第一章　噴氣渦流紡紗技術原理及優勢

第一節　噴氣渦流紡紗技術成紗原理

一、成紗原理

噴氣渦流紡（也稱MVS紡紗技術）是通過噴嘴噴射壓縮空氣形成高速旋轉氣流，使得針座入口部位形成負壓，從而將經過牽伸的纖維流吸入空心錠內并與紗尾相搭接，利用空心錠內高速旋轉強負壓氣流對集聚于紡錠頭端的自由尾端纖維加捻成紗，如圖1-1所示。具體成紗過程可作如下描述：熟條通過渦流紡的導條架穿入喇叭口，在第一后羅拉與第二后羅拉組成的后區牽伸區內經初步牽伸，經過集棉器的集束與控制進入第三與第四羅拉組成的主牽伸區進行高倍牽伸。在主牽伸區上下膠圈的嚴格控制下，纖維完全被控制，須條快速牽伸。經過牽伸后的纖維須條，通過針座的螺旋曲面結構在導引針的作用下進入高速旋轉的噴嘴腔；位于導引針周圍的單纖維頭端，受到正在形成的紗尾拉引而進入空心錠中；當須條尾端脫離前羅拉握持點后，形成自由端，受高速旋轉渦流作用后，纖維須條分離成單纖維狀倒伏在靜止的空心錠入口的邊緣，然后被旋轉渦流加捻成紗（加捻過程中捻度趨于向前羅拉傳遞，導引針與纖維的摩擦力阻礙捻度向上傳遞，從而形成自由端纖維須條）；最后紗線從空心錠子中引出。因此，噴氣渦流紡具有一定的自由端紡紗的特征：分離纖維、凝聚、剝取、加捻等過程。

1.分離纖維

如圖1-2所示，從前羅拉出來的纖維束，通過紡紗噴嘴的軸向流的作用被吸引，進入加捻器（渦流室），在引導針的作用下，纖維前端進入空心管的中孔，與此同時，纖維的后端脫離了前羅拉的控制，通過噴管的最窄部位后，到達突然擴大了的噴嘴室內，纖維束的外層纖維受紡紗噴嘴的旋轉氣流的徑向作用力而膨脹擴大，脫離了纖維束的主體，呈現了斷裂狀態。需要指出的是，引導面、引導針及其氣流共同的作用，形成了纖維在進入渦流室初期，即在引導針附近形成的自由端狀態。引導針的作用之一是引導纖維進入空心管中孔，引導曲面的作用除了作為纖維輸送通道、引導纖維進入噴嘴室外，還能更好地分離與斷裂纖維。

進入渦流室的氣流有噴孔氣流Ⅰ、入纖孔氣流Ⅱ，兩股氣流在渦流室內形成一個較為復雜的流場，氣流通過空心管的中孔及四周孔隙排出。從噴孔進入的氣流Ⅰ，以空間螺旋狀運動，可分成三個方向運動：切向分量WⅠτ、軸向分量WⅠn、徑向分量WⅠr氣流Ⅰ的旋轉流量為：

切向分量WⅠτ形成旋轉渦流，并對須條進行加捻；軸向分量WⅠn從空心管四周排走和進入空心管（引紗孔）；徑向分量WⅡr向中心運動的同時，由于空心管頂端（圓錐面）的摩擦作用，使氣流逐漸減少，一部分進入空心管，另一部分沿錐面又回流到空心管的四周而排走。氣流?、驈娜肜w孔經引導曲面進入噴嘴室（渦流室），進入噴嘴室后，空間突然增大，使氣流產生擴散，最后，進入空心管和空心管的四周而排走。值得指出的是，這些氣流流動過程中相互影響，共同完成紡紗過程。

2.凝聚

凝聚是指在加捻器中形成新的纖維須條，纖維隨著纖維流進入噴嘴室，在引導針的作用下，前端進入引紗孔（空心管中孔），纖維后端在脫離前羅拉的鉗口握持后，由于氣流的擴散和引導面的作用，使外層纖維脫離了須條主體。因此，在噴嘴室內，以空心管頂孔為輸出點，在其后部形成類似菊花開放形狀或火箭尾部噴射氣流形狀的纖維體，為噴氣渦流紡的自由端紗尾。由于氣流從空心管四周流出，因而部分纖維覆蓋在空心管的錐形頂部。

