紡紗新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

汪 軍

（東華大學(xué)，上海，201620）

紡紗活動(dòng)伴隨著人類文明的推進(jìn)而發(fā)展?；仡櫦徏喖夹g(shù)的發(fā)展歷程，離不開開松、梳理、牽伸和加捻四大原理，目前紡紗技術(shù)也基本沒有完全突破這些原理，只是在實(shí)現(xiàn)方式上有所區(qū)別或者在細(xì)節(jié)方面有所豐富。從動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)的角度來看，由于蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變頻技術(shù)和伺服電機(jī)等的應(yīng)用，極大提高了紡紗效率和成紗質(zhì)量的穩(wěn)定性。

當(dāng)前的紡紗產(chǎn)業(yè)界，環(huán)錠紡仍占主導(dǎo)地位，而轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡也得到了迅速發(fā)展，成為新型紡紗中的主力軍。環(huán)錠紡的發(fā)展出現(xiàn)了集聚紡、低扭矩紡、全聚紡、聚纖紡、賽絡(luò)紡和數(shù)碼紡等，而新型紡紗技術(shù)中出現(xiàn)了靜電紡、轉(zhuǎn)杯紡、摩擦紡、噴氣渦流紡、自捻紡和離心紡等新方法。本文分別就環(huán)錠紡紗與新型紡紗兩種體系來分析近年來紡紗新技術(shù)的進(jìn)展，并展望未來的發(fā)展趨勢。

1 紡紗新技術(shù)的進(jìn)展

1.1 環(huán)錠紡紗新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

迄今為止，環(huán)錠紡依然是紡紗技術(shù)應(yīng)用的主體，其優(yōu)點(diǎn)和不足均非常明顯。環(huán)錠紡的優(yōu)勢體現(xiàn)在成紗結(jié)構(gòu)合理、適紡號(hào)數(shù)范圍廣等方面，尤其是在特細(xì)號(hào)紗領(lǐng)域。其缺點(diǎn)是工序長、紡紗速度受限、卷裝尺寸受限、用工相對(duì)較多。以下從3 方面闡述環(huán)錠紡新技術(shù)的發(fā)展。

1.1.1 環(huán)錠紡的改良技術(shù)

近年來，集聚紡、低扭矩紡（假捻紡）、柔潔紡、復(fù)合紡和數(shù)碼紡等技術(shù)的涌現(xiàn)和應(yīng)用，使環(huán)錠紡紗技術(shù)得以進(jìn)步與改良，成紗質(zhì)量得到提高與改善。集聚紡?fù)ㄟ^縮小紡紗三角區(qū)而大幅減少紗線毛羽，自1999 年進(jìn)入市場以來，已在環(huán)錠紡中占有相當(dāng)大的比例。低扭矩紡紗結(jié)合了纜形紡和假捻技術(shù)，改善了紗線的殘留扭矩，也得到了一定范圍的應(yīng)用［1-2］。柔潔紡在紡紗三角區(qū)設(shè)置柔化接觸面，使纖維須條在濕熱作用下改善紗線的扭轉(zhuǎn)剛度［3］。數(shù)碼紡是通過獨(dú)立驅(qū)動(dòng)后羅拉、中羅拉和前羅拉構(gòu)成2 個(gè)～3 個(gè)獨(dú)立牽伸通道，對(duì)2 組～3組粗紗喂入進(jìn)行精確控制后用于生產(chǎn)段彩紗或色紡紗［4］。

