棉紡織科技發展現狀及展望

高衛東 孫豐鑫

(江南大學，江蘇無錫，214122)

進入21世紀以來，科技創新空前活躍，當代科學技術成果呈現出指數規律增長態勢，科技進一步分化和綜合，全球科技資源的流動和科技信息的共享更加密集，科技創新已成為經濟社會發展的先導。我國具備目前全球體量最大、最完善的紡織產業體系，紡織工業作為國民經濟的重要產業，其科技創新能力的提升是我國步入國際產業強國的重要途徑[1-2]。近年來，我國棉紡織行業在纖維原料開發、加工技術創新、新產品研發等方面取得了顯著進展。

1 棉紡織纖維原料開發現狀

目前，棉花、滌綸、粘膠是棉紡行業的三大原料。隨著人口增長和資源問題的凸顯，各國都從嚴掌控糧食用耕地，棉纖維的種植受到更多的限制，以滌綸短纖和粘膠短纖為主的化纖類棉紡原料的優勢日益突出[3-4]。2018年三類主要棉紡原料從用量上看，棉花、滌綸、粘膠分別占比39%、32%、18%，其他纖維原料占11%。2018年我國棉紡用棉纖維755萬t，與2017年持平，從發展的觀點看，非棉纖維在棉紡織中將占據越來越重要的地位[5]。

1.1 棉纖維原料的改良

棉花作為棉紡行業的主要原料之一，棉纖維原料成本在生產成本中的占比達50%～75%，同時棉纖維的形態、性能等直接影響棉紡織品的質量，進而關系到產品的市場價值。棉纖維作為生物質原生纖維的大宗纖維品種，主要研究工作之一就是品種改良。研究人員通過提高衣分、單株鈴數和鈴重來提高皮棉產量，包括最初的亞洲棉與大陸棉的初步改良，以及后來的棉花豐產性以及優質抗病性的綜合提升和轉基因抗蟲棉育種等，我國在棉花培育與品種改良方面做了大量工作[6]。

1.2 再生纖維素纖維進展

從初代為了解決棉纖維短缺而面市的普通粘膠，到高濕模量的第二代粘膠纖維，再到崇尚自然環保與穿著舒適性的新一代粘膠纖維的誕生，再生纖維素生產技術不斷取得突破[7]。目前，再生纖維素纖維在棉紡織原料中占據重要一席，逐漸成為棉紡行業的主要原料，特別是粘膠纖維已成為噴氣渦流紡領域占據比重最大的纖維原料。莫代爾纖維和萊賽爾纖維作為再生纖維素的大宗產品，分別以其高濕模量和紡絲溶劑的高回收率受到棉紡市場的青睞[8-9]。2018年我國自主開發的首條單產3萬t的萊賽爾纖維生產線成功開車[10]。

1.3 聚酯纖維應用進展

聚酯纖維中以滌綸為大宗，滌綸在過去20年中增長速度迅猛[11]，2017年我國滌綸產量達3 934萬t，居世界首位。中國產業調研網發布的《2019年—2025年中國滌綸纖維制造行業全面調研與發展趨勢分析報告》顯示，截至2018年9月我國滌綸長絲行業現有名義產能合計3 634萬t，預計2019年和2020年名義產能分別可達3 936萬t與4 411萬t。當前行業前六名及名義產能市場占有率分別為：桐昆集團股份有限公司14.9%，浙江恒逸集團有限公司13.7%，浙江省新鳳鳴集團股份有限公司9.1%，江蘇盛虹化纖有限公司5.2%，恒力集團有限公司4.8%，榮盛化纖集團有限公司4%。此外，我國在利用廢舊聚酯瓶片和廢舊紡織品生產再生滌綸短纖產品方面處于世界前列，目前廣泛應用于棉紡紗領域[12]。

