环锭纺渐变色纱的结构复合纺纱技术研究进展

王 勇，于伟东

(1.安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000； 2.东华大学 纺织学院，上海 201620；3.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

复合纺纱技术最早用在环锭纺纱机上，纺成长丝/短纤维复合纱的研究始于20世纪30年代末[1]，且当时的复合纺纱是特指长/短(F/S)复合纺。随后在60年代扩展到了转杯纺纱机上[2]。而2短须条(S/S)的复合纺，俗称A/B纱和包芯纱，早在19世纪末就已在纺纱厂出现，因为不需要增加任何附加装置，只需2根须条就可进行复合纺纱，而且在20世纪早期已出现S/S复合纺技术[3]，故复合纺纱的精准定义，是指在同台细纱机上以多轴系(n≥2)喂入的纺纱方式。包括短纤维/短纤维复合的赛络纺(Sirospun)，短纤维/长丝复合的包缠、包芯和互扭的复合纺等[4]。结构纺纱指以调整成纱结构、纤维分布和条干突变的纺纱，如集聚纺(Compact spun)[5]、分束纺(Solospun)[6]和竹节(间断喂入)纺纱等。

结构复合纺纱始于20世纪末21世纪初，是指基于结构调整的多轴系复合纺纱[4]，如渐变纱、F/S结子纱等；复合结构纺纱始于21世纪10年代，是指基于多轴系复合的结构纺纱技术，如扭妥纺Nu-TorqueTM技术[7]，渐变2须条含量比的渐变色纺纱(亦称为“段彩纱”)[8]等。段彩纱渐变纺纱与结构复合纺纱最为本质的区别在于，渐变色纺纱[8]是沿纱线的轴向方向纤维含量发生变化；而结构复合纺纱是纤维含量不变而只是在纱线的径向分布位置上发生变化。

本文首先对喂入式渐变纺技术作系统概述，指出其存在的不足；然后，介绍基于环锭纺的输出式渐变色结构复合纺纱技术，可为结构复合纺纱的深入研究提供方向和有效借鉴。

1 喂入式渐变纱复合结构纺纱技术进展

目前，渐变纱主要有以下几种制备方法：针梳并条工艺进行段彩配色、并条机分段喂入、三罗拉细纱机和四罗拉细纱机。其中，采用针梳并条工艺进行段彩配色和并条机分段喂入2种技术用于生产段彩须条，然后经过粗纱和细纱工艺纺制段彩纱，多用于毛纺系统，且设备价格昂贵。基于三罗拉/四罗拉的喂入式渐变复合结构纺技术需要在细纱机上加装段彩纱装置，同时对设备部件的运转速度进行控制[9]，存在不易实现高速纺纱、纺纱机改造幅度较大、花色循环调节不够灵活、纱线条干质量有待提高等不足。

1.1 喂入式渐变色纺纱纺纱原理与存在的问题

喂入式渐变纱纺纱目前仅限于环锭纺，一般采用双须条的方式。其纺纱原理是：采用等细度的2束不同颜色的短纤维须条A和B，以互补耦合的方式喂入不同的含量a与b(a+b=1)来调控在成纱中的混合比(a/b)，从而达到成纱颜色在2须条a、b含量间的来回变化，即a/b>1，呈A色多一点，a=1，完全呈A色；而a/b<1，呈B色多一点，b=1，完全呈B色；a/b=1，呈二者的中间混色。喂入式渐变纺纱的原理本质上是混纺原理。由此，就会产生2个问题：一是混纺的均匀性问题；另一个是当a=1或b=1时，须条B或A的渐变连续性问题。

混纺均匀性问题涉及2个问题：其一是纤维间混纺均匀性的问题，其二是须条间组合比的稳定(a/b=vA/vB，即2粗纱的牵伸速度比)问题。第1个问题目前还未见解决方法，因为常规混合问题主要集中在开松和梳理加工及并条，均是多道加工的结果，平均混合不匀率在3%左右，而短片段的混合不匀可达15%以上，横截面间的纤维根数不匀在20%以上，仅靠细纱纺纱中合并后的一道牵伸不能解决；第2个问题，虽然牵伸速度上可以严格控制，但无法消除粗纱条本身的不匀，故无法做到根除。而粗纱条本身的不匀率一般在5%～7%，最好的约在4%。

