在线展丝环锭复合纺纱技术及设备

王 勇， 于伟东,2， 王府梅,2

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

在线展丝环锭复合纺纱技术及设备

王 勇1， 于伟东1,2， 王府梅1,2

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

在线展丝环锭复合纺纱技术能为落棉、木棉、羽绒等偏短、偏弱纤维的高品质、细支化成纱提供专门化的先进技术，因此，回顾国内外已公开的机械、超声波、声波、电极、气吹展丝技术的原理及常用设备，尤其是对适于短绒纤维的在线展丝复合纺纱技术，包括单束展丝、分劈双束展丝、上下层分别展丝机构及纺纱方法做了讨论。同时，对短绒纤维束的裹缠保护与结构稳定和对成纱加工和成纱强度的改善作用做了介绍。显然，基于长丝在线展丝方式的复合纺纱技术不仅适用于偏短偏粗、偏弱偏脆的纤维，尤其是回用纤维，而且是传统环锭纺纱技术中的先进与创新纺纱技术。

展丝； 扩纤设备； 结构复合纱； 短绒纤维纺纱； 包覆式复合纺纱

众所周知，纺织加工过程中落棉、落毛等偏短、偏弱类的纤维，回用纺织品中所得的偏弱、偏短和偏长、偏粗纤维及其组成混杂的纤维量增多，木棉、羽绒、牛角瓜纤维等超短、偏硬、脆弱或异形纤维逐渐被关注和利用。所有这些偏短、偏弱纤维的利用被忽视，不仅在于纺纱困难、成纱强度低、毛羽多且不均匀，还在于人们的传统概念与习惯。从纺纱工艺的角度出发，用上述纤维纺制高品质、高支纱的研究甚少。

复合纺纱起源于20世纪70年代[1-2]，21世纪初才得到较快发展[3-4]。近年来结构纺纱技术不断发展[5-7]，尤其是东华大学纺织材料与技术团队提出的结构复合纺纱技术为偏短粗、偏硬脆的回用纤维和新采用天然纤维的超短纤维的连续化单层单丝网[8-9]及其复合[10-12]保护式纺纱与双层双丝网保护式纺纱[13-14]、偏脆硬纤维的呵护式结构复合纺纱[15-16]、高强性低损伤的结构复合纺纱技术[17-18]，为高效、低耗、高品质、细支化的加工提供了技术基础。本文基于在线展丝的结构复合纺纱技术作系统介绍，为偏粗、偏短、偏脆弱的纤维纺纱技术的发展和先进纺纱技术的创新提供借鉴，为结构复合纺纱的深入研究提供方向。

1 已有展丝技术及其存在的缺陷

长丝束分为小丝束(small tow，ST)和大丝束(large tow，LT)2类。当前，国内外现有长丝加工中为方便和高产，大都生产较粗长丝，使纺制高支纱存在较大难度，因此，优选细旦长丝，甚至对细旦再分束，是纺制高支纱的必须前提。

1.1 已有展丝技术原理及相关设备

展丝技术即是将纤维束展开成单丝状依次排列的丝束带，纤维束沿宽度方向均匀扩散、使丝束变薄的过程[19]，如图1所示。国内外展丝的主要方法有机械扩纤法、超声波扩纤法、声波扩纤法、电极扩纤法和压缩空气气吹法等[20-23]。

1.1.1 机械扩纤法

机械扩纤法即将纤维束放在多组展棍上，通过辊间的配合辗压，使纤维束横向分散变薄，其薄层化过程主要是通过上层纤维沿宽度方向两侧扩展实现的。主要有摆动杆/震动杆配合展纤和展辊震动抖散展纤2种方式[24]。

将长丝束展开成长丝层的报道较多，主要集中在碳纤维、玻璃纤维、芳纶等高性能纤维方面，以碳纤维为主。国内学者有罗云烽[25-26]、高殿斌[27]、王占洪[28]等；文献[29]报道的机械展纤设备存在机械部件多、机械协同性要求高的缺陷；Shridhar Iyer[30]采用平行辊轮展开法和声波扩纤法联合展纤，并配备张力控制系统以确保适宜张力值；Murty[31]将多组辊轮展开法和气动丝束展开法相结合，让纤维束通过多组平行辊轮，并利用低频的声波振动功能，将纤维束展开；Ronald等[32]通过调节针梳装置参数(针距、针齿密度等)将纤维束分散均匀。

