棉纺织科技发展现状及展望

高卫东 孙丰鑫

(江南大学，江苏无锡，214122)

进入21世纪以来，科技创新空前活跃，当代科学技术成果呈现出指数规律增长态势，科技进一步分化和综合，全球科技资源的流动和科技信息的共享更加密集，科技创新已成为经济社会发展的先导。我国具备目前全球体量最大、最完善的纺织产业体系，纺织工业作为国民经济的重要产业，其科技创新能力的提升是我国步入国际产业强国的重要途径[1-2]。近年来，我国棉纺织行业在纤维原料开发、加工技术创新、新产品研发等方面取得了显著进展。

1 棉纺织纤维原料开发现状

目前，棉花、涤纶、粘胶是棉纺行业的三大原料。随着人口增长和资源问题的凸显，各国都从严掌控粮食用耕地，棉纤维的种植受到更多的限制，以涤纶短纤和粘胶短纤为主的化纤类棉纺原料的优势日益突出[3-4]。2018年三类主要棉纺原料从用量上看，棉花、涤纶、粘胶分别占比39%、32%、18%，其他纤维原料占11%。2018年我国棉纺用棉纤维755万t，与2017年持平，从发展的观点看，非棉纤维在棉纺织中将占据越来越重要的地位[5]。

1.1 棉纤维原料的改良

棉花作为棉纺行业的主要原料之一，棉纤维原料成本在生产成本中的占比达50%～75%，同时棉纤维的形态、性能等直接影响棉纺织品的质量，进而关系到产品的市场价值。棉纤维作为生物质原生纤维的大宗纤维品种，主要研究工作之一就是品种改良。研究人员通过提高衣分、单株铃数和铃重来提高皮棉产量，包括最初的亚洲棉与大陆棉的初步改良，以及后来的棉花丰产性以及优质抗病性的综合提升和转基因抗虫棉育种等，我国在棉花培育与品种改良方面做了大量工作[6]。

1.2 再生纤维素纤维进展

从初代为了解决棉纤维短缺而面市的普通粘胶，到高湿模量的第二代粘胶纤维，再到崇尚自然环保与穿着舒适性的新一代粘胶纤维的诞生，再生纤维素生产技术不断取得突破[7]。目前，再生纤维素纤维在棉纺织原料中占据重要一席，逐渐成为棉纺行业的主要原料，特别是粘胶纤维已成为喷气涡流纺领域占据比重最大的纤维原料。莫代尔纤维和莱赛尔纤维作为再生纤维素的大宗产品，分别以其高湿模量和纺丝溶剂的高回收率受到棉纺市场的青睐[8-9]。2018年我国自主开发的首条单产3万t的莱赛尔纤维生产线成功开车[10]。

1.3 聚酯纤维应用进展

聚酯纤维中以涤纶为大宗，涤纶在过去20年中增长速度迅猛[11]，2017年我国涤纶产量达3 934万t，居世界首位。中国产业调研网发布的《2019年—2025年中国涤纶纤维制造行业全面调研与发展趋势分析报告》显示，截至2018年9月我国涤纶长丝行业现有名义产能合计3 634万t，预计2019年和2020年名义产能分别可达3 936万t与4 411万t。当前行业前六名及名义产能市场占有率分别为：桐昆集团股份有限公司14.9%，浙江恒逸集团有限公司13.7%，浙江省新凤鸣集团股份有限公司9.1%，江苏盛虹化纤有限公司5.2%，恒力集团有限公司4.8%，荣盛化纤集团有限公司4%。此外，我国在利用废旧聚酯瓶片和废旧纺织品生产再生涤纶短纤产品方面处于世界前列，目前广泛应用于棉纺纱领域[12]。

1.4差别化与功能化纤维受到关注

差别化、功能化赋予纤维更高的附加值，改善服用性能，满足服装与家纺等领域的需求，已成为棉纺织原料发展的重要方向，也属于国家鼓励类纺织产业。差别化纤维与常规普通化学纤维相比，在横截面、纤维细度、纤维组分构成和染色性方面存在差异，我国差别化纤维用量不断提高，预计到2020年，差别化纤维占普通化学纤维比例可达65%。此外，对棉纺产品的功能化研究日益受到关注，其主要途径包括功能化整理或混纺功能化纤维等，使之具有阻燃、疏水、抗菌等功能[13-15]。