须条B或A的渐变连续性问题也未见解决方法，因为a=0或b=0时，A或B粗纱条头端前没有引导的纤维，即不存在摩擦滑移的牵伸作用。因此，解决此问题一般只能采取2种方式：一是2须条都须留有保持须条连续牵伸的一定余量(8%～10%)，即无法做到满色，因而变色范围缩小；二是为保持连续性，增加第3根粗纱条，而第3根粗纱条颜色的最佳选择是：a/b=1。但是，该颜色粗纱条的引入，不仅增加了一条质量比5∶5混合的粗纱加工，而且使成纱的中间色范围增大，这与留出余量的做法属同样性质。为了减少变色范围的增大，需将该粗纱条变细，而要达到理论变色范围不变，则该粗纱条须不存在，故无解。添加一根须条的优势在于可使成纱条干均匀化。这也是国内把渐变纱称为“段彩纱”的原因，高速纺纱时，颜色的连续均匀的渐变问题尚未得到解决。

1.2 喂入式三罗拉渐变复合结构纺技术

1.2.1 双粗纱条

谢春萍等[10]在环锭细纱机上的中、后罗拉钳口分别喂入粗纱条，使用2套伺服系统单独控制中罗拉和后罗拉，以达中后罗拉配合变速的方法纺制段彩纱。因采用双粗纱喂入方式，会产生混色均匀性和须条连续性问题，进而使成纱条干和力学性能较差。

张洪等[11]通过加载ZJ-5A型智能竹节纱控制器的环锭细纱机通过混纺的办法生产段彩竹节纱。使用一种中后罗拉配合变速生产段彩纱的伺服电动机竹节纱控制装置，生产一种赛络纺段彩纱[12]。该纺纱技术对配套装备机械协同性要求较高，且未能解决三罗拉喂入式存在的共性问题。

朱预坤等[13]使用一种中后罗拉配合变速生产段彩纱的伺服电动机竹节纱控制装置，结合索罗纺纺纱工艺生产段彩纱，属于双粗纱喂入方式。由于分束纺工艺的引入，使得成纱力学性能有所改善，但仍未解决三罗拉喂入式存在的共性问题。

陈伟雄[14]将2粗纱分别经后固定罗拉和后活套罗拉喂入，合理控2粗纱的喂入速度而保持总喂入量不变，实现等线密度喂入纺纱。该技术对配套装备机械协同要求高，且未解决三罗拉喂入式存在的共性问题。

王晓秋[15]将粗纱分别从中罗拉、后罗拉喂入，经伺服电动机控制装置改变罗拉速度，瞬间改变罗拉单位时间内的粗纱喂入量，从而达到段彩的目的。由于喂入量的瞬时改变，会导致成纱粗细差异较大、成纱条干和力学性能差。

刘新金等[16]将彩色绢丝粗纱作为饰纱从后罗拉间断喂入，白色棉粗纱作为基纱从中罗拉喂入，二者经前区牵伸，在前罗拉钳口汇合后加捻成纱。三罗拉分别由伺服电动机带动驱动，通过第1粗纱和第2粗纱同时由后罗拉喂入，后皮辊采用直径不同的两段式结构，中罗拉采用两段控制结构，实现双色段彩纱的纺制[17]。该纺纱技术对配套装备机械协同性高、能耗大。

杜红专等[18]将三罗拉分别由伺服电动机带动驱动，同时在中罗拉轴上连接有第1罗拉套和第2罗拉套，主体粗纱由后罗拉连续喂入，辅助粗纱由中罗拉间断喂入，实现段彩纱的纺制。属于双粗纱喂入方式，未能解决三罗拉喂入式存在的共性问题。

查小刚等[19]通过改造并设定特殊结构的后罗拉驱动齿轮，得到一定要求的双色段彩纱等。这是一种双须条差动式的渐变调节的渐变纺纱方法，其致命弱点是成纱的粗细差异大、强度低，双机构牵伸互补的一致性低、且能耗大。

