普適性柔順光潔紡紗技術(shù)分析與應(yīng)用

徐衛(wèi)林 夏治剛 陳軍 郭沁生 李洪盛 倪俊龍

摘要：歐洲采用優(yōu)化工藝、外加強(qiáng)制性控制力的方法降低紗線有害毛羽，最有效成熟的集聚紡技術(shù)降低細(xì)紗3 mm毛羽高達(dá)80%，但存在能耗大、成紗硬度高等問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本文提出在線降低纖維剛度以提高纖維加捻成紗性能的紡紗方法，研制出配套紡紗技術(shù)裝備，制造出表層致密光潔、內(nèi)部纖維充分轉(zhuǎn)移的柔順光潔紗線，形成柔順光潔紗線技術(shù)，廣泛適用于棉、麻、化纖紡紗領(lǐng)域，具有裝備操作簡(jiǎn)便、性價(jià)比高、易于推廣等方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：柔順光潔紡紗；紗線毛羽；熨燙加熱；產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TS104.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

An Analysis on a Novel Staple Spinning Technology and Its Applications

Abstract： European-developed spinning technologies usually reduce harmful hairiness by optimizing process and employing extra-mandatory control over the fiber assembly. The most sophisticated compact spinning technology can reduce 3-mm hairiness by as high as 80%. However， there exist problems such as high energy consumption and high rigidity of the spun yarn for pneumatic compact spinning. To overcome these problems， this paper develops a novel soft and smooth spinning technology to improve staple spun yarn properties by reducing fiber rigidity online； relevant equipment of this novel spinning technology is also developed to produce soft and smooth yarn with compact smooth surface and sufficient fiber-migration inner-structure. As the novel soft and smooth spinning technology has advantages such as easy operation， low energy consumption， excellent performance of eliminating hairiness， it has been widely and industrially applied to cotton， ramie and chemical staple fiber spun yarn production.

Key words： soft and smooth spinning； yarn hairiness； ironing and heating； industrial application

環(huán)錠紡紗屬于握持端紡紗，對(duì)纖維成形控制力優(yōu)良，迫使須條纖維呈內(nèi)外轉(zhuǎn)式扭轉(zhuǎn)抱合成紗，所紡紗線結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)力高，因此適應(yīng)原料、紗支品種范圍廣，目前在紡織生產(chǎn)中仍占主導(dǎo)地位。在環(huán)錠紡紗過(guò)程中，加捻須條所含纖維量越少、加捻紗線抱合強(qiáng)力越小，就越容易發(fā)生紡紗斷頭，因此普通環(huán)錠紡紗所紡短纖紗中至少含有30根纖維，成紗極限支數(shù)遇到瓶頸。針對(duì)該技術(shù)瓶頸，本課題組與山東如意紡織合作，研發(fā)出嵌入式復(fù)合紡紗技術(shù)，加工出附加值高的超高支紗線及其制品。另一方面，環(huán)錠紡紗三角區(qū)須條邊緣纖維受控性差、邊緣纖維脫離鉗口握持后形成飛花或長(zhǎng)毛羽，導(dǎo)致環(huán)錠紗線有害毛羽過(guò)多、條干不勻率和強(qiáng)度惡化、紗線終端制品質(zhì)量下降的技術(shù)問(wèn)題，纖維剛度越高，上述技術(shù)問(wèn)題越嚴(yán)重。針對(duì)該數(shù)百年來(lái)制約紗線高品質(zhì)成形的毛羽問(wèn)題，歐洲國(guó)家在國(guó)際上推出負(fù)壓集聚紡技術(shù)，降低環(huán)錠紗線 3 mm以上有害毛羽高達(dá)80%，但耗能大、成本高，且有限的氣流控制力尚無(wú)法滿足粗特或高剛性纖維紗條的高品質(zhì)成紗需求。因此，需要研發(fā)一種具有普適性、低成本能耗、低碳環(huán)保的紗線高端制造技術(shù)，大幅提升環(huán)錠紗線及其制品質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)紡織工業(yè)精品化、高科技化將具深遠(yuǎn)意義。

