在線展絲環錠復合紡紗技術及設備

王 勇， 于偉東,2， 王府梅,2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

在線展絲環錠復合紡紗技術及設備

王 勇1， 于偉東1,2， 王府梅1,2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

在線展絲環錠復合紡紗技術能為落棉、木棉、羽絨等偏短、偏弱纖維的高品質、細支化成紗提供專門化的先進技術，因此，回顧國內外已公開的機械、超聲波、聲波、電極、氣吹展絲技術的原理及常用設備，尤其是對適于短絨纖維的在線展絲復合紡紗技術，包括單束展絲、分劈雙束展絲、上下層分別展絲機構及紡紗方法做了討論。同時，對短絨纖維束的裹纏保護與結構穩定和對成紗加工和成紗強度的改善作用做了介紹。顯然，基于長絲在線展絲方式的復合紡紗技術不僅適用于偏短偏粗、偏弱偏脆的纖維，尤其是回用纖維，而且是傳統環錠紡紗技術中的先進與創新紡紗技術。

展絲； 擴纖設備； 結構復合紗； 短絨纖維紡紗； 包覆式復合紡紗

眾所周知，紡織加工過程中落棉、落毛等偏短、偏弱類的纖維，回用紡織品中所得的偏弱、偏短和偏長、偏粗纖維及其組成混雜的纖維量增多，木棉、羽絨、牛角瓜纖維等超短、偏硬、脆弱或異形纖維逐漸被關注和利用。所有這些偏短、偏弱纖維的利用被忽視，不僅在于紡紗困難、成紗強度低、毛羽多且不均勻，還在于人們的傳統概念與習慣。從紡紗工藝的角度出發，用上述纖維紡制高品質、高支紗的研究甚少。

復合紡紗起源于20世紀70年代[1-2]，21世紀初才得到較快發展[3-4]。近年來結構紡紗技術不斷發展[5-7]，尤其是東華大學紡織材料與技術團隊提出的結構復合紡紗技術為偏短粗、偏硬脆的回用纖維和新采用天然纖維的超短纖維的連續化單層單絲網[8-9]及其復合[10-12]保護式紡紗與雙層雙絲網保護式紡紗[13-14]、偏脆硬纖維的呵護式結構復合紡紗[15-16]、高強性低損傷的結構復合紡紗技術[17-18]，為高效、低耗、高品質、細支化的加工提供了技術基礎。本文基于在線展絲的結構復合紡紗技術作系統介紹，為偏粗、偏短、偏脆弱的纖維紡紗技術的發展和先進紡紗技術的創新提供借鑒，為結構復合紡紗的深入研究提供方向。

1 已有展絲技術及其存在的缺陷

長絲束分為小絲束(small tow，ST)和大絲束(large tow，LT)2類。當前，國內外現有長絲加工中為方便和高產，大都生產較粗長絲，使紡制高支紗存在較大難度，因此，優選細旦長絲，甚至對細旦再分束，是紡制高支紗的必須前提。

1.1 已有展絲技術原理及相關設備

展絲技術即是將纖維束展開成單絲狀依次排列的絲束帶，纖維束沿寬度方向均勻擴散、使絲束變薄的過程[19]，如圖1所示。國內外展絲的主要方法有機械擴纖法、超聲波擴纖法、聲波擴纖法、電極擴纖法和壓縮空氣氣吹法等[20-23]。

1.1.1 機械擴纖法

機械擴纖法即將纖維束放在多組展棍上，通過輥間的配合輾壓，使纖維束橫向分散變薄，其薄層化過程主要是通過上層纖維沿寬度方向兩側擴展實現的。主要有擺動桿/震動桿配合展纖和展輥震動抖散展纖2種方式[24]。

將長絲束展開成長絲層的報道較多，主要集中在碳纖維、玻璃纖維、芳綸等高性能纖維方面，以碳纖維為主。國內學者有羅云烽[25-26]、高殿斌[27]、王占洪[28]等；文獻[29]報道的機械展纖設備存在機械部件多、機械協同性要求高的缺陷；Shridhar Iyer[30]采用平行輥輪展開法和聲波擴纖法聯合展纖，并配備張力控制系統以確保適宜張力值；Murty[31]將多組輥輪展開法和氣動絲束展開法相結合，讓纖維束通過多組平行輥輪，并利用低頻的聲波振動功能，將纖維束展開；Ronald等[32]通過調節針梳裝置參數(針距、針齒密度等)將纖維束分散均勻。

1.1.2 超聲波擴纖法

超聲波就是頻率大于20 kHz的高頻聲波，是一種縱波，在傳播媒介中以直線形式傳播。當超聲波在液體中傳播時能夠在溶液內形成空穴，空穴處于真空狀態，溶液中的氣體會進入該空穴中形成氣泡，在氣泡形成的瞬間，壓力的作用可使氣泡破裂而產生強大沖擊波。超聲波擴纖法利用超聲空穴效應來對纖維束進行撞擊，使纖維束分展[33]。李煒等[34]利用超聲波擴纖法將長絲束碳纖維分展；孟秀青[35]發明超聲波膠槽、長絲束碳纖維制造復合芯線的設備及方法。