2 棉纺织加工科技的进展

2.1 纺织成形技术

2.1.1 环锭纺高速化技术

纺纱装备随着材料科学研究成果和微电子控制技术的广泛应用，生产能力和水平不断提高，纺纱装备的生产速度有了较大提升。从粗纱机来看，目前国内锭速大多在1 200 r/min，卓郎Zinsetspced5A型粗纱机锭速在1 500 r/min ～1 600 r/min，最高达1 800 r/min；在细纱机方面，国内细纱机最高已超过20 000 r/min，基本接近国际先进水平，国际上立达、青泽、丰田与朗维等公司生产的细纱机，设计锭速均达25 000 r/min，实际生产都超过20 000 r/min[16]68-69。

2.1.2 环锭纱品种品质提升技术

环锭纺技术的探索从未停止，纺纱新技术的出现既有利于纺纱技术与设备水平的提升，也为环锭纺新品种与品质提升提供了可能[17]。

柔洁纺技术[18]：针对环锭纺纱过程，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。采用柔洁纺技术能有效降低纺纱毛羽，纺纱强力和条干水平也有所提高。

扭妥纺技术[19]：通过在环锭细纱机前罗拉与导纱钩之间安装纤维排列调整装置，改善成纱结构，降低纱线的扭矩，从而实现低捻度、高品质、柔软纱线的纺制。

数码纺技术[20]：在细纱机上对后罗拉系统进行改造，并由数控转动装置协同，达到在环锭细纱机上以不同速度喂入两根或多根粗纱的目的，实现多根粗纱的纤维多元混和，可纺制混色纱、段彩纱、竹节纱等多个品种纱线。

2.1.3 喷气涡流纺技术

喷气涡流纺是由日本村田公司在喷气纺纱技术基础上进行改进并率先投入市场的一种新型纺纱技术，通过将条子直接喂入牵伸装置，须条从前罗拉钳口输出，由涡流的负压吸入形成芯纤维，当纤维的末端脱离前罗拉时，因涡流作用而扩张，随着纱条的向前运动，纤维末端缠绕于纱芯上而成纱。喷气涡流纺纱机纺纱速度目前可达500 m/min[21]，相比环锭纺快近20倍。喷气涡流纺以其速度快、效率高、工序短、用工少、自动化程度高等优势广泛用于粘胶等化学纱线的纺制，目前我国喷气涡流纺纱机已实现研发定型并投入生产。

2.1.4 无梭织机高速化与节能降耗技术

织机的高速化与节能降耗仍是织造技术发展的主要任务。近年来，无梭织机车速得到了快速发展，智能化水平的提升进一步实现了节能降耗。织机在不断提升速度的基础上，稳定性、适用性与运行可靠性也逐渐提高。

喷气织机：日本津田驹公司主打高速化，喷气织机车速可达2 015 r/min；日本丰田公司主推智能节气与电子开口，实现节能提速。国内青岛天一集团红旗纺织机械有限公司喷气织机转速超过1 500 r/min，达到国内领先水平；长岭纺织机电科技有限公司实现国内首家8色引纬织造，并实现了高效节能[16]94-95。

喷水织机：日本津田驹公司喷水织机采用短动程打纬、强韧机架等，进一步减少能耗。国内喷水织机车速普遍提高到700 r/min ～900 r/min，入纬率可达2 500 m/min，部分国产喷水织机演示车速高达1 400 r/min[16]95-96。

剑杆织机：剑杆织机以品种适应性强为特色，德国多尼尔织机可16色选纬，生产从丝织物到玻璃纤维等多个品种；比利时必佳乐新推出的剑杆织机展示车速达850 r/min，机电一体化程度显著提升。国内浙江泰坦数码高速剑杆织机车速为636 r/min，达到国内领先水平；山东日发纺织机械有限公司率先应用开关磁阻电机调速技术，显著降低电机能耗[16]93-94。

2.2 智能制造技术

2.2.1 智能化在线监测纺纱技术

纺纱生产过程中工艺参数的在线检测、自动控制和网络监控、智能化管理、数据分析及远程诊断等信息化管理技术和系统的应用，使得细纱机高度自动化并更加灵活，是当前和未来关注的重点[22]。目前普瑞美公司的Ultimo 细纱机单锭监测系统总装机量超过750万锭，实现了能耗/牵伸监测并配备粗纱自停装置；北京经纬纺机新技术有限公司的细纱机单锭智能监测系统，可实现弱捻、空置、不良锭的检测，并具有粗纱停喂功能；陕西长岭纺织机电科技有限公司的单锭在线监测系统，可对输出断头类别、断头率、接头时间进行分析，并实现对捻度的实时监测；日照品特裕华纺织科技有限公司开发了单锭监测模块、粗纱自停装置以及品特FANI纺纱软件，实施对断头、弱捻、空锭、机台效率的汇总分析。

