第一章　喷气涡流纺纱技术原理及优势

第一节　喷气涡流纺纱技术成纱原理

一、成纱原理

喷气涡流纺（也称MVS纺纱技术）是通过喷嘴喷射压缩空气形成高速旋转气流，使得针座入口部位形成负压，从而将经过牵伸的纤维流吸入空心锭内并与纱尾相搭接，利用空心锭内高速旋转强负压气流对集聚于纺锭头端的自由尾端纤维加捻成纱，如图1-1所示。具体成纱过程可作如下描述：熟条通过涡流纺的导条架穿入喇叭口，在第一后罗拉与第二后罗拉组成的后区牵伸区内经初步牵伸，经过集棉器的集束与控制进入第三与第四罗拉组成的主牵伸区进行高倍牵伸。在主牵伸区上下胶圈的严格控制下，纤维完全被控制，须条快速牵伸。经过牵伸后的纤维须条，通过针座的螺旋曲面结构在导引针的作用下进入高速旋转的喷嘴腔；位于导引针周围的单纤维头端，受到正在形成的纱尾拉引而进入空心锭中；当须条尾端脱离前罗拉握持点后，形成自由端，受高速旋转涡流作用后，纤维须条分离成单纤维状倒伏在静止的空心锭入口的边缘，然后被旋转涡流加捻成纱（加捻过程中捻度趋于向前罗拉传递，导引针与纤维的摩擦力阻碍捻度向上传递，从而形成自由端纤维须条）；最后纱线从空心锭子中引出。因此，喷气涡流纺具有一定的自由端纺纱的特征：分离纤维、凝聚、剥取、加捻等过程。

1.分离纤维

如图1-2所示，从前罗拉出来的纤维束，通过纺纱喷嘴的轴向流的作用被吸引，进入加捻器（涡流室），在引导针的作用下，纤维前端进入空心管的中孔，与此同时，纤维的后端脱离了前罗拉的控制，通过喷管的最窄部位后，到达突然扩大了的喷嘴室内，纤维束的外层纤维受纺纱喷嘴的旋转气流的径向作用力而膨胀扩大，脱离了纤维束的主体，呈现了断裂状态。需要指出的是，引导面、引导针及其气流共同的作用，形成了纤维在进入涡流室初期，即在引导针附近形成的自由端状态。引导针的作用之一是引导纤维进入空心管中孔，引导曲面的作用除了作为纤维输送通道、引导纤维进入喷嘴室外，还能更好地分离与断裂纤维。

进入涡流室的气流有喷孔气流Ⅰ、入纤孔气流Ⅱ，两股气流在涡流室内形成一个较为复杂的流场，气流通过空心管的中孔及四周孔隙排出。从喷孔进入的气流Ⅰ，以空间螺旋状运动，可分成三个方向运动：切向分量WⅠτ、轴向分量WⅠn、径向分量WⅠr气流Ⅰ的旋转流量为：

切向分量WⅠτ形成旋转涡流，并对须条进行加捻；轴向分量WⅠn从空心管四周排走和进入空心管（引纱孔）；径向分量WⅡr向中心运动的同时，由于空心管顶端（圆锥面）的摩擦作用，使气流逐渐减少，一部分进入空心管，另一部分沿锥面又回流到空心管的四周而排走。气流　Ⅱ从入纤孔经引导曲面进入喷嘴室（涡流室），进入喷嘴室后，空间突然增大，使气流产生扩散，最后，进入空心管和空心管的四周而排走。值得指出的是，这些气流流动过程中相互影响，共同完成纺纱过程。

2.凝聚

凝聚是指在加捻器中形成新的纤维须条，纤维随着纤维流进入喷嘴室，在引导针的作用下，前端进入引纱孔（空心管中孔），纤维后端在脱离前罗拉的钳口握持后，由于气流的扩散和引导面的作用，使外层纤维脱离了须条主体。因此，在喷嘴室内，以空心管顶孔为输出点，在其后部形成类似菊花开放形状或火箭尾部喷射气流形状的纤维体，为喷气涡流纺的自由端纱尾。由于气流从空心管四周流出，因而部分纤维覆盖在空心管的锥形顶部。

