分层结构纱线是一种具有芯层和表层的复合纱线，其优点是通过外包纤维与芯纱的结合，优化成纱的结构和特性，使纱线表现出常规环锭纱无法表现的特殊性能。目前喷气涡流纺［1］、转杯纺［2］以及摩擦纺［3］等纺制的纱线具有分层结构特征，然而这些纺纱技术对于原料的选择、纱线号数等都存在一定的局限性［4］。例如喷气涡流纺对使用的配棉等级要求较高，要求减少喂入条纤维的弯钩和棉结数，降低短绒率等。转杯纺多以生产粗号纱为主，号数受限，且转杯纺的分梳辊易造成纤维损伤，转杯凝聚槽积杂易影响纺纱质量。摩擦纺纺纱单元构件较多，成本较高，且凝聚须条的纤维伸直度、均匀性很差，对原料以及纺制纱线号数都存在局限性［5］。环锭纺作为纺织生产中占主导地位的纺纱方法，具有机构简单、适应产品范围广、成纱质量好等诸多优点［6］。然而环锭纺纱线不具有分层结构，纱线中纤维呈螺旋状一体化排列［7］。为此，本研究从纱线结构设计出发，利用纱线内外层的捻系数变化规律，在环锭细纱机上纺制出内紧外松分层结构纱线，这种纱线兼具强力和柔软特性，可为柔软产品的开发提供新思路。1 分层结构纱线试纺1.1　试验方案设计本试纺试验分层结构纱线的芯层和表层均选用常规纯棉粗纱作为原料，定量6.4 g/10 m，分层结构纱线号数19.4 tex，由于期望达到纱线表层结构松散手感柔软的效果，故设计纱线成纱捻系数230；芯纱号数9.7 tex，捻系数360；芯层与表层比例50∶50。首先将纯棉粗纱在环锭细纱机上纺制的细纱作为分层结构纱的芯层；然后在环锭细纱机上按照常规包芯纱的纺制原理，如图1所示，将上述芯层管纱不经过牵伸而直接通过导丝轮喂入前罗拉，而外包棉纤维则通过正常的牵伸加捻，紧密地包覆住芯纱得到分层结构纱线。本试验芯层和表层纤维加捻都采用Z捻。.F001图1分层结构纱线纺制示意图1.2　纱线结构表征将本试验所纺制的19.4 tex分层结构纱线分别进行解捻和液氮萃断后放入扫描电子显微镜下观察，可以得到纱线的纵向结构如图2所示，其横截面如图3所示。.F002图2分层结构纱线解捻后的纵向结构图.F003图3分层结构纱线横截面图由图2和图3可以看出，纱线分层结构明显，中间的芯纱捻度较高，排列紧密；外层纤维捻度低，结构松散。这是由于本试验所纺制的分层结构纱线中喂入的芯纱是提前纺制的环锭纱，其本身存在一个初始捻度，在包芯的过程中，芯纱捻度会随整体的捻度变化以及芯层与表层比例的变化而变化。因此，分层结构纱线的芯层与表层的捻度存在差异。2 分层结构纱线的工艺探索在内紧外松分层结构纱线的试纺过程中发现，表层纤维对芯层纱的包覆效果与芯纱的张力、芯纱在喂入时所处中心位置的稳定性以及芯层与表层比例有关。为了使分层结构纱线的包覆效果更好，后续试验方案中的芯层所占比例偏小设置；同时，为了更好的分析芯纱捻系数、成纱捻系数以及芯层与表层比例对内紧外松结构纱线性能的影响，将分层结构纱线号数设置为58.3 tex进行工艺探索。2.1　芯纱捻系数对成纱性能的影响及分析根据预试验结果，将分层结构纱线成纱捻系数设计为260，芯层与表层比例设计为20∶80（芯纱号数11.7 tex）时，分析不同的芯纱捻系数对成纱性能的影响，其测试结果如表1所示。.T001表1芯纱捻系数对分层结构纱线性能影响芯纱捻系数断裂强度/（cN·tex-1）断裂强度CV/%条干CV/%-30%细节/（个·km-1）+35%粗节/（个·km-1）3 mm毛羽数/（根·m-1）纱线直径/mm26015.534.3710.51592310.800.41529015.834.6611.18623710.940.41632015.194.4011.611126010.980.41635014.794.8811.901206311.120.41738014.266.0112.4516110111.200.424由表1可以看出，随着芯纱捻系数的增加，断裂强度先增大后减小，当芯纱捻系数为290时，断裂强度最大。