綠色低碳針織技術研究進展

蔣高明， 周濛濛， 鄭寶平， 鄭培曉， 劉海桑

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

自20世紀90年代起，由溫室氣體排放導致的全球變暖受到了國際社會越來越多的關注。為應對氣候危機和保護環境，我國提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的發展目標，并將其列入“十四五”規劃遠景目標和要求。紡織工業是地球上溫室氣體排放量較大的工業之一，全球每年由紡織品的生產和使用產生的溫室氣體約占3%[1]。

針織技術作為紡織品加工的重要方式之一，歷經400多年的發展，在原料開發、工藝創新、裝備制造等方面取得了突破性進展。針織產品在服用、裝飾用和產業用三大領域被廣泛應用，并形成了相對完整的針織產業鏈。據統計，2020年服裝產量為223.73億件，其中針織服裝占到服裝產量的58.02%[2]。全球針織運動鞋年銷量約為80億雙，占整個鞋類的51%，產值達1 000億元[3]。人們消費水平的提高，進一步促進了針織產品在服裝和鞋材上的應用，其產量和消費量呈現持續增長趨勢。

針織產品在原料制備、織物編織、后整理等生產環節中的環境足跡都面臨巨大的環境挑戰，包括原料消耗、水污染、溫室氣體排放等。針對針織染整行業能耗大、污染嚴重等問題，平幅精練除油水洗工藝、染色機升級改造、定型機廢氣凈化與熱能回收等一系列節能減排措施的應用，明顯改善了生產環境、降低了能耗[4]。《中華人民共和國環境保護稅法》《紡織染整工業水污染排放標準》等環保政策的頒布，要求企業持續加強工藝的創新、環保設備的投入，降低紡紗、織布、印染等環節產生的大氣、廢水和噪聲等污染源，因此，針織工業的污染防控要從末端防控轉變為源頭預防，大幅提升資源循環利用效率，最大可能消除或減少工業生產對人類健康和生態環境的影響。針織技術的創新，注重綠色化生產過程，將有效降低生產過程中的能源消耗、減少廢水排放[5]。

本文從短流程針織產品生產技術、免染色針織色織提花技術、輕量化針織結構增強技術、低能耗針織裝備生產技術、免打樣針織虛擬現實技術5個方面論述了綠色低碳針織技術的創新對節能減排的影響，提出了從源頭起降碳從而構建針織工業綠色低碳循環發展的產業鏈體系，為針織產業鏈的技術創新提供一些具有啟迪意義的參考。

1 短流程針織產品生產技術

短流程針織產品生產技術是指依托針織技術創新不斷發展的綠色清潔的生產方式，相較于原有的針織產品生產技術，減少工序，達到節能減排，降低成本，提高生產效率的目的。

1.1 全成形針織技術

全成形針織技術是利用新型橫機、經編機和圓緯機制備全成形或半成形針織物的生產技術，其產品包含全成形服裝、鞋材等。全成形針織技術作為綠色低碳針織技術的核心，具有以下優勢。1)生態環保：全成形電腦橫機的應用減少了53%的工序，橫編產品的一般生產流程為紗線→面料生產→制版→裁剪→縫制→后道→整燙→檢驗→成品，全成形針織產品生產流程為紗線→全成形生產→整燙→檢驗→成品，使生產周期縮短50%，同時減少了織片因裁剪縫合造成的原料損耗，是較佳的資源節約型針織技術[6]。目前島精制作所的MACH2VS213型全成形電腦橫機，寧波慈星股份有限公司的KS系列電腦橫機、斯托爾公司的ADF 830-24ki W型和CMS 830 ki型電腦橫機等均可完成整件成衣的編織；在緯編產品生產方面，圣東尼公司的SM8-TR1S型單面無縫圓緯機可用于內衣、外套等全成形服裝的制備；在經編產品生產方面，單針床RSJC5/1型、雙針床 RDPJ4/2型、三賈卡 RDPJ5/1型等經編機可用于制備花型豐富的半成形鞋面，滿足不同功能區域以及時尚設計的需求。2)三維全成形性：采用雙針床或四針床電腦橫機制備的全成形針織服裝實現了從紗線到服裝的織可穿，織物具有良好的三維立體成形性。相較于3D打印織物，全成形針織物可與不同的花型組織相結合，兼具個性時尚的視覺效果和穿著舒適的服用性能[7]。日本的三維全成形無縫針織機依托全成形針織技術，一次成形三維立體且無縫的針織服裝，每件衣服平均用時僅為90 min。該方法使用最少的紗線材料制衣，下機后織物無需裁剪、縫制等工序，減少廢料產生。