综上，基于双粗纱条的喂入式三罗拉渐变结构复合纺纱技术未能有效解决渐变纱的混色均匀性和渐变连续性两大本质问题。

1.2.2 三粗纱条

陈伟雄[20]在三罗拉细纱机的中、后罗拉轴上分别加装固定和活套罗拉，实现三轴系五罗拉复式同轴双牵伸纺纱，将2种不同组分或不同色彩的纤维，分段以设定的长度及不同组分组合，捻合成具有等线密度、有段彩效果的纱线。属于3粗纱喂入方式，解决了连续性问题。

薛元等[21]使三元色纱耦合牵伸系统的后罗拉嵌套在芯轴上的三段环圈相互独立转动，且保持3个环圈的表面线速度之和为常量，或3个有色粗纱的牵伸倍数的和为常量，从而获得粗细均匀、色彩任意的段彩纱，属于三粗纱喂入方式，解决了连续性问题。

综上，基于三粗纱条的喂入式三罗拉渐变结构复合纺纱技术可改善渐变连续性，但第3须条的引入会缩小复合纱的渐变范围，同时不利于高支纱的生产。

1.3 喂入式四罗拉渐变复合结构纺纱技术

1.3.1 双粗纱条的后置加耦合渐变区

李恩生等[22]在普通三罗拉细纱机后方加装一喂入罗拉。一组纤维须条经第4罗拉喂入，而后经正常牵伸工艺输出，另一组纤维须条经第3罗拉间歇喂入后与第1组纤维须条汇合加捻成纱。因2组设计不对称，虽一组多一道牵伸，混合均匀性有所提高，但效率较低。

钱文龙等[8]在毛纺细纱机的牵伸机构中添加1根后罗拉，2根后罗拉根据成纱颜色的变化要求分别交替喂入不同颜色的纱线，通过2个单独的伺服电动机分别控制，并且使2组不同输入速度的纱线的输入总定量保持不变，在中罗拉后方处汇合并依次经中罗拉、前罗拉牵伸而加捻成纱。因还原2道牵伸，混合均匀性有所提高。

刘新金等[23-24]采用四罗拉牵伸，四罗拉均采用单独的伺服电动机控制，涉及混合均匀性问题，因还原2道牵伸，混合均匀性有所提高。

综上，基于双粗纱条的后置加耦合渐变区的四罗拉渐变复合结构纺纱技术可在一定程度上改善混合均匀性，但仍未涉及渐变色连续性问题。

1.3.2 双粗纱条的前置牵伸区

国外也有此方面报道，如LAMBERT等[25]在前罗拉的后上方加装一组罗拉及皮圈，基纱条正常喂入，饰粗纱通过调节加装罗拉速度，获得不同程度的细化牵伸，进而与正常输出的须条汇聚成竹节纱，使其纵向呈现渐变色彩。因还原2道牵伸，混合均匀性相对有所提高。由于针对性地解决混色(混合)均匀性的问题，并将一个超大牵伸区域变为两区牵伸，既满足了道数的增加和出纱速度不变，又降低了各牵伸区的牵伸倍率，可有效解决高速牵伸下，纤维运动不平稳的问题。

1.3.3 三粗纱条的后置加耦合渐变区

谢春萍等[26]在包含四罗拉四皮圈三区牵伸形式的超大牵伸细纱机上采用三粗纱喂入方法生产段彩纱。因采用四罗拉四皮圈三区牵伸形式，可实现超大牵伸，有效提升纺纱效率，且可为高支纱纺制提供设备保障。可实现最多具有3种不同色彩的多组分渐变纱的生产，但渐变调节范围有限，又因添加了有色须条量，能耗更大。

1.4 喂入式渐变纱复合结构纺技术的不足

喂入式三罗拉/四罗拉渐变结构复合纺纱技术，均通过在输入端对喂入的粗纱条进行调控，以达到成纱颜色的变换。该技术主要存在以下不足：①喂入式渐变色纱配套的纺纱装备存在机械协同要求高、性价比较低、操作较繁杂、能耗高、效率低等不足；②喂入短纤维须条仅靠细纱纺纱中合并后的1道牵伸或2道牵伸，与常规开松梳理和多道并条混合相比，均匀性难以保障，故无法消除粗纱条本身的不匀，进而会造成成纱条干不匀而成纱力学性能下降；③无法实现渐变的连续性。2粗纱条喂入方式无法实现其中1根纱条的零喂入(即无法做到满色效果)，因为这将无法连续纺纱，而且在低比例喂入时极易断头，故成纱变粗，不适于纺高支纱。虽然3粗纱条喂入式可以保持一定的渐变连续性，但会导致变色范围的缩小。

