在線展絲環(huán)錠復(fù)合紡紗技術(shù)及設(shè)備

王 勇， 于偉東,2， 王府梅,2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

在線展絲環(huán)錠復(fù)合紡紗技術(shù)及設(shè)備

王 勇1， 于偉東1,2， 王府梅1,2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

在線展絲環(huán)錠復(fù)合紡紗技術(shù)能為落棉、木棉、羽絨等偏短、偏弱纖維的高品質(zhì)、細(xì)支化成紗提供專(zhuān)門(mén)化的先進(jìn)技術(shù)，因此，回顧國(guó)內(nèi)外已公開(kāi)的機(jī)械、超聲波、聲波、電極、氣吹展絲技術(shù)的原理及常用設(shè)備，尤其是對(duì)適于短絨纖維的在線展絲復(fù)合紡紗技術(shù)，包括單束展絲、分劈雙束展絲、上下層分別展絲機(jī)構(gòu)及紡紗方法做了討論。同時(shí)，對(duì)短絨纖維束的裹纏保護(hù)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和對(duì)成紗加工和成紗強(qiáng)度的改善作用做了介紹。顯然，基于長(zhǎng)絲在線展絲方式的復(fù)合紡紗技術(shù)不僅適用于偏短偏粗、偏弱偏脆的纖維，尤其是回用纖維，而且是傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗技術(shù)中的先進(jìn)與創(chuàng)新紡紗技術(shù)。

展絲； 擴(kuò)纖設(shè)備； 結(jié)構(gòu)復(fù)合紗； 短絨纖維紡紗； 包覆式復(fù)合紡紗

眾所周知，紡織加工過(guò)程中落棉、落毛等偏短、偏弱類(lèi)的纖維，回用紡織品中所得的偏弱、偏短和偏長(zhǎng)、偏粗纖維及其組成混雜的纖維量增多，木棉、羽絨、牛角瓜纖維等超短、偏硬、脆弱或異形纖維逐漸被關(guān)注和利用。所有這些偏短、偏弱纖維的利用被忽視，不僅在于紡紗困難、成紗強(qiáng)度低、毛羽多且不均勻，還在于人們的傳統(tǒng)概念與習(xí)慣。從紡紗工藝的角度出發(fā)，用上述纖維紡制高品質(zhì)、高支紗的研究甚少。

復(fù)合紡紗起源于20世紀(jì)70年代[1-2]，21世紀(jì)初才得到較快發(fā)展[3-4]。近年來(lái)結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)不斷發(fā)展[5-7]，尤其是東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出的結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗技術(shù)為偏短粗、偏硬脆的回用纖維和新采用天然纖維的超短纖維的連續(xù)化單層單絲網(wǎng)[8-9]及其復(fù)合[10-12]保護(hù)式紡紗與雙層雙絲網(wǎng)保護(hù)式紡紗[13-14]、偏脆硬纖維的呵護(hù)式結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗[15-16]、高強(qiáng)性低損傷的結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗技術(shù)[17-18]，為高效、低耗、高品質(zhì)、細(xì)支化的加工提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文基于在線展絲的結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗技術(shù)作系統(tǒng)介紹，為偏粗、偏短、偏脆弱的纖維紡紗技術(shù)的發(fā)展和先進(jìn)紡紗技術(shù)的創(chuàng)新提供借鑒，為結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗的深入研究提供方向。

1 已有展絲技術(shù)及其存在的缺陷

長(zhǎng)絲束分為小絲束(small tow，ST)和大絲束(large tow，LT)2類(lèi)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有長(zhǎng)絲加工中為方便和高產(chǎn)，大都生產(chǎn)較粗長(zhǎng)絲，使紡制高支紗存在較大難度，因此，優(yōu)選細(xì)旦長(zhǎng)絲，甚至對(duì)細(xì)旦再分束，是紡制高支紗的必須前提。

1.1 已有展絲技術(shù)原理及相關(guān)設(shè)備

展絲技術(shù)即是將纖維束展開(kāi)成單絲狀依次排列的絲束帶，纖維束沿寬度方向均勻擴(kuò)散、使絲束變薄的過(guò)程[19]，如圖1所示。國(guó)內(nèi)外展絲的主要方法有機(jī)械擴(kuò)纖法、超聲波擴(kuò)纖法、聲波擴(kuò)纖法、電極擴(kuò)纖法和壓縮空氣氣吹法等[20-23]。

