牛仔色纱打样技术进展

席立锋 周衡书 陈桂春 张 淳 周忠成

（1.湖南工程学院，湖南湘潭，411104；2.韶关市顺昌布厂有限公司，广东韶关，512000）

牛仔织物起源于150多年前，延续至今仍在大众服装消费中占据着重要比例［1］。近几年随着消费者个性化消费观念的引导，牛仔织物色纱种类向着多元化方向发展，主要有靛蓝染色、硫化染料染色、涂料靛蓝染色、多色染料套染等，但靛蓝牛仔织物仍然是牛仔色纱的主流［2⁃3］。

靛蓝牛仔色纱染色开始于19世纪70年代，由于靛蓝染料来源广泛、色泽稳定，因此得到大众的喜爱。牛仔行业经过多年的产业化发展，形成了以轴经染色、球经染色、筒子纱染色为主流的染色方式［4］。随着纺织服装业个性化消费理念的发展，促使牛仔服装业朝着差异化、个性化方向发展，这对牛仔行业的产品开发速度提出了新要求。企业要完成新型牛仔色纱打样必须停工停产，借助50 m~60 m的生产线完成小批量产品开发，导致生产成本高、物料浪费大的局面。本研究对现有牛仔色纱染色方式进行梳理总结，对比分析了企业生产线牛仔色纱染色和短流程牛仔色纱染色的优缺点，为了解牛仔色纱染色相关技术提供参考。

1 靛蓝牛仔色纱染色机理

靛蓝类色素是人类所使用最古老的色素之一，最早可追溯到大约公元前2 500年。在古代，靛蓝以价格低廉、色泽优美等优点受到大众的喜爱，通过“瓮染”技术，其广泛应用于日常生活用品的染色。19世纪90年代LEVI Strauss采用501靛蓝染料染色创造了牛仔色纱产品的先河，这也成为了牛仔织物染色发展进程中的重要节点［5］。

靛蓝染料是一种还原性染料，分子式为C16N2H10O2，分子量为262。由于靛蓝分子结构稳定，故不可直接用于牛仔色纱染色；靛蓝染料只有在强碱性环境中被还原成为隐色体钠盐上染纤维，再经过空气氧化恢复为原来的稳定态染料，才能最终固着在纤维上，完成纤维染色。

靛蓝染纱包括4个过程：靛蓝染料还原→靛蓝隐色体钠盐上染→靛蓝隐色体氧化→纱线染色后处理。靛蓝染料还原是指将不溶性的靛蓝在强碱（主流用NaOH溶液）条件下和还原剂（又称“保险粉”，主流用Na2S2O4）作用转化为靛蓝隐色体钠盐。靛蓝隐色体钠盐上染是指纱线经过染缸时，随着浸染时间的推移，隐色体钠盐被吸附在纤维表面并向内部扩散；企业在生产中为了提高纱线上染效率，通常在染液中加入渗透剂，并采用6次~8次浸轧氧化连续染色，以达到所需染色深度。靛蓝隐色体氧化是指上染在纱线上的隐色体钠盐离开染缸后，在空气中与氧气发生氧化反应，使纱线呈现稳定的靛蓝色。纱线染色后处理是指染色完成后洗去纱线表面的浮色。

2 生产线中靛蓝牛仔色纱染色打样方法

由于靛蓝需要经过多次浸染上色，企业生产线长达几十米，这对企业的牛仔产品开发和小型打样带来诸多技术难题［6］。目前企业在产品研发阶段为了保证小样生产和大批量生产产品无差异，借助的生产线中靛蓝牛仔色纱染色打样主流方法有轴经染色、球经染色和筒子纱染色。

2.1 轴经染色

轴经染色又称片纱染色，指纱线染色过程中多根纱线并列呈片状排列染色。根据纱线染色工艺要求，需要经过多道浸扎还原染色和氧化。企业为了提高生产效率，将色纱的染色和上浆工艺连续化设计，形成浆染联合机组。目前主流的轴经染色方式又可分为轴经多染槽连续染色上浆联合机组和轴经单染槽环形连续染色上浆联合机组。

2.1.1 轴经多染槽连续染色上浆

轴经多染槽连续染色上浆联合机组的工艺过程包括5个步骤：经纱退卷预湿→多道染槽浸染氧化→水洗烘干→上浆→烘干集纱。经过整经的经纱从经轴上退绕下来浸入1道~2道的润湿槽进行预湿处理；纱线经多次循环进入6道~8道染色槽浸染还原和空气中氧气，完成靛蓝染色的氧化还原反应；染色后的纱线进入2道~3道水洗槽，洗去纱线表面的浮色，并利用多个烘筒进行预烘干；染色后的片纱送入浆槽完成上浆；最后片纱通过烘房完成烘燥，导出到集纱装置，完成纱线的缠绕收集。

