曹吉強(qiáng)，于偉東，杜趙群

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620； 2.新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；3.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)

將復(fù)絲平鋪展開成間隔均勻、平行排列的單絲層狀網(wǎng)，稱為展絲。對展絲也可稱為展紗、擴(kuò)纖等，但都要求其長絲束本身是無捻或低捻的，本文統(tǒng)稱為展絲。

早在20世紀(jì)30年代就通過使用多個固定的輥(桿)將纖維分散均勻，纖維通過多道固定輥采用彎曲的路徑展平，得到扁平的纖維帶。1935年，Joseph[1]改進(jìn)紗線，使其具有不同厚度且可間隔排列，不同顏色的紗線可組合。隨后展絲技術(shù)和復(fù)合紡紗技術(shù)相繼發(fā)展，20世紀(jì)50—60年代出現(xiàn)了機(jī)械展絲、靜電展絲、氣吹展絲等方式，也有了長絲與短纖維復(fù)合紡技術(shù)；結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)在20世紀(jì)70—80年代開始發(fā)展，為復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)的誕生奠定了基礎(chǔ)[2]。展絲技術(shù)在紡紗領(lǐng)域中的應(yīng)用及創(chuàng)新成為可能，東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)和纖維軟物質(zhì)(Textile Materials and Technology & Fibrous Soft-Matter，TMT-SFM)團(tuán)隊創(chuàng)造性地將展絲與分劈技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)[3-5]，并取得了一定成果。本文研究分析在環(huán)錠紡紗中融入展平、展絲和分劈技術(shù)，對復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)進(jìn)行專門化機(jī)構(gòu)的研制，即呵護(hù)式的紡紗，包括紗線表面的柔軟、呈色、光潔化等加工，復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新等，為現(xiàn)代紡紗技術(shù)提供范例及啟迪創(chuàng)新思維。

1 展絲基本對象和基本方式

展絲在早期出現(xiàn)的時候，是將較厚的纖維網(wǎng)直接還原成相對較薄的平幅纖維網(wǎng)[6]，進(jìn)而展成平行單纖維網(wǎng)，前者稱為“展平”，后者為狹義上的“展絲”。

1.1 展絲和展平的對象與方式

展絲的對象為長絲束，長絲束一般分為細(xì)絲束和粗絲束。實(shí)際生產(chǎn)中以碳纖維、玻璃纖維、芳綸、氨綸、滌綸等為對象，即高強(qiáng)度、高剛性、表面光滑的纖維。國內(nèi)外為生產(chǎn)的方便和高效，基本為大卷裝粗絲束的長絲，其不適用于高支紗的紡制，采用展絲和絲束分劈就顯得較為重要。對短纖維來說，連續(xù)展絲意義不大，其只需經(jīng)撕扯、梳理，便可分離，但展平較有意義，可用于包芯、包纏紡紗。

長絲分為有捻、低捻和無捻長絲，適用于展絲展平的為無捻長絲，而有捻長絲須先退捻加工。短纖維須條因存在不平行和糾纏，一般只作展平處理。分束或分劈加工則必須滿足展絲條件。

展平有擠壓法、振動與擠壓組合法。擠壓法是在羅拉上頂擠壓力和纖維自重作用下倒塌，繼而實(shí)現(xiàn)逐漸展平；振動與擠壓組合法是將羅拉的振動和擠壓作用結(jié)合，加速展平。絲束展開的目的，一是使絲束變扁、變寬，直至單絲層；二是使展開后纖維間距增大，形成網(wǎng)結(jié)構(gòu)，覆蓋面積增大。用于展平的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，可通過一到多輥，在張力或低張力和振動作用下，使纖維束橫向上分散變薄。由集聚排列成圓或橢圓的密堆的絲束展平成扁平帶狀，進(jìn)而依次排列成單纖維層[7]，最終展開成平行排列的纖維網(wǎng)，絲束展平及展絲前后外觀形態(tài)變化如圖1所示。

