绿色低碳针织技术研究进展

2022-02-19蒋高明周濛濛郑宝平郑培晓刘海桑

纺织学报 2022年1期

蒋高明，周濛濛，郑宝平，郑培晓，刘海桑

(江南大学针织技术教育部工程研究中心，江苏无锡 214122)

自20世纪90年代起，由温室气体排放导致的全球变暖受到了国际社会越来越多的关注。为应对气候危机和保护环境，我国提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的发展目标，并将其列入“十四五”规划远景目标和要求。纺织工业是地球上温室气体排放量较大的工业之一，全球每年由纺织品的生产和使用产生的温室气体约占3%[1]。

针织技术作为纺织品加工的重要方式之一，历经400多年的发展，在原料开发、工艺创新、装备制造等方面取得了突破性进展。针织产品在服用、装饰用和产业用三大领域被广泛应用，并形成了相对完整的针织产业链。据统计，2020年服装产量为223.73亿件，其中针织服装占到服装产量的58.02%[2]。全球针织运动鞋年销量约为80亿双，占整个鞋类的51%，产值达1 000亿元[3]。人们消费水平的提高，进一步促进了针织产品在服装和鞋材上的应用，其产量和消费量呈现持续增长趋势。

针织产品在原料制备、织物编织、后整理等生产环节中的环境足迹都面临巨大的环境挑战，包括原料消耗、水污染、温室气体排放等。针对针织染整行业能耗大、污染严重等问题，平幅精练除油水洗工艺、染色机升级改造、定型机废气净化与热能回收等一系列节能减排措施的应用，明显改善了生产环境、降低了能耗[4]。《中华人民共和国环境保护税法》《纺织染整工业水污染排放标准》等环保政策的颁布，要求企业持续加强工艺的创新、环保设备的投入，降低纺纱、织布、印染等环节产生的大气、废水和噪声等污染源，因此，针织工业的污染防控要从末端防控转变为源头预防，大幅提升资源循环利用效率，最大可能消除或减少工业生产对人类健康和生态环境的影响。针织技术的创新，注重绿色化生产过程，将有效降低生产过程中的能源消耗、减少废水排放[5]。

本文从短流程针织产品生产技术、免染色针织色织提花技术、轻量化针织结构增强技术、低能耗针织装备生产技术、免打样针织虚拟现实技术5个方面论述了绿色低碳针织技术的创新对节能减排的影响，提出了从源头起降碳从而构建针织工业绿色低碳循环发展的产业链体系，为针织产业链的技术创新提供一些具有启迪意义的参考。

1 短流程针织产品生产技术

短流程针织产品生产技术是指依托针织技术创新不断发展的绿色清洁的生产方式，相较于原有的针织产品生产技术，减少工序，达到节能减排，降低成本，提高生产效率的目的。

1.1 全成形针织技术

全成形针织技术是利用新型横机、经编机和圆纬机制备全成形或半成形针织物的生产技术，其产品包含全成形服装、鞋材等。全成形针织技术作为绿色低碳针织技术的核心，具有以下优势。1)生态环保：全成形电脑横机的应用减少了53%的工序，横编产品的一般生产流程为纱线→面料生产→制版→裁剪→缝制→后道→整烫→检验→成品，全成形针织产品生产流程为纱线→全成形生产→整烫→检验→成品，使生产周期缩短50%，同时减少了织片因裁剪缝合造成的原料损耗，是较佳的资源节约型针织技术[6]。目前岛精制作所的MACH2VS213型全成形电脑横机，宁波慈星股份有限公司的KS系列电脑横机、斯托尔公司的ADF 830-24ki W型和CMS 830 ki型电脑横机等均可完成整件成衣的编织；在纬编产品生产方面，圣东尼公司的SM8-TR1S型单面无缝圆纬机可用于内衣、外套等全成形服装的制备；在经编产品生产方面，单针床RSJC5/1型、双针床 RDPJ4/2型、三贾卡 RDPJ5/1型等经编机可用于制备花型丰富的半成形鞋面，满足不同功能区域以及时尚设计的需求。2)三维全成形性：采用双针床或四针床电脑横机制备的全成形针织服装实现了从纱线到服装的织可穿，织物具有良好的三维立体成形性。相较于3D打印织物，全成形针织物可与不同的花型组织相结合，兼具个性时尚的视觉效果和穿着舒适的服用性能[7]。日本的三维全成形无缝针织机依托全成形针织技术，一次成形三维立体且无缝的针织服装，每件衣服平均用时仅为90 min。该方法使用最少的纱线材料制衣，下机后织物无需裁剪、缝制等工序，减少废料产生。