本文針對(duì)環(huán)錠紗線高品質(zhì)成形及負(fù)壓集聚紡紗技術(shù)存在的問(wèn)題，從改善纖維成紗的共性角度實(shí)施創(chuàng)新，在環(huán)錠紡紗三角區(qū)設(shè)置熨燙接觸面，僅對(duì)局部成紗區(qū)內(nèi)須條纖維進(jìn)行濕熱處理（能耗低），達(dá)到纖維玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，瞬間降低纖維剛度，提高纖維受控性能，協(xié)同接觸撫順式加捻作用控制纖維在紗表緊密包纏、在紗內(nèi)充分轉(zhuǎn)移抱合，制造出具有表層致密光潔、內(nèi)部柔順結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)紗線，形成柔順光潔紡紗原理和技術(shù)，巧妙地解決了纖維高品質(zhì)成紗的共性問(wèn)題。通過(guò)原理固化和集成創(chuàng)新，研制出柔順光潔紗線高端制造技術(shù)裝備，以較低成本開(kāi)發(fā)出系列高附加值產(chǎn)品，并在棉、麻、化纖等紡紗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

1 柔順光潔紡紗技術(shù)特征

1.1 柔順光潔紡紗理論特征

基于大量研究和機(jī)理解析，凝練出纖維本身剛度和回彈性是決定紗線加工品質(zhì)的共性科學(xué)機(jī)制：纖維剛度大、回彈性高，成紗品質(zhì)低（圖 1）。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外界溫濕度共同決定纖維剛度和回彈性。常規(guī)紡織纖維內(nèi)部大分子間具有滑移、重鍵構(gòu)特征，在非熱解降解范圍內(nèi)溫度升高，纖維儲(chǔ)能模量降低，剛性和彈性下降（圖 2），纖維自身變形和受控能力大幅提升。

基于決定纖維成紗高品質(zhì)的共性科學(xué)機(jī)制，從改善纖維自身變形和受控能力的角度實(shí)施創(chuàng)新，首次提出了通過(guò)在線降低纖維剛度來(lái)提高成紗品質(zhì)的“柔順光潔紡紗方法”，凝練出柔順光潔紗線高端制造技術(shù)的核心原理：僅在紡紗三角區(qū)加裝柔順光潔處理裝置，通過(guò)柔順光潔處理裝置的熨燙接觸面形成柔化接觸區(qū)，瞬間降低纖維剛度，大幅提高纖維易變形和受控能力（圖 3）。

式（1）中：l為外露纖維頭端長(zhǎng)度；N為纖維頭端所受握持面壓力；q為纖維重力（假設(shè)可忽略）；d為纖維的橫截面直徑；σmax為纖維在彎曲支點(diǎn)O所承受最大抗彎應(yīng)力；T為轉(zhuǎn)移纖維頭端所需扭力。式（1）表明外露纖維越長(zhǎng)、抗彎應(yīng)力（剛度）越小，越易變形和受控扭轉(zhuǎn)而移入紗體。

同時(shí)在柔化接觸區(qū)對(duì)紡紗三角區(qū)須條邊緣纖維進(jìn)行撫順式握持，協(xié)同加捻扭力和引紗張力作用，有效提高紗條內(nèi)部纖維轉(zhuǎn)移、捕捉和緊密纏繞紗條外露毛羽（圖4），大幅提高成紗品質(zhì)。