1.1.1 機(jī)械擴(kuò)纖法

機(jī)械擴(kuò)纖法即將纖維束放在多組展棍上，通過(guò)輥間的配合輾壓，使纖維束橫向分散變薄，其薄層化過(guò)程主要是通過(guò)上層纖維沿寬度方向兩側(cè)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的。主要有擺動(dòng)桿/震動(dòng)桿配合展纖和展輥震動(dòng)抖散展纖2種方式[24]。

將長(zhǎng)絲束展開(kāi)成長(zhǎng)絲層的報(bào)道較多，主要集中在碳纖維、玻璃纖維、芳綸等高性能纖維方面，以碳纖維為主。國(guó)內(nèi)學(xué)者有羅云烽[25-26]、高殿斌[27]、王占洪[28]等；文獻(xiàn)[29]報(bào)道的機(jī)械展纖設(shè)備存在機(jī)械部件多、機(jī)械協(xié)同性要求高的缺陷；Shridhar Iyer[30]采用平行輥輪展開(kāi)法和聲波擴(kuò)纖法聯(lián)合展纖，并配備張力控制系統(tǒng)以確保適宜張力值；Murty[31]將多組輥輪展開(kāi)法和氣動(dòng)絲束展開(kāi)法相結(jié)合，讓纖維束通過(guò)多組平行輥輪，并利用低頻的聲波振動(dòng)功能，將纖維束展開(kāi)；Ronald等[32]通過(guò)調(diào)節(jié)針梳裝置參數(shù)(針距、針齒密度等)將纖維束分散均勻。

1.1.2 超聲波擴(kuò)纖法

超聲波就是頻率大于20 kHz的高頻聲波，是一種縱波，在傳播媒介中以直線形式傳播。當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)能夠在溶液內(nèi)形成空穴，空穴處于真空狀態(tài)，溶液中的氣體會(huì)進(jìn)入該空穴中形成氣泡，在氣泡形成的瞬間，壓力的作用可使氣泡破裂而產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊波。超聲波擴(kuò)纖法利用超聲空穴效應(yīng)來(lái)對(duì)纖維束進(jìn)行撞擊，使纖維束分展[33]。李煒等[34]利用超聲波擴(kuò)纖法將長(zhǎng)絲束碳纖維分展；孟秀青[35]發(fā)明超聲波膠槽、長(zhǎng)絲束碳纖維制造復(fù)合芯線的設(shè)備及方法。

1.1.3 聲波擴(kuò)纖法

聲波擴(kuò)纖法是利用低頻的聲波在氣體介質(zhì)中振動(dòng)絲束，使絲束展開(kāi)。聲頻信號(hào)發(fā)生器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，功率放大器將該電信號(hào)放大，通過(guò)揚(yáng)聲器將信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波釋放，引起空氣擴(kuò)散和振動(dòng)，作用于纖維束上而引發(fā)擴(kuò)纖[36]。

1.1.4 電極擴(kuò)纖法

靜電擴(kuò)纖法即通過(guò)靜電作用使復(fù)絲展成單纖維層的方法。文獻(xiàn)[37]公布了一種典型的電極擴(kuò)纖裝置，復(fù)長(zhǎng)絲先經(jīng)潤(rùn)濕再經(jīng)高電壓(大于等于5 000 V)后完成展絲。該裝置展絲成本較高，存在安全隱患，不具備推廣性。文獻(xiàn)[38]提出一種新擴(kuò)纖裝置，僅需較低電壓，無(wú)需額外給濕，僅需將相對(duì)濕度控制在60%～80%，大大降低展絲成本，且不存在安全隱患。Wu等[39-41]提出了采用電氣開(kāi)纖裝置紡制滌/棉復(fù)合紗的方法，通過(guò)將合成纖維復(fù)絲電氣開(kāi)纖，使長(zhǎng)絲復(fù)絲中各單絲開(kāi)纖成為散列的長(zhǎng)絲帶須狀，大幅增加單絲在截面的分布，提高相互抱合力。

1.1.5 壓縮空氣氣吹法

壓縮空氣氣吹法是一種較低損傷纖維束的薄層化處理方法[19]。當(dāng)纖維束垂直進(jìn)入氣流場(chǎng)時(shí)，將對(duì)氣流產(chǎn)生阻礙作用，這時(shí)氣流沿纖維束向兩側(cè)流動(dòng)，纖維束中心附近的氣流流速幾乎接近于0，遠(yuǎn)小于其兩側(cè)的氣流流速。忽略氣流的勢(shì)能，根據(jù)伯努利方程有

