短流程单纱染浆一体化打样方法

武世锋，周衡书,2，何 斌,2

(1.湖南工程学院 纺织服装学院,湖南 湘潭 411104; 2.湖南省生态贴身服饰面料及加工工程技术研究中心，湖南 益阳 413000)

短流程单纱染浆一体化打样方法

武世锋1，周衡书1,2，何 斌1,2

(1.湖南工程学院 纺织服装学院,湖南 湘潭 411104; 2.湖南省生态贴身服饰面料及加工工程技术研究中心，湖南 益阳 413000)

牛仔纱线的打样主要是通过大型片纱牛仔布生产线中染浆一体机完成，或是小束纱线先染色后上浆分步完成，前者打样品种少，流程长，浪费多，后者工艺不连续，在效率和质量上也达不到要求。提出了单纱染色上浆一体化以解决这些问题，在开发牛仔纱打样用单纱染色上浆一体机的基础上对相关技术进行研讨，提出3种实现短流程单纱染色上浆的方案，并从装置的短流程化、工艺的连续高效性方面进行了分析。

单纱；染色上浆；一体化；短流程

靛蓝染料染色时，染料需在碱性条件下经还原剂还原成可溶性隐色体钠盐上染纤维后，再经氧化恢复为不溶性的染料以固着在纤维上。靛蓝染料隐色体对纤维的亲和力较低，移染性和扩散性差，对纱线的渗透能力弱，纱线染色时大多呈环染状，易产生白芯现象。

牛仔布织造过程中，经纱在织机上要反复承受拉伸、弯曲和摩擦，容易产生毛羽，影响经纱开合运动，并可能产生断头。上浆后纱线表面涂覆了一层薄膜，使得纱线表面毛羽贴服、光滑，还可增加纱线的强力，从而有利于织造的顺利进行，保证产品质量。

目前企业中用于靛蓝牛仔纱线的染色与上浆技术已经较为成熟，但是用染浆生产线开发产品和进行样纱打样，存在浪费严重，打样时间长等缺点，制约了牛仔面料开发的速度。因此，研究短流程单纱染浆一体化技术，开发快速制备靛蓝牛仔纱的打样系统,对开发牛仔新面料具有现实意义。本文通过对单纱染浆一体化技术的分析，提出了3种短流程单纱染色与上浆打样系统的方案模型，对该机构的运行原理进行了分析。

1 牛仔染浆联合技术的开发进展

染浆联合机染色上浆，又称片状经纱染色上浆，纱线染色时纱线间以相互平行的状态呈片状前进染色，并且纱线染色和上浆2道工序都在同一台设备上完成,它是牛仔片状经纱染色的关键设备。染浆联合机染色上浆工艺复杂，分为轴经多染槽连续染色上浆和轴经单染槽环形连续染色上浆。轴经多染槽连续染色上浆工艺中,纱线要经过1～2道润湿槽、 6～8道染色槽(每道染色槽由染色和氧化2部分组成)，再经2～3道水洗槽进入储纱架，然后烘干，最后进行上浆，再次烘干，制成色纱织轴[1-2]。如图1所示。

轴经单染槽环形连续染色上浆工艺中纱线经过润湿槽到染槽，经过第1次染色，经过染槽上部的1对轧辊出来，通过环形路线绕过整个经轴架进行氧化，并从轴架下方导出来再次来到染槽进行第2次轧染，反复循环6～8次完成多道浸轧氧化的染色工艺，最后通过染槽上方的分纱辊来到水洗槽、储纱架、浆纱预烘筒、浆槽与浆纱烘筒，最后制成织轴。如图2所示。

牛仔经纱染浆联合设备大都体积大，工艺流程长，轴经多染槽需经过6～8道轧染氧化，每道染色长度为4.8～6.4 m、氧化长度为30～40 m[3-4]，浸染时间为1.5～3 min,氧化时间为6～20 min，全机总长度为50～60 m，单槽环染长度为45 m左右。

机器发生故障停车时，轴经多染槽的色档纱在200 m左右，单槽环染有的高达400 m[5]。在清洗染浆槽或者更换染浆料的时候，需要繁琐的操作和基础设施的提供，任何细节上的疏忽都会造成染浆料的浪费。对于单槽环染，若纱线一旦发生断头，处理断头不方便，增加了操作工人的工作量。