3.加捻

引紗尾在被引出的同時，由于旋轉氣流的作用，四周擴展出來的纖維，在中心纖維（將成為紗的芯纖維）的四周按一定方向（旋轉氣流方向）纏繞，從而完成紗線的加捻。紡成的紗則由導出羅拉以一定速度輸出，經卷繞機構繞成筒子紗。值得指出的是，這種尾端纖維包纏加捻方式不同于紗體整體旋轉加捻方式。噴氣渦流紡有明顯的自由端紡紗特征，尾端自由狀態纖維的數量決定了加捻的程度，且仍有芯纖維存在，該芯纖維可以引導纖維更好地與前端輸出紗條搭接。合理的渦流室結構和氣流流動，可以增加尾端自由狀態纖維的數量，增加加捻程度。

二、噴氣渦流紗中纖維的空間軌跡研究

噴氣渦流紡采用高速旋轉氣流對自由端纖維束進行加捻成紗，纖維在紗線內的分布情況與傳統環錠紡不同。

1.纖維的空間軌跡分析

從噴氣渦流紡成紗過程看，以纖維頭端頂點（位于紗線截面中心）為坐標原點構建空間笛卡爾直角坐標系，纖維頭端頂點所在的紗線截面構建x軸、y軸，令與導紗反向的紗線中心為z軸，據此構建坐標圖如圖1-3所示。

經羅拉牽伸后的纖維頭端首先在負壓的作用下吸入空心錠內的紗尾中，同時纖維尾端受前羅拉鉗口控制，則此時纖維兩端被握持，纖維位于紗線中心而不受氣流作用產生內外轉移現象。在纖維尾端未脫離前羅拉鉗口以前，進入紗體的纖維部分（定義為芯纖維部分）位于紗芯。設纖維長度為l，紡紗速度大小為Vy，前羅拉鉗口與空心錠入口距離為L，假設忽略因螺旋通道存在引起單纖維從前羅拉鉗口到空心錠入口間的路徑增加，則纖維成為紗芯的長度lc可由式（1-1）求得：

lc=l-L

（1-1）

在纖維頭端剛開始進入紗芯到纖維尾端離開前羅拉鉗口的時間內，由假設可知導紗距離等于芯纖維部分的長度，設該時間間隙為t1，則可得式（1-2）：

lc=Vy·t1

（1-2）

則芯纖維部分在紗體內的空間軌跡可由式（1-3）表示：

z=Vyt（0≤t＜t1=（l-L）/Vy）

（1-3）

當纖維的尾端脫離前羅拉鉗口后，纖維尾端在旋轉氣流作用下形成自由端，并隨旋轉氣流旋轉，此時纖維在離心力的作用下，使得自由尾端纖維繞空心錠旋轉的同時，纖維往紗尾外表面轉移，纖維從紗芯向外轉移的示意圖見圖1-3，從而假定纖維在紗線徑向轉移的半徑r與時間的函數關系符合對數螺線規律，見式（1-4）：r=eawf（t-t1）-eb

（1-4）

式中：ωf為纖維旋轉的平均角速度，由噴嘴氣壓、噴嘴結構及纖維參數共同決定；a、b為待定系數。

當t=t1時，r≈0，代入式（1-4）則有b=0，由式（1-4）可得纖維由紗芯向紗表面轉移的加速度，即對纖維沿紗線徑向轉移的半徑r取時間t的導數，可得纖維徑向轉移的加速度af，見式（1-5）：

由牛頓動力學原理可得式（1-6）：

mfaf=fc

（1-6）

式中：，為單位長度纖維的質量；ρf為纖維的密度；rf為纖維的半徑；fc為單位長度纖維因旋轉產生的離心力，由噴嘴氣壓和噴嘴結構參數共同決定。

由式（1-5）、式（1-6）可求得待定系數a的值；由圖1-3可知纖維由紗芯向紗體外表面轉移過程中的參數方程，見式（1-7）：

x=rcos[ωf（t-t1）]

y=rsin[ωf（t-t1）]

z=Vy（t-t1）

（1-7）

當自由尾端纖維在離心力作用下由紗芯完全轉移到紗體外表后，纖維就完成了在紗體內的轉移，自由尾端纖維將以某一恒定捻回角θ0包纏紗體，形成類似環錠的外觀形態，紗線外表的捻回角θ0可由式（1-8）求得：