1.4差別化與功能化纖維受到關注

差別化、功能化賦予纖維更高的附加值，改善服用性能，滿足服裝與家紡等領域的需求，已成為棉紡織原料發展的重要方向，也屬于國家鼓勵類紡織產業。差別化纖維與常規普通化學纖維相比，在橫截面、纖維細度、纖維組分構成和染色性方面存在差異，我國差別化纖維用量不斷提高，預計到2020年，差別化纖維占普通化學纖維比例可達65%。此外，對棉紡產品的功能化研究日益受到關注，其主要途徑包括功能化整理或混紡功能化纖維等，使之具有阻燃、疏水、抗菌等功能[13-15]。

2 棉紡織加工科技的進展

2.1 紡織成形技術

2.1.1 環錠紡高速化技術

紡紗裝備隨著材料科學研究成果和微電子控制技術的廣泛應用，生產能力和水平不斷提高，紡紗裝備的生產速度有了較大提升。從粗紗機來看，目前國內錠速大多在1 200 r/min，卓郎Zinsetspced5A型粗紗機錠速在1 500 r/min ～1 600 r/min，最高達1 800 r/min；在細紗機方面，國內細紗機最高已超過20 000 r/min，基本接近國際先進水平，國際上立達、青澤、豐田與朗維等公司生產的細紗機，設計錠速均達25 000 r/min，實際生產都超過20 000 r/min[16]68-69。

2.1.2 環錠紗品種品質提升技術

環錠紡技術的探索從未停止，紡紗新技術的出現既有利于紡紗技術與設備水平的提升，也為環錠紡新品種與品質提升提供了可能[17]。

柔潔紡技術[18]：針對環錠紡紗過程，在紡紗三角區加裝柔順光潔處理裝置，通過柔順光潔處理裝置的熨燙接觸面形成柔化接觸區，瞬間降低纖維剛度，大幅提高纖維易變形和受控能力。采用柔潔紡技術能有效降低紡紗毛羽，紡紗強力和條干水平也有所提高。

扭妥紡技術[19]：通過在環錠細紗機前羅拉與導紗鉤之間安裝纖維排列調整裝置，改善成紗結構，降低紗線的扭矩，從而實現低捻度、高品質、柔軟紗線的紡制。

數碼紡技術[20]：在細紗機上對后羅拉系統進行改造，并由數控轉動裝置協同，達到在環錠細紗機上以不同速度喂入兩根或多根粗紗的目的，實現多根粗紗的纖維多元混和，可紡制混色紗、段彩紗、竹節紗等多個品種紗線。

2.1.3 噴氣渦流紡技術

噴氣渦流紡是由日本村田公司在噴氣紡紗技術基礎上進行改進并率先投入市場的一種新型紡紗技術，通過將條子直接喂入牽伸裝置，須條從前羅拉鉗口輸出，由渦流的負壓吸入形成芯纖維，當纖維的末端脫離前羅拉時，因渦流作用而擴張，隨著紗條的向前運動，纖維末端纏繞于紗芯上而成紗。噴氣渦流紡紗機紡紗速度目前可達500 m/min[21]，相比環錠紡快近20倍。噴氣渦流紡以其速度快、效率高、工序短、用工少、自動化程度高等優勢廣泛用于粘膠等化學紗線的紡制，目前我國噴氣渦流紡紗機已實現研發定型并投入生產。

2.1.4 無梭織機高速化與節能降耗技術

織機的高速化與節能降耗仍是織造技術發展的主要任務。近年來，無梭織機車速得到了快速發展，智能化水平的提升進一步實現了節能降耗。織機在不斷提升速度的基礎上，穩定性、適用性與運行可靠性也逐漸提高。

噴氣織機：日本津田駒公司主打高速化，噴氣織機車速可達2 015 r/min；日本豐田公司主推智能節氣與電子開口，實現節能提速。國內青島天一集團紅旗紡織機械有限公司噴氣織機轉速超過1 500 r/min，達到國內領先水平；長嶺紡織機電科技有限公司實現國內首家8色引緯織造，并實現了高效節能[16]94-95。