1.2 紡紗-針織一體化技術

紡紗-針織一體化指將傳統的單面提花圓緯機與紡紗設備相結合，實現從粗紗到針織物的流水線生產。紡紗-針織一體機省卻了環錠紡紗、清潔和復繞等工序，縮短了工藝流程，減少了紗線倉儲環節，同時提高了生產效率和產品質量。德國邁耶西公司開發的Spinit 3.0 E型紡紗-針織一體式單面提花圓緯機集細紗、清紗和針織3種功能于一體[8]，可采用棉、粘膠等纖維為原料制備超柔軟T恤、輕柔嬰兒服等高質量針織產品。同時采用環境友好纖維，不使用化學油劑助劑和上蠟，可減少30%的二氧化碳排放。德國德樂公司開發的Corizon紡紗供紗裝置是一個從粗紗條到針織成紗相對獨立的單元，縮短了針織物的加工時間，可根據需要裝配于任何機型[8]，但其成紗區域與編織區域相距較遠，通常選用包芯紗編織。裝有該裝置的I3P196 OW型棉毛機，通過紗線和花紋圖案改變，使針織物的設計和生產更加靈活且個性化，滿足了產品的多功能性、個性化定制和可持續生產。考慮到紡紗-針織一體化設備在節能減排上的巨大潛能，提升設備的自動化、智能化程度，擴大紗線適用范圍，實現針織產品的大批量生產，將有助于該類設備在針織領域的廣泛應用。

2 免染色針織色織提花技術

針織提花色織技術是指采用2種或多種有色纖維通過緯編或經編的方式形成不同密度、花紋及圖案針織物的技術，針織色織提花織物如圖1所示。針織提花色織技術將有色纖維與針織提花技術相結合，減少了后道的染色工序、印染廢水的排放及纖維微塑料等污染物的產生，所制備的服裝具有綠色環保、環境污染少的特點。

圖1 針織色織提花織物Fig.1 Dyed-yarn knitted jacquard fabric. (a) Sesame jacquard fabric；(b) Air jacquard fabric；(c) Jacquard fabric；(d) Multi-bar jacquard fabric

傳統的色織行業采用先染后織的工藝，在染紗環節中造成大量的廢水排放和能源消耗。據統計，2014年，我國41個工業種類中，紡織業廢水排放量居第3位；2015年，紡織工業的污水排放量占工業污水排放量的9.22%[9]，因此在紡織品生產的前端通過技術創新采用有色纖維制備織物，是減少廢水排放的有效措施之一。生物質化學纖維、循環再生纖維、原液著色纖維等皆可制備織造用的有色纖維[10]。相關研究表明：20個500 mL的聚酯瓶可制作1件上衣；采用100%再生聚酯纖維、再生棉纖維制備的服裝與新材料相比，降耗分別為1.8%和2.6%[11]；與后道染色的面料相比，原液著色纖維制成的面料每噸可降低成本30%～50%。其中原液著色過程屬于物理變化，著色和紡絲同步進行，所制備的纖維包括再生纖維素纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維等。相較于色紡紗，原液著色纖維省卻了后道印染環節，減少了污水和二氧化碳的排放，屬于節能減排的色織生產技術。目前，采用原液著色錦綸6制備的提花織物，織物圖案豐富、色牢度好，可用于制備內衣、泳衣等。高品質、高功能、低能耗、低排放的原液著色纖維的研發和應用，有助于推動綠色清潔生產，促進綠色環保針織產業鏈的形成。

