纺纱新技术发展现状及趋势

2022-11-21汪军

棉纺织技术 2022年8期

汪军

（东华大学，上海，201620）

纺纱活动伴随着人类文明的推进而发展。回顾纺纱技术的发展历程，离不开开松、梳理、牵伸和加捻四大原理，目前纺纱技术也基本没有完全突破这些原理，只是在实现方式上有所区别或者在细节方面有所丰富。从动力驱动和控制技术的角度来看，由于蒸汽机、电动机、变频技术和伺服电机等的应用，极大提高了纺纱效率和成纱质量的稳定性。

当前的纺纱产业界，环锭纺仍占主导地位，而转杯纺和喷气涡流纺也得到了迅速发展，成为新型纺纱中的主力军。环锭纺的发展出现了集聚纺、低扭矩纺、全聚纺、聚纤纺、赛络纺和数码纺等，而新型纺纱技术中出现了静电纺、转杯纺、摩擦纺、喷气涡流纺、自捻纺和离心纺等新方法。本文分别就环锭纺纱与新型纺纱两种体系来分析近年来纺纱新技术的进展，并展望未来的发展趋势。

1 纺纱新技术的进展

1.1 环锭纺纱新技术的发展现状

迄今为止，环锭纺依然是纺纱技术应用的主体，其优点和不足均非常明显。环锭纺的优势体现在成纱结构合理、适纺号数范围广等方面，尤其是在特细号纱领域。其缺点是工序长、纺纱速度受限、卷装尺寸受限、用工相对较多。以下从3 方面阐述环锭纺新技术的发展。

1.1.1 环锭纺的改良技术

近年来，集聚纺、低扭矩纺（假捻纺）、柔洁纺、复合纺和数码纺等技术的涌现和应用，使环锭纺纱技术得以进步与改良，成纱质量得到提高与改善。集聚纺通过缩小纺纱三角区而大幅减少纱线毛羽，自1999 年进入市场以来，已在环锭纺中占有相当大的比例。低扭矩纺纱结合了缆形纺和假捻技术，改善了纱线的残留扭矩，也得到了一定范围的应用［1-2］。柔洁纺在纺纱三角区设置柔化接触面，使纤维须条在湿热作用下改善纱线的扭转刚度［3］。数码纺是通过独立驱动后罗拉、中罗拉和前罗拉构成2 个～3 个独立牵伸通道，对2 组～3组粗纱喂入进行精确控制后用于生产段彩纱或色纺纱［4］。

1.1.2 设备自动化与智能化进展

随着信息技术的发展与进步，在“两化融合”和“工业4.0”的背景下，纺纱加工过程基本可实现自动化，很多工序也实现了连续化，正朝数字化、信息化和智能化方向发展［5］。清梳联、粗细联、细络联等技术已得到广泛使用［6］，单机的自动化水平也得到长足进步，用工显著减少，在一些示范生产线上，万锭用工已降至10 人以内。同时由于纺纱生产过程中数字化与信息化不够［7］，缺少对纤维在各工序的全面在线监测与控制，距离真正意义上的智能化尚有不小的差距，特别是在工艺智能设置与生产过程中的自我学习、自我诊断和自我决策等方面还有很长的路要走。

1.1.3 纺纱器材与专件的进步

绝大多数纺纱器材与专件是在纺纱过程中与纤维集合体直接接触的，对纺纱过程与质量有很大影响，其作用不容小觑。近年来纺纱器材与专件也有很大进步。如针布在材料、加工、后处理和齿形设计等方面均有进展，可实现柔性分梳、保护纤维、超强耐磨、提高寿命等；钢领和钢丝圈采用特种合金材料和特殊后处理技术，显著延长其使用寿命；胶辊在材料配方、多种纤维适应性和周期研磨技术等方面取得了较大进展；在其他方面，也出现了集聚纺纱罗拉、网格圈、导条器、压力棒、低扭矩纺纱加捻器和柔顺纺纱须条处理器等新器材与专件［8-9］。由于纺纱过程中需要监测，纺织器材、专件与传感器的结合是未来的一个重要工作，既起到器材与专件的作用，又起到传感器的用途。目前纱管安装无线射频已有应用［10］。

1.2 新型纺纱新技术的发展现状

一般将除环锭纺以外的纺纱技术称为新型纺纱，在20 世纪曾经出现过10 余种新型纺纱方法，由于各种因素，目前在行业应用的主要是转杯纺和喷气涡流纺，摩擦纺也还有一定应用。