1.2 纺纱-针织一体化技术

纺纱-针织一体化指将传统的单面提花圆纬机与纺纱设备相结合，实现从粗纱到针织物的流水线生产。纺纱-针织一体机省却了环锭纺纱、清洁和复绕等工序，缩短了工艺流程，减少了纱线仓储环节，同时提高了生产效率和产品质量。德国迈耶西公司开发的Spinit 3.0 E型纺纱-针织一体式单面提花圆纬机集细纱、清纱和针织3种功能于一体[8]，可采用棉、粘胶等纤维为原料制备超柔软T恤、轻柔婴儿服等高质量针织产品。同时采用环境友好纤维，不使用化学油剂助剂和上蜡，可减少30%的二氧化碳排放。德国德乐公司开发的Corizon纺纱供纱装置是一个从粗纱条到针织成纱相对独立的单元，缩短了针织物的加工时间，可根据需要装配于任何机型[8]，但其成纱区域与编织区域相距较远，通常选用包芯纱编织。装有该装置的I3P196 OW型棉毛机，通过纱线和花纹图案改变，使针织物的设计和生产更加灵活且个性化，满足了产品的多功能性、个性化定制和可持续生产。考虑到纺纱-针织一体化设备在节能减排上的巨大潜能，提升设备的自动化、智能化程度，扩大纱线适用范围，实现针织产品的大批量生产，将有助于该类设备在针织领域的广泛应用。

2 免染色针织色织提花技术

针织提花色织技术是指采用2种或多种有色纤维通过纬编或经编的方式形成不同密度、花纹及图案针织物的技术，针织色织提花织物如图1所示。针织提花色织技术将有色纤维与针织提花技术相结合，减少了后道的染色工序、印染废水的排放及纤维微塑料等污染物的产生，所制备的服装具有绿色环保、环境污染少的特点。

图1 针织色织提花织物Fig.1 Dyed-yarn knitted jacquard fabric. (a) Sesame jacquard fabric；(b) Air jacquard fabric；(c) Jacquard fabric；(d) Multi-bar jacquard fabric

传统的色织行业采用先染后织的工艺，在染纱环节中造成大量的废水排放和能源消耗。据统计，2014年，我国41个工业种类中，纺织业废水排放量居第3位；2015年，纺织工业的污水排放量占工业污水排放量的9.22%[9]，因此在纺织品生产的前端通过技术创新采用有色纤维制备织物，是减少废水排放的有效措施之一。生物质化学纤维、循环再生纤维、原液着色纤维等皆可制备织造用的有色纤维[10]。相关研究表明：20个500 mL的聚酯瓶可制作1件上衣；采用100%再生聚酯纤维、再生棉纤维制备的服装与新材料相比，降耗分别为1.8%和2.6%[11]；与后道染色的面料相比，原液着色纤维制成的面料每吨可降低成本30%～50%。其中原液着色过程属于物理变化，着色和纺丝同步进行，所制备的纤维包括再生纤维素纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维等。相较于色纺纱，原液着色纤维省却了后道印染环节，减少了污水和二氧化碳的排放，属于节能减排的色织生产技术。目前，采用原液着色锦纶6制备的提花织物，织物图案丰富、色牢度好，可用于制备内衣、泳衣等。高品质、高功能、低能耗、低排放的原液着色纤维的研发和应用，有助于推动绿色清洁生产，促进绿色环保针织产业链的形成。

针织提花色织技术作为节能节水短流程清洁生产技术，将技术与艺术相融合，以科技化、时尚化、绿色化为发展目标，利用纤维原料的性能差异、提花织物丰富的组织结构及特殊的后整理工艺等，可生产出满足消费者需求的风格质感多元化的环保舒适针织产品。

3 轻量化针织结构增强技术

针织结构增强技术作为产业用纺织品的加工方式之一，可形成以网眼结构、间隔结构、成形结构、取向结构等为增强体的新型复合材料[12]。其中经编织物因其稳定的织物结构、优良的力学性能、高效的生产效率，成为产业用领域最常用的针织结构。经编轴向织物是在经编结构的基础上，沿织物特定方向衬入碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维形成高强高模预制件，产品可用于风力发电、航空航天、汽车等产业用领域。