1.1.2 設(shè)備自動(dòng)化與智能化進(jìn)展

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，在“兩化融合”和“工業(yè)4.0”的背景下，紡紗加工過程基本可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，很多工序也實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化，正朝數(shù)字化、信息化和智能化方向發(fā)展［5］。 清梳聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、細(xì)絡(luò)聯(lián)等技術(shù)已得到廣泛使用［6］，單機(jī)的自動(dòng)化水平也得到長足進(jìn)步，用工顯著減少，在一些示范生產(chǎn)線上，萬錠用工已降至10 人以內(nèi)。同時(shí)由于紡紗生產(chǎn)過程中數(shù)字化與信息化不夠［7］，缺少對(duì)纖維在各工序的全面在線監(jiān)測與控制，距離真正意義上的智能化尚有不小的差距，特別是在工藝智能設(shè)置與生產(chǎn)過程中的自我學(xué)習(xí)、自我診斷和自我決策等方面還有很長的路要走。

1.1.3 紡紗器材與專件的進(jìn)步

絕大多數(shù)紡紗器材與專件是在紡紗過程中與纖維集合體直接接觸的，對(duì)紡紗過程與質(zhì)量有很大影響，其作用不容小覷。近年來紡紗器材與專件也有很大進(jìn)步。如針布在材料、加工、后處理和齒形設(shè)計(jì)等方面均有進(jìn)展，可實(shí)現(xiàn)柔性分梳、保護(hù)纖維、超強(qiáng)耐磨、提高壽命等；鋼領(lǐng)和鋼絲圈采用特種合金材料和特殊后處理技術(shù)，顯著延長其使用壽命；膠輥在材料配方、多種纖維適應(yīng)性和周期研磨技術(shù)等方面取得了較大進(jìn)展；在其他方面，也出現(xiàn)了集聚紡紗羅拉、網(wǎng)格圈、導(dǎo)條器、壓力棒、低扭矩紡紗加捻器和柔順紡紗須條處理器等新器材與專件［8-9］。 由于紡紗過程中需要監(jiān)測，紡織器材、專件與傳感器的結(jié)合是未來的一個(gè)重要工作，既起到器材與專件的作用，又起到傳感器的用途。目前紗管安裝無線射頻已有應(yīng)用［10］。

1.2 新型紡紗新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

一般將除環(huán)錠紡以外的紡紗技術(shù)稱為新型紡紗，在20 世紀(jì)曾經(jīng)出現(xiàn)過10 余種新型紡紗方法，由于各種因素，目前在行業(yè)應(yīng)用的主要是轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡，摩擦紡也還有一定應(yīng)用。

1.2.1 轉(zhuǎn)杯紡

轉(zhuǎn)杯紡技術(shù)的進(jìn)展可以用“高速，細(xì)號(hào)，高自動(dòng)化和產(chǎn)品多元化”來概括。轉(zhuǎn)杯紡早期只能加工低檔原料紡制副牌紗，如今發(fā)展到已可以使用好原料生產(chǎn)中高檔紗，并在中粗號(hào)紗領(lǐng)域占有相當(dāng)份額。紡紗速度進(jìn)一步提高，半自動(dòng)轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)轉(zhuǎn)杯速度達(dá)到100 000 r/min～120 000 r/min，全自動(dòng)轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)轉(zhuǎn)杯速度則高達(dá)150 000 r/min～200 000 r/min，最高引紗速度可達(dá)300 m/min。紡紗號(hào)數(shù)也從原來的58.3 tex 下降到14.6 tex，拓展了適紡范圍。轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)自動(dòng)化程度非常高，如采用數(shù)字化自動(dòng)接頭系統(tǒng)、電子清紗器在線監(jiān)控、單頭驅(qū)動(dòng)控制、自動(dòng)落紗和負(fù)壓穩(wěn)定系統(tǒng)等，極大減少了用工［11］。此外，低捻裝置、轉(zhuǎn)杯花式紗的技術(shù)也有進(jìn)展，通過低捻裝置的應(yīng)用，可以有效降低轉(zhuǎn)杯紗的捻度，增加紗線的柔軟度［12-13］。轉(zhuǎn)杯竹節(jié)紗等產(chǎn)品的開發(fā)，也豐富了轉(zhuǎn)杯紗的產(chǎn)品種類［14-16］。