噴水織機：日本津田駒公司噴水織機采用短動程打緯、強韌機架等，進一步減少能耗。國內噴水織機車速普遍提高到700 r/min ～900 r/min，入緯率可達2 500 m/min，部分國產噴水織機演示車速高達1 400 r/min[16]95-96。

劍桿織機：劍桿織機以品種適應性強為特色，德國多尼爾織機可16色選緯，生產從絲織物到玻璃纖維等多個品種；比利時必佳樂新推出的劍桿織機展示車速達850 r/min，機電一體化程度顯著提升。國內浙江泰坦數碼高速劍桿織機車速為636 r/min，達到國內領先水平；山東日發紡織機械有限公司率先應用開關磁阻電機調速技術，顯著降低電機能耗[16]93-94。

2.2 智能制造技術

2.2.1 智能化在線監測紡紗技術

紡紗生產過程中工藝參數的在線檢測、自動控制和網絡監控、智能化管理、數據分析及遠程診斷等信息化管理技術和系統的應用，使得細紗機高度自動化并更加靈活，是當前和未來關注的重點[22]。目前普瑞美公司的Ultimo 細紗機單錠監測系統總裝機量超過750萬錠，實現了能耗/牽伸監測并配備粗紗自停裝置；北京經緯紡機新技術有限公司的細紗機單錠智能監測系統，可實現弱捻、空置、不良錠的檢測，并具有粗紗停喂功能；陜西長嶺紡織機電科技有限公司的單錠在線監測系統，可對輸出斷頭類別、斷頭率、接頭時間進行分析，并實現對捻度的實時監測；日照品特裕華紡織科技有限公司開發了單錠監測模塊、粗紗自停裝置以及品特FANI紡紗軟件，實施對斷頭、弱捻、空錠、機臺效率的匯總分析。

2.2.2 自動穿經技術

現代化電子技術使自動穿經機成為現實。目前以瑞士Staubli自動穿經機較為先進，其通過精密的機械結構準確地完成穿經紗動作，而且在穿經前圖像傳感器可分別檢測每一根紗的情況，可將錯紗檢測出來并加以糾正，同時能保證不會有雙根紗同時穿入一個綜絲孔里[23]。瑞士Staubli自動穿經機主要有以下機型：DELTA 110型自動穿經機針對具有普通穿經需求的織造廠而設計，以140根/min的穿經速度將經軸的經紗穿入綜絲、停經片和鋼筘；DELTA100型自動穿經機針對長絲織造而設計，僅將經紗直接穿入綜絲和鋼筘；SAFIR S80型自動穿經機為高性能穿經裝置，它能滿足高生產率、寬幅的要求；SAFIR S30型穿經機能很好滿足生產標準織物或最多使用12頁綜框和無停經片的長絲織造的需求。

2.2.3 計算機輔助設計技術

計算機輔助設計技術主要集中在織物的仿真模擬、CAD系統的集成化和智能化等方面[24]。國外計算機輔助設計技術比較成熟，主要有美國AVL公司的WeaveMaker織物設計系統，德國EAT公司的Design Scope Victor紋織系統，荷蘭NedGraphics公司的NedGraphicsTextile系統，英國Bonass公司的Cap系統等[16]106-107。國內計算機輔助設計系統開發相對較晚，目前主要有浙大經緯公司的棉織像景自動處理軟件，能夠實現單一品種織物設計流程的完全自動化；浙江大學設計的紡織物定制平臺，可實現行業信息整合、紡織物一站式定制，并將可網絡化的紡織CAD技術封裝成云服務插件，解決了傳統紡織CAD軟件使用成本高以及維護不便等問題。