在风力发电领域，风能作为清洁的可再生能源，其开发与应用可缓解全球能源供应，减少二氧化碳等温室气体排放。据国际能源网统计，2021年1—10月份全国绝对发电量67 176亿kW·h，其中风力绝对发电量4 515亿kW·h，同比增长28.6%。预计2025年，全国风力发电和光伏发电的发电量将占全社会用电量的16.5%左右。风力发电叶片是风力发电机组的核心部件，目前风力发电叶片朝着大型化、轻质化发展以提升风电机组对风能的利用率。传统叶片材料多为不易降解的热固性复合材料，废弃后通常采用燃烧或者填埋的方式处理，对环境污染较大。采用经编轴向织物制备的热塑性复合材料具有高强高模轻质等特点，是叶片蒙皮的最佳载体。取向纱线采用玻璃纤维、碳纤维/玻璃纤维混杂、碳纤维衬入经编织物，既可降低叶片质量，又能保证风电机组正常的运行效率。在倡导绿色清洁能源可持续发展的背景下，相较于金属材料的冶金流程，经编轴向结构材料以其质量轻、强度高、耐腐蚀、生产快速、节能等优良特性[13]，将在风电产品领域继续保持重要地位。为此，研发高精度化、短流程化的制备成形工艺，将成为提升经编轴向结构风电材料品质和生产效率的重要举措。

在航空航天领域，给飞机及航天飞行器减重是降低能耗、提高飞行效率的有效举措。经编多轴向织物增强复合材料因其轻质高强的特点，应用于机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，可显著降低机体结构质量，同时提高抗疲劳、耐腐蚀等性能。可使飞机质量减轻20%～25%[14]，航天飞行器质量减轻1 kg，运载火箭质量减轻500 kg[15]。与钢材相比，碳纤维增强复合材料的应用可使前机身段减轻31.5%左右，减少61.5%左右的零件和61.3%左右的紧固件。以波音787客机为例，碳纤维增强复合材料约占50%，在降低机身质量的同时，节省了20%的燃料[15]。据《空客全球市场预测》报道，2018—2037年间，客机和货机总需求量为37 400架。这些需求推动碳纤维增强复合材料在轻量化构件的研发与应用，最大程度地降低了能耗。

在汽车生产领域，为了缓解能源和环境问题，各国相继推出了降低燃油消耗、减少温室气体排放的政策，欧盟计划从2020年起，汽车平均二氧化碳排放量从120 g/km下降到90 g/km，到2030年，汽车和货车的二氧化碳排放量相比2021年分别减少37.5%和31%。汽车轻量化成为世界汽车发展的潮流。若汽车整车质量降低10%，可减少燃油6%～8%，提高燃油效率5.5%，降低排放4%[16]。汽车轻量化研究方向可分为轻量化材料、先进制造工艺、结构优化3个方面，其中，碳纤维增强复合材料在降低汽车自身质量、提升整车性能等方面具有显著优势，是汽车轻量化的理想材料[17]。碳纤维增强复合材料密度远低于传统汽车用金属，比钢材料减重50%左右，比镁铝合金结构减重30%左右[17]，可应用于汽车车身、刹车片、传动轴等。通用汽车公司于1992年将碳纤维增强复合材料应用于超轻概念车的车身和底盘结构件，整体车身质量约191 kg，质量降低68%，节约油耗40%；ARRK Engineering公司开发了碳纤维制备的复合变速箱壳体，与铝合金壳体相比减重30%。采用碳纤维增强复合材料制备的结构件具有良好的力学性能、耐疲劳性和耐久性，但碳纤维的成本较高，限制了其在汽车领域的广泛应用；因此，开发低成本、性能优异的针织结构材料将极大推动汽车轻量化的发展进程。

总体而言，将针织结构增强复合材料创新应用于产业用领域，制备轻量化构件可实现节能减排的目的。现阶段，针织产业用纺织品的开发与应用，需加强材料-结构-性能一体化研究和技术创新，以推进生产过程绿色化，降低能源消耗。