1.2.2 噴氣渦流紡

噴氣渦流紡最早是由村田公司在其噴氣紡的基礎(chǔ)上研制成功的，其初衷是開發(fā)能夠紡制純棉纖維的“自由端噴氣紡”技術(shù)，實(shí)際上目前的噴氣渦流紡既不適合紡制普梳純棉紗，也不是完全的自由端加捻，準(zhǔn)確地說是半自由端加捻［17］。與轉(zhuǎn)杯紡類似，噴氣渦流紡也具有流程短、速度快、設(shè)備自動(dòng)化和智能化程度高、節(jié)省用工等多方面的優(yōu)勢。噴氣渦流紡的紡紗速度可達(dá)550 m/min 以上，紗線毛羽較少，表面光潔。其缺點(diǎn)是對(duì)纖維原料的要求較高，特別是對(duì)長度整齊度指標(biāo)要求很高。噴氣渦流紡適合紡制中細(xì)號(hào)紗，現(xiàn)在處于快速發(fā)展階段，在關(guān)鍵器材、產(chǎn)品開發(fā)、工藝研究方面還有待于深入研究［18］。

1.2.3 摩擦紡

摩擦紡是奧地利弗勒爾博士提出的一種新型自由端紡紗方法。摩擦紡?fù)ㄟ^塵籠采用負(fù)壓方式來吸附凝聚纖維，同時(shí)利用塵籠回轉(zhuǎn)對(duì)須條進(jìn)行搓動(dòng)加捻。摩擦紡適合紡特粗號(hào)紗。但是因?yàn)榧徏啴a(chǎn)量高，產(chǎn)品局限性較大，近些年主流制造商均不生產(chǎn)該設(shè)備。

2 紡紗新技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1 環(huán)錠紡紗新技術(shù)的發(fā)展趨勢

環(huán)錠紡是典型的非自由端加捻，其產(chǎn)品在可預(yù)見的未來不可能被轉(zhuǎn)杯紡、噴氣渦流紡全部替代。環(huán)錠紡未來發(fā)展的方向是連續(xù)化、短流程、節(jié)能化和高速化，以下分別進(jìn)行展望分析。

2.1.1 全流程連續(xù)化

環(huán)錠紡實(shí)現(xiàn)全流程連續(xù)化和無人值守一直是紡織人追求的目標(biāo)之一。清梳聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、細(xì)絡(luò)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)極大壓縮了用工，隨著近年的梳并聯(lián)、車間物流小車和自動(dòng)碼垛打包系統(tǒng)的使用，以及細(xì)紗自動(dòng)接頭技術(shù)的出現(xiàn)，使環(huán)錠紡無人操作在技術(shù)層面的問題基本得到解決。

梳理與并條的聯(lián)合機(jī)早在20 世紀(jì)60 年代就有人進(jìn)行研究了，但受制于多供一緩存式的產(chǎn)能平衡、奇數(shù)配置法則等問題一直很難產(chǎn)業(yè)化［19］。2020 年，經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司解決了多臺(tái)梳棉機(jī)向一臺(tái)并條機(jī)供料、斷頭情況下梳并聯(lián)系統(tǒng)的正常運(yùn)行等問題，在梳理與并條的連接環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)條子翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)裝置、條子輸送裝置，加入條子緩存裝置以緩沖和隔離單機(jī)斷頭停臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的影響［20］。目前該梳并聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)得到試用，攻克了紡紗全流程連續(xù)化中的一個(gè)難題。