1.1.3 聲波擴纖法

聲波擴纖法是利用低頻的聲波在氣體介質中振動絲束，使絲束展開。聲頻信號發生器將機械能轉換為電能，功率放大器將該電信號放大，通過揚聲器將信號轉化為聲波釋放，引起空氣擴散和振動，作用于纖維束上而引發擴纖[36]。

1.1.4 電極擴纖法

靜電擴纖法即通過靜電作用使復絲展成單纖維層的方法。文獻[37]公布了一種典型的電極擴纖裝置，復長絲先經潤濕再經高電壓(大于等于5 000 V)后完成展絲。該裝置展絲成本較高，存在安全隱患，不具備推廣性。文獻[38]提出一種新擴纖裝置，僅需較低電壓，無需額外給濕，僅需將相對濕度控制在60%～80%，大大降低展絲成本，且不存在安全隱患。Wu等[39-41]提出了采用電氣開纖裝置紡制滌/棉復合紗的方法，通過將合成纖維復絲電氣開纖，使長絲復絲中各單絲開纖成為散列的長絲帶須狀，大幅增加單絲在截面的分布，提高相互抱合力。

1.1.5 壓縮空氣氣吹法

壓縮空氣氣吹法是一種較低損傷纖維束的薄層化處理方法[19]。當纖維束垂直進入氣流場時，將對氣流產生阻礙作用，這時氣流沿纖維束向兩側流動，纖維束中心附近的氣流流速幾乎接近于0，遠小于其兩側的氣流流速。忽略氣流的勢能，根據伯努利方程有

式中：ρ為氣流密度；υ為氣流速度；P為壓力；C為常量。

纖維束不同位置的流速不同，導致對應的壓力不同，越靠近纖維束，壓力越大。在壓差產生的氣動力作用下，纖維束橫向分散變薄。李勁等[42]提出的連續纖維束分散裝置主要依靠空氣壓力作用來完成分絲過程。該裝置氣體分離過程中會加大飛花和須條的紊亂，故不適于含短纖維須條的復合紡紗。John等[43]采用空氣噴射法實現絲束展開。

1.2 已有展絲技術存在的不足

上述5類展絲技術存在以下不足：1)為迎合先進復合材料輕質、高強、高模、易成型的要求，多數展絲技術主要針對復合材料中的增強纖維(如碳纖維、玻璃纖維、芳綸等)進行擴展，部分展絲技術對普通長絲束的損傷較大；2)都是以可紡性較優秀的纖維為對象，不適用于可紡性差或不可紡的纖維；3)不適于偏短偏弱的高支化、甚至超高支化紡紗。

2 在線展絲環錠結構復合紡紗技術

近年來長絲在短纖維利用方面的應用越來越多。基于環錠紡的在線展絲結構復合紡紗技術為高效、低耗、高品質、高支化的加工提供了技術基礎。該展絲復合紡紗方法適用于超短、易掉屑、易飛花纖維和偏短、偏弱回用纖維的保護式、柔軟光潔復合紗的紡紗。此類復合紗織造形成紋理清晰、結構穩定、柔軟耐磨、強度高、抗起毛起球的織物和面料。

2.1 短/超短纖維在線展絲復合紡紗技術

2.1.1 雙輥差動式二級分劈展絲

圖2示出雙輥差動式展絲裝置[8]。長絲束經單圈導紗鉤或下引導紗鉤的定位對中于分劈輥的分劈中線，并繞經分劈輥，由初/復分劈輥的線速差以及人字形溝槽轉動的展開雙重作用下，實現有效、可控展絲，形成單纖維絲網。

2.1.2 單向/雙向溝槽展輥展絲

圖3示出單向溝槽展絲裝置[9]。下引長絲繞經帶有單向螺紋溝槽并緊貼下前羅拉后側圓輥的下半周。下引長絲可任意處喂入，完成展絲成網。

圖4示出雙向溝槽展絲裝置[13]。4束長絲經導紗鉤分為2上行2下行，然后分別經過人字形(雙向)溝槽展輥的分展，形成2路上蓋絲網和2路下托絲網，在加捻三角區形成對各自短纖維須條夾持裹纏后，復併成雙網復合紗。

2.1.3 初展輥/分劈器/再展輥聯合展絲

相對上述2種展絲技術，某些復合紗的展絲裝置較為復雜，由初展器、分劈器、再展器三者聯合[11,14,18]或由分劈器、展絲器2者聯合[10]組成。初展器表面溝槽分為單向和雙向2種。于偉東等[10]提出一種新型展絲裝置，由分劈器和展絲器聯合組成，如圖5所示。

