由香港理工大学研发的低扭矩环锭单纱生产技术是一种新型环锭纱生产技术。它通过在环锭细纱机上安装装置,即可直接得到具有低残余扭矩、低捻度、高强力、毛羽少等优点的低扭矩环锭单纱。纱线的内部结构直接影响纱线及其织物的性能,对于这种新型纱线内部结构的研究还不够深入,本课题以分析低扭矩环锭单纱特殊结构为主线,同时分析了主要纺纱参数对低扭矩纱线性能的影响。为更有效地深入分析纱线的结构,本课题设计开发了一个用于研究纱线结构参数的连续观察测量系统,用于分析纤维在纱线中的三维结构特点。该连续观察测量系统可以连续捕捉两个相互垂直面上的示踪纤维形态,进而获取相关信息,重建纤维在纱线中的三维轨迹,同时可以获取纱线结构参数,如纤维径向位置分布、空间取向角、短片段上捻度的分布等。同时,该系统也可用于快速及时地观察纱线表面形态、测量纱线直径等。对不同纱线中示踪纤维形态的跟踪拍摄和对低扭矩纱线中纤维三维形态的深入分析验证了该连续测量系统的有效性和稳定性。为了更有效表征低扭矩纱线中的纤维的特殊形态,如纤维片段的反转现象等,文中提出纤维片段空间取向角方向性的表征方法,以及椭圆形纱线横截面上纤维径向位置的计算方法。通过与普通环锭纱中纤维三维形态的比较发现,环锭纱中纤维主要有两种螺旋路径,即同轴圆柱形螺旋线和同轴圆锥形螺旋线。与环锭纱不同,低扭矩纱线中大多数纤维轨迹呈非同轴异形螺旋线,且其轴线以及螺旋半径在空间上不断变化。此外,低扭矩纱线中很多纤维片段存在无规律的局部反转现象,在同样的纤维径向位置处,低扭矩纱线中纤维的平均取向角常常小于环锭纱中纤维的平均取向角。低扭矩环锭单纱中,大多数纤维倾向于分布在距离纱芯较近的位置,且其径向位置从纱线中心到纱线表面以较大的转移幅值频繁地变化。在对纱线横截面上纤维堆砌密度的研究中,本课题介绍了一个用于不同轴向张力下纱线中纤维堆砌密度研究的试样准备装置。该装置在制备多个试样的同时,可以根据需要为试样施加不同的张力,大大节省备样时间,且提高实验稳定性,本论文通过对Tencel纱和毛纱两类纱线的分析验证了该装置的实用性。在与同样纺纱参数的环锭纱进行比较后发现,纤维在环锭纱横截面上分布的紧密程度受纱线轴向张力变化的影响非常明显,尤其是环锭毛纱,而低扭矩纱线截面上纤维的密度分布变化幅度则相对较缓。同等条件下,低扭矩纱线的纤维堆砌结构比环锭纱线要紧密的多,纤维分布集中,这也验证了关于纱线中纤维三维形态特征的分析。此外,纤维堆砌密度(或纱线密度)与纱线径向位置的关系曲线也可以从这个实验中得到。纱线不同径向位置处纤维螺旋线的螺旋角受到捻度影响,而纱线横截面上纤维的截面形状则根据螺旋角的变化而变化,据此,本课题在纱线性能的理论分析中提出了具有椭圆形截面的纤维理想开启式堆砌时纤维的堆砌密度分布。通过与传统方法中绝对圆形截面时纤维的堆砌分布进行比较,发现两者并无明显差异。此外,随着纱线捻度增加,纤维螺旋线的螺旋角增加,该理论中每个纤维层可容纳的纤维根数减小,但是纱线横截面上纤维的截面面积增大,因而实际纤维层中纤维的分布密度值波动不大。另外,本课题利用能量法、离散纤维原则、最小路径假说,以理想模型为基础,同时结合前文纤维在纱线横截面上的密度分布,分析了低扭矩纱线的拉伸性能。环锭纱的实际拉伸曲线的模量比纤维的平均拉伸曲线的模量低,而低扭矩纱的应力应变曲线与纤维平均应力应变曲线基本重合,这说明在环锭纱的拉伸断裂过程中,有相当一部分纤维轴向没有受力,而在低扭矩纱线的拉伸断裂过程中大部分的纤维轴向能够同时受力,即纤维的强力利用率远远高出环锭纱。虽然理论结果与试验有一定偏差,仍可以结合纱线的结构分析,定性解释纱线的拉伸性能。在低扭矩环锭纱纺纱技术中,由于引进了新的纺纱部件,捻度和D/Y比(假捻器线速度(D)与纺纱速度(Y)之间的比)成为影响低扭矩环锭单纱性能的主要因素。本课题利用二因子响应面分析法来分析了这两个主要纺纱参数对低扭矩针织纱线湿扭结个数、强力、毛羽、条干等性能的影响。在此实验基础上,选取了较优参数进行纺纱实验,对比分析同样条件下纺制的环锭单纱和低扭矩环锭单纱的管纱及筒子纱的主要物理性能,以及相应的针织物的主要性能,如线圈歪斜、顶破强力等。分析结果显示,在给定的针织用纱捻度范围内,随着纱线捻系数的增加,低扭矩纱线的强力,纱线湿扭结个数会显著增加,毛羽减小。随着D/Y比增加,低扭矩纱线强力呈减小趋势,且在低捻度范围内,这种趋势较弱,而随着捻度增加,这种变化趋势比较明显。D/Y比的增加会减小纱线的湿扭结个数。此外,在一定范围内增加D/Y比可以显著降低纱线的3mm以上毛羽根数。通过与同样条件下纺制的普通环锭单纱管纱和筒纱的性能的比较可以得到,在捻度显著减小的情况下,低扭矩环锭纱仍然能够有很好的可纺性,较高的强力,且能够显著降低纱线的残余扭矩和纱线的毛羽。与普通环锭纱针织物相比,低扭矩纱针织物的线圈歪斜得到明显的改善,且织物的顶破强力远大于同捻度的环锭织物,接近于正常捻度的环锭织物的顶破强力。常用低扭矩纱针织物的透气性接近于低捻的环锭纱针织物,且比正常捻度的环锭纱针织物透气性好,抗起毛起球性能上,低扭矩纱针织物与正常捻度的环锭纱针织物接近,且比同捻度的环锭纱针织物好。低扭矩纱线以及织物的这些优良的物理性能可以从纱线的特殊结构上得到解释。大量纤维片段的反向扭转现象有助于减小纱线的残余扭矩,特殊的非同轴异形螺旋线结构和纤维频繁地内外转移增加了纤维之间的接触和摩擦,减小纱线受拉伸时纤维滑脱的机会,从而提高纱线的强力。