工業(yè)化生產(chǎn)中的細(xì)紗接頭仍需要人工處理，因此細(xì)紗自動(dòng)接頭是實(shí)現(xiàn)紡紗無人值守所必須攻克的另一技術(shù)難題。20 世紀(jì)80 年代，國外就出現(xiàn)了自動(dòng)接頭機(jī)樣機(jī)，但是未能在行業(yè)中大規(guī)模使用［21］，可能存在兩個(gè)原因：一是自動(dòng)接頭機(jī)的研發(fā)不成熟，二是行業(yè)需求不強(qiáng)烈。隨著全球勞動(dòng)力成本提高，最近幾年細(xì)紗自動(dòng)接頭技術(shù)再度成為熱點(diǎn)。2019 年巴塞羅那ITMA 展會(huì)上，立達(dá)公司推出的細(xì)紗機(jī)自動(dòng)接頭機(jī)是一大亮點(diǎn)［22］，隨后許多公司紛紛推出細(xì)紗接頭解決方案。由于有絡(luò)筒工序切除紗線疵點(diǎn)的保障，因而對(duì)細(xì)紗接頭質(zhì)量的要求不是很高?？梢灶A(yù)計(jì)細(xì)紗自動(dòng)接頭技術(shù)將日趨成熟，該裝置的價(jià)格也會(huì)逐漸下降，有望產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模使用。

2.1.2 縮短紡紗流程

縮短環(huán)錠紡流程也是紡織人的一大夢想，而超大牽伸則是縮短環(huán)錠紡流程的核心。超大牽伸是一個(gè)經(jīng)典課題，20 世紀(jì)50 年代～70 年代，國內(nèi)外均有采用無捻棉條直接喂入細(xì)紗機(jī)超大牽伸裝置進(jìn)行紡紗的探索，但終因成紗質(zhì)量較差等因素，不適于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用而被棄用［23］。后期雖然一直有研究者不斷在探索，如采用三羅拉、四羅拉和五羅拉膠圈牽伸系統(tǒng)的方式［24］，但是同樣也存在著紗線質(zhì)量和適用性的問題。四羅拉三區(qū)雙向延伸膠圈超大牽伸裝置的出現(xiàn)，給超大牽伸帶來了新的思路［25］。該裝置前牽伸區(qū)保留了向前（須條運(yùn)動(dòng)方向）延伸的雙膠圈，發(fā)揮主牽伸能力；中牽伸區(qū)則是簡單的羅拉牽伸，保持一定的張力牽伸；后牽伸區(qū)則設(shè)置了向后延伸的雙膠圈，以增大后區(qū)牽伸倍數(shù)至原來的2 倍～3 倍，提升了總牽伸能力，最終可實(shí)現(xiàn)超大牽伸。

2.1.3 綠色節(jié)能降耗

紡紗過程中的節(jié)能降耗也是研究熱點(diǎn)之一。以集聚紡為例，集聚紡一般可以分為機(jī)械式和氣流式兩種方式。 機(jī)械式集聚效果略差，但能耗小。負(fù)壓氣流式的集聚效果較好，但因負(fù)壓大而導(dǎo)致能耗較大。有研究表明，網(wǎng)格圈負(fù)壓集聚紡在集聚區(qū)也是半自由端加捻，只要須條外端少數(shù)纖維包纏主體即可達(dá)到集聚作用［26］。因此出現(xiàn)了脈聚紡、集聚紡加導(dǎo)流裝置等技術(shù)方案。脈聚紡?fù)ㄟ^對(duì)集聚槽進(jìn)行分段式處理，利用其獨(dú)特的集聚槽結(jié)構(gòu)減少風(fēng)量從而降低能耗［27］。在網(wǎng)格圈集聚槽上方加裝氣流導(dǎo)流裝置改變氣流速度和方向，可以更高效利用氣流起到集聚作用，通過降低負(fù)壓從而減少能耗［28］。立達(dá)和緒森等公司不斷推陳出新，在集聚效果、集聚能耗等方面持續(xù)改進(jìn)［29-31］，預(yù)計(jì)低能耗的集聚紡在未來還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大市場占有率。