圖1 絲束展平及展絲前后外觀形態(tài)變化

1.2 展絲的基本方式與研究進(jìn)展

目前展絲的主要方法有：機(jī)械、超聲波、聲波、靜電、氣吹及組合展絲法。最早的展絲方法是機(jī)械展絲法，且多與其他方法結(jié)合展絲，超聲波法應(yīng)用相對較晚。

1.2.1 機(jī)械展絲法

20世紀(jì)40年代就已出現(xiàn)機(jī)械展絲法[8]，主要分為摩擦(碰撞或滑移)展絲法和溝槽(螺旋線)引導(dǎo)法。摩擦碰撞法即粗糙表面法：是利用摩擦中的黏滑現(xiàn)象，采用一系列固定桿將絲束展寬，通過多輥[9]及速度[10]產(chǎn)生碰撞作用打開、分散絲束。主要機(jī)構(gòu)有振動輥、升降輥[11]配合展絲，擺動桿、固定輥配合展絲和與多桿件接觸展絲。摩擦碰撞展絲法輥筒上下振動展絲裝置如圖2所示。摩擦滑移法即斜面法：是利用光滑的曲面輥筒，使纖維下滑而展開。溝槽引導(dǎo)法是利用表面帶有螺旋或斜線溝槽的輥筒轉(zhuǎn)動使絲束展開成網(wǎng)[12]。

圖2 摩擦碰撞展絲法輥筒上下振動展絲裝置

摩擦展絲法要求輥筒表面有合適的粗糙度，以避免纖維損傷；或極為光滑，但有展絲的曲面，以控制纖維滑動分離速度和均勻化。溝槽引導(dǎo)法，須表面極為光滑且溝槽寬度與纖維的寬度相匹配，以防止纖維損傷。

1.2.2 超聲波展絲法

超聲波展絲法[13]是相對較新的展絲技術(shù)，超聲波在傳播介質(zhì)中的振蕩作用能使絲束分開，并均勻分散。為提高展絲效率，Tsukabayashi等[14]用水溶液展開碳纖維，超聲波展絲法展絲裝置[15]如圖3所示。Oishibashi[16]采用機(jī)械與超聲波展絲法結(jié)合的方式進(jìn)行展絲。孟秀青等[17]發(fā)明超聲波膠槽的碳纖維長絲制造復(fù)合芯線的設(shè)備及方法，尤其是對大絲束碳纖維體展平有效，但因其基于機(jī)械作用、機(jī)構(gòu)龐大且需引入液體介質(zhì)，故不適于精細(xì)的紡紗展絲。

圖3 超聲波展絲法展絲裝置

1.2.3 聲波展絲法

聲波展絲法[18]是利用聲頻振動絲束，使其平鋪展開。Hall[18]使用約15 000 Hz的頻率振動表面，使振動表面上方空氣產(chǎn)生與絲束振動頻率和強(qiáng)度耦合的脈動；Iyer等[19]將聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能作用于集束纖維中完成展絲，聲波頻率為32～39 Hz。目前已可以使用任何頻率段，優(yōu)選頻率段為1～20 kHz。聲波展絲法展絲裝置[19]如圖4所示。聲波展絲的優(yōu)點(diǎn)是聲波振動能使絲束均勻分散、對絲束損傷小，且無需超聲波法的液體介質(zhì)。由于聲波是力學(xué)波，故與機(jī)械振動相同，但設(shè)備龐大、成本高，不適于紡紗展絲。

11—送給輥；13—導(dǎo)環(huán)；14、18—握持輥；16a—擴(kuò)音器；16b—頻率發(fā)生器；16c—電動機(jī)；16d—拋光軸；16f—軸承；19—卷取輥；20—導(dǎo)輥。圖4 聲波展絲法展絲裝置