2.2.2 自动穿经技术

现代化电子技术使自动穿经机成为现实。目前以瑞士Staubli自动穿经机较为先进，其通过精密的机械结构准确地完成穿经纱动作，而且在穿经前图像传感器可分别检测每一根纱的情况，可将错纱检测出来并加以纠正，同时能保证不会有双根纱同时穿入一个综丝孔里[23]。瑞士Staubli自动穿经机主要有以下机型：DELTA 110型自动穿经机针对具有普通穿经需求的织造厂而设计，以140根/min的穿经速度将经轴的经纱穿入综丝、停经片和钢筘；DELTA100型自动穿经机针对长丝织造而设计，仅将经纱直接穿入综丝和钢筘；SAFIR S80型自动穿经机为高性能穿经装置，它能满足高生产率、宽幅的要求；SAFIR S30型穿经机能很好满足生产标准织物或最多使用12页综框和无停经片的长丝织造的需求。

2.2.3 计算机辅助设计技术

计算机辅助设计技术主要集中在织物的仿真模拟、CAD系统的集成化和智能化等方面[24]。国外计算机辅助设计技术比较成熟，主要有美国AVL公司的WeaveMaker织物设计系统，德国EAT公司的Design Scope Victor纹织系统，荷兰NedGraphics公司的NedGraphicsTextile系统，英国Bonass公司的Cap系统等[16]106-107。国内计算机辅助设计系统开发相对较晚，目前主要有浙大经纬公司的棉织像景自动处理软件，能够实现单一品种织物设计流程的完全自动化；浙江大学设计的纺织物定制平台，可实现行业信息整合、纺织物一站式定制，并将可网络化的纺织CAD技术封装成云服务插件，解决了传统纺织CAD软件使用成本高以及维护不便等问题。

2.2.4 生产流程连续化与智能化技术

在国家“机器换人”产业政策的驱动下，棉纺加工在棉卷接头、条筒自动供应运输系统、粗纱自动落纱及粗细联、细络联、筒纱自动打包与运输系统等方面不断完善，连续化和智能化水平进一步提升。具有代表性的成果包括：经纬纺织机械股份有限公司的JWF1562型细纱机与青岛宏大纺织机械有限责任公司的SMARO型自动络筒机联合，形成细络联系统；青岛环球集团股份有限公司研发了完全自主创新的筒纱智能包装物流系统，国内首创无人化筒纱智能包装物流系统，其单纱筛选配重系统、无反射板激光导航AGV等技术填补了国内外空白；此外青岛环球集团股份有限公司在汲取全球粗细联装备优点的基础上，研发了CMT系列粗细联装备[25]。

2.3 绿色生产技术

2.3.1 环保浆料及智能化上浆技术

当前生态纺织与环保要求推动着符合环保概念浆料的开发与应用。因此，采用环保浆料、创新浆料产品和智能化上浆工艺技术、形成绿色环保浆纱技术体系是当前经纱上浆的发展方向[26]。

适于中低温上浆的高性能浆料：该类浆料研发主要从新型高性能浆料、易降解与易处理辅助聚合浆料、环保辅助平滑油剂等方面着手。目前主要成果包括：适用于中低温浆纱技术的无吸湿再黏聚丙烯酸类浆料、高性能变性淀粉浆料等。

低上浆、易退浆技术：主要从上浆系统、上浆工艺等方面展开研究。近年研发成功的泡沫上浆关键技术及产业化应用项目促进了经纱上浆和退浆生产的低耗、节能和减排，获得2015年度中国纺织工业联合会科学技术进步一等奖。

阔幅化、智能化浆纱机研发：现代浆纱机逐渐趋向阔幅化与高架化及多浆槽和多单元传动。浆纱设备在精益制造、数字化、智能化、信息化生产管理应用方面有大的进步。

2.3.2 绿色化与智能化染整技术

据不完全统计，我国染整业年耗水量超过100亿t，废水排放量约占工业总排放量的35%。因此引导印染行业向技术密集、资源节约、环境友好型产业发展意义重大。棉纺行业主要有散纤维染色与筒子纱染色两类，目前棉纺行业的染整技术发展在绿色化与智能化染色技术上取得进展[27-28]。

散纤维绿色化染色技术：在散纤维的染色中通过采用微悬浮染色技术，提升染料的分散均匀性，显著提高上染率，降低能耗，实现染料的高利用率，减少染料浪费；此外，利用有机溶剂代替水作为染色介质，可以解决染色用水问题，减少对环境的污染，同时由于溶剂高分散性，使得染色速度更快，推进生态绿色化染整的发展。