近年来，牛仔纱线浆染加工技术取得了一些新的进展。郑建权等[6]开发了一种染纱效率高，可避免断纱，可调节被染纱距离，可用于均匀段染纱线和非均匀段染纱线染色的单纱染色机。李石生[7]开发的一种单纱染色机通过前后2个染色滑轮将纱线浸没在染液中进行染色，在烘干热管上缠绕几圈进行烘干。

目前，市场上有多种单纱浆纱机，国外机型有如日本三禾友诚的Yamada YS-6型单纱浆纱机、德国KAJI的KS-3型及其改进型KS-7型单纱浆纱机等。国产机型有江南大学与通源纺机联合研制的GA391型单纱浆纱机、东华大学与淮北飞亚纺织联合开发的DSSJ型单纱浆纱机、天津隆达研发的ASS-3000型单纱浆纱和台湾硕奇开发的SS565型单纱浆纱机等[8]。

开发单纱染浆一体化技术，不仅可以实现单纱染色上浆的连续作业，缩短工艺流程，同时质量也应符合后续加工的要求。已有的直线式纱线走向加工方式无法实现短流程浆染一体化的加工目的，因此，改变纱线的绕纱方式是缩短流程的一种有效途径。工业化生产中，染浆联合要求纱线在染液中的浸轧时间一般在1.5～5 min之间，在空气中的氧化时间应在6～30 min之间[9-10]才能满足染色效果。采用单槽环染方式，使纱线多次进入和离开同一染槽，实现染色—氧化—染色—氧化的多次循环，是一种较好的染色方式。

本文设计了3种纱线环绕装置，对浸纱辊半径与浸纱长度、氧化长度、绕纱高度之间的关系进行了分析，旨在从理论上解决短流程染浆一体化技术的实现方法问题。

2 短流程染浆一体化打样方法设计

2.1 双导辊循环浸染方法

图3中虚线条为纱线，粗线条是2根导辊组成的机构，且上面实线代表的导辊半径为r，上下2根轧辊的半径分别为r和R，其长度均为w。图中下方的水平虚线代表染液，根据实际纱线在染液中浸染与在空气中氧化时间的比例关系，染槽内染液的液位高度设置为下方导辊圆心以下。设2根导辊间的距离O1O2段为H，浸染纱线在染液中的深度O3O4段为h，纱线偏离径向的缠绕角度β值假设是已知可测的。

(1)

其中

(2)

(3)

且lOB2=lOA2+lA2B2，lA1B1=lA2B2，

所以

即

(4)

由式(1)～(4)可知，映射在机构径向上的单圈纱线的映射长度为

(5)

(6)

由式(5)、(6)可以得到单圈纱线的长度

(7)

可得绕滚筒的纱线的圈数

(8)

则需要绕在机构上的纱线的长度l为

(9)

在图3中，由于:

可得2根导辊间距离(即O1O2段长度lO1O2)

(10)

由于H已知，则可得

在该机构中，单根纱线的浸染长度为

(11)

在图3中:

(12)

由式(2)、(4)、(12)可知，单根纱线的氧化长度为

(13)

又因为：

且lO2O3+lO3O4=lO2O4，lO2O4=lO2C1=R

所以浸染纱线在染液中的深度h(即O3O4段的长度lO3O4)为

(14)

因为lO3O4已知，由此可以得到

综上，可以得到一个理论模型：

n=

L=LJ+LY

其中n为绕滚筒的纱线的圈数。

2.2 导板-导辊循环浸染方法

图4中虚线条为纱线，粗线条是导辊和导板组成的机构，且导辊半径是R，导板宽度是m(即MN段的长度lMN)，导辊和导板的长度是w。图中下方水平虚线代表染液，根据实际纱线在染液中浸染与在空气中氧化时间的比例关系，染槽内染液的液位高度设置为下方导辊圆心以下。设导板到导辊的距离OO′段为H，浸染纱线在染液中的深度EF段为h，纱线偏离径向的缠绕角度β值假设是已知可以测得的。

(15)

其中:

(16)

且lAB=lAM+lMB，lBM=lCN，α+θ=π

所以得到

(17)

由式(15)～(17)可知，映射在机构径向上的单圈纱线的映射长度

(18)

(19)

所以由式(18)、(19)可得到单圈纱线长度

(20)

所以可以得到绕滚筒的纱线的圈数

(21)

则需要绕在机构上的纱线的长度l为

(22)

在图4中，由于:

所以得到导板到导辊的距离(即OO′段的长度lOO′)

(23)

