第八章 纱线的几何结构
纱线的结构是：决定纱线内在性质和外观特征的主要因素
建摸的基本依据
构成纱线的纤维：可有短纤维纱，长丝束纱
短纤混纺纱，长丝混合纱 长短，短短，长长复合纱
纱线的成形方式：
? 传统的环锭纺纱，股线，花式纱线
? 新型纺纱：转杯纺(rotor-spinning)，静电纺纱(electrostatic spinning)，摩擦纺纱(friction-spinning)，自拈纺纱(self- twist-spinning)，喷气纺纱(air-jet-spinning)，涡流纺纱(vortex-spinning)，平行纺纱(Parafil-spinning)，包芯纺纱(core-spinning)，膨体纱(bulk yarn)和变形纱(textured- spun(or filament)-yarn)等
? 新型结构纺纱：如塞洛纺纱(Sirospun)，塞洛菲尔纱（Sirofil yarn），分束纺(Solospun)纱，集聚纺纱(compact yarn)等 纤维及其成纱方式使纱线结构存在差异：如结构松紧程度及均匀性，纤维在纱中的排列形式，纤维在纱中的移动轨迹，加捻在纱的轴向和径向的均匀性，以及纱线的外观形状及毛羽等。 纱线结构的基本问题是纤维在纱中的排列状态，以此入手借助观察实验方法，如截面切片和示踪纤维法，进行研究和表征。 本章以传统的环锭纱线的结构特征为主，兼顾某些非环锭纺纱加工纱线的结构特点，描述纱线几何结构特征的三项内容。 ? 纱线的加捻与纤维的排列密度 ? 纤维在纱中的转移与分布 ? 纱线的均匀性
并对其相关特征指标和理论作基本地介绍。
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第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式
一．纱线的加捻及其表征
加捻是使纱线具有一定的强伸性和稳定外观形态的手段。 将纤维束须条、纱、连续长丝束等纤维材料，绕其条状轴线的扭转，搓动或缠绕的过程，称为加捻。加捻可以获得 不同程度的捻度：高、低
不同方向的加捻：Z捻（左手旋）； S拈（右手旋） 不同形式的加捻：真捻（单区加捻）；假捻（双区对称加捻）。 1．捻度与理想螺旋结构
捻度T是指单位长度上的捻回数（cm-1）。
纱是由一系列不同直径的同心圆柱体所构成；每根纤维在半径r的圆柱面上螺旋排列；纤维排列密度的保持不变；纱线是由大量的纤维组成，纤维直径大大地小于纱线直径（df??dy）。 捻度与螺距h的关系为： h?1 T
图8- 1 理想螺旋形纱线几何结构(a)和其圆柱展开图(b)(c) 并有： l2?h2?(2?r)2 (8. 1) L2?h2?(2?R)2
tan?? (8. 2)
2?r2?R?2?rT (8. 3) tan???2?RT (8. 4) hh2rq?z/cos??z1?(2?r/h)?z1?(tan?)2 (8. 5)
R
2
2．捻系数与纱线线密度
纱线线密度常用单位长度的重量表示，即纱线的号数Nt(tex)。 根据前理想结构假设，理想纱的单位长度内的体积为?R2，比容为?y(cm3?g?1)，则其质量为?R2/?y (g)。因此，纱的号数为：
?R2Nt??105?y (8. 6) (tex)
又 R??yNt10?5 (8. 7)
代入捻回角β的计算式(8.5)得：
tan??2??yNt10?5 (8. 8) ?T?0.0112?y??t
式中， ?t?Nt?T (8. 9) 为纱线的捻系数。捻系数?t大，捻回角β也大。式(8.8)为：
?t?89.2?y?tg? (8. 10)
式中：?y?1/?y为纱线的密度（g?cm?3）。 3．捻回角
捻回角是一个几何概念值，捻系数表面上是一与纱线捻度和
号数相关的值，但本质仍与纤维在纱中的几何排列相关的变量。 Schwartz发现，如果纱截面中纤维数量有限，即纱的直径偏小，纤维直径偏粗，则tanβ=2πR/h不够准确。如图8- 2所示，纱线的有效直径dy'，应该是通过外层纤维中心的圆的直径。即
dy'?dy?df，df为纤维直径。故(8.4)式应该为：
tan???(dy?df)h??dyT?k (8. 11)
式中： k?(dy?df)/dy?dy'/dy 为Schwartz常数。同样：
tan??0.0112k?y??t (8. 12)
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当纱截面中含有大量纤维时，即符合理想状态假设时，k＝1。但当纤维数量减少，则k值小于1。
Schwartz常数可以通过下述方法进行估算，假定由纱的直径计算所得的面积Ay等于截面中纤维截面积之和Af加上纤维间的空隙面积，则有纤维的填充因素?为：
??Af?lAy?l?n??d2f?d2y (8. 13)
式中n为纱截面中的纤维根数。
dfdy?? (8. 14) n因此： k?1?dfdy?1?? (8. 15) n由于对纤维填充因素来说，一般为0.5～0.9，n往往大于40的值，故一般k值取1。
依据上式，拈系数?t也受k值的影响。其他条件不变，df变小或dy变大时，?t可以选低些，反之则大一些。
?t?89.2?ytan?k?Nt?Tk (8. 16)
图8- 2 纱线外层测量直径dy与捻回角估计时间的有效直径
dy'?dy?df的差别示意图
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4．捻缩及其理论估算
加捻成纱时，纤维的原伸直长度与纤维螺旋轨迹长度在理论上应该是相等或相近的，而纤维头端沿纱线轴向上的投影长度变短，故引起纱的收缩。这种收缩现象在长丝束和短纤维须条的加捻中，均会发生。其结果直接影响纱线的号数和加捻程度。 通常收缩率可以用两种方式来表示： 收缩因素： Cy＝捻缩率： Ry?零捻纱的长度?1 (8. 17)
有捻纱的长度零捻纱长度?有捻纱长度?1 (8. 18)
零捻纱长度1 (8. 19) 1?Ry两者的关系为： Cy?通常收缩因素对短纤维纺纱较为实用，有捻纱的长度在理论可以为0到零捻纱的长度，故1?Cy??。Cy值实际的意义为送出须条长度与实际成纱长度的比值。
由于不同径向层面中纤维的加捻程度不同，按式(8.4)，r＝0时，θ＝0，故T＝0；r＝R时，θ＝?，T为最大。因此纱中不同位置纤维的收缩是不一致的。
现考虑长度为h的一段加捻纱，假设其为理想的分层螺旋结构；内外层的压缩和伸长是均匀的。则将这段纱展开后的纤维的平均设为l，h即为一个捻回的长度，并设n为垂直纤维轴线的单位面积中的纤维根数。则如图8- 3 (a)所示，以θ角通过纱截面，并在[r，r＋dr]圆环中的纤维根数dn为：
dn?n?(2?r?dr)cos? (8. 20)
由式(8.4)可得：2?r?h?tan?；则：2?dr?hsec2?d? (8. 21)
n?h2sin?tan2? d? (8. 22) 代入(8.20)得： dn?2?又因为： l?hsec?
则： dl?h?sec?tan?d? (8. 23)
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