第四节 纤维的卷曲与转曲

卷曲或转曲是纺织纤维特殊的特征之一，大部分用于纺织加工的纤维或多或少都有一定的卷曲或转曲。卷曲可以使短纤维纺纱时纤维之间的摩擦力和抱合力增加，成纱具有一定的强力；卷曲还可以提高纤维和纺织品的弹性，使其手感柔软，突出织物的风格；同时卷曲对织物的抗皱性、保暖性以及表面光泽的改善都有影响。

天然纤维中棉具有天然转曲，羊毛具有天然卷曲。一般化学纤维表面光滑，纤维摩擦力小、抱合力差，纺纱加工困难，所以在加工到最终制品之前，要用机械、化学或物理方法，赋予纤维一定卷曲。

一、纤维的卷曲及表征

纤维的卷曲是指在规定的初始负荷作用下，能较好保持的具有一定程度规则性的皱缩形态结构。卷曲与纤维单纯地由于其形态细长而引起的纠缠弯曲是截然不同的，它是一个相对较为复杂的形态。

1.卷曲纤维的形态结构 纤维的卷曲有自然卷曲和人工机械卷曲两种，自然卷曲如毛纤维，是由于结构形成的，人工形成的卷曲则是利用高分子聚合物的可塑性而施以机械卷曲形成的。

（1）毛纤维的卷曲：天然毛纤维自然状态下的卷曲形态，取决于毛纤维正、偏皮质细胞的分布情况。美利奴绵羊细毛纤维由于正、偏皮质细胞沿截面双侧分布，干缩中收缩率呈现较规则的卷曲波形[图2-7（d）]。这种波形的弧度接近或等于半圆形，卷曲对称于中心线，称为常波卷曲；波幅更大时形成深波、密波、拆线波，山羊绒等常呈三维螺旋卷曲[图2-7（e）～（j）]；粗毛绵羊毛其卷曲弧度小于半圆形，属浅波、弱波、平波，且卷曲数少[图2-7（a）～（c）]；羊毛髓腔过大、皮质层含量过少时，毛纤维的卷曲会消失[图2-7（a）]。

（2）其他纤维的卷曲：为了满足纺织加工的要求，提高化学纤维的可纺性，改善其他短纤维织物的服用性与风格、身骨，在其他天然纤维和化学纤维的后加工时，要用机械、化学或物理方法使纤维具有一定卷曲。

化学纤维的卷曲，有的利用纤维内部结构的不对称而在热空气、热水等处理后产生卷曲；也有利用纤维的热塑性采用机械方法挤压而成卷曲。如维纶、黏胶纤维在加工中不经机械方法卷曲，而只通过热空气和热水处理产生卷曲，称为热风卷曲和热水卷曲。这是因为维纶与黏胶纤维具有皮芯结构，断面是不对称的，在成形时经受拉伸，纤维内部存在不均等的内应力，当内应力松弛时，纤维收缩而产生卷曲，这种卷曲的数量较少，但卷曲呈立体型，卷曲牢度好；复合纤维内部不对称性更为明显，即由两种原液或聚合物形成一根纤维的两侧，它们的收缩性能不同，经成形或热处理后两侧应力不同而形成卷曲，这种卷曲可表现为三维空间的立体卷曲，卷曲数多，而且卷曲牢度好。

合成纤维的卷曲通常是利用其热可塑性进行机械卷曲。机械卷曲早期用齿轮热轧卷曲法，但由于波纹太大，纤维卷曲效果不好，现已少用。目前机械加卷曲的主要方法为填塞箱卷曲法，将丝束从两个罗拉间送入一个金属的密闭小填塞箱中折叠填满，强迫纤维弯折，形成锯齿状二维空间的平面卷曲后，再通入蒸汽热定形，这种卷曲数量多（4～6个/cm），但卷曲牢度差，容易在纺织加工中逐渐消失；另外卷曲在遇到其定形温度以上的温度时候会被消除，其卷曲结构本质上是由于屈曲的纤维外侧和内侧的组织不同或不对称而形成的。

蚕丝、麻纤维、化学纤维长丝经拉伸、热处理、加捻退捻、热刀边刮烫、空气流翻折、网络变形或丝圈丝弧变形等也是卷曲加工。纤维卷曲形态多样，如有的具有周期性正、反螺旋等。卷曲加工可改变纺织品的风格，使之具有特殊的手感和外观，同时还可改善纤维的使用性能。