在该染色工艺机构中，单根纱线的浸染长度LJ为

(24)

在图4中:

(25)

由式(17)、(25)可知，单根纱线的氧化长度LY为

(26)

同双导辊循环浸染法方案，得到浸染纱线在染液中的深度(即EF段的长度lEF)

(27)

由于lEF可知，则可以得到

综上，可以得到一个理论模型：

L=LJ+LY

2.3 三导辊循环浸染方法

图5中虚线条是纱线，粗线条是3个导辊组成的机构且导辊半径都是R。图中下方虚线是染液，根据工厂中纱线在染液中浸染与在空气中氧化时间的比例关系，将染液的深度设为没过下方导辊。纱线偏离径向的缠绕角度β值、下方2个导辊间的距离e值(即B2C1段的长度lB2C1)、浸染纱线在染液中的深度h值 (即QF段的长度lQF)、上方导辊距离下方导辊的高度H值(即O1E段的长度lO1E)假设是已知可测的。

以缠绕在机构上的单圈纱线计算分析，映射在机构径向上的纱线的长度为

(28)

因为α+γ=π，θ+δ=π

所以

(29)

(30)

因为在图5中

(31)

又α+2θ=π，且由式(28)～(31)可知，映射在机构径向上的单圈纱线的映射长度为

根据双导辊循环浸染法、导板-导辊循环浸染法，可得单圈纱线的长度：

(32)

所以可以得到绕滚筒的纱线的圈数

(33)

则需要绕在机构上的纱线的长度

(34)

在该机构中，单根纱线的浸染长度

(35)

所以

(36)

(37)

又因为:

(38)

由式(36)～(38)且PB1=C2R得到

(39)

由式(30)、(35)、(39)可以得到

(40)

因为lA1P=lA2R，lPB1=lC2R，且lA1B1=lA2C2

所以，单根纱线的氧化长度

(41)

所以

(42)

可以得到

综上，可以得到一个理论模型：

L=LJ+LY

2.4 3种方案实现方式及速度和时间分析

采用双导辊循环浸染法、三导辊循环浸染法，如果径向线速度是V径，即各个导辊线速度，则纱线运行的线速度V线为

(43)

采用导板-导辊循环浸染法，如图6中，下面辊筒的速度是V径，上面传动导板的速度是V轴，所以纱线的线速度V线为

(44)

3种方案中，假设纱线的线速度相同，亦即浸染时间TJ和氧化时间TY的比值与纱线浸染长度与氧化长度的比值相等：

(45)

且

(46)

(47)

设计方案的具体实现方式：

1)单纱染色和上浆的连续性。在整个单纱的染浆过程中，纱线的线速度保持不变，可以保证整个流程的连续性。实际生产中纱线的线速度在15～25 m/min之间，为了保证纱线的浸染氧化工艺，可以通过改变其线速度以满足特定的工艺要求。

2)染色装置和上浆装置的短流程。单纱染色上浆一体化系统的要求是能在很短的流程之内完成染浆联合加工任务。以上3种设计方案，单纱染色与上浆一体化设备每道工序单元的长度可以缩短在0.3～0.5 m范围内，染浆工序中还有预湿、染色、水洗、上浆、烘燥等工序，加上这些工序，整个单纱染色上浆一体化机构的整体长度亦可控制在2.5～3.0 m之间,这样极大地缩短了流程，节省了空间，而且提高了效率。

3)单纱染色上浆一体化工艺。在实际生产中，全流程浸染时间和氧化时间的比值一般都设置在1∶11～1∶3之间，并且全流程浸染时间在1.5～3 min之间,氧化时间在6～20 min之间，正因为如此，在双导辊循环浸染法、导板-导辊循环浸染法中，浸染纱线在染液中的深度h的范围设置在下方较大导辊半径以内，而三导辊循环浸染法中较小的导辊可以允许染液液位高度超过下方导辊顶端以保证浸染时间。

该系统的浸染时间由缠绕在机构上纱线的圈数n、纱线的线速度V线、单圈纱线的浸染长度LJ决定，其中单圈纱线的浸染长度LJ由浸染纱线在染液中的深度h决定；对于氧化时间，由缠绕在机构上的纱线的圈数n、纱线的线速度V线、单圈纱线的氧化长度LY决定，其中单圈纱线的氧化长度LY由H决定。