为此，亟需开发一种新型纺纱技术，具有机构装配实用、操作简单、成纱条干和力学性能得以改善等优点，进而可实现大规模产业化推广与应用。

2 输出式渐变纱结构复合纺技术进展

近年来，复合结构纺纱技术和结构复合纺纱技术呈较快发展，尤其是近5年东华大学纺织材料与技术和纤维软物质(Textile Materials and Technology & Fibrous Soft Matter, TMT-FSM)团队提出一系列环锭纺输出式渐变纱结构复合纺技术。该项技术设备改造简单，仅需在前罗拉钳口前部加装汇聚针调控机构，即可实施渐变纱的成形，纱线结构调控性强、变色频率(周期)选择灵活性高，且可有效改善纱线条干不匀、提升力学性能，故可实现高速纺纱，既可为低耗、高品质、细支化加工提供技术基础，又可为先进纺纱技术的创新提供借鉴。

2.1 输出式渐变色纺纱原理与问题的解决

输出式渐变色纺纱原理是，从细纱机正常牵伸输出的2束短纤维须条A和B在前罗拉钳口前部汇聚，通过对汇聚点实施调节，使其以一定规律和频率发生移动，进而使须条A和B的相互包缠比发生对应规律或频率的变化，而达成成纱颜色在2须条A和B之间的来回变化。当汇聚点偏向须条A时，B须条对A须条实施最大包缠，使须条B完成包覆在外而显B色；当汇聚点偏向须条B时，A须条对B须条实施最大包缠，使须条A完成包覆在外而显A色。因采取以结构分层调整的复合纺纱，故输出式渐变纺纱的本质原理是复合而非混合。

对于输入式渐变色纺纱存在的混色均匀性问题，输出式渐变色纺纱则能完全规避。由于根据遮盖面积的大小而呈色，故取决于包缠须条的宽度和螺距；而分辨率的大小取决于加捻螺旋线的螺距，所以能有效解决渐变纱复合遮挡的均匀性问题；对于分辨率，因通常观察距离一般在20 cm以上，此时裸眼的分辨率在亚毫米范围，即100 μm以上，混色的均匀性，即目测颜色的单一纯正性，同样能保障。若要保证2种颜色的纤维在同一平面，而排除高低起伏的影响，即恰好能铺满表层，其含量越少越好，由此纱线可以做得更细，或使高档纤维原料(羊绒、白牦牛绒等)用得更精巧；而纱线变细，螺距更短，色的均匀性必将更大，这是一举多得的结构调整方式。

对于须条A或B的连续性问题，由于输出式渐变色纺纱本身轴系(须条)就是连续的，所以连续性问题不存在。除纺纱断头外，2须条合并后成纱条干均匀度更高、成纱强度更高、柔软性更大。

喂入式渐变色纺纱存在的混纺均匀性和须条连续性问题，在输出式渐变色纺纱中完全消失。这充分表明结构调控对成纱性质的决定性作用。

2.2 渐变色结构复合纺技术

东华大学TMT-FSM团队近年来在输出式渐变色结构复合纺方面展开了较深入的原创性研究，所纺渐变色纱可直接织造成特殊过渡色块组合和渐变纹理效果的织物。

2.2.1 前置移动耦合包缠式渐变纺

前置移动耦合包缠式渐变纱的加工成形如图1所示[27]。其技术特征在于：左、右须条出前罗拉钳口后在自然汇聚点A汇集，U形针在发生与执行机构的控制下在A的左右平动线上作周期性或非周期性、定频率或变频率的左右移动，还可以通过U形针的前后移动来调节汇聚点A的位置，以改变包缠角达包缠比的预调整。当U形针达到最左端时，右须条对左须条实施最大包缠，显示右须条颜色；反之，当U形针达到最右端时，左须条对右须条实施最大包缠，显示左须条颜色。该技术不考虑各须条张力的不变性。

