離心紡紗專利技術研究進展

曾 浩

（國家知識產權局專利局，北京，100088）

離心紡紗是一種有百年以上歷史的短纖維紡紗技術，該技術在加捻效率方面具有獨特的優勢，但在生產連續性方面還存在一定的技術困難，故未能在行業中得到大規模應用。盡管如此，業界始終沒有放棄發展該項技術的努力。2019年在西班牙巴塞羅那舉辦的ITMA國際紡機展上，日本豐田自動織機公司就“有限度”地展出了一種名為“未來紡紗技術”的離心紡紗機［1］，據稱其加捻速度可達到50 000 r/min以上。

目前，我國對于離心紡紗技術的研發還非常薄弱，研究者甚少，幾乎沒有相關技術資料在行業技術期刊上公開發表。本研究檢索并梳理分析了涉及離心紡紗技術的一些比較有代表性的專利文獻，試圖在此基礎上大致厘清該項技術的發展現狀，以期能為我國對該項技術感興趣的研究者提供一些有用的技術信息。

1 離心紡紗的基本工藝過程

離心紡紗屬于非自由端機械真捻紡紗，如圖1所示，將經過牽伸裝置牽伸后的短纖維紗條通過空心導紗管進入高速旋轉的圓柱離心罐內，紗條在離心力的作用下貼附在離心罐內壁上，并隨離心罐高速旋轉加捻而形成紗線。由于紗條轉動速度落后于離心罐旋轉速度，從而使得紗條逐圈堆疊在離心罐內壁產生卷繞。同時，導紗管按一定規律沿離心罐軸向上下往復移動，使得紗線均勻地疊層分布在離心罐內壁，從而形成空心筒狀的紗線卷裝，即紗餅。

成形于離心罐中的空心紗線卷裝是無法直接使用的。這是因為，對于常見的棉、麻、毛等短纖維紗線而言，這種空心卷裝的形態自維持能力很弱，一旦離心罐停止旋轉，失去了離心力的作用，紗線卷裝會迅速坍塌。因此必須在離心罐保持旋轉的狀態下盡快將紗線從離心罐中導出卷繞成筒子紗，或是將一個細紗筒管伸入離心罐中，使紗線反向卷繞到細紗筒管上形成管紗，這個過程被稱為重卷繞。相應地，前述在離心罐中為形成紗餅而發生的卷繞被稱為初次卷繞。

圖1 離心紡紗裝置

2 離心紡紗專利技術的起源和申請概況

筆者能夠檢索到以離心紡紗技術為主題的最早專利文獻是1904年10月4日公開的美國專利US771396A［2］，該專利披露的離心紡紗裝置如圖2所示。纖維須條由導紗桿引導進入離心罐內，加捻形成的紗線堆疊在離心罐內壁形成紗餅。隨后，筒管從離心罐下方開口進入罐內，離心罐繼續旋轉而筒管上下往復移動，紗線反向重卷繞到筒管上形成管紗，以供下道絡筒工序使用。這種重卷繞方式中，需要在離心罐紗餅卷裝與最終的筒子紗卷裝之間通過管紗卷裝過渡，可稱為間接絡筒法。

1907年4月13 日公開的瑞典專利SE22272C 1［3］則率先展示了以另一種方式完成重卷繞的離心紡紗裝置，具體如圖3所示。

圖2 美國專利US771396A

圖3 瑞典專利SE22272C1

將來自牽伸裝置的纖維須條經由漏斗導入離心罐內，加捻成紗后直接將紗線反向從漏斗導出，經導輥引導到絡筒裝置上形成筒子紗。這種重卷繞方式，由離心罐紗餅卷裝直接轉換為筒子紗卷裝，故稱為直接絡筒法。

上述專利的問世拉開了離心紡紗專利技術的發展序幕。依據筆者的檢索結果，截止2021年12月31日，全球共有964件以離心紡紗技術為保護主題的專利申請公開。1950年之前，離心紡紗專利申請量很小，總共僅有48件，主要的研發者分布在英國、法國、德國等西歐國家和美國；隨著戰爭的結束，研究熱度逐漸升溫，1950年—1979年共產生了271件專利申請，研發隊伍也擴展到前蘇聯和東歐的一些國家；隨后的10年中則陷入低迷期，僅有47件申請提出，年均專利申請量不足5件，與同時期高速發展的其他紡紗技術例如轉杯紡、噴氣渦流紡相比差距甚大；進入20世紀90年代之后，隨著德國W·施拉夫霍斯特公司和日本豐田自動織機公司先后強力介入，申請量開始有了明顯的增長，1990年—1999年有115件，2000年—2009年 有264件，而2010年—2021年 有219件。

