基于假捻裝置的超柔紡技術發展歷程及研究現狀

周婭楠,王進美,張 輝

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安710048)

大部分紡織品都是通過柔軟劑整理賦予織物柔軟的手感,這樣不僅對人體皮膚有害,還會污染環境,所以需要找到其他可以直接改善織物柔軟性的有效方法。現階段針對織物柔軟性最有效的方法是降低紗線的捻度,因為捻度越大紗線柔軟性越差[1],但是紡紗過程中,捻度過低會使紗線斷頭增加、紡紗困難[2]。為了能在低捻度情況下順利紡紗,有學者發明出了一種低扭矩紡紗技術,該技術利用假捻裝置改變了紗線結構,以此減少紗線的殘余扭矩。隨后人們開始將假捻裝置應用于超柔紡技術上,紡制所得的超柔紗線(也就是低扭矩紗)可以用來制備手感柔軟的紡織品,并且無需柔軟劑處理,避免了污染環境[3]。

1 超柔紡紗技術

1.1 超柔技術原理

超柔紡紗技術主要是通過在細紗機的前羅拉至導紗鉤之間,增加一個與紗線捻向相同的動態假捻點來改善紡紗三角區纖維的張力分布,從而改變傳統環錠紗(圖1)的結構。如圖2所示大致可分為強捻區(A)、解捻區(B)、氣圈區(C)。紗線在經過假捻裝置時被賦予強捻,使得紡紗三角區的長度變短,纖維所受張力增大,由纖維的張力轉移機理可知,三角區內外纖維的張力差會使纖維發生轉移現象[4-7],纖維所受張力增大會擴大三角區內外纖維的張力差,促進纖維向紗線的內層轉移[8],除此之外紡紗三角區的纖維分束現象[9]會增加纖維的纏結并提高抱合力,從而可以提高紗線的強度[10]。

圖1 傳統環錠紡紗

圖2 低扭矩環綻紡紗

當紗線離開強捻區(A)到解捻區(B)時,會被假捻裝置施加反向的捻度,紗線的捻度開始下降,并與從氣圈區(C)傳遞上來的真捻相互作用,紗線的外層纖維變松,但內層的纖維因纏結而依舊保持緊密的結構[9-10]。

1.2 超柔紗線的結構

1.2.1 外部結構

如圖3所示,圖3(a)為普通環錠紗的表面形態,圖3(b)為低扭矩紗的表面形態,從紗線的外部結構來看,低扭矩紗表面的毛羽更少,這是因為一部分反向的纖維把較長的毛羽包裹到紗線表面,進而嵌入到紗線內部,使紗線的結構更加緊密,這些反向包裹的纖維有助于減少紗線表面毛羽及提高紗線之間的抱合力以增加紗線的強度[11]。

1.2.2 內部結構

紗線的內部結構較為復雜,可以從纖維軸向的三維幾何構型來表征[12]。陶肖明團隊根據Morton 和Yen首次提出的示蹤纖維技術發明了一種新型紗線連續觀察測量系統。該系統可以測量大量的示蹤纖維,得到纖維在紗線軸向上的三維空間形態。根據該測量系統觀察發現,低扭矩紗中纖維路徑從峰值到槽的振幅有顯著的不規則變化,纖維軌跡呈非同軸異形結構,與同軸圓柱或圓錐形結構的環錠紡紗不同；其次,低扭矩紗中大量的纖維片段與捻向相反,纖維的平均取向角也小于環錠紡中纖維的取向角,由于低扭矩紗的纖維轉移幅度大并且大部分纖維分布在紗線內層,所以形成了內緊外松的獨特結構。

圖3 紗線表面形態

2 超柔紡的研究現狀及其假捻形式

2.1 研究現狀

根據相關文獻的顯示,美國早在20世紀30年代就已經有帶假捻機構的紡紗機。經歷了數十年的研究與發展,假捻裝置的結構設計逐漸多樣化,假捻紡紗技術也更加成熟。在國內,由香港理工大學陶肖明教授所帶的團隊最先進行了相關的研究創新,發明了無扭力單紗,利用紗芯與紗層的扭轉方向相反而抵消掉紗線的殘余扭矩,但是這種處理方式不適合環錠紗,因為環錠紗的內外捻度較為均勻[13]。隨后陶肖明教授團隊又開發出了一種帶有分束機構的環錠紗加工方法,利用提前分束的方法使得進入假捻裝置的纖維束分布更加均勻隨機,減少紡紗三角區斷頭率,纖維之間抱合更加密實,強度也隨之增加。由于纖維的隨機分布,減少了紗線的殘余扭矩[14],形成低扭矩紗。之后,又接連發明了多輪盤式的摩擦假捻裝置[15]和皮帶式摩擦假捻裝置[16],極大改善了假捻效率。