針織提花色織技術作為節能節水短流程清潔生產技術，將技術與藝術相融合，以科技化、時尚化、綠色化為發展目標，利用纖維原料的性能差異、提花織物豐富的組織結構及特殊的后整理工藝等，可生產出滿足消費者需求的風格質感多元化的環保舒適針織產品。

3 輕量化針織結構增強技術

針織結構增強技術作為產業用紡織品的加工方式之一，可形成以網眼結構、間隔結構、成形結構、取向結構等為增強體的新型復合材料[12]。其中經編織物因其穩定的織物結構、優良的力學性能、高效的生產效率，成為產業用領域最常用的針織結構。經編軸向織物是在經編結構的基礎上，沿織物特定方向襯入碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維形成高強高模預制件，產品可用于風力發電、航空航天、汽車等產業用領域。

在風力發電領域，風能作為清潔的可再生能源，其開發與應用可緩解全球能源供應，減少二氧化碳等溫室氣體排放。據國際能源網統計，2021年1—10月份全國絕對發電量67 176億kW·h，其中風力絕對發電量4 515億kW·h，同比增長28.6%。預計2025年，全國風力發電和光伏發電的發電量將占全社會用電量的16.5%左右。風力發電葉片是風力發電機組的核心部件，目前風力發電葉片朝著大型化、輕質化發展以提升風電機組對風能的利用率。傳統葉片材料多為不易降解的熱固性復合材料，廢棄后通常采用燃燒或者填埋的方式處理，對環境污染較大。采用經編軸向織物制備的熱塑性復合材料具有高強高模輕質等特點，是葉片蒙皮的最佳載體。取向紗線采用玻璃纖維、碳纖維/玻璃纖維混雜、碳纖維襯入經編織物，既可降低葉片質量，又能保證風電機組正常的運行效率。在倡導綠色清潔能源可持續發展的背景下，相較于金屬材料的冶金流程，經編軸向結構材料以其質量輕、強度高、耐腐蝕、生產快速、節能等優良特性[13]，將在風電產品領域繼續保持重要地位。為此，研發高精度化、短流程化的制備成形工藝，將成為提升經編軸向結構風電材料品質和生產效率的重要舉措。

在航空航天領域，給飛機及航天飛行器減重是降低能耗、提高飛行效率的有效舉措。經編多軸向織物增強復合材料因其輕質高強的特點，應用于機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，可顯著降低機體結構質量，同時提高抗疲勞、耐腐蝕等性能。可使飛機質量減輕20%～25%[14]，航天飛行器質量減輕1 kg，運載火箭質量減輕500 kg[15]。與鋼材相比，碳纖維增強復合材料的應用可使前機身段減輕31.5%左右，減少61.5%左右的零件和61.3%左右的緊固件。以波音787客機為例，碳纖維增強復合材料約占50%，在降低機身質量的同時，節省了20%的燃料[15]。據《空客全球市場預測》報道，2018—2037年間，客機和貨機總需求量為37 400架。這些需求推動碳纖維增強復合材料在輕量化構件的研發與應用，最大程度地降低了能耗。

在汽車生產領域，為了緩解能源和環境問題，各國相繼推出了降低燃油消耗、減少溫室氣體排放的政策，歐盟計劃從2020年起，汽車平均二氧化碳排放量從120 g/km下降到90 g/km，到2030年，汽車和貨車的二氧化碳排放量相比2021年分別減少37.5%和31%。汽車輕量化成為世界汽車發展的潮流。若汽車整車質量降低10%，可減少燃油6%～8%，提高燃油效率5.5%，降低排放4%[16]。汽車輕量化研究方向可分為輕量化材料、先進制造工藝、結構優化3個方面，其中，碳纖維增強復合材料在降低汽車自身質量、提升整車性能等方面具有顯著優勢，是汽車輕量化的理想材料[17]。碳纖維增強復合材料密度遠低于傳統汽車用金屬，比鋼材料減重50%左右，比鎂鋁合金結構減重30%左右[17]，可應用于汽車車身、剎車片、傳動軸等。通用汽車公司于1992年將碳纖維增強復合材料應用于超輕概念車的車身和底盤結構件，整體車身質量約191 kg，質量降低68%，節約油耗40%；ARRK Engineering公司開發了碳纖維制備的復合變速箱殼體，與鋁合金殼體相比減重30%。采用碳纖維增強復合材料制備的結構件具有良好的力學性能、耐疲勞性和耐久性，但碳纖維的成本較高，限制了其在汽車領域的廣泛應用；因此，開發低成本、性能優異的針織結構材料將極大推動汽車輕量化的發展進程。