該領域最主要的申請人是德國W·施拉夫霍斯特公司（180件）和日本豐田自動織機公司（69件）。二者合計貢獻了超過全球總申請量（964件）四分之一的專利申請。

中國雖然是紡紗生產大國，但在離心紡紗技術領域的專利申請很少。沈陽華岳機械有限責任公司是該領域目前能檢索到的唯一中國申請人。

3 離心紡紗專利技術的工藝路線

離心紡紗專利技術問世之初，就依據加捻和重卷繞方式的不同形成了一步加捻工藝和二步加捻工藝兩大技術路線并延續至今。一步加捻工藝采用間接絡筒法進行重卷繞，其紗線捻度的獲得僅發生在離心罐初次卷繞成形階段；而二步加捻工藝的重卷繞則采用直接絡筒法，在紗餅卷裝轉換到筒子紗卷裝時，還會進行第二次加捻，故稱為二步加捻。

3.1 一步加捻工藝

由日本豐田自動織機公司于2019年1月29日提出申請并于2019年8月14日公開的中國專利CN110129927A［4］，展示了一種典型的采用一步加捻工藝的離心紡紗裝置，其基本結構如圖4所示。

該裝置的紡紗過程：首先，由牽伸裝置輸出的須條通過導紗管進入高速旋轉的離心罐內，導紗管上下往復移動，加捻后的紗線逐層卷繞在離心罐內壁上形成空心筒狀的紗餅。當紗餅達到最大卷裝容量時，牽伸裝置停止輸出紗條，導紗管向上運動退出離心罐，同時搭載有筒管和空氣噴嘴的筒管支承部向上運動，將筒管和空氣噴嘴從離心罐下方開口送入罐中。隨后，壓縮空氣從空氣噴嘴對著空心紗餅的內壁噴出，吹起紗頭使其接觸筒管表面，此時離心罐仍然保持旋轉，紗線開始反向卷繞到筒管上。同時，筒管開始隨著筒管支承部做上下往復升降運動，運動方式與傳統環錠紡細紗機相同，從而使得紗線在筒管上卷繞成形為管紗。

在整個紡紗過程中，紗線捻度的獲得僅發生在紗餅成形階段。在重卷繞過程中，由于從紗餅上退繞的紗線是沿著卷裝的徑向退出的，而筒管的軸向與紗餅的軸向平行，故重卷繞過程不會使得紗線增加捻度。完成了重卷繞的管紗從離心罐中退出后，可以直接送往絡筒工序制成筒子紗。

由于精煤快開壓濾機對細粒精煤脫水效率高，因此選煤廠決定采用KXGZ300/1500-U型隔膜式快開壓濾機。在相同入料條件下，精煤壓濾濾餅水分比真空過濾機降低3%～6%，比相同處理能力的真空過濾機可節能60%～70%。且濾液為清水，可直接作循環水，減少了細泥在系統中的循環，有利于改善浮選和過濾效果。根據實際情況及技術參數選擇了其他相應配套設備。

圖4 一步加捻離心紡紗裝置

3.2 二步加捻工藝

由沈陽華岳機械有限責任公司于2006年10月17日提出申請并于2007年4月25日公開的中國專利CN1952230A［5］，公開了一種典型的采用二步加捻工藝的離心紡紗機，該設備的基本結構如圖5所示。

圖5 二步加捻離心紡紗裝置

其工藝流程：粗紗經牽伸裝置牽伸后成為須條進入生頭裝置，壓縮空氣進入生頭裝置形成旋轉向下的氣流包裹攜帶須條向下輸送，經過上導紗管、斷頭傳感器和下導紗管進入高速旋轉的離心罐中進行第一步加捻，形成初捻紗線；待離心罐內的紗餅達到預定卷裝容量后，槽筒啟動旋轉準備絡筒；隨后雙支撐夾持著空筒管壓向槽筒；同時頭部帶有梳狀物的探桿隨雙支撐一起相對轉動，從打開的上導紗管處捕捉到紗線，并攜帶紗線到筒管表面，此時牽伸裝置停止輸出，旋轉的筒管將紗線從保持旋轉的離心罐中抽出并卷繞到筒管上。在此重卷繞過程中，由于從紗餅上退繞的紗線是從空心紗餅卷裝的內層開始沿著卷裝的軸向退出的，離心罐的旋轉會繼續給紗線加捻，因此紗線會在已有捻度的基礎上再獲得一個附加捻度，形成重捻紗線。此為第二步加捻，此過程結束后紗線將獲得全部設計捻度。

二步加捻工藝的核心工藝參數是離心罐轉速與紗線喂入/輸出速度的匹配。設計該速度時，通常需要考慮：使得紗線在第一步紡紗加捻獲得的捻度大約為紗線總設計捻度的60%，而在重卷繞即第二步加捻中獲得剩余的約40%捻度。