筒子纱智能化染色技术：筒子纱染色中采用筒纱数字化自动染色成套技术与装备，通过染料自动加料装置、液体助剂自动加料装置、粉体助剂自动加料等协调配合，实现了纺织染色全流程数字化、自动化、智能化，全面提升了染色效率，降低了复染率，达到省时、节能、节水效果，减少了污染，推动纺织绿色染整的发展。

3 棉纺织新产品开发技术

3.1 纱线新产品开发技术

当前通过纤维混和、包覆、“花式”以及“减量”等方式实现了多元化与复合化特征。主要包括纤维原料的多元化组合，加工工艺和方法的复合化以及纱线结构、性能与风格复合化和多样化。基于多元化、复合化与风格化的发展趋势，各类纱线新产品也不断涌现。

3.1.1 混和——多种短纤维混纺纱

为了满足最终产品对纱线的不同性能要求，两种或两种以上纤维的混纺纱线日益受到关注，目前主要的纤维混纺纱原料包括天然的棉、毛、丝、麻纤维，合成的涤纶、粘胶、腈纶、锦纶等纤维以及为了达到某些特殊要求而添加的功能性纤维等。

3.1.2 包覆——各式包芯纱

短纤/长丝包芯纱：以化纤长丝为芯丝，在芯纱外包覆短纤维。芯丝为氨纶等弹力长丝的包芯纱最为普遍，此外也有以涤纶长丝为芯纱的。包覆的短纤多以棉为主，也有包覆化学短纤维的。

短纤/短纤纱包芯纱：在细纱机上用已经纺制的细号纱作为芯纱，将粗纱条经牵伸后加捻包覆在细号芯纱周围，形成短纤维包短纤纱的结构，这种产品虽呈现复合纤维的皮芯型结构，但芯纱较细，成本相对较高。

短纤皮芯结构纱：通过特殊的前纺工艺技术，制得具有皮芯结构的粗纱，将两种纤维束粗纱通过环锭纺成纱，形成短纤维的皮芯结构纱。

3.1.3 “花式”——各类花式纱

在纺纱过程中，通过局部改变纱线细度，或通过变化纤维颜色或种类形成色彩效应，以及将这两种效果结合起来都能形成花式纱产品。产品种类包括竹节纱、点子纱、段彩纱、混色纱等，并演变出一系列的花式新品种，如竹节段彩纱、段彩平纱、波浪竹节纱等。

3.1.4 “减量”——低捻度纱与超细号纱

低捻度纱：降低纱线捻度有利于降低纱线的内应力，提升纱线的柔软性和形态稳定性。作为一种新型纺纱方法，通过控制前罗拉和导纱钩之间的纤维排列与集聚，实现了低捻度纱线的纺制，改善成纱结构，降低纱线的扭矩。

超细号纱：棉纤维纺制成的超细号纱具有柔软细腻、做工精细和良好的穿着舒适性等优点，因此被人们所喜爱。一部分企业通过技术创新成功开发出细度达 1.94 tex纯棉纱线，1 000 m纱质量仅有1.94 g，可用于高档衬衣等面料产品[29]。

3.2 面料新产品开发技术

3.2.1 异质经纬交织技术

随着织物产品多样化需求的日益提升，采用不同种类、色彩、规格的经纬纱进行织造，可实现织物丰富的布面效果，缔造独特织物外观。主要品种包括通过麻纤维经纱与棉纤维纬纱织造的兼具麻的粗犷和棉的柔软风格的织物；竹节纬纱与普通经纱交织的独特外观效果的织物；不同经纬纱颜色构成的条格效果布面系列产品等。

3.2.2 多元异质经纱织造技术

为了丰富织物产品种类，随着机织技术与工艺的提升，织物产品实现了多种经纱织造，通过严格控制整经、浆纱工艺，合理调整织机上机张力和工艺参数，实施有效的经纱分绞等措施，成功开发出多种类经纱混和织造的独特风格织物产品。例如：细号纱和粗号纱同为经纱的织物产品；采用上下双经轴织造方法，经纱为棉涤、粘涤交错分布纺制的织物面料；表经里经采用不同亲疏水性能经纱开发的排汗导湿功能性面料等。

3.2.3 长丝色织技术

由于化纤长丝织造产业与色织产业在工艺特点上有很大的相似性，而且有色长丝织造的产品具有成本低、功效高、色牢度好和附加值高等诸多优势，目前色织行业中使用筒子染色、熔体染色长丝生产长丝色织家纺面料、长丝色织窗帘、长丝色织装饰布、沙发布及长丝色织服装面料的已经占有一定比重。

