CNTs /滌綸復合紗線一體化成型控制系統設計

李嵐馨，張李睿

（西安工程大學 機電工程學院，陜西西安　710048）

近年來，智能纖維正日益受到行業的密切關注[1]，而智能纖維是指能夠感知環境的變化和刺激如機械、熱、化學、光、濕度、電磁等，并能作出反應的纖維[2]。有專家將智能纖維紡織服裝制品看作是高水平紡織服裝工業可持續發展的未來[3]。作為智能纖維紡織服裝制品研究之一的發熱紡織品，在提高織物御寒保暖性方面發揮著越來越重要的作用[4]。傳統保暖服飾多通過阻止熱量散發來達到保暖效果，其缺點是厚重、臃腫、不美觀。隨著人們審美和服裝附加功能要求的提高[5]，能自主發熱并持久保溫的輕薄型面料日益受到青睞，從而促進了導熱性好、耐腐蝕性佳、質量輕、柔性好的發熱材料的研發[6]。紡織纖維、原紗等材料的深加工、精加工并提附加值的加工方法，成為消費品進入市場的關鍵紐帶，起著推動產品共同發展的重要作用[7]。

為快速、連續地制備一款輕便、柔性佳、安全、產熱量高的發熱絲，使滌綸原紗擁有導熱性、耐腐蝕性、質量輕、柔性好、能耗低等優良附加性能，需開發一種一體化成型控制系統。告別傳統染紗機系統的運行成本高、可控性差等缺點，減少了染料的用量，達到節約能源，降低工藝時間，提高染色效率，提升成型效果[8]。

本文結合CNTs /滌綸復合紗線成型工藝，開發一體成型控制系統，通過機械結構設計、裝置搭建，同時完成染紗、烘干、后處理、成型等過程，采用單片機控制振動頻率、繞線速度，提高浸染的可控性。此種設備減少染液的用量及成本，節約成型時間，使操作條件可變、多樣，具有“節能、環保、高效、減排”等優點[9]。因此，對CNTs /滌綸復合紗線的成型效果及條件研究，具有重大的意義。

1　CNTs /滌綸復合紗線成型系統方案設計

CNTs /滌綸導熱復合紗線成型過程涉及滌綸輸線、繞線的過程控制、碳納米管涂覆時間控制、固化成型溫度控制等多個復雜過程，依據成形原理和工藝特點，為實現CNTs /滌綸導熱復合紗線一體化成型，保證其成型過程具備以下功能：（1）輸線速度均勻、可控；（2）成型溫度可控；（3）涂覆時間、頻率、溫度等參數可控控制；（4）良好、便捷的操作感。

按上述成型系統總體功能要求，在傳統印染系統的基礎上，優化并改善出新的成型系統，使其可流線化完成染色、固化、后處理、烘干成型的操作，其流程示意圖如圖1所示。

圖1　復合紗線成型工藝流程示意圖

根據工藝流程，對紗線按需染色流程進行整體設計，如圖2所示。

圖2　復合紗線成型系統設計

該系統主要包括：聲波振動均勻涂覆模塊、固化成型模塊、柔性化處理模塊及紗線輸送調速模塊。其中，（1）聲波振動均勻涂覆模塊：以揚聲器（20V/8Ω）作為執行元件，通過并聯分壓電阻調節控制頻率可在20～100Hz之間可調，實現碳納米管的涂覆。（2）固化成型模塊：采用FCD-3000Serials溫控電熱干燥箱，保證溫度在0～400℃可調。（3）柔性化處理模塊：通過蘸浸復合法，讓紗線在盛有一定量處理溶液的容器移動，再利用微噴嘴成型結構過濾掉多于溶液，完成紗線柔性化處理過程。（4）紗線輸送調速模塊：利用單片機作為驅動發出運動觸發信號，致使混合式步進電機帶動轉輪轉動，實現紗線不同運動速度的控制。

