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羊绒静电分离基本原理的探讨
蒋少军、冯永龙（兰州理工大学机电工程学院）
0 前言
山羊绒是一种很细的绒纤维，平均细度大约在14~15μm。这种绒纤维手感柔软，光泽好，是高级的毛纺原料。用它制成的针织衫外观美观高雅，手感柔软，穿着舒适，是受到国内外消费者青睐的高档毛纺产品，所以羊绒被誉为“纤维之王”、“软黄金”。而其中的白绒白如雪，轻如云，又有人将它誉为“白色的彩云”、“白色的金子”。我国以得天独厚的地理优势和自然环境成为羊绒的主产国。但由于山羊生活习性特别，对环境破坏较大，不宜大规模扩大养殖数量，因此提高无毛绒综合提取率，降低纤维损伤，进而有效利用现有羊绒资源成为山羊绒领域研究的重点。
山羊绒分梳前需要经过预处理，一般加工的流程是：原绒→手拣→打土→洗绒→开松混和→分梳→山羊绒。原绒先经人工挑选，剔除集束的粗毛、死毛、异色毛、毡块毛和大块杂质等，后经打土机初步开松并去除所含的松散砂土杂质，打土后的原绒称过轮绒。上述两工序常在产地或集散地的绒毛加工厂进行。洗绒与洗毛的方式相同，但以选用中性洗剂和低温为宜，可使纤维损伤和毡缩都少，能获得洁净而松散的净绒，有利于分梳。
山羊绒分梳时，要求有较高的绒毛提取率，同时还要求山羊绒中含粗率、含杂质率不超过一定数值，保持一定的纤维长度，其中无毛绒长度是个十分重要的指标，它不仅关系到无毛绒的质量和价格，而且也关系到无毛绒的提取率，因此在分梳过程中减少长度损伤，是长期以来国内外共同关注的问题。
1 山羊绒分梳的作用
用山羊绒分梳机和气流作用，去除山羊原绒中粗毛、死毛和皮屑杂质。绒山羊的被毛中包含两类纤维，一类是粗毛和死毛，另一类是生长在被毛底部的细绒毛，即通常所称的山羊绒。每年春季山羊脱毛之际，用特制的铁梳从山羊躯体上抓取的绒毛称为山羊原绒。洗净的原绒经分梳后得到的山羊绒，是纺织工业的优质原料。
山羊绒分梳是一项技术性较强的专门工艺。约在20世纪初英国开始研究取得成效。中国在50年代开始研究，最早曾用罗拉梳毛机和圆型精梳机加工，精梳机的落毛即为山羊绒。以后，研制了各种山羊绒分梳机，利用粗毛、绒毛和皮屑、杂质的不同特性，在罗拉梳理过程中使之相互分离，获得山羊绒。70年代研究成功运用盖板梳理方法去除粗、短纤维和杂质的分梳新工艺。山羊绒分梳主要有离心惯性力、拔取和气流等三种作用。
1.1 离心惯性力作用
粗毛粗而长，质量比绒毛大数十倍，且刚性大，呈挺直状，它与绒毛或金属的摩擦系数小，所以在梳理时一般粗毛易于突出针面，不易被针握持，因此高速回转梳理机件针面上的粗毛在离心惯性力和空气阻力作用下很易抛离针面而落下，而绒毛则因柔软卷曲易被针握持。抛离针面的粗毛和杂质,可利用另一针面或去粗刀予以除去。
1.2 拔取作用
由于粗毛质量比绒毛大，在高速回转针面上的粗毛受离心惯性力和空气阻力作用在针面上的翘角（纤维与针面的切向夹角）比绒毛大，所以粗毛突出针面较高，利用拔毛罗拉将突出针面较高的粗毛拔走。
1.3 气流作用
因离心力作用而抛离针面部分的绒毛，可利用去粗刀处气流作用使之回收，从而大大减少落物中绒毛含量。
2 传统分梳技术的缺点
目前世界上山羊绒分梳设备大致可分为3种，即盖板式分梳生产工艺、罗拉式分梳生产工艺、盖板和罗拉结合式。其分梳工艺原理都是经过几道羊绒分梳将粗毛肤皮除去，获得优良的无毛绒。
传统分梳工艺无论是毛式分梳路线，棉式分梳路线还是毛棉综合式分梳路线，以及机械与气流结合式等，其分梳原理虽各有侧重，但其本质基本相同。即在梳理原理的前提下突出分离，这类分梳设备虽技术成熟，操作简单，应用广泛，但却有其难以解决的矛盾，即提取效率与纤维损伤之间的矛盾。表1是洗净绒经预开松后采用棉式设备分梳时，刺辊转速与纤维损伤的关系。
从表1可以看出，在棉式设备中提高刺辊（或罗拉）转速会提高纤维的损伤率，所以在实际生产中应降低转速以保持纤维完好，但是降低转速又会减小刺辊（或罗拉）打击纤维的力度，不利于甩粗除杂，使一次提取的无毛绒不符合成品要求。所以，还需二次分梳甚至多重分梳。这样虽然降低了纤维的一次损伤率，但由于反复的机械作用，同样会对纤维造成损伤。受这一因素限制，传统分梳设备对纤维的长度损伤一般都在14%~15%，即使是使用目前较先进的BSLD-95型羊绒联合分梳机，山羊绒长度损伤也高达12%，这严重制约了羊绒制品品质的提高。
3 羊绒静电分离的基本原理