这是因为随着捻系数的增加，芯层纱线中纤维间的抱合力增大，纱线在受到拉伸时纤维之间不容易滑脱，断裂强度增加；当捻系数超过临界值后，随着捻系数的继续增加，由于捻回角过大，纤维在纱轴线上的分力减小，抱合力的增加不能弥补在纱轴线上分力的减小，断裂强度反而下降。条干CV和粗细节指标随着芯纱捻系数的增加而恶化。究其原因，可能是由于芯纱在初始捻系数较大的情况下再包芯加捻，会使得纤维捻回角逐渐增大，芯层扭曲歪斜影响纱线质量。3 mm毛羽数随着芯纱捻系数的增加而变化不大。主要是由于成纱捻系数不变，毛羽变化也较小。纱线的直径随着芯纱捻系数的增加变化不大，但当芯纱捻系数为380时增加明显。这可能是由于此时芯层捻系数过大，芯层纤维发生歪斜，直径增大。2.2　成纱捻系数对纱线性能的影响当分层结构纱线的芯层捻系数设计为290，芯层与表层比例为20∶80时（分层结构纱线的成纱号数58.3 tex，芯纱号数11.7 tex），分析不同的成纱捻系数对纱线性能的影响，其测试结果如表2所示。.T002表2成纱捻系数对分层结构纱线性能的影响成纱捻系数断裂强度/（cN·tex-1）断裂强度CV/%条干CV/%-30%细节/（个·km-1）+35%粗节/（个·km-1）3 mm毛羽数/（根·m-1）纱线直径/mm23013.806.8511.34973416.130.45826014.856.3011.02933313.600.41929017.206.3010.93923210.020.40832017.786.4210.78812210.000.38635018.936.6210.024899.860.377由表2可以看出，随着成纱捻系数的增加，断裂强度持续增加。这是由于随着分层结构纱线成纱捻系数的增加，表层纤维逐渐抱合紧密，抱合力增加，在受到拉伸时不易与芯层纱线发生滑脱，断裂强度增加。条干CV、粗细节和3 mm毛羽数均随着分层结构纱线成纱捻系数的增加而减小，这是由于成纱捻系数增加使得纱线表层纤维逐渐抱合紧密，进而使得纱线整体结构紧密，质量变好。纱线直径随着成纱捻系数的增加而减小。这是由于此时成纱捻系数增加使得纱线表层纤维逐渐抱合紧密，整体结构也随之紧密，纱线直径减小。2.3　芯层与表层比例对纱线性能的影响当分层结构纱线的成纱号数为58.3 tex，其芯层捻系数设计为290，成纱捻系数设计为260时，分析不同的芯层与表层比例对纱线性能的影响，其测试结果如表3所示。.T003表3芯层与表层比例对分层结构纱线性能影响芯层与表层比例断裂强度/（cN·tex-1）断裂强度CV/%条干CV/%-30%细节/（个·km-1）+35%粗节/（个·km-1）3 mm毛羽数/（根·m-1）纱线直径/mm15∶8515.005.0010.45671111.360.42920∶8015.463.3210.64691510.980.41625∶7515.996.9611.841226810.640.414由表3可以看出，断裂强度随着芯层所占比例的增加而增加。这是因为芯层纱捻系数高，抱合力大，承受主要的拉伸力，当芯层所占比例增加时，断裂强力也随之增加。条干CV和粗细节指标随着分层结构纱线芯层所占比例的增加而变差。究其原因，可能是由于芯层所占比例增加，芯层在纱线中所处的中心位置易不稳定所致。3 mm毛羽数随着分层结构纱线芯层所占比例的增加而减小，主要是由于结构较为松散的表层比例减小，毛羽数减小。纱线直径随着分层结构纱线芯层所占的比例的增加而减小，这是由于分层结构纱线的表层结构松散，表层比例越小，直径也会相应变小。3 分层结构纱工艺优化及对比分析为了得到各项性能均较优的分层结构纱线，本研究进行优化试验。综合考虑纱线直径（松散程度）和断裂强度，选择芯纱捻系数（因素A）、成纱捻系数（因素B）、芯层与表层比例（因素C）3个因素，各因素选择3个水平进行正交优选试验，其因素水平如表4所示。