3.加捻

引纱尾在被引出的同时，由于旋转气流的作用，四周扩展出来的纤维，在中心纤维（将成为纱的芯纤维）的四周按一定方向（旋转气流方向）缠绕，从而完成纱线的加捻。纺成的纱则由导出罗拉以一定速度输出，经卷绕机构绕成筒子纱。值得指出的是，这种尾端纤维包缠加捻方式不同于纱体整体旋转加捻方式。喷气涡流纺有明显的自由端纺纱特征，尾端自由状态纤维的数量决定了加捻的程度，且仍有芯纤维存在，该芯纤维可以引导纤维更好地与前端输出纱条搭接。合理的涡流室结构和气流流动，可以增加尾端自由状态纤维的数量，增加加捻程度。

二、喷气涡流纱中纤维的空间轨迹研究

喷气涡流纺采用高速旋转气流对自由端纤维束进行加捻成纱，纤维在纱线内的分布情况与传统环锭纺不同。

1.纤维的空间轨迹分析

从喷气涡流纺成纱过程看，以纤维头端顶点（位于纱线截面中心）为坐标原点构建空间笛卡尔直角坐标系，纤维头端顶点所在的纱线截面构建x轴、y轴，令与导纱反向的纱线中心为z轴，据此构建坐标图如图1-3所示。

经罗拉牵伸后的纤维头端首先在负压的作用下吸入空心锭内的纱尾中，同时纤维尾端受前罗拉钳口控制，则此时纤维两端被握持，纤维位于纱线中心而不受气流作用产生内外转移现象。在纤维尾端未脱离前罗拉钳口以前，进入纱体的纤维部分（定义为芯纤维部分）位于纱芯。设纤维长度为l，纺纱速度大小为Vy，前罗拉钳口与空心锭入口距离为L，假设忽略因螺旋通道存在引起单纤维从前罗拉钳口到空心锭入口间的路径增加，则纤维成为纱芯的长度lc可由式（1-1）求得：

lc=l-L

（1-1）

在纤维头端刚开始进入纱芯到纤维尾端离开前罗拉钳口的时间内，由假设可知导纱距离等于芯纤维部分的长度，设该时间间隙为t1，则可得式（1-2）：

lc=Vy·t1

（1-2）

则芯纤维部分在纱体内的空间轨迹可由式（1-3）表示：

z=Vyt（0≤t＜t1=（l-L）/Vy）

（1-3）

当纤维的尾端脱离前罗拉钳口后，纤维尾端在旋转气流作用下形成自由端，并随旋转气流旋转，此时纤维在离心力的作用下，使得自由尾端纤维绕空心锭旋转的同时，纤维往纱尾外表面转移，纤维从纱芯向外转移的示意图见图1-3，从而假定纤维在纱线径向转移的半径r与时间的函数关系符合对数螺线规律，见式（1-4）：r=eawf（t-t1）-eb

（1-4）

式中：ωf为纤维旋转的平均角速度，由喷嘴气压、喷嘴结构及纤维参数共同决定；a、b为待定系数。

当t=t1时，r≈0，代入式（1-4）则有b=0，由式（1-4）可得纤维由纱芯向纱表面转移的加速度，即对纤维沿纱线径向转移的半径r取时间t的导数，可得纤维径向转移的加速度af，见式（1-5）：

由牛顿动力学原理可得式（1-6）：

mfaf=fc

（1-6）

式中：，为单位长度纤维的质量；ρf为纤维的密度；rf为纤维的半径；fc为单位长度纤维因旋转产生的离心力，由喷嘴气压和喷嘴结构参数共同决定。

由式（1-5）、式（1-6）可求得待定系数a的值；由图1-3可知纤维由纱芯向纱体外表面转移过程中的参数方程，见式（1-7）：

x=rcos[ωf（t-t1）]

y=rsin[ωf（t-t1）]

z=Vy（t-t1）

（1-7）

当自由尾端纤维在离心力作用下由纱芯完全转移到纱体外表后，纤维就完成了在纱体内的转移，自由尾端纤维将以某一恒定捻回角θ0包缠纱体，形成类似环锭的外观形态，纱线外表的捻回角θ0可由式（1-8）求得：