2.2 假捻裝置分類及特點

假捻裝置可分為消極式靜態假捻裝置和積極式動態假捻裝置,一般在低扭矩紡紗技術中更傾向于使用動態假捻裝置[17],它主要是利用外部對紗線施加規律或非規律的旋轉力,從而使紗線獲得假捻[18-19]。見表1、表2、表3和表4。

表1 摩擦式假捻裝置

3 超柔紡技術的發展前景

3.1 應用現狀

假捻裝置在環錠紡紗機上的應用最早可以追溯到20世紀30年代,國內最初的低扭矩假捻紡紗技術是由香港理工大學陶肖明教授所帶領的團隊和數家紡織企業聯合研究開發的。該紡紗技術曾獲得“紡織之光”2009年度科學技術一等獎和首屆全國杰出專利工程技術項目稱號[26]。在十二五發展規劃中假捻紡紗技術的低扭矩紗為重點推廣的新型紗線,但推廣并不如計劃中的順利。在十三五期間,為促進紡織工業轉型升級,創造競爭新優勢,紡織工業發展規劃中提出,以推進供給側結構性改革為主線,以增品種、提品質、創品牌的“三品”戰略為重點[27],引導企業加強開發新產品,從簡單追求產品產量轉移到追求產品質量并逐步實現綠色織造。而超柔紡紗技術無需添加柔軟劑等化學試劑就可使織物獲得柔軟順滑的手感,不僅提高了產品質量,織造過程也更加環保,積極響應了政府政策,具有良好的市場前景。

表2 搓捻式假捻裝置

表3 機械中心旋轉式假捻裝置

3.2 實施與產品推廣困難的原因分析

3.2.1 技術封鎖與操控性能

許多廠商為了防止自己的技術被盜用,往往會隱藏技術的核心部分,這樣雖然能保護自身利益,但也會造成超柔紡技術推廣困難。除了技術封鎖的原因,技術操作也較傳統紡紗技術來說更加不便,紗線接頭、落紗和清潔都成了新的難題,影響工作進度。

3.2.2 資金成本的增加

資金成本的增加主要體現在投資成本和生產成本。投資成本主要是廠商投資于硬件設備的費用和專利費,生產成本則包括了能源損耗、設備改造及維護等,其中占比最大的是能源損耗,而節能降耗是當前國家政策的重要內容,也是重要的技術經濟指標,對能耗的考核不能輕視。但是動態假捻裝置都會產生一定的能源損耗,導致超柔紡技術產業化困難,成本的增加也使得許多企業望而卻步。

表4 氣流式假捻裝置

3.2.3 消費者的接納程度低

雖然超柔紡織品相對于添加了柔軟劑的紡織品更加綠色環保,但是它的價位偏高,難以被消費者接受。在對織物的舒適性沒有特殊需求的時候,消費者會偏向選擇價位較低的產品,使得超柔紡織品在紡織市場上難以取得一席之地。

3.3 實現超柔紡技術產業化推廣

3.3.1 降低資金成本

過高的資金成本會降低廠商的投資意愿,所以有必要通過一些方式來降低資金成本。結合超柔紡技術資金成本偏高的原因,可以采取控制設備改造和維護的加工成本、采購性價比高的零部件、加強員工培訓來提高勞動生產率等措施[28]。

3.3.2 提供優惠政策

雖然在紡織工業“十二五”規劃中明確地將低扭矩紗列為了重點發展推廣的新型紗線,卻沒有為其提供相關的優惠政策,成本的增加和價格的上漲致使低扭矩紗難以發展起來。

如政府在超柔紡技術上能提供相應政策,可在一定程度上推動超柔紡產品市場的發展,使更多消費者能夠接受這款產品。

3.3.3 技術升級

近幾年已有不少廠商將超柔紡和集聚紡、賽絡紡等紡紗技術復合使用,大大提升了紗線的性能與品質。除了技術的復合使用,還可以進行其他改造升級,例如附加一些濕熱條件,有研究表明[29-31],纖維在濕熱條件下應力降低,抗彎剛度變小,這樣不但利于紡紗過程中毛羽的集聚控制,也能使紗線更加柔軟。

4 結語

盡管超柔紡技術在近幾年來沒有較大的發展,但是其較高的產品質量和綠色環保的優點依舊是紡織行業追尋的目標,隨著政府相應政策措施逐漸實施和技術的不斷發展升級,消費者的傳統觀念改變,超柔紡技術會被更多的廠商接納認可,產品也會被更多消費者接受,從而實現產業化應用推廣,使現階段的紡織業達成從追求數量到追求品質的飛躍,最終實現從紡織大國到紡織強國的遠大目標。