總體而言，將針織結構增強復合材料創新應用于產業用領域，制備輕量化構件可實現節能減排的目的。現階段，針織產業用紡織品的開發與應用，需加強材料-結構-性能一體化研究和技術創新，以推進生產過程綠色化，降低能源消耗。

4 低能耗針織裝備生產技術

低能耗針織裝備生產技術以智能制造為核心，加快了針織設備的轉型升級，可提升綠色化生產水平，從而促進針織工業高質量可持續發展。

4.1 高速經編裝備

高速經編裝備具有機號高、梳櫛少、編織速度快的特點。與普通經編機相比，大量采用碳纖維材料制備針床、梳櫛、沉降片床等驅動成圈機件，質量輕，運動慣性小，大幅度提高了織機的編織速度，降低了機件的磨損、震動、噪聲和能耗[18]；電子橫移、電子送經、電子牽拉卷取的應用，保證穩定運行的同時，提高了運動傳遞效率。三梳高速經編機速度增長趨勢如圖2所示。其中德國卡爾邁耶公司研發的HKS 3-M三梳高速經編機采用碳纖維復合材料針床、LEO?(低能耗)技術以及KAMCOS?控制系統，具有高度的靈活性和自動程度。其中碳纖維復合材料針床的應用，使HKS 3-M三梳高速經編機的運行速度比原設備提升25%，機速最高可達2 200 r/min；LEO?低能耗技術的應用，降低了10%的能源消耗[19]。如常德紡織機械有限公司的E2528/2H經編機(機號為32針/25.4 mm)，該機型采用鋁合金復合碳纖維針床，有效提高了設備高速運轉的穩定性，最高機速可達2 350 r/min[20]。

圖2 三梳高速經編機速度增長趨勢Fig.2 Speed development trend of three-bar high-speed warp knitting machine

高速經編裝備的應用，促進了小批量、多品種織物的快速生產，顯著縮短了產品的生產周期，具有節能減排、降本增效的作用。隨著經編裝備不斷朝高速化、精密化、數字化方向發展及經編短纖紗等新產品的研發，將拓寬經編產品的原料使用范圍，推動高效清潔的經編規模化生產并擴展其應用領域。

4.2 寬幅化針織裝備

寬幅化針織裝備主要是指寬幅化的經編裝備。相較于傳統經編裝備，寬幅化經編裝備拓寬了機器門幅，從而增加了該類裝備在面料幅數和門幅方面的生產靈活性。卡爾邁耶公司的HKS 3-M-ON型經編機(711.2 cm)集高速和電子橫移機構于一體，與同等幅寬的HKS 3-M相比，運行速度提高了15%，最高機速可達2 500 r/min；工作門幅可拓寬50.8 cm，最大編織幅寬為762 cm，機號為E28～E32。福建佶龍機械科技股份有限公司的GET3三梳經編機，最大寬幅可達757 cm，機號為E32，相較于傳統的經編機生產效率顯著提升，可快速適應千變萬化的市場需求[20]。