将纺制出的成纱号数58.3 tex分层结构纱线作为纬纱，经纱选用同一号数普通环锭纱线进行织造，以织物的柔软度作为参考指标反馈纱线的柔软度。.T004表4正交试验水平表水平ABC126023015∶85229026020∶80332029025∶75织物柔软度测试：在SGA598型半自动小样织机上织制10个样品（正交试验样品9个，对照样品1个），在恒温恒压室中静置24 h后进行测试，温度20 ℃，相对湿度62%。由于目前缺乏对内紧外松分层结构纱线的表面柔软手感测试较为精确的仪器，本试验柔软度测试方法采用主观评价法。选取20位纺织工程专业的硕士研究生对9块织物进行柔软度排序评分，满分为10分，求取平均值计算柔软度，所得结果如表5和表6所示。.T005表5正交试验方案结果方案因素柔软度/分断裂强度/（cN·tex-1）ABC11119.8013.1621226.3014.5531332.8016.5342129.1013.7652236.3515.3662313.1017.1273136.8513.9283216.1015.3993323.2017.44.T006表6极差分析指标项目ABC柔软度K16.308.586.33柔软度K26.186.256.20柔软度K35.383.035.33柔软度极差0.925.551.03断裂强度K114.7513.6115.22断裂强度K215.4115.1015.25断裂强度K315.5817.0315.27断裂强度极差0.843.420.05其中，对照样品为相同号数（58.3 tex）、捻系数360的常规环锭纱，其测试结果：成纱断裂强度19.93 cN/tex，对应织物柔软度评分为1.50分。结合表5和表6可以看出，试验所纺制的9种内紧外松分层结构纱线的织物柔软度均好于相同号数、捻系数360的常规环锭纱；而其断裂强度均较差，但都已达到使用标准。由表6极差分析可以判断柔软度影响因素的主次顺序：成纱捻系数芯层与表层比例芯纱捻系数，且当工艺参数选择A1（A2）B1C1（C2）时，纱线手感柔软。通过极差分析可以判断断裂强度影响因素的主次顺序：成纱捻系数芯纱捻系数芯层与表层比例，且当工艺参数选择A3（A2）B3C3时，纱线断裂强度最高。为了判断各因素对指标的重要程度，对数据进行方差分析。在显著性水平α=0.05时，成纱捻系数对内紧外松分层结构纱线柔软度影响显著；芯纱捻系数和成纱捻系数对内紧外松分层结构纱线断裂强度影响显著。结合极差分析和方差分析，综合考虑纱线的断裂强度和织物的手感柔软性能，最终确定最优工艺参数A2B1C1，即芯纱捻系数为290，成纱捻系数为230，芯层与表层比例为15∶85（分层结构纱线号数58.3 tex，芯纱号数8.7 tex）。按照上述所优选的工艺进行纺纱试验，对所得分层结构纱线与相同号数和捻系数的常规环锭纱线进行质量指标对比，测试结果如表7所示。.T007表7分层结构纱线与常规环锭纱线性能对比纱线断裂强度/（cN·tex-1）条干CV/%-30%细节/（个·km-1）+35%粗节/（个·km-1）3 mm毛羽数/（根·m-1）纱线直径/mm分层结构纱14.2410.46632416.40.466常规环锭纱11.778.9523214.10.455由表7可以看出，相同号数和捻系数的分层结构纱线断裂强度优于常规环锭纺纱线，其他指标虽略差，但也都能够满足后道加工对纱线断裂强度的要求。4 结论为了开发柔软产品，本研究利用纱线内外层的捻系数变化规律，在环锭纺细纱机上纺制出内紧外松分层结构纱线，并对这种纱线性能和织物柔软度进行研究，得出以下结论。（1）纺制的内紧外松分层结构纱线，其芯层结构紧密，表层结构松散，利用这种特性可以进行柔软织物的开发。（2）当芯纱捻系数为290、成纱捻系数为230、芯层与表层比例为15∶85时，所纺制58.3 tex内紧外松分层结构纱线在满足断裂强度、条干CV等质量要求的前提下，织物柔软效果相对最佳。（3）采用优选工艺纺制内紧外松分层结构纱线的断裂强度优于相同号数和捻系数的常规环锭纱线，而其织物手感柔软度则明显优于相同号数、捻系数为360的常规环锭纱线织物。