1.2.1 转杯纺

转杯纺技术的进展可以用“高速，细号，高自动化和产品多元化”来概括。转杯纺早期只能加工低档原料纺制副牌纱，如今发展到已可以使用好原料生产中高档纱，并在中粗号纱领域占有相当份额。纺纱速度进一步提高，半自动转杯纺纱机转杯速度达到100 000 r/min～120 000 r/min，全自动转杯纺纱机转杯速度则高达150 000 r/min～200 000 r/min，最高引纱速度可达300 m/min。纺纱号数也从原来的58.3 tex 下降到14.6 tex，拓展了适纺范围。转杯纺纱机自动化程度非常高，如采用数字化自动接头系统、电子清纱器在线监控、单头驱动控制、自动落纱和负压稳定系统等，极大减少了用工［11］。此外，低捻装置、转杯花式纱的技术也有进展，通过低捻装置的应用，可以有效降低转杯纱的捻度，增加纱线的柔软度［12-13］。转杯竹节纱等产品的开发，也丰富了转杯纱的产品种类［14-16］。

1.2.2 喷气涡流纺

喷气涡流纺最早是由村田公司在其喷气纺的基础上研制成功的，其初衷是开发能够纺制纯棉纤维的“自由端喷气纺”技术，实际上目前的喷气涡流纺既不适合纺制普梳纯棉纱，也不是完全的自由端加捻，准确地说是半自由端加捻［17］。与转杯纺类似，喷气涡流纺也具有流程短、速度快、设备自动化和智能化程度高、节省用工等多方面的优势。喷气涡流纺的纺纱速度可达550 m/min 以上，纱线毛羽较少，表面光洁。其缺点是对纤维原料的要求较高，特别是对长度整齐度指标要求很高。喷气涡流纺适合纺制中细号纱，现在处于快速发展阶段，在关键器材、产品开发、工艺研究方面还有待于深入研究［18］。

1.2.3 摩擦纺

摩擦纺是奥地利弗勒尔博士提出的一种新型自由端纺纱方法。摩擦纺通过尘笼采用负压方式来吸附凝聚纤维，同时利用尘笼回转对须条进行搓动加捻。摩擦纺适合纺特粗号纱。但是因为纺纱产量高，产品局限性较大，近些年主流制造商均不生产该设备。

2 纺纱新技术的发展趋势

2.1 环锭纺纱新技术的发展趋势

环锭纺是典型的非自由端加捻，其产品在可预见的未来不可能被转杯纺、喷气涡流纺全部替代。环锭纺未来发展的方向是连续化、短流程、节能化和高速化，以下分别进行展望分析。

2.1.1 全流程连续化

环锭纺实现全流程连续化和无人值守一直是纺织人追求的目标之一。清梳联、粗细联、细络联的实现已经极大压缩了用工，随着近年的梳并联、车间物流小车和自动码垛打包系统的使用，以及细纱自动接头技术的出现，使环锭纺无人操作在技术层面的问题基本得到解决。

梳理与并条的联合机早在20 世纪60 年代就有人进行研究了，但受制于多供一缓存式的产能平衡、奇数配置法则等问题一直很难产业化［19］。2020 年，经纬智能纺织机械有限公司解决了多台梳棉机向一台并条机供料、断头情况下梳并联系统的正常运行等问题，在梳理与并条的连接环节，设计条子翻转存储装置、条子输送装置，加入条子缓存装置以缓冲和隔离单机断头停台对系统的影响［20］。目前该梳并联系统已经得到试用，攻克了纺纱全流程连续化中的一个难题。

工业化生产中的细纱接头仍需要人工处理，因此细纱自动接头是实现纺纱无人值守所必须攻克的另一技术难题。20 世纪80 年代，国外就出现了自动接头机样机，但是未能在行业中大规模使用［21］，可能存在两个原因：一是自动接头机的研发不成熟，二是行业需求不强烈。随着全球劳动力成本提高，最近几年细纱自动接头技术再度成为热点。2019 年巴塞罗那ITMA 展会上，立达公司推出的细纱机自动接头机是一大亮点［22］，随后许多公司纷纷推出细纱接头解决方案。由于有络筒工序切除纱线疵点的保障，因而对细纱接头质量的要求不是很高。可以预计细纱自动接头技术将日趋成熟，该装置的价格也会逐渐下降，有望产业化大规模使用。

2.1.2 缩短纺纱流程

缩短环锭纺流程也是纺织人的一大梦想，而超大牵伸则是缩短环锭纺流程的核心。超大牵伸是一个经典课题，20 世纪50 年代～70 年代，国内外均有采用无捻棉条直接喂入细纱机超大牵伸装置进行纺纱的探索，但终因成纱质量较差等因素，不适于产业化应用而被弃用［23］。后期虽然一直有研究者不断在探索，如采用三罗拉、四罗拉和五罗拉胶圈牵伸系统的方式［24］，但是同样也存在着纱线质量和适用性的问题。四罗拉三区双向延伸胶圈超大牵伸装置的出现，给超大牵伸带来了新的思路［25］。该装置前牵伸区保留了向前（须条运动方向）延伸的双胶圈，发挥主牵伸能力；中牵伸区则是简单的罗拉牵伸，保持一定的张力牵伸；后牵伸区则设置了向后延伸的双胶圈，以增大后区牵伸倍数至原来的2 倍～3 倍，提升了总牵伸能力，最终可实现超大牵伸。