1.1.2 超声波扩纤法

超声波就是频率大于20 kHz的高频声波，是一种纵波，在传播媒介中以直线形式传播。当超声波在液体中传播时能够在溶液内形成空穴，空穴处于真空状态，溶液中的气体会进入该空穴中形成气泡，在气泡形成的瞬间，压力的作用可使气泡破裂而产生强大冲击波。超声波扩纤法利用超声空穴效应来对纤维束进行撞击，使纤维束分展[33]。李炜等[34]利用超声波扩纤法将长丝束碳纤维分展；孟秀青[35]发明超声波胶槽、长丝束碳纤维制造复合芯线的设备及方法。

1.1.3 声波扩纤法

声波扩纤法是利用低频的声波在气体介质中振动丝束，使丝束展开。声频信号发生器将机械能转换为电能，功率放大器将该电信号放大，通过扬声器将信号转化为声波释放，引起空气扩散和振动，作用于纤维束上而引发扩纤[36]。

1.1.4 电极扩纤法

静电扩纤法即通过静电作用使复丝展成单纤维层的方法。文献[37]公布了一种典型的电极扩纤装置，复长丝先经润湿再经高电压(大于等于5 000 V)后完成展丝。该装置展丝成本较高，存在安全隐患，不具备推广性。文献[38]提出一种新扩纤装置，仅需较低电压，无需额外给湿，仅需将相对湿度控制在60%～80%，大大降低展丝成本，且不存在安全隐患。Wu等[39-41]提出了采用电气开纤装置纺制涤/棉复合纱的方法，通过将合成纤维复丝电气开纤，使长丝复丝中各单丝开纤成为散列的长丝带须状，大幅增加单丝在截面的分布，提高相互抱合力。

1.1.5 压缩空气气吹法

压缩空气气吹法是一种较低损伤纤维束的薄层化处理方法[19]。当纤维束垂直进入气流场时，将对气流产生阻碍作用，这时气流沿纤维束向两侧流动，纤维束中心附近的气流流速几乎接近于0，远小于其两侧的气流流速。忽略气流的势能，根据伯努利方程有

式中：ρ为气流密度；υ为气流速度；P为压力；C为常量。

纤维束不同位置的流速不同，导致对应的压力不同，越靠近纤维束，压力越大。在压差产生的气动力作用下，纤维束横向分散变薄。李劲等[42]提出的连续纤维束分散装置主要依靠空气压力作用来完成分丝过程。该装置气体分离过程中会加大飞花和须条的紊乱，故不适于含短纤维须条的复合纺纱。John等[43]采用空气喷射法实现丝束展开。

1.2 已有展丝技术存在的不足

上述5类展丝技术存在以下不足：1)为迎合先进复合材料轻质、高强、高模、易成型的要求，多数展丝技术主要针对复合材料中的增强纤维(如碳纤维、玻璃纤维、芳纶等)进行扩展，部分展丝技术对普通长丝束的损伤较大；2)都是以可纺性较优秀的纤维为对象，不适用于可纺性差或不可纺的纤维；3)不适于偏短偏弱的高支化、甚至超高支化纺纱。

2 在线展丝环锭结构复合纺纱技术

近年来长丝在短纤维利用方面的应用越来越多。基于环锭纺的在线展丝结构复合纺纱技术为高效、低耗、高品质、高支化的加工提供了技术基础。该展丝复合纺纱方法适用于超短、易掉屑、易飞花纤维和偏短、偏弱回用纤维的保护式、柔软光洁复合纱的纺纱。此类复合纱织造形成纹理清晰、结构稳定、柔软耐磨、强度高、抗起毛起球的织物和面料。

2.1 短/超短纤维在线展丝复合纺纱技术

2.1.1 双辊差动式二级分劈展丝

图2示出双辊差动式展丝装置[8]。长丝束经单圈导纱钩或下引导纱钩的定位对中于分劈辊的分劈中线，并绕经分劈辊，由初/复分劈辊的线速差以及人字形沟槽转动的展开双重作用下，实现有效、可控展丝，形成单纤维丝网。