4 棉纺织科技展望

总体来看，棉纺织科技在原料的多元化与功能化、加工技术的自动化与智能化、新产品的结构创新与功能提升等方面都进步显著，但是从发展的观点来看，纺织行业面临的原料、资源、能源、劳动力与环境等方面的压力会日益突出，我们应该认识到棉纺织行业科技创新的紧迫性，加强对棉纺织产品质量和生产效益的综合提升，主要总结以下五方面。

(1)纤维原料的差别化、功能化与性能提升。差别化纤维将继续以改善穿着舒适性、形态保持性和维护保养便捷性为目标，通过纤维截面形态、纵向形态和复合组分设计，使化学纤维实现高仿真效果；纤维的功能耐久性较后整理的织物具有优势，今后从现有功能提升向创新功能方向发展，从单一功能向多功能组合方向发展；常规化学纤维品种的后道加工性能通过化学或物理的方法加以改进，从而使得纤维的成网性、可纺性、湿加工性能和染色性得到提高；具有高强度、高模量、耐高温的芳纶、聚酰亚胺、超高分子量聚乙烯等高性能纤维在棉纺织上更多地进入推广应用阶段，用于制备纯纺纱和复合纱。

(2)纺纱无人值守与短流程化。纺纱过程在线测控技术方面，尤其是智能化精准测控分析，既保证设备的高速、高效和产品品质，又为少人化值守和低强度值守提供可能；环锭纱在适纺纤维种类和纱线品种适应性方面有其显著优势，但其断头需要人工操作处理，而一旦攻克环锭纺断头自动接头，将会使其生命力大为提高；在环锭纺工艺流程上，缩短从散纤维到成纱的工艺流程也是纺织技术的重要方面，环锭纺首先要实现清-梳-并联合工艺，以及再和粗-细-络工艺连接；喷气涡流纺将粗、细和络一步法实现，纺纱速度高达500 m/min，未来进一步的发展主要是突破细号纱和天然纤维原料的纺纱。

(3)织造的自动化与少人化。前织工序的半制品传输将逐步实现自动化，包括整经筒子上架、经轴入库和出库就位(浆纱机)、织轴入库和出库、布卷自动运送等，显著降低工人劳动强度，提高劳动生产率；自动穿经技术、浆纱自动排花技术、织机自动供纬技术、纬纱断头自动处理技术、织物在线自动验布技术将不断突破和完善，工人劳动强度减低，生产效率提高；织机电动提综装置为高速化和便捷地翻改品种创造了条件，智能化设计的喷气织机实际生产速度超过每分钟千纬以上，引纬气流场得到进一步优化，喷嘴启闭更为精准，每纬压缩空气消耗进一步降低；相对而言，机织物产品种类繁多，计算机辅助设计系统已经应用，但样品的存储和快捷的检索利用还有待开发，开发界面美观、功能实用、效果逼真、功能强大的纺织面料设计和管理系统是今后发展的重点。

(4)智能制造技术走向高端。进一步提升棉纺织机器的智能化水平，提高装备的生产效率、功能以及自动化、数字化水平。推进具有自动感知、智慧决策、自动执行功能的高端智能装备的产业化开发和应用；利用传感器和网络实现纺织装备生产数据的实时采集和生产任务的网络分发，在此基础上实现棉纺织生产的订单管理、计划排程管理、生产调度管理、工艺管理、库存管理、质量监控等；从产品的分析、测量和检测开始，包括原料的自动选配、生产工艺的自动生成、自动调度和排程，优化工艺流程，利用柔性化纺织加工装备实现生产全面互联化、精益制造和敏捷制造以及制造过程中的节能、降耗、减排；推动信息化技术在纺织生产、研发、管理、仓储、物流等各环节广泛运用。在棉纺织行业建设自动化和智能化生产、在线工艺和质量监控、自动输送包装、智能仓储、智能管理为主要特征的数字化、智能化工厂(车间)。

(5)绿色生产不断进步。纺织污水量和COD排放量分别居全国各行业第5位和第2位，过去PVA退浆废水的处理很难，长期积累会导致生态破坏，形成环境污染；因此研发绿色环保浆料与少上浆、易退浆技术是今后发展的方向之一；生物酶将进一步在纺织品的前处理(退浆)和后整理加工(酶洗)中推广应用。目前生物酶已被广泛用于淀粉浆的退浆工序，与碱退浆工艺相比，退浆过程节能50%以上，退浆废水COD含量有大幅度降低；采用生态环保的非水介质代替水作为染色介质，与传统工艺相比，节约用水、染料和助剂，并且染料介质回收率高。