百年纺织之十二：旋转的尾巴
2023年11月7日 星期二

        把棉花、羊毛或者化纤短纤维制成连续不断的纱线，需要有横向压力保持纱线结构稳定，常用加捻、纠缠和包缠等方法，其中加捻是自古就有的方法，见图1，在现代纺织技术里面最成熟的就是图2和3所示的环锭纺。

图1 加捻原理图

图2 环锭纺原理图

图3 环锭纺生产车间照片

       环锭纺纱指条子或粗纱通过环锭钢丝圈旋转引入，筒管卷绕速度比钢丝圈快，棉纱被加捻制成细纱，环锭纺广泛应用于各种短纤维的纺纱工程。如普梳，精梳及混纺，钢丝圈由筒管通过纱条带动绕钢领回转进行加捻，钢领的摩擦使其转速略小于筒管而得到卷绕。纺纱速度高，环锭纱的形态，为纤维大多呈内外转移的圆锥形螺旋线，使纤维在纱中内外缠绕联结，纱的结构紧密，强力高，适用于制线以及机织和针织等各种产品。
环锭纺是对连续纱条加捻。可是还有一种纺纱方法，在纱条尾部不断有短纤维补充，在外界旋转气流场下纱条得到加捻，这种“旋转的尾巴”就是另一种革命性的纱线成型方法：转杯纺，见图4原理图和图5生产车间照片。由于尾巴部分是自由活动的，也叫自由端纺纱。自由端纺纱有很多种类，最基本的是转杯气流纺纱。

图4 转杯纺原理图

图5 转杯纺生产车间照片

       相比于历史悠久的环锭纺纱，转杯气流纺纱1937才由贝特尔森在丹麦提出的专利，后来又经法国、捷克斯洛伐克等国的学者不断研究。中国从1958年开始研究，1967年开始逐步应用于工业生产[1]。上世纪70年代以来，转杯纺纱的工艺技术和机械设备发展迅速，应用越来越广。

图6 转杯

       图6是转杯纺核心部件的转杯。在转杯纺中，喂入的纤维条被包覆有针布的回转分梳辊开松成单纤维，随气流输送到高速回转的转杯内壁，在凝聚槽内形成纱尾，同时被加捻成纱引出，直接绕成筒子。

图7 Grosberg在1979年发表论文首页

图8 Grosberg的转杯观测装置

       转杯里面单纤维成纱和尾端加捻与纱线最终捻度有何相关性？转杯里面纤维处于高速运动状态，凭现在的技术做直接观测尚有一定难度。纺织大师Grosberg在1979年发表论文[2]（首页见图7），研发如图8所示的新转杯装置，用闪光高速摄影拍摄尾端旋转状态，得到尾端捻度分布和成纱捻度分布的相关性。主要发现假捻作用会导致过高捻度，在转杯内过高捻度会形成更长的纱线成型区域，有利于提高成纱质量；但过多的捻度也会使得成型区域过长，显著增加了不必要的浮游纤维数量，对最终成纱质量有负面影响。Grosberg的方法对后续合成纤维短纤维的气流纺纱技术改进、转杯内腔形态优化、不同卷曲形态纤维转杯纺工艺优化有很好的实际指导价值。

图9 转杯纺流程

       相比于环锭纱，图9所示转杯纺流程制得的转杯纱结构空隙大，纤维伸直度较差，内外层纤维转移较少和捻度不一，因此纱的强力低、伸长较大。但织物手感丰满厚实，保暖性好，耐磨，吸浆和吸湿性好，吸色率高。转杯纺纱适用于许多产品，如灯芯绒、劳动布、卡其、色织绒、印花绒、绒毯、线毯、浴巾和装饰用布等。
       Grosberg是一位纺织全才，从纤维集合体力学这种纺织基本问题到各种纺纱和制造这类工艺问题，都有开创性贡献。转杯纺工艺中转杯内“旋转的尾巴”捻度分布的实验观测就是一个很好的例子。
       总结：连续的纱条，环锭纺；旋转的尾巴，转杯纺。

参考文献
1 中国大百科全书纺织卷，中国大百科全书出版社，北京：1984年，第377页
2 D. Cormack , P. Grosberg & K. H. Ho (1979) The yarn twist inside the rotor in open-end spinning. The Journal of The Textile Institute, 70:9, 380-384