式中：dy为纱线直径。纤维在纱体内转移停止的临界条件可由式（1-9）表示：

r=eaωf（t2-t1）=dy/2

（1-9）

由式（1-9）可解出纤维在纱体内转移结束的时间t2：

当t＞t2时，即纤维包缠在纱体外表面的情况，此时纤维的空间轨迹可用式（1-11）表示：

x=dy/2cos[ωf（t-t2）]

y=dy/2sin[ωf（t-t2）]

z=Vf（t-t2）

（1-11）

2.喷气涡流纱中纤维的空间形态及影响因素

由以上分析可得出喷气涡流纱中纤维的空间形态，图1-3（c）可粗略描述，喷气涡流纱中每根纤维由以下三部分组成：位于纱芯的芯纤维部分、由纱芯向纱体外表面转移过程中的包缠部分及包缠纱体外表面的包缠部分。因此，喷气涡流纱中纤维的空间形态决定了喷气涡流纱具有极少的长毛羽，较长的纤维尾端都将被旋转气流作用而包缠于纱体。纤维在纱中的空间形态受纺纱速度、前罗拉钳口与空心锭入口距、纤维长度、纱线直径等参数影响。式（1-3）表明纺纱速度、前罗拉钳口与空心锭入口距一定，纤维长度越长，纤维成为芯纤维部分越长；纺纱速度及纤维长度一定，前罗拉钳口与空心锭入口距越短，芯纤维部分越长，纱体对纤维的握持力越大，旋转气流对纤维的抽拔越困难，造成落纤机会因此会减少。由式（1-7）、式（1-10）及式（1-11）知，由纱芯向纱体外表面转移过程中的包缠宽度及包缠纱体外表面的包缠宽度均受纱线直径、纤维旋转的平均角速度及纺纱速度影响。当由纱芯向纱体外表面转移过程中的包缠宽度增加，包缠纱体外表面的包缠宽度则减少；当纤维旋转的平均角速度及纺纱速度一定时，纱线直径增加，由纱芯向纱体外表面转移过程中的包缠宽度增加；当纱线直径及纺纱速度一定时，纤维旋转的平均角速度增加，由纱芯向纱体外表面转移过程中的包缠宽度将增加。

3.高速摄影喷气涡流纺纱线中纤维形态

采用MotionProTM高速CMOS：PCI摄像机来完成纤维运动图像的捕捉。用透明的有机玻璃材料制作喷嘴，观察喷嘴内的纤维运动和加捻运动情况。由于单纤维太细（20μm左右），在高速摄影中很难捕捉到清晰的图像，在实验中用纤维束代替单纤维。高速摄影图像中，观察到开放状的尾端自由状态纤维（图1-4）。

由于涡流室内直径很小，且喷嘴入口处有一定的轴向速度，当纤维进入纤维纱道后，在喷嘴入口处受到轴向速度的作用，因此，一开始纤维保持平直的状态，使边纤维主要以平行于喷嘴轴向的形态进入喷嘴。压缩空气进入加捻区经过环形收缩通道到达空心管四周环隙，由于通道截面越来越小，气流逐步加速。当纤维的头端到达喷孔后，纤维束受到气流强烈的经向速度和轴向速度的作用。由于纤维的初始位置尾端已经伸出到纤维须条的外部，在经向速度和轴向速度的作用下向外分离，渐渐地离开纤维须条的主体，形成尾端自由状态纤维。如图1-5所示是对一根边纤维在喷嘴中运动状况的模拟，即尾端自由状纤维的形成过程。

边纤维在形成自由状尾端的同时受到了切向速度的作用包缠在纱体上，从而在喷嘴中完成包缠运动，使得尾端自由纤维以螺旋状态包缠在纱体上。尾端自由纤维就是通过这样的包缠运动包覆在纱体上，而使喷气涡流纱获得强力。

图1-6、图1-7为喷气涡流纱结构照片，从中可以看出，喷气涡流纱由部分芯纤维和外层的加捻纤维组成，外层纤维占70%，外层纤维有明显的螺旋加捻特征，不同于喷气包缠纺纱的包缠特征，只有处于一端自由状态的纤维加捻成纱时，才能成为这样的状态。此外，外层纤维的捻缠有明显的方向性，而只有纤维尾端脱离纱的主体，加捻后才能形成这样的方向。因此，从最终成纱中纤维的排列状态也说明喷气涡流纺是一定程度的自由端纺纱，而且是尾端自由端纺纱。由于中心部分仍有部分连续的纤维，这部分纤维又是正常成纱所必需的，因此，喷气涡流纺可以看成是部分自由端纺纱、半自由端纺纱或亚自由端纺纱。