式中：ρ為氣流密度；υ為氣流速度；P為壓力；C為常量。

纖維束不同位置的流速不同，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的壓力不同，越靠近纖維束，壓力越大。在壓差產(chǎn)生的氣動(dòng)力作用下，纖維束橫向分散變薄。李勁等[42]提出的連續(xù)纖維束分散裝置主要依靠空氣壓力作用來(lái)完成分絲過(guò)程。該裝置氣體分離過(guò)程中會(huì)加大飛花和須條的紊亂，故不適于含短纖維須條的復(fù)合紡紗。John等[43]采用空氣噴射法實(shí)現(xiàn)絲束展開(kāi)。

1.2 已有展絲技術(shù)存在的不足

上述5類(lèi)展絲技術(shù)存在以下不足：1)為迎合先進(jìn)復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、易成型的要求，多數(shù)展絲技術(shù)主要針對(duì)復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維(如碳纖維、玻璃纖維、芳綸等)進(jìn)行擴(kuò)展，部分展絲技術(shù)對(duì)普通長(zhǎng)絲束的損傷較大；2)都是以可紡性較優(yōu)秀的纖維為對(duì)象，不適用于可紡性差或不可紡的纖維；3)不適于偏短偏弱的高支化、甚至超高支化紡紗。

2 在線展絲環(huán)錠結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗技術(shù)

近年來(lái)長(zhǎng)絲在短纖維利用方面的應(yīng)用越來(lái)越多?；诃h(huán)錠紡的在線展絲結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗技術(shù)為高效、低耗、高品質(zhì)、高支化的加工提供了技術(shù)基礎(chǔ)。該展絲復(fù)合紡紗方法適用于超短、易掉屑、易飛花纖維和偏短、偏弱回用纖維的保護(hù)式、柔軟光潔復(fù)合紗的紡紗。此類(lèi)復(fù)合紗織造形成紋理清晰、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、柔軟耐磨、強(qiáng)度高、抗起毛起球的織物和面料。

2.1 短/超短纖維在線展絲復(fù)合紡紗技術(shù)

2.1.1 雙輥差動(dòng)式二級(jí)分劈展絲

圖2示出雙輥差動(dòng)式展絲裝置[8]。長(zhǎng)絲束經(jīng)單圈導(dǎo)紗鉤或下引導(dǎo)紗鉤的定位對(duì)中于分劈輥的分劈中線，并繞經(jīng)分劈輥，由初/復(fù)分劈輥的線速差以及人字形溝槽轉(zhuǎn)動(dòng)的展開(kāi)雙重作用下，實(shí)現(xiàn)有效、可控展絲，形成單纖維絲網(wǎng)。

2.1.2 單向/雙向溝槽展輥展絲

圖3示出單向溝槽展絲裝置[9]。下引長(zhǎng)絲繞經(jīng)帶有單向螺紋溝槽并緊貼下前羅拉后側(cè)圓輥的下半周。下引長(zhǎng)絲可任意處喂入，完成展絲成網(wǎng)。

圖4示出雙向溝槽展絲裝置[13]。4束長(zhǎng)絲經(jīng)導(dǎo)紗鉤分為2上行2下行，然后分別經(jīng)過(guò)人字形(雙向)溝槽展輥的分展，形成2路上蓋絲網(wǎng)和2路下托絲網(wǎng)，在加捻三角區(qū)形成對(duì)各自短纖維須條夾持裹纏后，復(fù)併成雙網(wǎng)復(fù)合紗。

2.1.3 初展輥/分劈器/再展輥聯(lián)合展絲

相對(duì)上述2種展絲技術(shù)，某些復(fù)合紗的展絲裝置較為復(fù)雜，由初展器、分劈器、再展器三者聯(lián)合[11,14,18]或由分劈器、展絲器2者聯(lián)合[10]組成。初展器表面溝槽分為單向和雙向2種。于偉東等[10]提出一種新型展絲裝置，由分劈器和展絲器聯(lián)合組成，如圖5所示。