2.1.2 单向/双向沟槽展辊展丝

图3示出单向沟槽展丝装置[9]。下引长丝绕经带有单向螺纹沟槽并紧贴下前罗拉后侧圆辊的下半周。下引长丝可任意处喂入，完成展丝成网。

图4示出双向沟槽展丝装置[13]。4束长丝经导纱钩分为2上行2下行，然后分别经过人字形(双向)沟槽展辊的分展，形成2路上盖丝网和2路下托丝网，在加捻三角区形成对各自短纤维须条夹持裹缠后，复併成双网复合纱。

2.1.3 初展辊/分劈器/再展辊联合展丝

相对上述2种展丝技术，某些复合纱的展丝装置较为复杂，由初展器、分劈器、再展器三者联合[11,14,18]或由分劈器、展丝器2者联合[10]组成。初展器表面沟槽分为单向和双向2种。于伟东等[10]提出一种新型展丝装置，由分劈器和展丝器联合组成，如图5所示。

长丝经分劈器分束后，经左/右导丝钩下引对中喂入展丝器展丝并形成两路下托丝网，与经集束器定位的短纤维须条呈上下两层进入前罗拉，在加捻三角区裹缠、复并成纱。专利公开的展丝装置由初展辊、分劈杆和再展辊三者联合组成[11]。随后，于伟东等[14,18]在上述展丝装置的基础上加以改进，提出一种初展器/分劈器/展丝器联合展丝装置。采用初展器、分劈器和展丝器，使2束长丝经分劈器不对称地分为2×2束，其中2束上行、2束下行，进入各自的展丝器展成丝网，而后以不同位置喂入，在加捻三角区形成对短纤维须条的裹缠并多级汇聚复合成丝网裹缠复合纱[14]，如图6所示。

2.1.4 预分展器/分散罗拉联合展丝

Naeem等[44]研制特定的预分散器及人字形沟槽分散罗拉，实现对复丝的有效分展，如图7所示。

文献[9]将长丝束通过导纱钩引至刻有人字形沟槽的预分展喇叭将长丝束作初级展平，而后再进入沟槽分劈辊二级展开。该装置与上述装置相比，存在不同之处：1)分散长丝从纤维须条的下方喂入前罗拉钳口；2)该装置的预分散器(预分展喇叭)内侧下层面刻有人字形沟槽，能够强化对长丝束的预分展。

2.2 在线展丝复合纺纱优越性

1)在线展丝复合纺纱技术为我国原创新技术，该技术成功突破了传统环锭纺对落棉、木棉、羽绒等偏短、偏弱纤维的纺纱普适性瓶颈以及传统高支化纺纱对原料高品质的过硬要求，显著提高短纤维的利用率，为低消耗、高支化纺纱提供技术基础，推进纺纱技术的转型升级。2)我国纺织纤维原料资源紧缺，该类技术能促进纤维资源的循环利用，变废为宝，推进可持续发展；3)机构改造便捷，易于安装，与环锭细纱机匹配性优良。

3 结 语

机械、超声波、声波、电极、气吹展丝法是几种常用的展丝方法。对高性能纤维(如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维)而言，为改善纤维束的铺展效果，减少加工过程中的纤维损伤，可根据实际需要，筛选或更为理想的是协同多种展丝技术，取长补短。

高效、低耗、高品质成纱是短纤维纺纱技术发展的主动因，装备改进、多技术有效融合是该类技术发展的常用方式。针对传统环锭纺纱技术对落棉、落毛、木棉、羽绒、牛角瓜等偏短、偏弱纤维的纺纱普适性瓶颈问题，基于改进型环锭纺在线展丝的复合纺纱技术能够为高效、低耗、高品质、高支化加工提供技术基础。加强在线展丝纺纱技术的深入分析，有效地指导该类纺纱技术的改进和相关纱线及其织物性能的开发应用，以便更有效地将这项纺纱技术应用于纺织工业生产。同时，应协同纤维初加工和成纱加工、纺纱原料的同质化/多功能复合等多方面先进生产工艺与技术，推动偏短、偏脆弱类纤维纺纱技术的发展与循环再利用，促进行业原创技术研发能力的显著提升。

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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。主要研究方向为复合纱的结构和性能。于伟东，通信作者，E-mail：wdyu@dhu.edu.cn。

TS 114.1

A