2.1.3 绿色节能降耗

纺纱过程中的节能降耗也是研究热点之一。以集聚纺为例，集聚纺一般可以分为机械式和气流式两种方式。机械式集聚效果略差，但能耗小。负压气流式的集聚效果较好，但因负压大而导致能耗较大。有研究表明，网格圈负压集聚纺在集聚区也是半自由端加捻，只要须条外端少数纤维包缠主体即可达到集聚作用［26］。因此出现了脉聚纺、集聚纺加导流装置等技术方案。脉聚纺通过对集聚槽进行分段式处理，利用其独特的集聚槽结构减少风量从而降低能耗［27］。在网格圈集聚槽上方加装气流导流装置改变气流速度和方向，可以更高效利用气流起到集聚作用，通过降低负压从而减少能耗［28］。立达和绪森等公司不断推陈出新，在集聚效果、集聚能耗等方面持续改进［29-31］，预计低能耗的集聚纺在未来还会继续扩大市场占有率。

2.1.4 提高纺纱速度

与新型纺纱相比，环锭纺的纺纱速度相对较低，主要受制于钢领钢丝圈摩擦副和气圈张力两大因素。钢领与钢丝圈巧妙配合拓展了环锭纺的应用，但同时也限制了纺纱速度，这主要是因为钢丝圈钢领是滑动摩擦形式，无法承受更高纺纱速度带来的磨损和升温等问题。针对这些问题，有文献报道考虑用滚动摩擦代替滑动摩擦的方案来降低钢丝圈磨损，提高纺纱速度；也有考虑设计一个采用磁悬浮驱动可旋转的转环代替现有的钢丝圈钢领组合来进行加捻，从而提高纺纱速度；但是这些基本处于设想或者研发的初期［32］。

卓斯特公司推出的环锭纺多级气圈纺纱技术，通过增大导纱钩至钢领钢丝圈加捻点的距离，将原来的单气圈改为7 个～8 个多级气圈，目的是保证纺纱时气圈的动态张力小于纱线动态强力，从而可以提高锭速。目前锭子速度可提高到34 000 r/min［33］60，这或许能够为环锭纺纱技术的突破带来希望。

2.1.5 新型纱线结构

在纱线结构方面也出现了一些新的技术。给液纺通过直接接触形式对前罗拉钳口与导纱钩之间的加捻段纤维须条进行给液处理，利用液体与棉纤维间的润湿与黏合，以及机械作用贴伏毛羽，提高成纱性能［34］。芯层黏合纺是短纤维环锭包芯携黏合剂的长丝，浸润黏合剂的长丝与前罗拉输出的须条汇聚并进行加捻，须条内的短纤维发生转移并相互抱合形成连续的纱线［35］。内外分层环锭纱是以棉纤维纺制而成的环锭纱作为芯层，表层同样采用棉纤维，在环锭细纱机上运用包芯纱成纱机理纺制内外层捻度不同的分层结构纱线［36］。

2.2 新型纺纱新技术的发展趋势

2.2.1 转杯纺

转杯纺在装备上的技术进展主要是单头控制技术、磁悬浮轴承应用等。双分梳转杯纺和数码转杯纺或许会给转杯纺带来新的发展方向。双分梳转杯纺的核心是将传统的单喂入单分梳单转杯形式改为双喂入双分梳单转杯配置，两路独立喂入的条子经过各自分梳辊分梳后再经各自输纤通道进入转杯凝聚加捻成纱，可以纺制纤维性能差异较大的转杯混纺纱［37-38］。数码转杯纺则是采用3 个喂给罗拉在伺服电动机的控制下将3 根纤维条分别喂入分梳辊，可纺制转杯色纺纱［39］。

2.2.2 离心纺

丰田公司在2019 年巴塞罗那ITMA 展会期间推出了离心纺纱样机，粗纱经牵伸装置后由前罗拉连续输出纤维条，进入高速回转的圆柱形离心罐中，纱条在离心力作用下紧贴于罐内壁而与罐子同转，对纱条进行非自由端加捻，并利用纱条转动速度落后于离心罐而产生卷绕，可形成纱饼。当卷绕达到一定长度要求时，将纱饼上的纱退绕到筒管上。离心纺纱取消了钢领钢丝圈和气圈，离心罐的转速可以达到50 000 r/min［33］61。