1.2 柔順光潔紡紗裝備特征

通過(guò)原理固化、集成創(chuàng)新、模塊化設(shè)計(jì)，研制出柔順光潔紡紗技術(shù)裝備。

1.2.1 柔順光潔處理模塊功能強(qiáng)、精密耐用、小巧美觀

循環(huán)優(yōu)化半導(dǎo)體陶瓷粉料（BaTiO3摻稀土）配方及造粒-成形-燒結(jié)-上電極工藝，實(shí)現(xiàn)了高精確自控溫安全熨燙；通過(guò)優(yōu)化絕熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了定向定量精準(zhǔn)釋放熱量；高精密優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工耐磨陶瓷接觸工作面形態(tài)和光滑度。通過(guò)柔順光潔處理模塊的多功能一體化設(shè)計(jì)，包括自控溫、定向釋熱、報(bào)警顯示、防護(hù)等，成功研制出成熟的功能強(qiáng)大、精密耐用、小巧美觀的柔順光潔處理模塊，實(shí)現(xiàn)溫控自動(dòng)化、耗能最小化、操作便捷安全化。

1.2.2 裝置及連接基座的設(shè)備性強(qiáng)

綜合各型號(hào)細(xì)紗機(jī)母體結(jié)構(gòu)特征，研制出柔潔紡紗裝置架，與柔順光潔處理模塊之間實(shí)現(xiàn)插拔式精確連接；研制出連接基座，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)安裝柔潔紡紗裝置，實(shí)現(xiàn)熨燙接觸面與三角區(qū)紗條的高度協(xié)同成形；完成對(duì)約束緊度調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)（圖 5），實(shí)現(xiàn)對(duì)不同細(xì)紗機(jī)臺(tái)上所紡紗線表面毛羽包纏緊度的在線調(diào)節(jié)。

1.2.3 電控模塊裝備可視、安全、簡(jiǎn)潔

完成電控系統(tǒng)模塊的集成控制和連接設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)安裝拆卸便捷化、安全保護(hù)自動(dòng)化、功率能耗可視化。經(jīng)集成創(chuàng)新和循環(huán)優(yōu)化，柔順光潔紗線高端制造技術(shù)裝備成熟，擋車操作方便，目前紡紗效率在97%以上。

1.2.4 柔順光潔紡紗裝備成本較低

與負(fù)壓集聚紡相比，本項(xiàng)目技術(shù)僅采用小局部定向熨燙加熱，運(yùn)行能耗和成本低：目前經(jīng)緯紡機(jī)推出柔潔紡裝備單錠能耗為2.85 W（負(fù)壓緊密紡裝置單錠約為11.9 W）；單錠購(gòu)買安裝成本大幅降低。

1.2.5 柔順光潔紡紗裝備普適性強(qiáng)

目前柔順光潔紗線高端制造裝備是針對(duì)量大、面廣的棉型細(xì)紗機(jī)（占細(xì)紗機(jī)總量85%以上）進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制的，已成熟應(yīng)用于棉纖維、棉型化纖、短麻紡等紗線的高端制備。

1.3 柔順光潔紡紗產(chǎn)品特征

實(shí)踐研究表明：轉(zhuǎn)杯紡紗體為內(nèi)緊外松式層狀包纏結(jié)構(gòu)（圖6（a））；渦流紡紗體為螺旋直徑遞增的纖維單螺旋包纏結(jié)構(gòu)（圖6（b）），紗表光潔、抗起球；但轉(zhuǎn)杯紡、渦流紡紗體內(nèi)部結(jié)構(gòu)纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移不足、抱合力差，紗強(qiáng)低，嚴(yán)重制約紗線高品質(zhì)。環(huán)錠紡紗體內(nèi)纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移充分（圖6（c））、抱合力大，紗強(qiáng)高，但紗表有害毛羽多、易起球；緊密紡降低環(huán)錠紡表面毛羽，但增加紗體內(nèi)部緊度，紗體硬化，嚴(yán)重制約了環(huán)錠紗線高品質(zhì)。