1—U形针；2、3—左、右集束器；4、5—左、右须条；6—前罗拉；8—左右平动线；9—前罗拉钳口；71—汇聚点耦合包缠渐变色混色纱；72、73—左、右耦合包覆渐变色单色纱。图1 前置移动耦合包缠式渐变纱的加工成形

2.2.2 变张力前置移动耦合包缠式渐变纺

变张力前置移动耦合包缠式渐变纱的加工成形如图2所示[28]。其技术特征在于：通过汇聚针的周期或变周期左右移动及长丝或纱线张力的同步减小，实现长丝或纱线对短纤维须条的包缠；反之，长丝或纱线张力同步增加时，实现短纤维须条对长丝或纱线的包缠，最终形成周期或变周期颜色、表观纤维组分外观形态和力学性质渐变纱。与2.2.1相比，在实际纺纱加工中操作更容易，精准可控。因为长丝的介入，成纱力学性能更优，且对高速纺纱适应性更强。该技术充分考虑各轴系纱体张力的不变性。

1—汇聚针；2—长丝张力控制器；3—集束器；4—导纱钩； 5—短纤维须条；6—长丝或纱线；8、9、10—前、中、后罗拉；11—前罗拉钳口；71—长丝或纱线全包缠短纤渐变复合纱；72—短纤全包缠长丝或纱线渐变复合纱。图2 变张力前置移动耦合包缠式渐变纱的加工成形

2.2.3 变张力自然汇聚耦合包缠式渐变纺

长丝束变张力自然汇聚耦合包缠式渐变纱的加工成形如图3所示[29]。其技术特征在于：通过长丝束张力的周期或变周期调控，在自然汇聚点处，长丝束张力增大时，实现短纤维须条对长丝束的包缠；反之，当长丝束张力减小时，实施长丝束对短纤维须条的包缠，而形成周期或变周期颜色、表观纤维组分外观形态和力学性质渐变的耦合渐变复合纱。与2.2.1相比，在实际纺纱加工中更容易操作，精准可控。因为长丝组分的介入，成纱力学性能更优，且对高速纺纱适应性更强。该技术充分考虑了各轴系纱体张力的不变性。

1—长丝束张力控制器；2—张力调控机构；3—集束器；4—导纱钩；5—短纤维须条；6—长丝束；9、10—中、后罗拉；11—前罗拉钳口；71—长丝束全包缠短纤渐变复合纱；72—短纤全包缠长丝束渐变复合纱；81—前下金属罗拉。图3 长丝束变张力自然汇聚耦合包缠式渐变纱的加工成形

2.2.4 定汇聚角S/S耦合渐变纺

前置定汇聚角S/S耦合渐变结构复合纱的加工成形如图4所示[30]。

1—三叉针；2—左集束器；3—右集束器；4—左短纤维须条；5—右短纤维须条；6—前罗拉；8—前罗拉钳口；71—汇聚点耦合包缠渐变结构纱；72、73—左、右耦合包覆渐变结构纱。图4 前置定汇聚角S/S耦合渐变结构复合纱的加工成形

其技术特征在于：纺纱机构是由一置于环锭细纱机前罗拉前、可在自然汇聚点轴线上作初始汇聚角调节、沿包缠须条汇聚角轴线方向作山形左右的上下坡移动的三叉针和一对用于左、右短纤维须条(S/S)定位与集束聚拢的集束器，以及执行机构与频率发生机构等组成。通过三叉针的山形左右的上下坡移动，使右、左须条在无张力变化的条件下，分别对左、右须条实施包缠，而呈周期或变周期的颜色或表观纤维组分的渐变。该技术始终保持各须条在自然形式下移动，保持最大通道特征。