传统工艺生产中发现，羊绒的静电现象比较严重，造成粘辊、飞毛等现象，给加工带来困难。而静电分离工艺恰恰是利用了羊绒的这一电学特性，并利用一定的物理手段加强静电效应，然后用稳定的水平气流将悬浮在其中的经充分开松的带电绒纤维送入稳定的静电场中，受重力和静电场力的共同作用使原绒在原有水平运动的基础上叠加垂直方向的运动。由于不同细度的纤维在垂直方向受力状况不同，使其出现不同的运动轨迹，进而实现无毛绒、两型毛、粗毛之间的分离。由于在整个分离过程中，原绒只受重力和静电场力的作用，而不受任何接触式的机械力作用，所以就分离过程而言可以实现无损伤。
下面按国家规定的毛与绒的分界标准（≤25μm为绒，＞25μm为粗毛）对不同细度的纤维在静电场中的运动轨迹做一定性描述。
设纤维直径为r，表面积为S，体积为V，长度为L，体积密度为ρ，质量为m，则7μm≤r绒≤25μm，r绒≈14μm。
定义介于25μm和35μm之间的纤维为绒纤维与粗毛纤维之间的界限毛。
则25μm≤r界≤35μm。
r界≈30μm，r毛＞35μm。
由于毛纤维的横截面近似为圆形，故为了计算方便，将毛纤维看成是理想圆柱体，如图1所示。
图1 设定毛纤维是理想的圆柱体模型
则毛纤维面积为：S=S1+2S2
S1=πrL，S2=（1/4）πr2
由于：S2 ＜＜S1，所以：S=S1=πrL
毛纤维体积为： V=S2L=（1/4）πr2L
毛纤维质量为：m=ρV=（1/4）ρπr2L
设纤维的比表面积为ε，则
ε=s/ν=πrL/（1/4）πr2L=4/r
即ε是一个仅与纤维质量相关的量。设单位质量的纤维所对应的表面积为D。
则 D=s/m=4/ρr =ε/ρ
即D是一个仅与纤维直径相关的量。
设带电纤维表面的电荷面密度为δ，纤维带电量为q，
则 q=Dδ=4δ/ρr
设带电纤维在静电场中所受的电场力为f（见图2）。则 f=Eq，E=U/d
f=Uq/d= 4Uδ/ρdr
图2 带电纤维在静电场中所受电场力的模型
当q不变时， f随U的增大而增大，以界限毛的中间直径r=30μm为标准。
令f0=mg, 即Uq/d=mg, 则U=mgd/q
令u0=U=mgd/q
当u0一定时，
f=4U0δ/dρr=(4U0/d)(1/ρ)(1/r)δ
=(U0/d)(1/ρ)εδ
由上式可以看出，f的变化受（1/ρ）、ε、δ的共同影响，其中ε是与r直接相关的量，ε随r的减小而增大，呈反比例变化，而（1/ρ）与δ也随r的变化发生轻微的变化，其中1/ρ随r的减小而减小，δ随r的减小而增大，所以 (1/ρ)、ε、δ虽然都随r的变化而变化，但对f的影响不同。 (1/ρ)随r的减小使f相对减小，而ε、δ随r的减小f相对增大，但由于(1/ρ)随r的变化不大，所以其对f的影响远小于ε、δ共同对f的影响，为方便计算忽略ρ对f的影响。设ρ为定值，则f只受ε、δ的影响。
综合以上分析可得下列关系：
f绒＞mg，f0=mg，f毛＜mg
由以上关系，根据牛顿运动定律，绒纤维在水平方向基础上叠加的是垂直向上的运动，粗毛纤维在水平运动基础上叠加的是垂直向下的运动，而界限毛几乎不叠加任何运动，根据运动的矢量合成原理，3种不同粗细的纤维（以平均细度计）在电场中将呈现下列3种不同的运动轨迹（见图3），进而实现3种纤维的分离。此外，原绒当中夹杂的肤皮也可以通过这种方法去除，由于肤皮比表面积远小于毛纤维而体积重量又大于毛纤维，所以其表面也带正电，但其运动只受重力影响且先于粗毛下落。
图3 不同粗细的纤维在电场中呈现不同的运动轨迹
4 羊绒静电分离工艺的控制
因为静电分离工艺与传统分梳工艺及理论有着本质的不同。传统分梳工艺要求尽可能消除静电，而静电分离则要求尽可能地增大静电作用，所以在分离前准备以及分离工作环境等方面也与传统工艺有很大不同。
4.1 洗绒
传统工艺为消除静电作用，往往在漂洗液中加入抗静电剂，静电分离由于有对静电的特殊要求，而不必加任何抗静电剂。
4.2 加油水
为了消除静电作用，在分梳前，传统工艺流程中有加油水的工序，而静电分离则必须省去，这样可以节约成本，也可以缩短加工时间。
4.3 工作环境
传统工艺要求原绒保持很高的回潮率以消除静电，而静电分离为保持静电的稳定要求回潮率尽可能低，所以一般须在干燥的环境中进行。
5 结论
长期以来山羊绒的取绒方式,既要使细绒提取率高,又要使其含粗率、含杂率低,还要尽可能地保护绒毛的长度，这样生产上十分困难，这些困难需采用一些特殊的工艺技术手段加以克服。而静电分离则利用静电场原理把分离与梳理分在不同环节进行，使其都能在保护纤维的前提下进行，而又不影响提取率的提高，是一种比较理想的分离方式。
以上分析都基于开松彻底、气流稳定、电场稳定、忽略空气阻力的理想条件，至于更具体、更贴近现实的分析尚需要大量实验事实为基础。
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