普适性柔顺光洁纺纱技术分析与应用

徐卫林 夏治刚 陈军 郭沁生 李洪盛 倪俊龙

摘要：欧洲采用优化工艺、外加强制性控制力的方法降低纱线有害毛羽，最有效成熟的集聚纺技术降低细纱3 mm毛羽高达80%，但存在能耗大、成纱硬度高等问题。针对现有技术问题，本文提出在线降低纤维刚度以提高纤维加捻成纱性能的纺纱方法，研制出配套纺纱技术装备，制造出表层致密光洁、内部纤维充分转移的柔顺光洁纱线，形成柔顺光洁纱线技术，广泛适用于棉、麻、化纤纺纱领域，具有装备操作简便、性价比高、易于推广等方面的优势，实现产业化应用。

关键词：柔顺光洁纺纱；纱线毛羽；熨烫加热；产业化应用

中图分类号： TS104.7 文献标志码：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

环锭纺纱属于握持端纺纱，对纤维成形控制力优良，迫使须条纤维呈内外转式扭转抱合成纱，所纺纱线结构致密、强力高，因此适应原料、纱支品种范围广，目前在纺织生产中仍占主导地位。在环锭纺纱过程中，加捻须条所含纤维量越少、加捻纱线抱合强力越小，就越容易发生纺纱断头，因此普通环锭纺纱所纺短纤纱中至少含有30根纤维，成纱极限支数遇到瓶颈。针对该技术瓶颈，本课题组与山东如意纺织合作，研发出嵌入式复合纺纱技术，加工出附加值高的超高支纱线及其制品。另一方面，环锭纺纱三角区须条边缘纤维受控性差、边缘纤维脱离钳口握持后形成飞花或长毛羽，导致环锭纱线有害毛羽过多、条干不匀率和强度恶化、纱线终端制品质量下降的技术问题，纤维刚度越高，上述技术问题越严重。针对该数百年来制约纱线高品质成形的毛羽问题，欧洲国家在国际上推出负压集聚纺技术，降低环锭纱线 3 mm以上有害毛羽高达80%，但耗能大、成本高，且有限的气流控制力尚无法满足粗特或高刚性纤维纱条的高品质成纱需求。因此，需要研发一种具有普适性、低成本能耗、低碳环保的纱线高端制造技术，大幅提升环锭纱线及其制品质量，对促进纺织工业精品化、高科技化将具深远意义。

本文针对环锭纱线高品质成形及负压集聚纺纱技术存在的问题，从改善纤维成纱的共性角度实施创新，在环锭纺纱三角区设置熨烫接触面，仅对局部成纱区内须条纤维进行湿热处理（能耗低），达到纤维玻璃化转变温度，瞬间降低纤维刚度，提高纤维受控性能，协同接触抚顺式加捻作用控制纤维在纱表紧密包缠、在纱内充分转移抱合，制造出具有表层致密光洁、内部柔顺结构的高品质纱线，形成柔顺光洁纺纱原理和技术，巧妙地解决了纤维高品质成纱的共性问题。通过原理固化和集成创新，研制出柔顺光洁纱线高端制造技术装备，以较低成本开发出系列高附加值产品，并在棉、麻、化纤等纺纱系统实现了产业化应用，达到国际领先水平。

1 柔顺光洁纺纱技术特征

1.1 柔顺光洁纺纱理论特征

基于大量研究和机理解析，凝练出纤维本身刚度和回弹性是决定纱线加工品质的共性科学机制：纤维刚度大、回弹性高，成纱品质低（图 1）。

内部结构和外界温湿度共同决定纤维刚度和回弹性。常规纺织纤维内部大分子间具有滑移、重键构特征，在非热解降解范围内温度升高，纤维储能模量降低，刚性和弹性下降（图 2），纤维自身变形和受控能力大幅提升。

基于决定纤维成纱高品质的共性科学机制，从改善纤维自身变形和受控能力的角度实施创新，首次提出了通过在线降低纤维刚度来提高成纱品质的“柔顺光洁纺纱方法”，凝练出柔顺光洁纱线高端制造技术的核心原理：仅在纺纱三角区加装柔顺光洁处理装置，通过柔顺光洁处理装置的熨烫接触面形成柔化接触区，瞬间降低纤维刚度，大幅提高纤维易变形和受控能力（图 3）。

式（1）中：l为外露纤维头端长度；N为纤维头端所受握持面压力；q为纤维重力（假设可忽略）；d为纤维的横截面直径；σmax为纤维在弯曲支点O所承受最大抗弯应力；T为转移纤维头端所需扭力。式（1）表明外露纤维越长、抗弯应力（刚度）越小，越易变形和受控扭转而移入纱体。

同时在柔化接触区对纺纱三角区须条边缘纤维进行抚顺式握持，协同加捻扭力和引纱张力作用，有效提高纱条内部纤维转移、捕捉和紧密缠绕纱条外露毛羽（图4），大幅提高成纱品质。

1.2 柔顺光洁纺纱装备特征

通过原理固化、集成创新、模块化设计，研制出柔顺光洁纺纱技术装备。

1.2.1 柔顺光洁处理模块功能强、精密耐用、小巧美观

循环优化半导体陶瓷粉料（BaTiO3掺稀土）配方及造粒-成形-烧结-上电极工艺，实现了高精确自控温安全熨烫；通过优化绝热防护结构，实现了定向定量精准释放热量；高精密优化设计和加工耐磨陶瓷接触工作面形态和光滑度。通过柔顺光洁处理模块的多功能一体化设计，包括自控温、定向释热、报警显示、防护等，成功研制出成熟的功能强大、精密耐用、小巧美观的柔顺光洁处理模块，实现温控自动化、耗能最小化、操作便捷安全化。