1.2.4 靜電展絲法

靜電展絲法是由靜電場作用使單絲帶電相互排斥展成單纖維層的方法。靜電法須靠羅拉握持和摩擦作用實(shí)現(xiàn)展絲的穩(wěn)定。Hicks[20]利用靜電法生產(chǎn)了優(yōu)異包覆隔熱型的粗節(jié)紗線。Gentaro等[21]公布了一種典型的電極展絲裝置，長絲先經(jīng)潤濕再經(jīng)高電壓(≥5 000 V)后，令單絲間產(chǎn)生排斥完成展絲。該方法不僅可以展絲，且展絲間距較為均等，并將最初絲束須潤濕后展絲改進(jìn)為使用加電壓輥筒，使纖維被輥筒吸引后而分開的技術(shù)。靜電展絲法展絲裝置[22]如圖5所示。UCHIYAMA等[23]為解決高壓電安全問題提出一種可降低展絲成本及安全隱患的展絲裝置。相關(guān)研究提出了在前羅拉后采用電氣開纖裝置紡制滌/棉復(fù)合紗的方法[24-25]。這些裝置的成本、羅拉道數(shù)和安全隱患均高于機(jī)械法，且受纖維導(dǎo)電性和紡紗飛花的影響，故不適用于復(fù)合紡紗。

12—絲束；26—預(yù)加張力桿；28—傳動輥。圖5 靜電展絲法展絲裝置

1.2.5 氣吹展絲法

氣吹展絲法是一種相對損傷小且展開速度快的展絲方法。Jack[26]提出用壓縮空氣定向吹絲束使其分離散開。Watson[27]和Daniels[28]均提出將空氣吸入絲束帶中，而鋪展成扁平帶狀的方法。SIHN等[7]開發(fā)了氣流控制絲束壓輥，并經(jīng)2道氣吹展絲，使纖維更為分散，寬度達(dá)原來的3～5倍。但氣吹法存在很大缺陷，會帶來大量飛花，而不適于復(fù)合紡紗。壓縮空氣氣吹展絲法展絲裝置[29]如圖6所示。

圖6 壓縮空氣氣吹展絲法展絲裝置

1.2.6 組合展絲法

組合展絲法是將靜電展絲法和氣吹展絲法或多種展絲技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，有靜電和氣吹結(jié)合的展絲法[30]；超聲波、機(jī)械和氣吹法結(jié)合展絲法等[31]，但都未克服各自展絲法的不足，故不適于復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗。超聲波展絲法和氣流噴射絲束展絲法相結(jié)合的裝置[32]如圖7所示。

2—絲束；4—預(yù)展絲裝置；6—主展絲裝置；8—驅(qū)動羅拉機(jī)構(gòu)；9—給紗檢測調(diào)整；11—從動羅拉機(jī)構(gòu)；17—展絲區(qū)；18—超聲波發(fā)生器；19—展絲羅拉；20—導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)；30—共振板。圖7 超聲波展絲法和氣流噴射絲束展絲法相結(jié)合展絲裝置

2 展絲及與分劈組合的復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗

長絲展絲的主要目的是為了形成裹網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)對短纖維須條的包裹。1973年Smith[33]發(fā)明一種紡紗裝置，該裝置使用與長絲方向相反轉(zhuǎn)動的驅(qū)動展絲輥與短纖維紡制復(fù)合紗，1988年Su[34]采用靜電展絲方式展絲而后與短纖維復(fù)合紡紗。東華大學(xué)TMT-FSM團(tuán)隊提出運(yùn)用展絲、分劈裝置紡制結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗技術(shù)，可以形成單網(wǎng)裹的二軸系[12,35-39]和雙網(wǎng)裹的三軸系[3,40-45]復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗，其中結(jié)構(gòu)主要指展絲[4,46-47]，復(fù)合代表多軸系。而長絲束分劈的目的是為了在線形成更細(xì)的長絲束，以實(shí)現(xiàn)對不可紡的短纖維的高支、超高支的復(fù)合紡紗。分劈可分為對稱和非對稱分劈，分劈后的絲網(wǎng)可再展開，進(jìn)而變得更稀疏，達(dá)到增強(qiáng)包覆面積的效果；分劈后的絲束可集束，變?yōu)樾炯喨ピ鰪?qiáng)復(fù)合紗。