2　CNTs /滌綸復合紗線成型控制系統設計

2.1　控制系統硬件設計

CNTs /滌綸導熱復合紗線一體化成型系統中通過單片機控制實現不同成型參數可控，主要模塊為聲波振動均勻涂覆模塊及紗線輸送調速模塊。

2.1.1聲波振動均勻涂覆模塊

聲波振動均勻涂覆模塊是紗線浸染碳納米管優劣性控制系統的基礎，通過STC90C51做脈沖信號發生器，TIP42作為功率放大器，控制執行單元揚聲器實現不同頻率的振動，從而完成均勻涂覆的工作。具體控制電路圖如圖3所示。工作時，由程序設置STC90C51微處理器產生TTL脈沖信號，通過P0.0接口傳遞給TIP42功率放大器。改變STC90C51微處理器內部參數可調節產生的TTL信號的頻率及占空比，通過TIP42功率三極管調控揚聲器工作頻率；在工作電路中，串聯可調電阻（0～20 Ω）調控揚聲器工作時的振動強度。

圖3　揚聲器驅動電路圖

2.1.2紗線輸送調速模塊

選用STC90C51微處理器，利用單片機板卡上的TC1508s芯片作為驅動發出運動觸發信號，致使混合式步進電機帶動轉輪轉動，具體驅動電路圖如圖4所示。通過每次發出脈沖信號，變更系統參數可實現速度可調。利用公式（1）可計算紗線輸送速度，其中最低速度為2.33 mm/m in。

其中，y為輸出速度（mm/m in）， d0卷筒直徑（mm），x為系統輸入參數。

圖4　步進電機驅動電路圖

2.2　控制系統軟件設計

由于系統中單片機的工作要求簡單，選用了AT90C51微處理器，利用Keil軟件工具完成聲波振動均勻涂覆模塊及紗線輸送調速模塊的程序匯編工作。

2.2.1聲波振動均勻涂覆模塊

本模塊選用TIP42芯片作為功率放大器，該放大器可直接與揚聲器一同接入12V1.3A直流電源上，使得系統設計更加簡單，控制方便，易于實現。AT90C51微處理器通過控制接口高低平信號的變化，從而控制TIP42芯片驅動揚聲器電路，其程序流程圖如圖5所示。

圖5　聲波振動涂覆模塊軟件流程圖

2.2.2紗線輸送調速模塊

步進電機是控制系統的執行原件。AT90C51微處理器輸出信號控制步進電機帶動紗線運動，單次信號使步進電機轉動最小角度，通過延時執行信號輸出，使其滿足輸送需求，其程序流程圖如圖6所示。

圖6　紗線輸送調速模塊軟件流程圖

3　CNTs /滌綸復合紗線成型系統實驗驗證

選取堿減預處理滌綸紗線，通入裝有碳納米管導熱懸浮液的染槽中，利用聲波振動涂覆模塊進行浸染，浸染溫度30 ℃、頻率20Hz，使預處理的滌綸紗線基材浸入染料，讓纖維表面及纖維內部附著上碳納米管單體，形成均勻的導熱通路。將均勻涂覆碳納米管的滌綸紗線置入溫度為110℃的干燥爐中固化成型，再浸入后處理溶液中在進行柔性化處理，于50℃固化爐烘干，得到表面覆膜的CNTs/滌綸復合紗線，如圖7所示。上述驗證試驗可表明，一體化成型系統可同時完成染色、固化、后處理、烘干成型的操作。

圖7　發熱絲表面形貌圖

4　結論

1）分析復合紗線制備工藝流程及控制系統功能，設計并實現了集染色、固化、后處理、烘干成型于一體的成型系統，可進行不同工藝參數控制的協調性工作。

2）一體化成型控制系統所設計的控制單元可滿足不同頻率、速度、溫度的按需調控，為后續研究CNTs /滌綸復合紗線最佳工藝奠定基礎。

3）經試驗驗證，一體化成型控制系統完成CNTs /滌綸復合紗線均勻、柔性化、一體化的制備。

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