式中：dy為紗線直徑。纖維在紗體內轉移停止的臨界條件可由式（1-9）表示：

r=eaωf（t2-t1）=dy/2

（1-9）

由式（1-9）可解出纖維在紗體內轉移結束的時間t2：

當t＞t2時，即纖維包纏在紗體外表面的情況，此時纖維的空間軌跡可用式（1-11）表示：

x=dy/2cos[ωf（t-t2）]

y=dy/2sin[ωf（t-t2）]

z=Vf（t-t2）

（1-11）

2.噴氣渦流紗中纖維的空間形態及影響因素

由以上分析可得出噴氣渦流紗中纖維的空間形態，圖1-3（c）可粗略描述，噴氣渦流紗中每根纖維由以下三部分組成：位于紗芯的芯纖維部分、由紗芯向紗體外表面轉移過程中的包纏部分及包纏紗體外表面的包纏部分。因此，噴氣渦流紗中纖維的空間形態決定了噴氣渦流紗具有極少的長毛羽，較長的纖維尾端都將被旋轉氣流作用而包纏于紗體。纖維在紗中的空間形態受紡紗速度、前羅拉鉗口與空心錠入口距、纖維長度、紗線直徑等參數影響。式（1-3）表明紡紗速度、前羅拉鉗口與空心錠入口距一定，纖維長度越長，纖維成為芯纖維部分越長；紡紗速度及纖維長度一定，前羅拉鉗口與空心錠入口距越短，芯纖維部分越長，紗體對纖維的握持力越大，旋轉氣流對纖維的抽拔越困難，造成落纖機會因此會減少。由式（1-7）、式（1-10）及式（1-11）知，由紗芯向紗體外表面轉移過程中的包纏寬度及包纏紗體外表面的包纏寬度均受紗線直徑、纖維旋轉的平均角速度及紡紗速度影響。當由紗芯向紗體外表面轉移過程中的包纏寬度增加，包纏紗體外表面的包纏寬度則減少；當纖維旋轉的平均角速度及紡紗速度一定時，紗線直徑增加，由紗芯向紗體外表面轉移過程中的包纏寬度增加；當紗線直徑及紡紗速度一定時，纖維旋轉的平均角速度增加，由紗芯向紗體外表面轉移過程中的包纏寬度將增加。

3.高速攝影噴氣渦流紡紗線中纖維形態

采用MotionProTM高速CMOS：PCI攝像機來完成纖維運動圖像的捕捉。用透明的有機玻璃材料制作噴嘴，觀察噴嘴內的纖維運動和加捻運動情況。由于單纖維太細（20μm左右），在高速攝影中很難捕捉到清晰的圖像，在實驗中用纖維束代替單纖維。高速攝影圖像中，觀察到開放狀的尾端自由狀態纖維（圖1-4）。

由于渦流室內直徑很小，且噴嘴入口處有一定的軸向速度，當纖維進入纖維紗道后，在噴嘴入口處受到軸向速度的作用，因此，一開始纖維保持平直的狀態，使邊纖維主要以平行于噴嘴軸向的形態進入噴嘴。壓縮空氣進入加捻區經過環形收縮通道到達空心管四周環隙，由于通道截面越來越小，氣流逐步加速。當纖維的頭端到達噴孔后，纖維束受到氣流強烈的經向速度和軸向速度的作用。由于纖維的初始位置尾端已經伸出到纖維須條的外部，在經向速度和軸向速度的作用下向外分離，漸漸地離開纖維須條的主體，形成尾端自由狀態纖維。如圖1-5所示是對一根邊纖維在噴嘴中運動狀況的模擬，即尾端自由狀纖維的形成過程。

邊纖維在形成自由狀尾端的同時受到了切向速度的作用包纏在紗體上，從而在噴嘴中完成包纏運動，使得尾端自由纖維以螺旋狀態包纏在紗體上。尾端自由纖維就是通過這樣的包纏運動包覆在紗體上，而使噴氣渦流紗獲得強力。

圖1-6、圖1-7為噴氣渦流紗結構照片，從中可以看出，噴氣渦流紗由部分芯纖維和外層的加捻纖維組成，外層纖維占70%，外層纖維有明顯的螺旋加捻特征，不同于噴氣包纏紡紗的包纏特征，只有處于一端自由狀態的纖維加捻成紗時，才能成為這樣的狀態。此外，外層纖維的捻纏有明顯的方向性，而只有纖維尾端脫離紗的主體，加捻后才能形成這樣的方向。因此，從最終成紗中纖維的排列狀態也說明噴氣渦流紡是一定程度的自由端紡紗，而且是尾端自由端紡紗。由于中心部分仍有部分連續的纖維，這部分纖維又是正常成紗所必需的，因此，噴氣渦流紡可以看成是部分自由端紡紗、半自由端紡紗或亞自由端紡紗。