普適性柔順光潔紡紗技術分析與應用

徐衛林 夏治剛 陳軍 郭沁生 李洪盛 倪俊龍

摘要：歐洲采用優化工藝、外加強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降低細紗3 mm毛羽高達80%，但存在能耗大、成紗硬度高等問題。針對現有技術問題，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裝備，制造出表層致密光潔、內部纖維充分轉移的柔順光潔紗線，形成柔順光潔紗線技術，廣泛適用于棉、麻、化纖紡紗領域，具有裝備操作簡便、性價比高、易于推廣等方面的優勢，實現產業化應用。

關鍵詞：柔順光潔紡紗；紗線毛羽；熨燙加熱；產業化應用

中圖分類號： TS104.7 文獻標志碼：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

環錠紡紗屬于握持端紡紗，對纖維成形控制力優良，迫使須條纖維呈內外轉式扭轉抱合成紗，所紡紗線結構致密、強力高，因此適應原料、紗支品種范圍廣，目前在紡織生產中仍占主導地位。在環錠紡紗過程中，加捻須條所含纖維量越少、加捻紗線抱合強力越小，就越容易發生紡紗斷頭，因此普通環錠紡紗所紡短纖紗中至少含有30根纖維，成紗極限支數遇到瓶頸。針對該技術瓶頸，本課題組與山東如意紡織合作，研發出嵌入式復合紡紗技術，加工出附加值高的超高支紗線及其制品。另一方面，環錠紡紗三角區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毛羽，導致環錠紗線有害毛羽過多、條干不勻率和強度惡化、紗線終端制品質量下降的技術問題，纖維剛度越高，上述技術問題越嚴重。針對該數百年來制約紗線高品質成形的毛羽問題，歐洲國家在國際上推出負壓集聚紡技術，降低環錠紗線 3 mm以上有害毛羽高達80%，但耗能大、成本高，且有限的氣流控制力尚無法滿足粗特或高剛性纖維紗條的高品質成紗需求。因此，需要研發一種具有普適性、低成本能耗、低碳環保的紗線高端制造技術，大幅提升環錠紗線及其制品質量，對促進紡織工業精品化、高科技化將具深遠意義。

本文針對環錠紗線高品質成形及負壓集聚紡紗技術存在的問題，從改善纖維成紗的共性角度實施創新，在環錠紡紗三角區設置熨燙接觸面，僅對局部成紗區內須條纖維進行濕熱處理（能耗低），達到纖維玻璃化轉變溫度，瞬間降低纖維剛度，提高纖維受控性能，協同接觸撫順式加捻作用控制纖維在紗表緊密包纏、在紗內充分轉移抱合，制造出具有表層致密光潔、內部柔順結構的高品質紗線，形成柔順光潔紡紗原理和技術，巧妙地解決了纖維高品質成紗的共性問題。通過原理固化和集成創新，研制出柔順光潔紗線高端制造技術裝備，以較低成本開發出系列高附加值產品，并在棉、麻、化纖等紡紗系統實現了產業化應用，達到國際領先水平。

1 柔順光潔紡紗技術特征

1.1 柔順光潔紡紗理論特征

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

內部結構和外界溫濕度共同決定纖維剛度和回彈性。常規紡織纖維內部大分子間具有滑移、重鍵構特征，在非熱解降解范圍內溫度升高，纖維儲能模量降低，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的共性科學機制，從改善纖維自身變形和受控能力的角度實施創新，首次提出了通過在線降低纖維剛度來提高成紗品質的“柔順光潔紡紗方法”，凝練出柔順光潔紗線高端制造技術的核心原理：僅在紡紗三角區加裝柔順光潔處理裝置，通過柔順光潔處理裝置的熨燙接觸面形成柔化接觸區，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為外露纖維頭端長度；N為纖維頭端所受握持面壓力；q為纖維重力（假設可忽略）；d為纖維的橫截面直徑；σmax為纖維在彎曲支點O所承受最大抗彎應力；T為轉移纖維頭端所需扭力。式（1）表明外露纖維越長、抗彎應力（剛度）越小，越易變形和受控扭轉而移入紗體。

同時在柔化接觸區對紡紗三角區須條邊緣纖維進行撫順式握持，協同加捻扭力和引紗張力作用，有效提高紗條內部纖維轉移、捕捉和緊密纏繞紗條外露毛羽（圖4），大幅提高成紗品質。

1.2 柔順光潔紡紗裝備特征

通過原理固化、集成創新、模塊化設計，研制出柔順光潔紡紗技術裝備。

1.2.1 柔順光潔處理模塊功能強、精密耐用、小巧美觀

循環優化半導體陶瓷粉料（BaTiO3摻稀土）配方及造粒-成形-燒結-上電極工藝，實現了高精確自控溫安全熨燙；通過優化絕熱防護結構，實現了定向定量精準釋放熱量；高精密優化設計和加工耐磨陶瓷接觸工作面形態和光滑度。通過柔順光潔處理模塊的多功能一體化設計，包括自控溫、定向釋熱、報警顯示、防護等，成功研制出成熟的功能強大、精密耐用、小巧美觀的柔順光潔處理模塊，實現溫控自動化、耗能最小化、操作便捷安全化。