2.2.4 生產流程連續化與智能化技術

在國家“機器換人”產業政策的驅動下，棉紡加工在棉卷接頭、條筒自動供應運輸系統、粗紗自動落紗及粗細聯、細絡聯、筒紗自動打包與運輸系統等方面不斷完善，連續化和智能化水平進一步提升。具有代表性的成果包括：經緯紡織機械股份有限公司的JWF1562型細紗機與青島宏大紡織機械有限責任公司的SMARO型自動絡筒機聯合，形成細絡聯系統；青島環球集團股份有限公司研發了完全自主創新的筒紗智能包裝物流系統，國內首創無人化筒紗智能包裝物流系統，其單紗篩選配重系統、無反射板激光導航AGV等技術填補了國內外空白；此外青島環球集團股份有限公司在汲取全球粗細聯裝備優點的基礎上，研發了CMT系列粗細聯裝備[25]。

2.3 綠色生產技術

2.3.1 環保漿料及智能化上漿技術

當前生態紡織與環保要求推動著符合環保概念漿料的開發與應用。因此，采用環保漿料、創新漿料產品和智能化上漿工藝技術、形成綠色環保漿紗技術體系是當前經紗上漿的發展方向[26]。

適于中低溫上漿的高性能漿料：該類漿料研發主要從新型高性能漿料、易降解與易處理輔助聚合漿料、環保輔助平滑油劑等方面著手。目前主要成果包括：適用于中低溫漿紗技術的無吸濕再黏聚丙烯酸類漿料、高性能變性淀粉漿料等。

低上漿、易退漿技術：主要從上漿系統、上漿工藝等方面展開研究。近年研發成功的泡沫上漿關鍵技術及產業化應用項目促進了經紗上漿和退漿生產的低耗、節能和減排，獲得2015年度中國紡織工業聯合會科學技術進步一等獎。

闊幅化、智能化漿紗機研發：現代漿紗機逐漸趨向闊幅化與高架化及多漿槽和多單元傳動。漿紗設備在精益制造、數字化、智能化、信息化生產管理應用方面有大的進步。

2.3.2 綠色化與智能化染整技術

據不完全統計，我國染整業年耗水量超過100億t，廢水排放量約占工業總排放量的35%。因此引導印染行業向技術密集、資源節約、環境友好型產業發展意義重大。棉紡行業主要有散纖維染色與筒子紗染色兩類，目前棉紡行業的染整技術發展在綠色化與智能化染色技術上取得進展[27-28]。

散纖維綠色化染色技術：在散纖維的染色中通過采用微懸浮染色技術，提升染料的分散均勻性，顯著提高上染率，降低能耗，實現染料的高利用率，減少染料浪費；此外，利用有機溶劑代替水作為染色介質，可以解決染色用水問題，減少對環境的污染，同時由于溶劑高分散性，使得染色速度更快，推進生態綠色化染整的發展。

筒子紗智能化染色技術：筒子紗染色中采用筒紗數字化自動染色成套技術與裝備，通過染料自動加料裝置、液體助劑自動加料裝置、粉體助劑自動加料等協調配合，實現了紡織染色全流程數字化、自動化、智能化，全面提升了染色效率，降低了復染率，達到省時、節能、節水效果，減少了污染，推動紡織綠色染整的發展。

3 棉紡織新產品開發技術

3.1 紗線新產品開發技術

當前通過纖維混和、包覆、“花式”以及“減量”等方式實現了多元化與復合化特征。主要包括纖維原料的多元化組合，加工工藝和方法的復合化以及紗線結構、性能與風格復合化和多樣化?；诙嘣?、復合化與風格化的發展趨勢，各類紗線新產品也不斷涌現。

3.1.1 混和——多種短纖維混紡紗

為了滿足最終產品對紗線的不同性能要求，兩種或兩種以上纖維的混紡紗線日益受到關注，目前主要的纖維混紡紗原料包括天然的棉、毛、絲、麻纖維，合成的滌綸、粘膠、腈綸、錦綸等纖維以及為了達到某些特殊要求而添加的功能性纖維等。

3.1.2 包覆——各式包芯紗

短纖/長絲包芯紗：以化纖長絲為芯絲，在芯紗外包覆短纖維。芯絲為氨綸等彈力長絲的包芯紗最為普遍，此外也有以滌綸長絲為芯紗的。包覆的短纖多以棉為主，也有包覆化學短纖維的。