2.1.2 轴经单染槽环形连续染色上浆

轴经单染槽环形连续染色上浆联合机组的工艺原理与轴经多染槽连续染色上浆联合机组的工艺一致，但是轴经单染槽是采用环形走纱方式，将纱线连续多次送入单染槽完成染色上浆工艺，即1个染槽代替6个~8个染槽；该方法缩短了工艺过程，减少了生产设备的占地面积，且节省了染料配给和排放。其工艺过程：经轴上的经纱退绕后经过润湿槽完成预湿工艺；预湿完毕的经纱送入单染槽完成纱线的第1次染色；染色后的纱线从染缸上部一对压辊导出，绕过位于后方的经轴架完成氧化工艺；之后纱线从经轴架的下方经过，通过导辊再次到单染槽完成浸染，重复循环6次~8次，完成经纱的染色；最后水洗烘干、上浆、烘干集纱，与轴经多染槽连续染色上浆工艺相同。

2.2 球经染色

球经染色又称束装染色或绳染，指将数十根或数千根纱线聚集呈一束进行染色。球经染色工艺流程中包括球经整经机、球经染色机（又称束状染色机）、分纱机。球经整经机是将数筒经纱合并成一束卷绕在经轴处，球经染色机同上述的轴经染色相同，多道浸染完成染色工艺；分纱机是将染色完成的球经重新分纱、整经完成色纱的收集。球经染色生产的色纱染色质量稳定，效率高，受到企业的一致好评，但相关的国内纺机制造企业比较少，主要进口的球经染色设备来自美国莫里森公司［7⁃8］。

球经染色的工艺过程和轴经染色稍有不同，染色机的前端和后端设置了球经整经机和分纱机。球经纱有12束、14束、24束、28束以及36束，经纱根数可达到400根。球经染色的工艺流程：将12根~36根束纱从整经机上退绕下来再润湿；束纱进入染缸6次~8次进行浸染和氧化，完成束纱染色；然后再完成水洗和烘燥；最后通过分纱机进行分纱，并重新整经制成经轴，以备后道上浆工序使用。

2.3 筒子纱染色

筒子纱染色按其染色工艺形态又称为填装染色，将用于筒子染色的纱线卷绕在多个表面有孔的筒子上，然后将筒子依次置于染缸中，通过循环泵带动染液循环流动对筒子纱的内部和外部进行充分的渗透，然后将筒子纱从染缸中拿出来在空气中进行氧化，从而完成色纱染色［9］。其中恒天立信公司生产的筒子纱染色设备可适用于纯棉纱和化纤纱的染色。

筒子纱染色的工艺流程和上述的轴经、球经染色机理一致，不同的是筒子纱染色的染色机打破了固有的纱线浸染模式，为纱线染色方式提供了新的思路。筒子纱染色机是将纱线筒置于封闭式染筒内不动，纱线四周布有高压染液喷头，根据染色工艺要求，喷头喷出染液至纱线表面完成上染，紧接着纱线运行至染筒上部的导纱处，同时完成纱线染色的氧化反应，然后纱线进入下一个染筒，重复多次氧化还原反应，直至纱线完成染色。

3 生产线中牛仔色纱染色打样存在的问题

目前，国内多数企业的靛蓝牛仔色纱染色打样都借助生产线完成产品的开发工作，但存在以下问题。

首先，工艺流程长，设备占地面积大。在企业生产中为保证还原性染料充分染色，需要经过多道浸轧还原和氧化反应才能满足纱线的染色要求，导致染浆联合机和束状染色机的生产线长达几十米。其中每道染色机的长度达到6.5 m，完成氧化工艺的设备总长度可达到40 m，再加上上浆工艺设备，全机总长度在50 m~60 m。

其次，资源浪费多，成本损耗大。企业中庞大的机台设备是针对大批量生产设计的，所以染槽、浆槽等容量都比较大，造成染料、浆料的浪费。同时长达几十米的生产线需要多名技术工人协同，存在劳动力成本较高的问题。

再次，色纱质量差，工艺不连续。由于借助产业化生产线完成色纱打样存在束纱（或片纱）股绳细的问题，经过轧染时存在强力低、易断纱等问题。相较于企业生产线成熟的工艺，采用绞纱染色的牛仔色纱打样方法成本较高，容易出现片差和层差现象，而采用筒子染色所生产的小样蓬松度与柔软度都不如绞纱染色的产品，也容易发生内外层色差、染色不透等现象。

最后，产品开发周期长，质量不稳定。企业借助生产线完成产品开发需要停工停产、配置染料、调整工艺参数等以完成小批量打样，同时恢复生产需要重复上述的操作，耗费了大量的时间在准备打样阶段；由于染缸染液浓度有波动和不易清洗导致的遗留物问题会对打样染液配方产生影响，使得打样纱线质量不稳定。

4 短流程牛仔色纱打样方法

为解决生产线中牛仔色纱染色打样存在的问题，行业内给出的解决方案是在保证牛仔纱线染色工艺的条件下，利用新型机械结构，将纱线染色的氧化还原过程在短流程设备上完成。目前，主流的设备有立缸染色机、喷缸染色机、短流程染浆一体机3种，受到业界的一致好评［10］。