4 離心紡紗的技術優勢和存在的問題

在現有的短纖維紡紗系統中，轉杯紡紗、噴氣渦流紡紗等以自由端紡紗、氣動加捻為特點的紡紗系統在生產效率和某些紗線性能指標上具有很大優勢，但在紗線品種豐富性、原料適紡性和紗線整體性能方面還無法與環錠紡紗相比，特別是在紗線斷裂強度這一至關重要的紗線品質指標上還有很大差距［6-7］，而且導致產生這個差距的重要原因之一源于加捻方式的本質不同，由自由端加捻帶來的紗線內部微觀結構的不均勻很難消除。因此，環錠紡紗在行業中的相對優勢地位還將繼續保持下去。

當然，環錠紡紗的發展也存在自己的技術瓶頸。由于受到氣圈形態變化、鋼領鋼絲圈摩擦副以及帶卷裝錠子高速運轉穩定性的限制，目前環錠紡紗的最高工藝錠速已經逼近其理論極限，非常缺乏提升空間。生產實踐中，為保證紡紗生產的持續性和穩定性，通常會選擇將錠速控制在16 000 r/min～18 000 r/min的范圍［8］。

相比而言，同樣屬于非自由端加捻的離心紡紗不需要鋼絲圈也不存在氣圈，且位于外側離心罐的轉動慣量較大且具有較高的制造精度，因此與環錠紡管紗相比，離心罐+紗餅的旋轉組合體的整體質心位置能夠更精準地位于其旋轉軸線上，在高速旋轉狀態下具有更好的穩定性。其理論上的工藝極限轉速顯著地高于環錠紡，達到如日本豐田自動織機公司所聲稱的50 000 r/min，甚至有可能實現更高的轉速。

對于采用直接絡筒法的二步加捻工藝，研究者曾給予厚望。因為該工藝不僅能夠省去管紗卷裝這一中間過渡環節，而且由于是分兩次加捻，初次加捻也即離心罐加捻的捻度，可以設計得比紗線最終捻度更低。這意味著，對于相同離心罐旋轉速度，牽伸裝置的前羅拉速度（纖維須條喂給速度）可以設計得更高。這無疑進一步大大提高了紡紗機的整體生產效率。然而，上述理論上的巨大優勢并沒能順利地轉化到生產實踐中。在二步加捻工藝中，離心罐中的紗線只有部分捻度，在強度上是一種很脆弱的產品。當紗線從紗餅轉移到管紗上時容易發生斷頭，而在封閉的離心罐內處理斷頭是很困難的，且對于高速紡紗設備，處理斷頭帶來的生產效率損失會非常大。

為了提高離心紡紗機的生產連續性，提升其整體生產效率，研究者做出了許多嘗試并提出了專利申請。以下介紹幾篇有一定代表性的專利文獻，這些專利文獻公開的技術方案雖然并不完美，還存在各種各樣難以克服的技術困難，但其技術思路對于后續研發不乏參考價值。

4.1 德國專利

德 國 專 利DE19548674A1［9］的 技 術 思 路：采用落紗器直接從離心罐中摘取紗餅，從而徹底取消重卷繞。如圖6所示，落紗器與離心罐同軸布置，落紗器的落紗軸可由驅動軸驅動高速旋轉，落紗軸外套接有可脫離的殼體（相當于筒管），殼體的外徑略小于處于高速旋轉狀態下的離心罐中空心紗餅的內徑。該設備的落紗過程：當離心罐中的紗餅卷繞完成后，落紗器的落紗軸與離心罐同速旋轉并沿離心罐軸線方向進入罐內，殼體的整個長度伸入到空心紗餅內部；隨后，離心罐與落紗軸同步降速直至停止；此時，失去離心力作用的紗圈會在自身張力作用下發生一定程度的收縮，從而使得紗餅能夠收緊附著在落紗軸的殼體表面，形成了類似管紗的卷裝；落紗軸退出離心罐后，將帶紗線卷裝的殼體與落紗軸分離，即可形成供下道絡筒工序使用的紗線卷裝。

圖6 德國專利DE19548674A1

該技術主要問題是紗餅卷裝內部的紗線張力不勻現象比較嚴重。在離心紡紗過程中，離心力的大小是隨著空心卷裝內徑的減小而變化的，這導致了紗餅外層紗線的張力明顯高于內層紗線。在取消了重卷繞的同時，也喪失了使得卷裝中紗線張力得到勻整的機會。這對于在交叉卷繞絡筒機上的倒筒非常不利，很容易在卷繞時發生紗線層滑脫的現象。

4.2 歐洲專利1

歐洲專利EP0515762A1［10］的技術思路：離心紡紗機的一個紡位布置兩個離心罐輪流進行離心紡紗，當其中一個離心罐加捻紡紗時，另一個離心罐進行重卷繞。這樣，牽伸機構的纖維須條輸出可以連續進行，而不會因為重卷繞而中斷。如圖7所示，設置在牽伸裝置出口處的供給裝置具有左支管和右支管，分別對應連接左提取裝置和右提取裝置，左離心罐和右離心罐以及左排出導管和右排出導管，后面依次連接有第一絲線儲備裝置、紗線附接裝置、第二紗線儲備裝置和由槽筒驅動的筒子紗。