寬幅化經編機中，大量應用了機電一體化技術，用電氣傳動代替機械運動，簡化了針織機的整體結構，實現了可視化操作和人機交互，提高了織機的控制精度和可靠性。從目前寬幅化針織裝備的發展趨勢來看，經編裝備在加工能力、型材精度等方面有了較大的提高；經編裝備的發展并不是單純提高速度，而是圍繞擴大織造范圍、提升織物品質、降低能源消耗、提高織機效能等方面不斷突破，廣泛采用新技術、新材料、新工藝進行深度地綜合性研發。目前國內寬幅化經編機在細針距(E36以上)、高速化(4 000 r/min以上)等方面的技術水平仍顯不足，還需加強技術創新，進一步降噪、降耗，提高生產效率。

4.3 基于機器視覺的疵點在線檢測

織物疵點檢測是影響織物生產效率和質量的重要環節之一，分為人工檢測、在線檢測和離線檢測，其中基于機器視覺的疵點在線檢測系統，利用工業相機采集織物表面的圖像信息并進行圖像處理以實現織物疵點自動檢測，因其檢測效率和準確度高受到了越來越多的關注。目前，針織產品生產中易產生漏針、飛花、跳紗、橫路和花針等疵點，及時發現疵點并精準定位，快速處理疵點問題，將大幅度減少次品率，減少原料的消耗。在實際生產領域，發展較為成熟的疵點檢測設備主要有瑞士Uster公司開發的Uster Fabriscan自動驗布系統、以色列EVS公司研發的I-Tex2000系統、比利時Barco公司研發的Cyclops自動聯機檢驗系統等[21]。因針織物結構復雜，織物疵點的分辨技術難度大，目前關于針織物的疵點在線檢測系統大多為樣機系統。江南大學研發的FDD1.09系統、香港大學研發的Cavis系統可用于織物的在線實時檢測，東華大學、西安工程大學、浙江理工大學等高校先后推出了一些樣機系統[22]。卡爾邁耶公司的HKS2-M型經編機、COPCENTRA 2K+E型經編機、常德紡織機械有限公司的E2518/2T型經編機、E2528/3型經編機和常州五洋紡機有限公司GE2266型經編機等多臺針織設備均配備了疵點在線檢測裝置[23]。新品種針織面料和高速針織設備的開發，增加了疵點檢測的難度，這需要在線疵點檢測系統與時俱進，縮短算法實時檢測時間，滿足系統實時檢測與分類的要求，以降低次品率，提高產品質量。

5 免打樣針織虛擬現實技術

基于CAD軟件對針織產品的組織結構和花型效應仿真已取得巨大的突破，并被積極應用于針織產品的設計領域，但針織產品的設計與應用是2個分開的階段，在設計環節的樣品打樣及在應用環節的實物展示，既增加了設計時間和運營成本，又造成了織物原材料的浪費。為此，將虛擬現實(virtual reality，VR)技術引入到傳統的針織物設計軟件中，利用其豐富的交互手段和感知功能，在虛擬場景中實現對織物的輔助設計與展示[24]。

5.1 針織物三維仿真

針織物三維仿真是在二維仿真的基礎上，結合三維幾何造型技術，對紗線的結構特征、線圈的幾何形狀、針織物的組織結構進行仿真，清晰反映針織物線圈在三維空間的串套關系，直觀展示針織物的設計效果，可縮短針織產品設計和反復打樣的過程。線圈的三維仿真是針織物三維仿真的基礎，圍繞紗線的線圈模擬、纖維的紗線模擬2個方面展開[25]。根據針織紗線的結構特征，通過計算機圖形學中的基于物理的渲染(PBR)理論實現紗線的真實感模擬；根據針織物組織結構及其變化規律，通過紋理映射法或線圈繪制法實現線圈結構的真實感仿真；通過云計算解決針織物三維立體仿真計算量大問題，實現針織物在線高品質仿真。針織物的三維仿真效果如圖3所示。在此基礎上，將針織物從紗線到織物的成形過程以三維動畫展示，實現編織過程的三維可視化展示，有助于設計者對復雜針織結構工藝的理解，提高新產品的開發效率。針織物三維仿真研究分為靜態與動態2個部分：靜態部分主要從織物的三維模型以及光照模型入手，產生真實感效果；動態部分主要是仿真織物運動以及在風中飄動的過程，為織物皺褶屬性在三維服裝上的動態效果顯示提供技術基礎。針織物的三維仿真系統逐步向簡單化、集成化、可擴展化發展，為設計人員提供了自然、逼真、多感知的設計環境，從而大大提高設計效率和質量，減少試樣制備環節，降低生產成本，縮短開發周期。