短纖/短纖紗包芯紗：在細紗機上用已經紡制的細號紗作為芯紗，將粗紗條經牽伸后加捻包覆在細號芯紗周圍，形成短纖維包短纖紗的結構，這種產品雖呈現復合纖維的皮芯型結構，但芯紗較細，成本相對較高。

短纖皮芯結構紗：通過特殊的前紡工藝技術，制得具有皮芯結構的粗紗，將兩種纖維束粗紗通過環錠紡成紗，形成短纖維的皮芯結構紗。

3.1.3 “花式”——各類花式紗

在紡紗過程中，通過局部改變紗線細度，或通過變化纖維顏色或種類形成色彩效應，以及將這兩種效果結合起來都能形成花式紗產品。產品種類包括竹節紗、點子紗、段彩紗、混色紗等，并演變出一系列的花式新品種，如竹節段彩紗、段彩平紗、波浪竹節紗等。

3.1.4 “減量”——低捻度紗與超細號紗

低捻度紗：降低紗線捻度有利于降低紗線的內應力，提升紗線的柔軟性和形態穩定性。作為一種新型紡紗方法，通過控制前羅拉和導紗鉤之間的纖維排列與集聚，實現了低捻度紗線的紡制，改善成紗結構，降低紗線的扭矩。

超細號紗：棉纖維紡制成的超細號紗具有柔軟細膩、做工精細和良好的穿著舒適性等優點，因此被人們所喜愛。一部分企業通過技術創新成功開發出細度達 1.94 tex純棉紗線，1 000 m紗質量僅有1.94 g，可用于高檔襯衣等面料產品[29]。

3.2 面料新產品開發技術

3.2.1 異質經緯交織技術

隨著織物產品多樣化需求的日益提升，采用不同種類、色彩、規格的經緯紗進行織造，可實現織物豐富的布面效果，締造獨特織物外觀。主要品種包括通過麻纖維經紗與棉纖維緯紗織造的兼具麻的粗獷和棉的柔軟風格的織物；竹節緯紗與普通經紗交織的獨特外觀效果的織物；不同經緯紗顏色構成的條格效果布面系列產品等。

3.2.2 多元異質經紗織造技術

為了豐富織物產品種類，隨著機織技術與工藝的提升，織物產品實現了多種經紗織造，通過嚴格控制整經、漿紗工藝，合理調整織機上機張力和工藝參數，實施有效的經紗分絞等措施，成功開發出多種類經紗混和織造的獨特風格織物產品。例如：細號紗和粗號紗同為經紗的織物產品；采用上下雙經軸織造方法，經紗為棉滌、粘滌交錯分布紡制的織物面料；表經里經采用不同親疏水性能經紗開發的排汗導濕功能性面料等。

3.2.3 長絲色織技術

由于化纖長絲織造產業與色織產業在工藝特點上有很大的相似性，而且有色長絲織造的產品具有成本低、功效高、色牢度好和附加值高等諸多優勢，目前色織行業中使用筒子染色、熔體染色長絲生產長絲色織家紡面料、長絲色織窗簾、長絲色織裝飾布、沙發布及長絲色織服裝面料的已經占有一定比重。

4 棉紡織科技展望

總體來看，棉紡織科技在原料的多元化與功能化、加工技術的自動化與智能化、新產品的結構創新與功能提升等方面都進步顯著，但是從發展的觀點來看，紡織行業面臨的原料、資源、能源、勞動力與環境等方面的壓力會日益突出，我們應該認識到棉紡織行業科技創新的緊迫性，加強對棉紡織產品質量和生產效益的綜合提升，主要總結以下五方面。