一般情况下，纤维越细，由于抗弯刚度低，应力不平衡程度高，因而卷曲更细密。

2.卷曲的表达指标 关于一般纤维卷曲性能系统测量除卷曲形态及卷曲数之外，还要注意模量、伸长率、弹性恢复率和稳定性等。用目前已在实施的方法，且在标准温湿度条件下，将纤维（或纤维束或长丝）上端夹持悬挂，下端加各种负载测其长度变化。负载按被测线密度分三种，轻负荷为0.001cN/dtex，中负荷为0.125 cN/dtex，重负荷为1.0 cN/dtex。测试过程为：挂上轻负荷测纤维长度L₀（mm），数取卷曲数n；加挂中负荷10s后，测长度L₁（mm）；卸中负荷（保留轻负荷）2min后测长度L₂（mm）；加挂重负荷，保持3min后，测长度L₃（mm）；卸除重负荷（保留轻负荷）2min后，测长度L₄（mm）；再加挂中负荷10s后，测长度L₅（mm）；卸除中负荷（保留轻负荷）2min后，测长度L₆（mm）。计算各相应指标：

（1）卷曲数J_n（个/cm）：

（2）卷曲模量E（cN/dtex）：

（3）定负荷伸长率ε（%）：

（4）第一次卷曲弹性回复率R_ε1（%）：

（5）卷曲稳定度B（%）：

（6）第二次卷曲弹性回复率R_ε2（%）：

这些指标在系统考核评价中还要注意其变异系数。一般优良的纤维卷曲模量可达1cN/dtex以上；卷曲弹性恢复率第一次可达120%，第二次可达75%；卷曲稳定度可达60%。

对特殊的化学纤维空气变形长丝（图2-8）则更应注意其丝圈数、丝弧数及卷曲稳定度。其一般指标仍按上述条件及式（2-25）～式（2-29）计算。但丝圈、丝弧测量在80～100倍光学显微镜下，定长2mm数取视野内丝圈数和丝弧数（准确到0.5个）不少于100处，然后分别计算100mm长度中的丝圈数和丝弧数。

二、纤维的转曲及表征

1.纤维转曲的概念 纤维的“转曲”是纤维沿轴向发生扭转的现象，棉纤维具有的天然转曲是其具有良好的抱合性能与可纺性能的主要原因之一，由此可见天然转曲越多的纤维品质越好。棉纤维转曲的形成，是由于棉纤维生长发育过程中微原纤沿纤维轴向正反螺旋排列，在其干缩后内应力释放而引起的结果。热湿涨或碱处理棉纤维，胞壁膨胀，转曲近乎消失。仅湿涨的棉纤维重新干燥后，转曲又恢复原状。

一般成熟正常的棉纤维转曲最多，不成熟的薄壁纤维转曲很少，过成熟纤维转曲也少。不同品种的棉纤维转曲数也有差异，细绒棉较长绒棉的转曲少。棉纤维的转曲沿纤维长度方向不断改变转向，时而左旋，时而右旋，这样的现象称为转曲的反向。

2.纤维转曲的表达 扁平带状的纤维的扭转，如棉纤维的天然转曲可以直接在显微镜或投影仪中一定长度的纤维（通常看一个视野）上扭转180°的次数，再换算成每厘米中转曲个数，即以单位长度（1cm）中扭转180°的个数来表征。转曲角的大小也可在显微镜或投影仪测得后进行计算，如图2-9 所示。

转曲的反向可在显微镜或投影仪中直接计数单位长度中的反向次数，也可在偏光显微镜中观察计数微原纤的反向次数。当棉纤维平行放置在正交的起偏与检偏的偏光显微镜中，S捻呈黄色到橘红色，Z捻呈纯蓝色。这种捻向可用手工加捻的黏胶长丝进行校对。在S到Z的反向处有一段消光带，因此能在偏光镜下直接计数消光带出现的次数，来表示微原纤的反向次数。

转曲反向与偏光镜下原纤螺旋线反向是一致的。只有在两次微原纤反向的距离很近时，由于纤维胞壁无法扭转而转曲不呈现反向，但偏光镜中的改变十分明显，故这种颜色改变次数更能反映微原纤的反向次数较转曲的反向次数多，各根纤维的微原纤反向次数的差异也很大。

由于天然转曲的测定值受到纤维含水和纤维张力的影响，转曲的测定必须在一定张力与一定温湿度条件下进行，否则会影响测试数据的正确性。相对湿度对转曲的影响见表2-6。

棉纤维的转曲较多时，纤维间的抱合力大，在棉纺加工中不易产生破棉网、破卷等现象，有利于纤维的纺纱工艺与成品质量。但转曲的反向却使棉纤维的强度下降。有研究得出，单位长度中反向次数多的棉纤维强度较低，反向次数少的棉纤维则强度较高。在大量的强度测试中也显示，棉纤维断裂处常靠近微原纤的反向处，也有一部分纤维断在反向处或两个反向的中间。在反向处断裂的纤维的强度较靠近反向处的强度高25%，故可以认为，反向处本身不一定是棉纤维弱环所在，但微原纤的反向确实引起了棉纤维的弱环。