2 ) 确