2.1 二軸系復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗

二軸系展絲與分劈分為下托式和上蓋式2種，長絲螺旋展開的下托式復(fù)合紡紗機(jī)構(gòu)與工藝[35]如圖8所示，其采用螺紋導(dǎo)向使喂入長絲隨螺紋線的轉(zhuǎn)動而均勻展開形成下托絲網(wǎng)，并與上方通過的短纖維須條同軸喂入前羅拉，在加捻作用下絲網(wǎng)裹纏短纖維須條形成復(fù)合紗。該機(jī)構(gòu)輕巧實(shí)用、安裝調(diào)節(jié)方便。

1—導(dǎo)紗器；2—螺紋展紗器；3—前下羅拉；3a—前羅拉鉗口；4—長絲；4a—絲網(wǎng)；4b—展紗區(qū)；5—短纖維須條；6—柔軟光潔復(fù)合紗；7—固定架。圖8 長絲螺旋展開的下托式復(fù)合紡紗機(jī)構(gòu)與工藝

上蓋式則是長絲束在分展喇叭口完成初級展開，再在人字形螺紋輥上完成對稱展開，并在短纖維須條的上方同步喂入[12]，形成絲網(wǎng)包裹短纖須條的復(fù)合紗。上蓋式的分劈展絲器[40]較為復(fù)雜，但對蓋住或隔擋飛花效果較顯著。

2.2 展絲分劈的三軸系復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗

三軸系的復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗有上蓋下托式的網(wǎng)/網(wǎng)裹型、下托上芯式的網(wǎng)裹芯型、上蓋下襯式的網(wǎng)包襯芯型3種。網(wǎng)/網(wǎng)裹型復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗包覆效果最完整，是最為呵護(hù)式的紡紗；網(wǎng)裹芯型復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗是外有包覆呵護(hù)，內(nèi)有增強(qiáng)增彈的紡紗；網(wǎng)包襯芯型復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗是偏心非對稱的紡紗，雖在功能上與網(wǎng)裹芯型相近，但其網(wǎng)的包覆完整性稍有欠缺，且襯芯存在偏心而形成螺旋線，這反而形成剛性纖維襯芯的彈性化[48]。本文僅以網(wǎng)包襯芯型紡紗機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行說明。同軸束/網(wǎng)復(fù)合紡紗機(jī)構(gòu)[44]如圖9所示。

1—長絲；2—分劈器；3—集束導(dǎo)紗鉤；4—展絲器；7—復(fù)合紗；14—絲束；15—絲網(wǎng)；22—初展絲輥；24—分劈桿；31—下行導(dǎo)紗鉤；42—展絲輥；53—前羅拉鉗口；61—短纖維須條。圖9 同軸束/網(wǎng)復(fù)合紡紗機(jī)構(gòu)

如果采用高強(qiáng)高模的對位芳綸長絲作為網(wǎng)包襯芯型的蓋網(wǎng)和芯襯，而以高效阻燃粘膠短纖維作為須條，那么作為芯襯的高強(qiáng)高模對位芳綸就會在拉伸中首先斷裂，其增強(qiáng)作用會過早地失效，但是由于其偏心，即形成了螺旋線，其彈性可與粘膠短纖維配伍，保持原來的增強(qiáng)作用。作為包覆網(wǎng)的對位芳綸，因螺旋結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)秀的彈性，正好外層的粘膠纖維形成模量配伍，即具有了優(yōu)秀的柔軟性。而粘膠纖維又因其高回潮率，能很好地抗靜電，是消防服面料首選的復(fù)合結(jié)構(gòu)紗，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)紗的成形可由圖9所示的機(jī)構(gòu)完成。圖9機(jī)構(gòu)采用展絲(22)→分劈(24)→再展(42)或集束(31)裝置，長絲束經(jīng)過初展絲后，可被精準(zhǔn)定位分劈；其中一組再次展絲，從而獲得展開均勻度良好的上蓋絲網(wǎng)，另一組經(jīng)集束器(31)形成下襯長絲束增強(qiáng)且增彈。