2.2.5 定半径式耦合渐变纺

定半径轨道式耦合渐变纱的加工成形如图5所示[31]。其技术特征在于：纺纱机构是由一置于环锭细纱机前罗拉前、可在自然汇聚点轴线上作初始汇聚角调节、沿包缠须条汇聚角轴线方向作等半径轨道式弧形左右移动的三叉针和一对用于左、右短纤维须条(S/S)定位与集束聚拢的集束器，以及执行机构与频率发生机构等组成。通过对称点处三叉针的沿等半径轨道向左(右)移动使右(左)须条对左(右)须条实施包缠，而呈周期或变周期的颜色或表观纤维组分的渐变。

1—三叉针；2—左集束器；3—右集束器；4—左短纤维须条；5—右短纤维须条；6—前罗拉；8—前罗拉钳口；9—等半径轨迹线；71—汇聚点耦合包缠渐变结构纱；72、73—左、右耦合包覆渐变结构纱。图5 定半径轨道式耦合渐变纱的加工成形

2.2.6 变跨距轨道式耦合渐变纺

变跨距轨道式耦合渐变纱的加工成形如图6所示[32]。其技术特征在于：纺纱机构是由一置于环锭细纱机前罗拉前、可作变跨距弧形轨道移动而调节左右短纤维须条(S/S)相互间耦合包缠比的三叉针和一对用于左、右短纤维须条定位与集束聚拢的集束器，以及执行机构与频率发生机构等组成。通过三叉针的沿变跨距弧形汇聚轨道向左(右)移动使右(左)须条对左(右)须条实施包缠，而呈周期或变周期的颜色或表观纤维组分的渐变。纺纱成形过程中各须条所受张力恒定。

1—三叉针；2—左集束器；3—右集束器；4—左短纤维须条；5—右短纤维须条；6—前罗拉；8—前罗拉钳口；9—变跨距弧形轨迹线；71—汇聚点耦合包缠渐变结构纱；72、73—左、右耦合包覆渐变结构纱。图6 变跨距轨道式耦合渐变纱的加工成形

2.3 输出式渐变纱结构复合纺技术的优势

输出式渐变色纱结构复合纺技术旨在对前罗拉钳口前部的汇集点进行精准调控，从而实现汇集点以一定的周期性或非周期性、定频率或变频率的规律移动。其主要优势在于：①与喂入式渐变色纱结构复合纺技术相比，输出式渐变纱纺纱机构改造简便、操作容易、可控性强、能耗低且对高速纺纱的适应性更强；②渐变色纱成纱条干不匀得以改善，力学性能更优良；③因其须条输出的连续性，故更适于纺制高支纱；④渐变纱的结构复合纺纱技术在未来应用广泛，如渐变纱可用于直接织造绘画式的工艺品，甚至艺术品，可以在纬编针织物上产生清晰的竖状条纹和图案；可以制造出不同区域具有不同功能的制品，如口罩左侧完成无阻力地吸入干净新鲜空气并兼具防PM2.5的功能，右侧完成低阻力地呼出高含湿量的CO2气体并兼具杀菌和导水功能，就如同平面打印一样等。

3 结束语

在渐变色纱常见制备方法中，采用针梳并条工艺进行段彩配色和并条机分段喂入2种技术用于生产段彩须条，还需通过粗纱、细纱工序纺制而成，加工流程长、能耗较高；喂入式三罗拉/四罗拉渐变色纱复合结构纺技术存在混纺均匀性和须条连续性两大问题。此外，配套纺纱装备存在各组部件机械协同要求高、能耗大而效率低；所纺纱线的花色循环调节不够灵活；渐变纱条干质量和力学性能有待提高，不适合高速纺纱。

为有效规避上述不足，TMT-FSM团队在输出式渐变色纱结构复合纺技术方面开展了系列原创性工作， 如前置移动耦合包缠式渐变纺、变张力前置移动耦合包缠式渐变纺、变张力自然汇聚耦合包缠式渐变纺、定汇聚角S/S耦合渐变纺、定半径式耦合渐变纺、变跨距轨道式耦合渐变纺等。装备改造简单、能耗低效率高；基于遮盖显色的渐变周期或频率调控性强；成纱条干不匀明显改善(其理论不匀下降约30%)、成纱力学性能改善，易于纺制高支纱。此外，该渐变色纱应用较广泛，如数字化艺术品等。输出式渐变色结构复合纺纱可为高效、低能耗、高品质、细支化加工提高基础，适于大面积推广应用。