該離心紡紗機采用二步加捻工藝進行紡紗，牽伸裝置輸出的纖維須條由供給裝置提供的螺旋氣流包裹引導行進，經由左支管和左提取裝置分配到左離心罐中進行第一步加捻紡紗。當離心罐中的紗餅達到預定卷裝容量時，纖維須條由供給裝置氣動切換為經由右支管和右提取裝置引向右離心罐進行加捻紡紗；同時，壓縮空氣攜帶左離心罐中紗餅內層表面的紗線釋放端通過左排出導管從左離心罐中拉出，此時左離心罐保持旋轉，紗線在拉出過程中繼續接受加捻；離開左離心罐的紗線先進入第一紗線儲備裝置，隨后與儲存在第二紗線儲備裝置中的紗線（該紗線的一端與筒子紗連接）一起進入紗線附接裝置進行連接，完成連接后的紗線被卷繞到由槽筒驅動的筒管上形成交叉卷繞筒子紗。隨后待右離心罐中的紗餅成形后又進入一輪新的工藝循環。顯然，該技術也可用于一步加捻工藝。由于能實現不間斷紡紗，若能解決好斷頭率高的問題，可獲得高的整體生產效率。

圖7 歐洲專利EP0515762A1

4.3 歐洲專利2

對于二步加捻工藝，一個無法回避的技術難題是當紗餅卷繞成形后，如何在離心罐保持高速旋轉的狀態下準確、及時地獲取空心紗餅內層的紗線端頭，并與絡紗筒管連接以便進行絡筒操作。通常采用的方法是從離心罐底通入高壓氣流，將紗線端頭“吹”出離心罐，或是直接在導紗管上端入口處截取紗線。然而，上述方法的成功率難以令人滿意。

歐 洲 專 利EP1225258A1［11］公 開 的 技 術 手 段另辟蹊徑，如圖8（a）所示，纖維須條經牽伸裝置牽伸后，經由導紗管進入離心罐進行第一步加捻紡紗。當紗餅接近最大卷裝容量時，如圖8（b）所示，由槽筒驅動的筒子紗開始反轉退繞，退出的紗線先經由一個解捻裝置通過旋轉氣流解捻形成接引須條，該接引須條從牽伸裝置的前羅拉后方喂入，與原纖維須條合并進入離心罐加捻，從而形成一段將筒子紗與紗餅連接起來的接引紗線。隨后，牽伸裝置的中、后羅拉停止轉動，纖維須條不再喂入，而牽伸裝置的前羅拉和槽筒開始反轉，將紗餅的紗線從保持旋轉的離心罐中抽出，最后卷繞到筒子紗上。

圖8 歐洲專利EP1225258A1

該方法在紡紗段即完成紗餅與筒子紗的紗線連接，成功率大為提高。不足之處在于接引紗線段比較長，其紗線結構和性能與正常紗線有所差異，這對筒子紗的質量有難以忽視的不良影響。

5 展望與建議

鑒于離心紡紗與環錠紡紗的加捻方式非常相似，二者同屬非自由端機械真捻紡紗，在機械握持加捻過程中，其紡成的紗線內外層纖維的加捻程度以及纖維在其整個長度上加捻程度都比由轉杯紡紗、噴氣渦流紡紗、假捻紡紗等其他加捻方法得到的紗線更為均勻，整根紗線的內部微觀結構更為均勻合理。有理由相信，離心紡紗能夠獲得與環錠紡紗相似的紗線內部微觀結構，進而能夠獲得接近環錠紡紗的優良力學性能。如果離心紡紗技術能在生產連續性、穩定性方面獲得實質性突破，憑借其在加捻效率上的巨大優勢，離心紡紗有望成為名副其實的“未來紡紗技術”。

離心紡紗專利技術是外國申請人占據明顯優勢的領域，更值得注意的是，這些外國申請人十分重視在中國的專利布局，例如日本豐田自動織機公司自2019年起提出的全部20族專利申請中有15族都包含有中國專利申請（申請人可以基于相同的技術內容分別在不同的國家申請多份專利，這些專利被稱為同族專利）。這意味著，留給中國技術人員的自由研發空間正在變得越來越狹小。

中國是紗線生產大國和強國，也正在成為紡紗機械設備生產大國和強國。未來在離心紡紗這一短纖維紡紗技術領域有可能發生重大突破，希望我國紡紗行業的技術人員能對此項技術有足夠的重視，并盡快組織研發投入，為中國紡紗技術的發展補上短板，也為離心紡紗技術的發展貢獻更多的中國智慧。