对于上浆而言，目前牛仔布行业采用一缸三浸三轧工艺，上浆过程需要一定的时间才能达到相应的上浆效果。只要调节纱线在辊筒上的绕纱圈数，把染料换成浆料，再增加1个干燥装置，上述染色装置同样适应于浆纱。将这2个模块的装置，再加以速度同步控制和张力调节装置，即可构成一个完整的单纱染色上浆一体机，实现短流程化单纱染色上浆。

2.5 应用效果分析

与生产用染浆联合机相比较，短流程单纱染色上浆一体化打样技术可以利用单缸或者双缸来代替染浆联合机6～8道工序，并且浸染和氧化在同一个机构上进行，从设备的结构以及工艺的整合方面讲，缩短了工艺流程；作为用于单纱染色上浆打样的机构，它拥有较小的染浆槽，一体机的染槽设计成60～80 L的容量，为片纱染浆联合机的染槽容量的5%～10.7%，打样时不会造成染浆料的浪费；设计机长在2.5～3.5 m之间，较小的机构、较短的流程，在机器停止运作后会产生较少的色档纱，不会造成原料的浪费。

按照上述单纱染色上浆短流程理论与设计模型，已与国内相关厂家合作研制了一台样机，该机的尺寸为3 500 mm×1 750 mm×1 450 mm。在样机上进行了靛蓝染色上浆工艺实验，结果表明短流程单纱染色上浆一体机的染色牢度比染浆联合机高0.5级，浸染与氧化时间比可调范围为1∶10～1∶6，染液动态循环，染液温度自动控制，各转动机件均采用伺服电动机控制，自动化程度高，张力调节、对色调色方便，解决了牛仔纱线打样难的问题。

3 结 语

1)采用循环染色方法,改变了以往牛仔纱线靛蓝染色工艺流程直线排列的方式，将氧化装置设计在浸染装置上方，并用循环绕纱方法,实现了浸染—氧化—浸染—氧化的牛仔靛蓝染色工艺循环，大大缩短了染缸和氧化架的道数，为短流程单纱染色上浆一体化提供了理论基础与设备模型。打样系统完全可以代替实际生产线进行牛仔布新产品的打样开发，具有工艺流程短，打样快速的特点。

2)利用改变染槽染液高度、上下导辊直径、上下导辊间的距离实现了牛仔纱线靛蓝染色中浸染时间与氧化时间的比例调节，确保了牛仔纱线染色工艺要求。

3)将染料改为浆料,通过调节纱线在辊筒上的绕纱圈数,即可变为浆纱装置,2个机械模块组合,通过速度同步控制与张力调节,实现了单纱染浆一体化。

4)该系统可大大地减少占地面积和空间、节约染料和浆料，从而降低废液排放，节省人力，降低了产品开发成本。

5)单纱染色上浆一体化设计与理论不仅可用于牛仔纱线靛蓝染色，通过在染槽下方温度控制装置，可实现变温调节，为适应其他染料的染色工艺提供了技术条件。

6)染色装置模块化，多模块组合，还可满足目前牛仔行业最新套色染色要求。

7)随着循环染色工艺与理论的不断完善，短流程染色上浆工艺技术将由单纱拓展到片纱，为牛仔行业、色织行业节能减排、产品创新设计提供有效的技术手段。

FZXB

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Short process proofing method of integration of single yarn dyeing and sizing

WU Shifeng1,ZHOU Hengshu1，2,HE Bin1，2

(1.InstituteofTextileandFashion,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan，Hunan411104,China; 2.HunanResearchCenterforEco-fabricProcessingTechnology,Yiyang,Hunan413000,China)

The denim yarn′s proofing mainly is completed by the dyeing and sizing combined machine in a large production line,or a bunch of yarn is dyed before sizing step by step.The former′s samples have small varieties,long process and are wasted more.The latter′s process is discontinuous,and the efficiency and quality can′t meet the requirements.Now,the technology of denim yarn′ proofing by the single yarn dyeing and sizing combined machine,was discussed.The three short process schemes of the single yarn dyeing and sizing are presented and analyzed from device′s short process,process′s continuity and high-efficiency.

single yarn; dyeing and sizing; integration; short process

10.13475/j.fzxb.20140603408

2014-06-16

2015-10-21

湖南省教育厅重点项目(14A031)；湖南工程学院科技创新项目 (Y14013)

武世锋(1989—)，男，硕士生。研究方向为数字化纺织技术。周衡书，通信作者，E-mail: 280434272@qq.com。

TS 193.5

A