1.2.2 裝置及連接基座的設備性強

綜合各型號細紗機母體結構特征，研制出柔潔紡紗裝置架，與柔順光潔處理模塊之間實現插拔式精確連接；研制出連接基座，實現調節安裝柔潔紡紗裝置，實現熨燙接觸面與三角區紗條的高度協同成形；完成對約束緊度調節模塊的設計（圖 5），實現對不同細紗機臺上所紡紗線表面毛羽包纏緊度的在線調節。

1.2.3 電控模塊裝備可視、安全、簡潔

完成電控系統模塊的集成控制和連接設計，實現安裝拆卸便捷化、安全保護自動化、功率能耗可視化。經集成創新和循環優化，柔順光潔紗線高端制造技術裝備成熟，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

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

1.2.5 柔順光潔紡紗裝備普適性強

目前柔順光潔紗線高端制造裝備是針對量大、面廣的棉型細紗機（占細紗機總量85%以上）進行設計和研制的，已成熟應用于棉纖維、棉型化纖、短麻紡等紗線的高端制備。

1.3 柔順光潔紡紗產品特征

實踐研究表明：轉杯紡紗體為內緊外松式層狀包纏結構（圖6（a））；渦流紡紗體為螺旋直徑遞增的纖維單螺旋包纏結構（圖6（b）），紗表光潔、抗起球；但轉杯紡、渦流紡紗體內部結構纖維內外轉移不足、抱合力差，紗強低，嚴重制約紗線高品質。環錠紡紗體內纖維內外轉移充分（圖6（c））、抱合力大，紗強高，但紗表有害毛羽多、易起球；緊密紡降低環錠紡表面毛羽，但增加紗體內部緊度，紗體硬化，嚴重制約了環錠紗線高品質。

針對上述紗線結構特征和缺陷，采用柔順光潔紗線高端制造技術，瞬間降低紡紗三角區纖維剛度，提高纖維變形和受控能力，增強紗內纖維轉移率，改善成紗強度和柔順度；撫順握持協同加捻和引紗張力作用，捕捉和緊密包纏紗條外露毛羽，配合約束緊度調節模塊，再次強化毛羽包纏緊度，提高紗線表層光潔致密度。產業化實踐數據表明：柔順光潔紗線具有全新優質結構，能集中發揮內外結構優勢，表現出柔順光潔（圖 7）、高強的高品質性能。由于柔順光潔紗線保留了紗線內部纖維充分內外轉移特征，與內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 柔順光潔紡紗技術應用

2.1 柔順光潔紡紗技術應用于棉紡

柔順光潔紡紗裝備主要針對棉紡加工，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），提高紗線強伸性能（表 2）。

2.2 柔順光潔紡紗技術應用于化纖紡

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

2.3 柔順光潔紡紗技術應用于麻紡

自然界中存在許多優質、高性能纖維原料，如具有抗菌性能的麻纖維、高耐磨高強功能的竹纖維等；然而這些優質高功能纖維（如麻纖維、芳綸等）往往存在高剛度問題，加捻扭轉抱合困難，造成纖維成紗品質低下。以麻纖維為例，麻是一種優質的天然纖維素纖維材料，具有抗菌、吸濕排汗、防臭防蟲等特質，但麻纖維剛度大、扭轉形變差等特點，尚不能通過負壓式集聚紡、賽絡紡等加工成高品質紗線，纖維特質得不到充分發揮和利用。通過本項目技術在難紡高剛度麻類紡紗領域的推廣應用，開發出柔順光潔的漢麻軍品紗，與對應的普通環錠紡相比，紗線 3 mm毛羽降低81.7%；開發出柔順光潔苧麻紗，與對應的普通環錠紡相比，紗線 3 mm毛羽降低70.4%，從而實現了難紡纖維的高品質光潔成紗，拓展了紡織原料的種類。

3 結論

針對環錠紗線高品質成形及負壓集聚紡紗技術存在的問題，從改善纖維成紗的共性角度實施創新，研發出通過在線降低纖維剛度以提高成紗性能的柔順光潔紡紗技術，研制出安裝運行成本低、操作便捷的柔順光潔紡紗裝備，實現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、內部纖維充分轉移結構的柔順光潔紗線，技術得到產業化應用。

（致謝： 非常感謝國家自然科學基金委（國家自然科學基金青年科學基金項目No. 51403161；國家自然科學基金杰出青年基金項目No.51325306）和湖北省科學技術廳（湖北省自然科學基金青年基金項目No.2014CFB755）對本研究的資助。）

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