2.1.4 提高紡紗速度

與新型紡紗相比，環(huán)錠紡的紡紗速度相對(duì)較低，主要受制于鋼領(lǐng)鋼絲圈摩擦副和氣圈張力兩大因素。鋼領(lǐng)與鋼絲圈巧妙配合拓展了環(huán)錠紡的應(yīng)用，但同時(shí)也限制了紡紗速度，這主要是因?yàn)殇摻z圈鋼領(lǐng)是滑動(dòng)摩擦形式，無法承受更高紡紗速度帶來的磨損和升溫等問題。針對(duì)這些問題，有文獻(xiàn)報(bào)道考慮用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦的方案來降低鋼絲圈磨損，提高紡紗速度；也有考慮設(shè)計(jì)一個(gè)采用磁懸浮驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)環(huán)代替現(xiàn)有的鋼絲圈鋼領(lǐng)組合來進(jìn)行加捻，從而提高紡紗速度；但是這些基本處于設(shè)想或者研發(fā)的初期［32］。

卓斯特公司推出的環(huán)錠紡多級(jí)氣圈紡紗技術(shù)，通過增大導(dǎo)紗鉤至鋼領(lǐng)鋼絲圈加捻點(diǎn)的距離，將原來的單氣圈改為7 個(gè)～8 個(gè)多級(jí)氣圈，目的是保證紡紗時(shí)氣圈的動(dòng)態(tài)張力小于紗線動(dòng)態(tài)強(qiáng)力，從而可以提高錠速。 目前錠子速度可提高到34 000 r/min［33］60，這或許能夠?yàn)榄h(huán)錠紡紗技術(shù)的突破帶來希望。

2.1.5 新型紗線結(jié)構(gòu)

在紗線結(jié)構(gòu)方面也出現(xiàn)了一些新的技術(shù)。給液紡?fù)ㄟ^直接接觸形式對(duì)前羅拉鉗口與導(dǎo)紗鉤之間的加捻段纖維須條進(jìn)行給液處理，利用液體與棉纖維間的潤濕與黏合，以及機(jī)械作用貼伏毛羽，提高成紗性能［34］。芯層黏合紡是短纖維環(huán)錠包芯攜黏合劑的長絲，浸潤黏合劑的長絲與前羅拉輸出的須條匯聚并進(jìn)行加捻，須條內(nèi)的短纖維發(fā)生轉(zhuǎn)移并相互抱合形成連續(xù)的紗線［35］。內(nèi)外分層環(huán)錠紗是以棉纖維紡制而成的環(huán)錠紗作為芯層，表層同樣采用棉纖維，在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上運(yùn)用包芯紗成紗機(jī)理紡制內(nèi)外層捻度不同的分層結(jié)構(gòu)紗線［36］。

2.2 新型紡紗新技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.2.1 轉(zhuǎn)杯紡

轉(zhuǎn)杯紡在裝備上的技術(shù)進(jìn)展主要是單頭控制技術(shù)、磁懸浮軸承應(yīng)用等。雙分梳轉(zhuǎn)杯紡和數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡或許會(huì)給轉(zhuǎn)杯紡帶來新的發(fā)展方向。雙分梳轉(zhuǎn)杯紡的核心是將傳統(tǒng)的單喂入單分梳單轉(zhuǎn)杯形式改為雙喂入雙分梳單轉(zhuǎn)杯配置，兩路獨(dú)立喂入的條子經(jīng)過各自分梳輥分梳后再經(jīng)各自輸纖通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯凝聚加捻成紗，可以紡制纖維性能差異較大的轉(zhuǎn)杯混紡紗［37-38］。數(shù)碼轉(zhuǎn)杯紡則是采用3 個(gè)喂給羅拉在伺服電動(dòng)機(jī)的控制下將3 根纖維條分別喂入分梳輥，可紡制轉(zhuǎn)杯色紡紗［39］。