2.3 六軸系軸對稱復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗

形成對稱式的復(fù)合方式結(jié)構(gòu)紡紗可以有2+2的四軸系模式[4]和3+3的六軸系模式[5]。此處僅以六軸系對稱復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗為例進(jìn)行說明。采用右路與圖9 同軸束/網(wǎng)復(fù)合紡紗機(jī)構(gòu)一致的網(wǎng)包襯芯型(上蓋下襯式)與左路網(wǎng)裹芯型(下托上芯式)左右手復(fù)合(軸對稱)的紡紗。這一復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗系統(tǒng)不僅彌補(bǔ)了包覆不完整的缺陷，還改善了襯芯絲偏剛性的缺陷，剛性襯芯絲互絞產(chǎn)生的螺旋線增加了紗體的彈性，使得同一臺復(fù)合紡紗機(jī)構(gòu)紡出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、柔軟且有彈性的雙股紗。絲束與絲網(wǎng)上下?lián)Q位喂入復(fù)合紡紗方法[5]見圖10，圖10(a)為該機(jī)構(gòu)工藝原理圖，圖10(b)為股紗截面圖。這是國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃中新一代消防面料升級換代所用的復(fù)合結(jié)構(gòu)紗的更新設(shè)計方案和紡紗關(guān)鍵加工組件，其成型原理和成紗功能見2.2所述。

1—長絲；2—展平分劈器；3L—左導(dǎo)絲鉤；4L—左展絲器；7—雙束網(wǎng)復(fù)合紗;12L—左絲束；14L—左絲網(wǎng)；22—展平輥；44L—左驅(qū)動輥；53—前羅拉鉗口；61L—短纖維須條；71L—左三軸系復(fù)合紗。圖10 絲束與絲網(wǎng)上下?lián)Q位喂入復(fù)合紡紗方法

3 結(jié) 論

長絲展絲分劈技術(shù)是復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗中的一項創(chuàng)新技術(shù)，也是此類結(jié)構(gòu)紡紗中的關(guān)鍵技術(shù)。

①采用機(jī)械法的展絲分劈方法，可以實(shí)現(xiàn)高效、均勻、快速、絲間距可控的復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗，且與現(xiàn)有的展絲技術(shù)相比，存在顯著的功效和綜合優(yōu)勢。

②采用預(yù)展絲→分劈→展絲或集束的工藝流程和機(jī)構(gòu)設(shè)置順序，可獲得皮芯結(jié)構(gòu)和3層環(huán)芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)紗。采取雙須條平行同步的“預(yù)展絲→分劈→展絲或集束”工藝流程和機(jī)構(gòu)設(shè)置順序，可獲得網(wǎng)裹須條的四(2+2)軸系、網(wǎng)裹須條再裹芯絲或雙網(wǎng)裹須條的六(3+3)軸系的紗表更光潔、條干更均勻的復(fù)合結(jié)構(gòu)股紗。

③長絲展絲和展絲分劈紡紗法，可在傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗機(jī)上加裝專門的展絲機(jī)構(gòu)或展絲分劈機(jī)構(gòu)，可適于此類復(fù)合結(jié)構(gòu)紡紗。其適用于：剛性和高強(qiáng)高模的高性能纖維，如碳纖維、玻璃纖維、對位芳綸纖維的剛?cè)嵝曰Q、低損傷、呵護(hù)式的紡紗；長徑比L/d≈(1～3)×102的粗短纖維，如落棉、落毛和木棉、羽絨、牛角瓜纖維等偏短、偏弱纖維的高支和超高支的紡紗；紗體表層柔軟化和光潔化的紡紗加工。