針對(duì)上述紗線結(jié)構(gòu)特征和缺陷，采用柔順光潔紗線高端制造技術(shù)，瞬間降低紡紗三角區(qū)纖維剛度，提高纖維變形和受控能力，增強(qiáng)紗內(nèi)纖維轉(zhuǎn)移率，改善成紗強(qiáng)度和柔順度；撫順握持協(xié)同加捻和引紗張力作用，捕捉和緊密包纏紗條外露毛羽，配合約束緊度調(diào)節(jié)模塊，再次強(qiáng)化毛羽包纏緊度，提高紗線表層光潔致密度。產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐數(shù)據(jù)表明：柔順光潔紗線具有全新優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)，能集中發(fā)揮內(nèi)外結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出柔順光潔（圖 7）、高強(qiáng)的高品質(zhì)性能。由于柔順光潔紗線保留了紗線內(nèi)部纖維充分內(nèi)外轉(zhuǎn)移特征，與內(nèi)部纖維排列較為平直的緊密紡紗線相比，所制成的針織面料硬挺度較小。

2 柔順光潔紡紗技術(shù)應(yīng)用

2.1 柔順光潔紡紗技術(shù)應(yīng)用于棉紡

柔順光潔紡紗裝備主要針對(duì)棉紡加工，適合針織棉紗的柔順光潔成形，大幅降低針織棉紗毛羽（表 1），提高紗線強(qiáng)伸性能（表 2）。

2.2 柔順光潔紡紗技術(shù)應(yīng)用于化纖紡

化學(xué)纖維一般具有明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，熱敏度高。因此普適性柔順光潔紡紗技術(shù)特別適用于紡制化學(xué)短纖紗的生產(chǎn)，實(shí)踐表明柔順光潔紡紗技術(shù)能夠降低滌綸短纖紗毛羽高達(dá)91.5%，降低粘膠短纖紗毛羽高達(dá)93.2%。

2.3 柔順光潔紡紗技術(shù)應(yīng)用于麻紡

自然界中存在許多優(yōu)質(zhì)、高性能纖維原料，如具有抗菌性能的麻纖維、高耐磨高強(qiáng)功能的竹纖維等；然而這些優(yōu)質(zhì)高功能纖維（如麻纖維、芳綸等）往往存在高剛度問(wèn)題，加捻扭轉(zhuǎn)抱合困難，造成纖維成紗品質(zhì)低下。以麻纖維為例，麻是一種優(yōu)質(zhì)的天然纖維素纖維材料，具有抗菌、吸濕排汗、防臭防蟲(chóng)等特質(zhì)，但麻纖維剛度大、扭轉(zhuǎn)形變差等特點(diǎn)，尚不能通過(guò)負(fù)壓式集聚紡、賽絡(luò)紡等加工成高品質(zhì)紗線，纖維特質(zhì)得不到充分發(fā)揮和利用。通過(guò)本項(xiàng)目技術(shù)在難紡高剛度麻類紡紗領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出柔順光潔的漢麻軍品紗，與對(duì)應(yīng)的普通環(huán)錠紡相比，紗線 3 mm毛羽降低81.7%；開(kāi)發(fā)出柔順光潔苧麻紗，與對(duì)應(yīng)的普通環(huán)錠紡相比，紗線 3 mm毛羽降低70.4%，從而實(shí)現(xiàn)了難紡纖維的高品質(zhì)光潔成紗，拓展了紡織原料的種類。

3 結(jié)論

針對(duì)環(huán)錠紗線高品質(zhì)成形及負(fù)壓集聚紡紗技術(shù)存在的問(wèn)題，從改善纖維成紗的共性角度實(shí)施創(chuàng)新，研發(fā)出通過(guò)在線降低纖維剛度以提高成紗性能的柔順光潔紡紗技術(shù)，研制出安裝運(yùn)行成本低、操作便捷的柔順光潔紡紗裝備，實(shí)現(xiàn)了柔順光潔紗線的安全、便捷、低成本紡制，制造出具有表層致密、內(nèi)部纖維充分轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的柔順光潔紗線，技術(shù)得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

（致謝： 非常感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委（國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目No. 51403161；國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目No.51325306）和湖北省科學(xué)技術(shù)廳（湖北省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目No.2014CFB755）對(duì)本研究的資助。）

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