(1)纖維原料的差別化、功能化與性能提升。差別化纖維將繼續以改善穿著舒適性、形態保持性和維護保養便捷性為目標，通過纖維截面形態、縱向形態和復合組分設計，使化學纖維實現高仿真效果；纖維的功能耐久性較后整理的織物具有優勢，今后從現有功能提升向創新功能方向發展，從單一功能向多功能組合方向發展；常規化學纖維品種的后道加工性能通過化學或物理的方法加以改進，從而使得纖維的成網性、可紡性、濕加工性能和染色性得到提高；具有高強度、高模量、耐高溫的芳綸、聚酰亞胺、超高分子量聚乙烯等高性能纖維在棉紡織上更多地進入推廣應用階段，用于制備純紡紗和復合紗。

(2)紡紗無人值守與短流程化。紡紗過程在線測控技術方面，尤其是智能化精準測控分析，既保證設備的高速、高效和產品品質，又為少人化值守和低強度值守提供可能；環錠紗在適紡纖維種類和紗線品種適應性方面有其顯著優勢，但其斷頭需要人工操作處理，而一旦攻克環錠紡斷頭自動接頭，將會使其生命力大為提高；在環錠紡工藝流程上，縮短從散纖維到成紗的工藝流程也是紡織技術的重要方面，環錠紡首先要實現清-梳-并聯合工藝，以及再和粗-細-絡工藝連接；噴氣渦流紡將粗、細和絡一步法實現，紡紗速度高達500 m/min，未來進一步的發展主要是突破細號紗和天然纖維原料的紡紗。

(3)織造的自動化與少人化。前織工序的半制品傳輸將逐步實現自動化，包括整經筒子上架、經軸入庫和出庫就位(漿紗機)、織軸入庫和出庫、布卷自動運送等，顯著降低工人勞動強度，提高勞動生產率；自動穿經技術、漿紗自動排花技術、織機自動供緯技術、緯紗斷頭自動處理技術、織物在線自動驗布技術將不斷突破和完善，工人勞動強度減低，生產效率提高；織機電動提綜裝置為高速化和便捷地翻改品種創造了條件，智能化設計的噴氣織機實際生產速度超過每分鐘千緯以上，引緯氣流場得到進一步優化，噴嘴啟閉更為精準，每緯壓縮空氣消耗進一步降低；相對而言，機織物產品種類繁多，計算機輔助設計系統已經應用，但樣品的存儲和快捷的檢索利用還有待開發，開發界面美觀、功能實用、效果逼真、功能強大的紡織面料設計和管理系統是今后發展的重點。

(4)智能制造技術走向高端。進一步提升棉紡織機器的智能化水平，提高裝備的生產效率、功能以及自動化、數字化水平。推進具有自動感知、智慧決策、自動執行功能的高端智能裝備的產業化開發和應用；利用傳感器和網絡實現紡織裝備生產數據的實時采集和生產任務的網絡分發，在此基礎上實現棉紡織生產的訂單管理、計劃排程管理、生產調度管理、工藝管理、庫存管理、質量監控等；從產品的分析、測量和檢測開始，包括原料的自動選配、生產工藝的自動生成、自動調度和排程，優化工藝流程，利用柔性化紡織加工裝備實現生產全面互聯化、精益制造和敏捷制造以及制造過程中的節能、降耗、減排；推動信息化技術在紡織生產、研發、管理、倉儲、物流等各環節廣泛運用。在棉紡織行業建設自動化和智能化生產、在線工藝和質量監控、自動輸送包裝、智能倉儲、智能管理為主要特征的數字化、智能化工廠(車間)。

(5)綠色生產不斷進步。紡織污水量和COD排放量分別居全國各行業第5位和第2位，過去PVA退漿廢水的處理很難，長期積累會導致生態破壞，形成環境污染；因此研發綠色環保漿料與少上漿、易退漿技術是今后發展的方向之一；生物酶將進一步在紡織品的前處理(退漿)和后整理加工(酶洗)中推廣應用。目前生物酶已被廣泛用于淀粉漿的退漿工序，與堿退漿工藝相比，退漿過程節能50%以上，退漿廢水COD含量有大幅度降低；采用生態環保的非水介質代替水作為染色介質，與傳統工藝相比，節約用水、染料和助劑，并且染料介質回收率高。