長(zhǎng)絲經(jīng)分劈器分束后，經(jīng)左/右導(dǎo)絲鉤下引對(duì)中喂入展絲器展絲并形成兩路下托絲網(wǎng)，與經(jīng)集束器定位的短纖維須條呈上下兩層進(jìn)入前羅拉，在加捻三角區(qū)裹纏、復(fù)并成紗。專(zhuān)利公開(kāi)的展絲裝置由初展輥、分劈桿和再展輥三者聯(lián)合組成[11]。隨后，于偉東等[14,18]在上述展絲裝置的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出一種初展器/分劈器/展絲器聯(lián)合展絲裝置。采用初展器、分劈器和展絲器，使2束長(zhǎng)絲經(jīng)分劈器不對(duì)稱(chēng)地分為2×2束，其中2束上行、2束下行，進(jìn)入各自的展絲器展成絲網(wǎng)，而后以不同位置喂入，在加捻三角區(qū)形成對(duì)短纖維須條的裹纏并多級(jí)匯聚復(fù)合成絲網(wǎng)裹纏復(fù)合紗[14]，如圖6所示。

2.1.4 預(yù)分展器/分散羅拉聯(lián)合展絲

Naeem等[44]研制特定的預(yù)分散器及人字形溝槽分散羅拉，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)絲的有效分展，如圖7所示。

文獻(xiàn)[9]將長(zhǎng)絲束通過(guò)導(dǎo)紗鉤引至刻有人字形溝槽的預(yù)分展喇叭將長(zhǎng)絲束作初級(jí)展平，而后再進(jìn)入溝槽分劈輥二級(jí)展開(kāi)。該裝置與上述裝置相比，存在不同之處：1)分散長(zhǎng)絲從纖維須條的下方喂入前羅拉鉗口；2)該裝置的預(yù)分散器(預(yù)分展喇叭)內(nèi)側(cè)下層面刻有人字形溝槽，能夠強(qiáng)化對(duì)長(zhǎng)絲束的預(yù)分展。

2.2 在線展絲復(fù)合紡紗優(yōu)越性

1)在線展絲復(fù)合紡紗技術(shù)為我國(guó)原創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)成功突破了傳統(tǒng)環(huán)錠紡對(duì)落棉、木棉、羽絨等偏短、偏弱纖維的紡紗普適性瓶頸以及傳統(tǒng)高支化紡紗對(duì)原料高品質(zhì)的過(guò)硬要求，顯著提高短纖維的利用率，為低消耗、高支化紡紗提供技術(shù)基礎(chǔ)，推進(jìn)紡紗技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。2)我國(guó)紡織纖維原料資源緊缺，該類(lèi)技術(shù)能促進(jìn)纖維資源的循環(huán)利用，變廢為寶，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展；3)機(jī)構(gòu)改造便捷，易于安裝，與環(huán)錠細(xì)紗機(jī)匹配性優(yōu)良。

3 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)械、超聲波、聲波、電極、氣吹展絲法是幾種常用的展絲方法。對(duì)高性能纖維(如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維)而言，為改善纖維束的鋪展效果，減少加工過(guò)程中的纖維損傷，可根據(jù)實(shí)際需要，篩選或更為理想的是協(xié)同多種展絲技術(shù)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

高效、低耗、高品質(zhì)成紗是短纖維紡紗技術(shù)發(fā)展的主動(dòng)因，裝備改進(jìn)、多技術(shù)有效融合是該類(lèi)技術(shù)發(fā)展的常用方式。針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗技術(shù)對(duì)落棉、落毛、木棉、羽絨、牛角瓜等偏短、偏弱纖維的紡紗普適性瓶頸問(wèn)題，基于改進(jìn)型環(huán)錠紡在線展絲的復(fù)合紡紗技術(shù)能夠?yàn)楦咝?、低耗、高品質(zhì)、高支化加工提供技術(shù)基礎(chǔ)。加強(qiáng)在線展絲紡紗技術(shù)的深入分析，有效地指導(dǎo)該類(lèi)紡紗技術(shù)的改進(jìn)和相關(guān)紗線及其織物性能的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以便更有效地將這項(xiàng)紡紗技術(shù)應(yīng)用于紡織工業(yè)生產(chǎn)。同時(shí)，應(yīng)協(xié)同纖維初加工和成紗加工、紡紗原料的同質(zhì)化/多功能復(fù)合等多方面先進(jìn)生產(chǎn)工藝與技術(shù)，推動(dòng)偏短、偏脆弱類(lèi)纖維紡紗技術(shù)的發(fā)展與循環(huán)再利用，促進(jìn)行業(yè)原創(chuàng)技術(shù)研發(fā)能力的顯著提升。

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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?yàn)閺?fù)合紗的結(jié)構(gòu)和性能。于偉東，通信作者，E-mail：wdyu@dhu.edu.cn。

TS 114.1

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