4 低能耗针织装备生产技术

低能耗针织装备生产技术以智能制造为核心，加快了针织设备的转型升级，可提升绿色化生产水平，从而促进针织工业高质量可持续发展。

4.1 高速经编装备

高速经编装备具有机号高、梳栉少、编织速度快的特点。与普通经编机相比，大量采用碳纤维材料制备针床、梳栉、沉降片床等驱动成圈机件，质量轻，运动惯性小，大幅度提高了织机的编织速度，降低了机件的磨损、震动、噪声和能耗[18]；电子横移、电子送经、电子牵拉卷取的应用，保证稳定运行的同时，提高了运动传递效率。三梳高速经编机速度增长趋势如图2所示。其中德国卡尔迈耶公司研发的HKS 3-M三梳高速经编机采用碳纤维复合材料针床、LEO®(低能耗)技术以及KAMCOS®控制系统，具有高度的灵活性和自动程度。其中碳纤维复合材料针床的应用，使HKS 3-M三梳高速经编机的运行速度比原设备提升25%，机速最高可达2 200 r/min；LEO®低能耗技术的应用，降低了10%的能源消耗[19]。如常德纺织机械有限公司的E2528/2H经编机(机号为32针/25.4 mm)，该机型采用铝合金复合碳纤维针床，有效提高了设备高速运转的稳定性，最高机速可达2 350 r/min[20]。

图2 三梳高速经编机速度增长趋势Fig.2 Speed development trend of three-bar high-speed warp knitting machine

高速经编装备的应用，促进了小批量、多品种织物的快速生产，显著缩短了产品的生产周期，具有节能减排、降本增效的作用。随着经编装备不断朝高速化、精密化、数字化方向发展及经编短纤纱等新产品的研发，将拓宽经编产品的原料使用范围，推动高效清洁的经编规模化生产并扩展其应用领域。

4.2 宽幅化针织装备

宽幅化针织装备主要是指宽幅化的经编装备。相较于传统经编装备，宽幅化经编装备拓宽了机器门幅，从而增加了该类装备在面料幅数和门幅方面的生产灵活性。卡尔迈耶公司的HKS 3-M-ON型经编机(711.2 cm)集高速和电子横移机构于一体，与同等幅宽的HKS 3-M相比，运行速度提高了15%，最高机速可达2 500 r/min；工作门幅可拓宽50.8 cm，最大编织幅宽为762 cm，机号为E28～E32。福建佶龙机械科技股份有限公司的GET3三梳经编机，最大宽幅可达757 cm，机号为E32，相较于传统的经编机生产效率显著提升，可快速适应千变万化的市场需求[20]。

宽幅化经编机中，大量应用了机电一体化技术，用电气传动代替机械运动，简化了针织机的整体结构，实现了可视化操作和人机交互，提高了织机的控制精度和可靠性。从目前宽幅化针织装备的发展趋势来看，经编装备在加工能力、型材精度等方面有了较大的提高；经编装备的发展并不是单纯提高速度，而是围绕扩大织造范围、提升织物品质、降低能源消耗、提高织机效能等方面不断突破，广泛采用新技术、新材料、新工艺进行深度地综合性研发。目前国内宽幅化经编机在细针距(E36以上)、高速化(4 000 r/min以上)等方面的技术水平仍显不足，还需加强技术创新，进一步降噪、降耗，提高生产效率。

4.3 基于机器视觉的疵点在线检测

织物疵点检测是影响织物生产效率和质量的重要环节之一，分为人工检测、在线检测和离线检测，其中基于机器视觉的疵点在线检测系统，利用工业相机采集织物表面的图像信息并进行图像处理以实现织物疵点自动检测，因其检测效率和准确度高受到了越来越多的关注。目前，针织产品生产中易产生漏针、飞花、跳纱、横路和花针等疵点，及时发现疵点并精准定位，快速处理疵点问题，将大幅度减少次品率，减少原料的消耗。在实际生产领域，发展较为成熟的疵点检测设备主要有瑞士Uster公司开发的Uster Fabriscan自动验布系统、以色列EVS公司研发的I-Tex2000系统、比利时Barco公司研发的Cyclops自动联机检验系统等[21]。因针织物结构复杂，织物疵点的分辨技术难度大，目前关于针织物的疵点在线检测系统大多为样机系统。江南大学研发的FDD1.09系统、香港大学研发的Cavis系统可用于织物的在线实时检测，东华大学、西安工程大学、浙江理工大学等高校先后推出了一些样机系统[22]。卡尔迈耶公司的HKS2-M型经编机、COPCENTRA 2K+E型经编机、常德纺织机械有限公司的E2518/2T型经编机、E2528/3型经编机和常州五洋纺机有限公司GE2266型经编机等多台针织设备均配备了疵点在线检测装置[23]。新品种针织面料和高速针织设备的开发，增加了疵点检测的难度，这需要在线疵点检测系统与时俱进，缩短算法实时检测时间，满足系统实时检测与分类的要求，以降低次品率，提高产品质量。