2.2.2 離心紡

豐田公司在2019 年巴塞羅那ITMA 展會(huì)期間推出了離心紡紗樣機(jī)，粗紗經(jīng)牽伸裝置后由前羅拉連續(xù)輸出纖維條，進(jìn)入高速回轉(zhuǎn)的圓柱形離心罐中，紗條在離心力作用下緊貼于罐內(nèi)壁而與罐子同轉(zhuǎn)，對(duì)紗條進(jìn)行非自由端加捻，并利用紗條轉(zhuǎn)動(dòng)速度落后于離心罐而產(chǎn)生卷繞，可形成紗餅。當(dāng)卷繞達(dá)到一定長度要求時(shí)，將紗餅上的紗退繞到筒管上。離心紡紗取消了鋼領(lǐng)鋼絲圈和氣圈，離心罐的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到50 000 r/min［33］61。

3 展望

3.1 環(huán)錠紡

（1）實(shí)現(xiàn)環(huán)錠紡智能紡紗。即實(shí)現(xiàn)全流程連續(xù)化、智能化，實(shí)現(xiàn)無人操作，包括實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)置和在線調(diào)整的智能化；實(shí)現(xiàn)超大牽伸，取消粗紗工序，紡紗流程可以縮短；實(shí)現(xiàn)全流程在線檢測和單錠質(zhì)量控制與追溯。

（2）提高紡紗速度。 錠子速度有望達(dá)到30 000 r/min～50 000 r/min，目前鋼領(lǐng)鋼絲圈滑動(dòng)摩擦的形式可能發(fā)生重大改變，鋼絲圈被取消，紡紗氣圈實(shí)現(xiàn)多級(jí)氣圈。

（3）實(shí)現(xiàn)細(xì)紗機(jī)單錠傳動(dòng)、單錠控制和自動(dòng)接頭。

（4）取消化纖短纖紡紗梳理過程，可直接成條（斷裂紡）后進(jìn)入后續(xù)流程［40］。

（5）出現(xiàn)有別于目前環(huán)錠紡鋼絲圈加捻方式的非自由端紡紗方式，如離心紡紗。

3.2 新型紡紗

（1）全自動(dòng)轉(zhuǎn)杯紡與半自動(dòng)轉(zhuǎn)杯紡技術(shù)全面融合，出現(xiàn)類似環(huán)錠賽絡(luò)紗結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)杯紡技術(shù)。

（2）噴氣渦流紡的紡紗速度有望得到進(jìn)一步提高。

（3）摩擦紡會(huì)有一定程度的復(fù)蘇，其原料會(huì)涉及高性能纖維，紗線產(chǎn)品主要在產(chǎn)業(yè)用紡織品方面。

（4）兩種或兩種以上的紡紗方式組合紡制復(fù)合紗的技術(shù)得到應(yīng)用。

4 總結(jié)

通過以上分析，得到以下結(jié)論。

（1）紡紗技術(shù)未來的發(fā)展方向是連續(xù)化、高速化、智能化和綠色節(jié)能。

（2）紡紗新技術(shù)的發(fā)展需要有應(yīng)用基礎(chǔ)研究的支撐。紡紗的本質(zhì)科學(xué)問題是建立纖維集合體的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上研究纖維-機(jī)械-氣流等耦合多體的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，繼而實(shí)現(xiàn)纖維的運(yùn)動(dòng)和分布精確可控。因此需要加強(qiáng)紡紗基礎(chǔ)研究。

（3）紡紗新技術(shù)的發(fā)展離不開多學(xué)科融合。新興學(xué)科特別是信息技術(shù)與紡紗的融合是支持紡紗新技術(shù)發(fā)展的一大動(dòng)力，大數(shù)據(jù)、人工智能等在紡紗領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)于紡紗技術(shù)提升將給予強(qiáng)大支持。

（4）紡紗新技術(shù)的發(fā)展也遵循螺旋式發(fā)展規(guī)律。前人的很多研究與設(shè)想因?yàn)楦鞣N原因沒能得到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，但是隨著時(shí)間的推移，當(dāng)時(shí)影響該技術(shù)應(yīng)用的瓶頸被打破，其技術(shù)就有可能迎來新的發(fā)展。比如超大牽伸、細(xì)紗自動(dòng)接頭和離心紡紗均是前人多年前就提出并研究的。