圖3 針織物三維仿真及虛擬展示Fig.3 3-D simulation and virtual display of knitted fabrics. (a) Weft-knitted jacquard fabric；(b) Warp-knitted jacquard fabric

5.2 針織服裝虛擬展示

針織服裝虛擬展示通過對三維線圈結構的模擬與空間坐標點的轉換，真實展示整件服裝的立體穿著效果及織物的結構質地。目前，用于服裝虛擬展示比較成熟的商業軟件有CLO 3D、STYLE 3D等，包含服裝設計、服裝三維仿真、服裝花型展示以及服裝的虛擬展示等功能。服裝虛擬展示需經過三維人體掃描-建模、服裝建模、紋理影射、碰撞檢測、真實感渲染、場景建立等三維仿真優化，應用平臺的建立等過程[26]。由于涉及動態的三維建模、渲染等專業技能，一套制作精良的三維虛擬服裝并不比制作傳統的服裝簡單，需要設計人員具備扎實的專業技能，同時也對設計軟件和設備提出了較高的要求。針織服裝虛擬展示提供了豐富的人機交互手段，快速表達設計師與版型師的設計理念，減少了反復制樣的次數，提升了樣板的精確度[27]，同時消費者可以參與設計，增加了樣衣的被采用率。服裝在正式下單前都不需要消耗任何面料，理論上可節省成本、減少庫存。受“買即棄”快時尚文化及“衣服壽命止于拍照”觀念的影響，大量服裝被遺棄，造成了巨大的資源消耗和環境污染。將服裝虛擬展示，與服裝“云展廳”相結合，從大數據中獲取當前流行趨勢，根據已有模型對消費者人體-服裝進行三維靜態及動態建模，可預覽服裝試穿效果，實現量體制衣，避免了小批量、個性化定制造成的資源浪費，增加了服裝的多次穿著與使用率，可減少廢舊紡織品的產生。

總體而言，織物及服裝的三維虛擬展示將仿真結果可視化，具有投入產出比高、能耗低、污染小等特點，實現了針織面料及服裝的實時設計與修改，極大促進了針織新產品的短流程、快速設計和制作，縮短了生產周期。

6 總結與展望

綠色低碳針織技術從針織產品生產前端出發，以技術創新為核心，以低能耗、低污染、低排放為發展目標，將綠色制造與智能制造相結合，逐步形成針織工業綠色低碳循環發展體系。

1)在針織產品生產技術方面，要緊跟國際先進生產技術，淘汰高能耗、高污染等落后生產工藝。采用綠色纖維原料、低能耗技術，加強材料-結構-性能一體化研究和技術創新，制備高技術含量、高附加值的針織產品，以推進綠色化生產過程，降低能源消耗。

2)在針織裝備生產技術方面，以短流程、高效率、高品質為目標，與現代化數字系統相結合，形成管理智能化、數據網絡化、生產連續化的智慧車間。淘汰高能耗、高污染的設備，提高制造效率，減少次品率，加強設備的智能化、自動化，實現針織產品的高質量生產，從而有效降低各生產環節的能源消耗，達到節能減排的目的。

3)在針織物及針織服裝虛擬展示方面，將綠色環保的理念融入織物的設計中，將虛擬服裝與全成形針織技術相結合，采用循環可再生纖維，實現綠色低碳服裝的快速定制與制備。

從源頭上降碳，需不斷加強技術創新與變革，以最少的資源消耗獲得最大的經濟和社會效益，并逐步拓展到針織全產業鏈的低碳發展，推動針織工業向高端化、智能化、綠色化升級，促進綠色低碳循環發展體系的構建。