長絲經分劈器分束后，經左/右導絲鉤下引對中喂入展絲器展絲并形成兩路下托絲網，與經集束器定位的短纖維須條呈上下兩層進入前羅拉，在加捻三角區裹纏、復并成紗。專利公開的展絲裝置由初展輥、分劈桿和再展輥三者聯合組成[11]。隨后，于偉東等[14,18]在上述展絲裝置的基礎上加以改進，提出一種初展器/分劈器/展絲器聯合展絲裝置。采用初展器、分劈器和展絲器，使2束長絲經分劈器不對稱地分為2×2束，其中2束上行、2束下行，進入各自的展絲器展成絲網，而后以不同位置喂入，在加捻三角區形成對短纖維須條的裹纏并多級匯聚復合成絲網裹纏復合紗[14]，如圖6所示。

2.1.4 預分展器/分散羅拉聯合展絲

Naeem等[44]研制特定的預分散器及人字形溝槽分散羅拉，實現對復絲的有效分展，如圖7所示。

文獻[9]將長絲束通過導紗鉤引至刻有人字形溝槽的預分展喇叭將長絲束作初級展平，而后再進入溝槽分劈輥二級展開。該裝置與上述裝置相比，存在不同之處：1)分散長絲從纖維須條的下方喂入前羅拉鉗口；2)該裝置的預分散器(預分展喇叭)內側下層面刻有人字形溝槽，能夠強化對長絲束的預分展。

2.2 在線展絲復合紡紗優越性

1)在線展絲復合紡紗技術為我國原創新技術，該技術成功突破了傳統環錠紡對落棉、木棉、羽絨等偏短、偏弱纖維的紡紗普適性瓶頸以及傳統高支化紡紗對原料高品質的過硬要求，顯著提高短纖維的利用率，為低消耗、高支化紡紗提供技術基礎，推進紡紗技術的轉型升級。2)我國紡織纖維原料資源緊缺，該類技術能促進纖維資源的循環利用，變廢為寶，推進可持續發展；3)機構改造便捷，易于安裝，與環錠細紗機匹配性優良。

3 結 語

機械、超聲波、聲波、電極、氣吹展絲法是幾種常用的展絲方法。對高性能纖維(如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維)而言，為改善纖維束的鋪展效果，減少加工過程中的纖維損傷，可根據實際需要，篩選或更為理想的是協同多種展絲技術，取長補短。

高效、低耗、高品質成紗是短纖維紡紗技術發展的主動因，裝備改進、多技術有效融合是該類技術發展的常用方式。針對傳統環錠紡紗技術對落棉、落毛、木棉、羽絨、牛角瓜等偏短、偏弱纖維的紡紗普適性瓶頸問題，基于改進型環錠紡在線展絲的復合紡紗技術能夠為高效、低耗、高品質、高支化加工提供技術基礎。加強在線展絲紡紗技術的深入分析，有效地指導該類紡紗技術的改進和相關紗線及其織物性能的開發應用，以便更有效地將這項紡紗技術應用于紡織工業生產。同時，應協同纖維初加工和成紗加工、紡紗原料的同質化/多功能復合等多方面先進生產工藝與技術，推動偏短、偏脆弱類纖維紡紗技術的發展與循環再利用，促進行業原創技術研發能力的顯著提升。

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Composite spinning technology and equipment based on multifilament online-spreading method using ring spinning system

WANG Yong1, YU Weidong1,2, WANG Fumei1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China；2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,Shanghai201620,China)

Composite spinning technology of online filament-spreading presented in this study is considered as a specialized and advanced one which can form high-quality and high-count yarns of shorter and weaker fibers, such as noil, kapok, eiderdown, etc. Various tow spreading technologies published domestic and overseas, e.g., mechanical, supersonic, acoustic, electrical and pneumatic systems, and the related common equipments have been presented. In particular, the review concentrates on the composite spinning technology of online spreading systematically including single tow-spreading, splitted double tow-spreading, upper-lower-layered tow-spreading, and corresponding spinning methods. Meanwhile, the stable multifilament wrap-short staple core yarn structure, yarn-forming processing, and the improved mechanism of yarn strength have been introduced. Obviously, the composite spinning technology based on online filament-spreading is not only suitable for shorter and thicker fibers, weaker and frailer ones, especially the recycled ones, but also is considered as an advanced and innovative method of the traditional ring spinning processing technology.

tow spreading; spreading equipment; structural composite yarn; short-staple fiber spinning; wrapped composite spinning

10.13475/j.fzxb.20151200507

2015-12-01

2016-06-27

王勇(1987—)，男，博士生。主要研究方向為復合紗的結構和性能。于偉東，通信作者，E-mail：wdyu@dhu.edu.cn。

TS 114.1

A