5 免打样针织虚拟现实技术

基于CAD软件对针织产品的组织结构和花型效应仿真已取得巨大的突破，并被积极应用于针织产品的设计领域，但针织产品的设计与应用是2个分开的阶段，在设计环节的样品打样及在应用环节的实物展示，既增加了设计时间和运营成本，又造成了织物原材料的浪费。为此，将虚拟现实(virtual reality，VR)技术引入到传统的针织物设计软件中，利用其丰富的交互手段和感知功能，在虚拟场景中实现对织物的辅助设计与展示[24]。

5.1 针织物三维仿真

针织物三维仿真是在二维仿真的基础上，结合三维几何造型技术，对纱线的结构特征、线圈的几何形状、针织物的组织结构进行仿真，清晰反映针织物线圈在三维空间的串套关系，直观展示针织物的设计效果，可缩短针织产品设计和反复打样的过程。线圈的三维仿真是针织物三维仿真的基础，围绕纱线的线圈模拟、纤维的纱线模拟2个方面展开[25]。根据针织纱线的结构特征，通过计算机图形学中的基于物理的渲染(PBR)理论实现纱线的真实感模拟；根据针织物组织结构及其变化规律，通过纹理映射法或线圈绘制法实现线圈结构的真实感仿真；通过云计算解决针织物三维立体仿真计算量大问题，实现针织物在线高品质仿真。针织物的三维仿真效果如图3所示。在此基础上，将针织物从纱线到织物的成形过程以三维动画展示，实现编织过程的三维可视化展示，有助于设计者对复杂针织结构工艺的理解，提高新产品的开发效率。针织物三维仿真研究分为静态与动态2个部分：静态部分主要从织物的三维模型以及光照模型入手，产生真实感效果；动态部分主要是仿真织物运动以及在风中飘动的过程，为织物皱褶属性在三维服装上的动态效果显示提供技术基础。针织物的三维仿真系统逐步向简单化、集成化、可扩展化发展，为设计人员提供了自然、逼真、多感知的设计环境，从而大大提高设计效率和质量，减少试样制备环节，降低生产成本，缩短开发周期。

图3 针织物三维仿真及虚拟展示Fig.3 3-D simulation and virtual display of knitted fabrics. (a) Weft-knitted jacquard fabric；(b) Warp-knitted jacquard fabric

5.2 针织服装虚拟展示

针织服装虚拟展示通过对三维线圈结构的模拟与空间坐标点的转换，真实展示整件服装的立体穿着效果及织物的结构质地。目前，用于服装虚拟展示比较成熟的商业软件有CLO 3D、STYLE 3D等，包含服装设计、服装三维仿真、服装花型展示以及服装的虚拟展示等功能。服装虚拟展示需经过三维人体扫描-建模、服装建模、纹理影射、碰撞检测、真实感渲染、场景建立等三维仿真优化，应用平台的建立等过程[26]。由于涉及动态的三维建模、渲染等专业技能，一套制作精良的三维虚拟服装并不比制作传统的服装简单，需要设计人员具备扎实的专业技能，同时也对设计软件和设备提出了较高的要求。针织服装虚拟展示提供了丰富的人机交互手段，快速表达设计师与版型师的设计理念，减少了反复制样的次数，提升了样板的精确度[27]，同时消费者可以参与设计，增加了样衣的被采用率。服装在正式下单前都不需要消耗任何面料，理论上可节省成本、减少库存。受“买即弃”快时尚文化及“衣服寿命止于拍照”观念的影响，大量服装被遗弃，造成了巨大的资源消耗和环境污染。将服装虚拟展示，与服装“云展厅”相结合，从大数据中获取当前流行趋势，根据已有模型对消费者人体-服装进行三维静态及动态建模，可预览服装试穿效果，实现量体制衣，避免了小批量、个性化定制造成的资源浪费，增加了服装的多次穿着与使用率，可减少废旧纺织品的产生。

总体而言，织物及服装的三维虚拟展示将仿真结果可视化，具有投入产出比高、能耗低、污染小等特点，实现了针织面料及服装的实时设计与修改，极大促进了针织新产品的短流程、快速设计和制作，缩短了生产周期。