1.2.2 装置及连接基座的设备性强

综合各型号细纱机母体结构特征，研制出柔洁纺纱装置架，与柔顺光洁处理模块之间实现插拔式精确连接；研制出连接基座，实现调节安装柔洁纺纱装置，实现熨烫接触面与三角区纱条的高度协同成形；完成对约束紧度调节模块的设计（图 5），实现对不同细纱机台上所纺纱线表面毛羽包缠紧度的在线调节。

1.2.3 电控模块装备可视、安全、简洁

完成电控系统模块的集成控制和连接设计，实现安装拆卸便捷化、安全保护自动化、功率能耗可视化。经集成创新和循环优化，柔顺光洁纱线高端制造技术装备成熟，挡车操作方便，目前纺纱效率在97%以上。

1.2.4 柔顺光洁纺纱装备成本较低

与负压集聚纺相比，本项目技术仅采用小局部定向熨烫加热，运行能耗和成本低：目前经纬纺机推出柔洁纺装备单锭能耗为2.85 W（负压紧密纺装置单锭约为11.9 W）；单锭购买安装成本大幅降低。

1.2.5 柔顺光洁纺纱装备普适性强

目前柔顺光洁纱线高端制造装备是针对量大、面广的棉型细纱机（占细纱机总量85%以上）进行设计和研制的，已成熟应用于棉纤维、棉型化纤、短麻纺等纱线的高端制备。

1.3 柔顺光洁纺纱产品特征

实践研究表明：转杯纺纱体为内紧外松式层状包缠结构（图6（a））；涡流纺纱体为螺旋直径递增的纤维单螺旋包缠结构（图6（b）），纱表光洁、抗起球；但转杯纺、涡流纺纱体内部结构纤维内外转移不足、抱合力差，纱强低，严重制约纱线高品质。环锭纺纱体内纤维内外转移充分（图6（c））、抱合力大，纱强高，但纱表有害毛羽多、易起球；紧密纺降低环锭纺表面毛羽，但增加纱体内部紧度，纱体硬化，严重制约了环锭纱线高品质。

针对上述纱线结构特征和缺陷，采用柔顺光洁纱线高端制造技术，瞬间降低纺纱三角区纤维刚度，提高纤维变形和受控能力，增强纱内纤维转移率，改善成纱强度和柔顺度；抚顺握持协同加捻和引纱张力作用，捕捉和紧密包缠纱条外露毛羽，配合约束紧度调节模块，再次强化毛羽包缠紧度，提高纱线表层光洁致密度。产业化实践数据表明：柔顺光洁纱线具有全新优质结构，能集中发挥内外结构优势，表现出柔顺光洁（图 7）、高强的高品质性能。由于柔顺光洁纱线保留了纱线内部纤维充分内外转移特征，与内部纤维排列较为平直的紧密纺纱线相比，所制成的针织面料硬挺度较小。

2 柔顺光洁纺纱技术应用

2.1 柔顺光洁纺纱技术应用于棉纺

柔顺光洁纺纱装备主要针对棉纺加工，适合针织棉纱的柔顺光洁成形，大幅降低针织棉纱毛羽（表 1），提高纱线强伸性能（表 2）。

2.2 柔顺光洁纺纱技术应用于化纤纺

化学纤维一般具有明显的玻璃化转变温度，热敏度高。因此普适性柔顺光洁纺纱技术特别适用于纺制化学短纤纱的生产，实践表明柔顺光洁纺纱技术能够降低涤纶短纤纱毛羽高达91.5%，降低粘胶短纤纱毛羽高达93.2%。

2.3 柔顺光洁纺纱技术应用于麻纺

自然界中存在许多优质、高性能纤维原料，如具有抗菌性能的麻纤维、高耐磨高强功能的竹纤维等；然而这些优质高功能纤维（如麻纤维、芳纶等）往往存在高刚度问题，加捻扭转抱合困难，造成纤维成纱品质低下。以麻纤维为例，麻是一种优质的天然纤维素纤维材料，具有抗菌、吸湿排汗、防臭防虫等特质，但麻纤维刚度大、扭转形变差等特点，尚不能通过负压式集聚纺、赛络纺等加工成高品质纱线，纤维特质得不到充分发挥和利用。通过本项目技术在难纺高刚度麻类纺纱领域的推广应用，开发出柔顺光洁的汉麻军品纱，与对应的普通环锭纺相比，纱线 3 mm毛羽降低81.7%；开发出柔顺光洁苎麻纱，与对应的普通环锭纺相比，纱线 3 mm毛羽降低70.4%，从而实现了难纺纤维的高品质光洁成纱，拓展了纺织原料的种类。

3 结论

针对环锭纱线高品质成形及负压集聚纺纱技术存在的问题，从改善纤维成纱的共性角度实施创新，研发出通过在线降低纤维刚度以提高成纱性能的柔顺光洁纺纱技术，研制出安装运行成本低、操作便捷的柔顺光洁纺纱装备，实现了柔顺光洁纱线的安全、便捷、低成本纺制，制造出具有表层致密、内部纤维充分转移结构的柔顺光洁纱线，技术得到产业化应用。

（致谢： 非常感谢国家自然科学基金委（国家自然科学基金青年科学基金项目No. 51403161；国家自然科学基金杰出青年基金项目No.51325306）和湖北省科学技术厅（湖北省自然科学基金青年基金项目No.2014CFB755）对本研究的资助。）

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