4.1 立缸染色机

立缸染色机打破了原来的生产线纱线移动、染液相对静止的模式，转换为纱线圆周盘绕、染液动态转动均匀上染。立缸染色机采用循环式排纱，可以满足生产线6道~8道轧染工艺，原理类似于洗衣机，驱动机构带动螺旋桨使染液有规律地转动。纱线在染色机内呈圆周盘绕，染液在螺旋桨的转动下，对纱线表面进行旋转染色，随着时间的推移，染液浓度下降，打开底部排液孔将废液排出。立缸染色机采用新型染色模式解决了生产线中牛仔色纱打样占地面积大、产品开发周期长的技术难题，可适用于羊毛和棉纱等针织牛仔产品的色纱开发。

4.2 喷缸染色机

喷缸染色是将绞纱放置于带有多孔的喷管处，喷缸中喷管连续转动带动绞纱运动，同时喷管表面高压喷口将染液喷染在纱线上。喷缸染色机在机箱内部设有8根染料喷射管，可根据不同纱线的染色工艺要求自定义参与染色的喷管。喷管喷出的染料完成纱线染色后，多余的染料顺着绞纱流回自循环染槽中，大幅度提高了染液的利用率。纱线以绞纱形式缠绕在支纱架上，支纱架做圆周运动的同时，水泵将染液经输液管喷染在绞纱表面。染色过程中，纱线在转动的同时染料同步循环喷射。此方法可适用于棉纱、蚕丝及较高品质的绞纱等色纱打样工艺。

4.3 短流程染浆一体机

通过对企业中各种靛蓝牛仔色纱染色工艺的分析和总结，得出靛蓝牛仔纱线染色生产的工艺必须满足以下范围：在室温染色条件下，机台转轴速度15 m/min~35 m/min，纱线浸染还原时间1.8 min~3.6 min，空气氧化时间6 min~15 min，浸染还原和氧化比例为1∶10.7~1∶4.0，纱线水洗工艺温度18℃~25℃，上浆浆液温度70℃~90℃。

为解决现有工艺生产线长、成本高、染色不匀、染色不透等问题，开发一种适用于企业生产线、高校或布行进行产品开发的短流程式牛仔色纱设备十分必要，我们和江阴通源纺机有限公司联合研制的GA 393型染浆一体机给出了解决方案，具体如图1所示。

筒子原纱1从筒子架上导出来经过导纱器2和张力盘3，绕过大纱笼5进入染槽14，通过浸没辊13后纱线被浸压到染液液面以下，纱线从染液中出来并通过轧辊4挤压掉多余的染液，之后再次绕过大纱笼5和浸没辊13，如此往复，并通过大纱笼5和分纱板6的作用，将一定圈数的纱线均匀地排列在大纱笼和浸没辊上。之后经过染色的纱线通过水洗槽7，洗去色纱上多余的浮色，水洗后的纱线到浆槽12，实现单根纱线上浆。完成浆纱过程的纱线到烘房10，在小纱笼11上进行烘干，最后经过断纱自停装置8到整个设备的成形机构9，纱线被卷绕到筒管上，完成单纱的染色与上浆过程。

GA 393型染浆一体机和其他短流程染色机相比的技术突破点在于，其还原了产业牛仔纱线染色的整个工艺过程。为解决生产线多染缸占地面积大的问题，GA 393型染浆一体机给出的解决方案是采用新型机械结构，将数十米的染浆生产线打样缩短在3 m左右的染浆一体机上，机械结构采用复合运动，实现大纱笼5和浸没辊13同步转动，同时带动原纱1排布在大纱笼5和浸没辊13表面，大纱笼5表面的纱线可完成靛蓝染色的氧化工艺，浸没辊13的纱线浸没在染液中，完成靛蓝染色的还原工艺。同时，大纱笼5下侧设置了分纱板6，可保证原纱1根据染液要求多次进出染槽14，满足纱线染色深度要求。该设备可满足不同种类纱线、不同染液的染色上浆要求，为企业、高校等的靛蓝牛仔色纱小批量打样提供了新的解决方案。

5 结语

牛仔色纱打样受染料上染率的影响，也被50 m~60 m生产线所制约，同时染液系统存在浓度不稳定、染缸未实现智能检测和补给、无法保证各个染缸的上染率稳定等问题。本研究从生产线牛仔色纱打样、短流程牛仔色纱打样两个方面总结了牛仔靛蓝染色技术的研究进展。短流程牛仔色纱打样突显了不可替代的优势，为提升牛仔色纱短流程打样与生产线生产色纱的一致性，建议今后短流程色纱打样还需在以下几方面进行深入研究。

首先，发展多种短流程排纱机械结构。为彻底克服色纱借助生产线打样问题，进一步研发特种机械结构满足多类纱线和染料的打样，提升色纱打样与生产线工艺的一致性，同时实现短流程单机染色设备的色纱柔性打样。

其次，搭建智能检测和智能染液补给系统。由于现有的各种染缸染液采用自循环和人工浓度检测方法，未对牛仔色纱进程中的染液浓度进行定量、定性测量分析，导致纱线的上染均匀性差。因此从纱线染色的实践和工艺要求角度出发，需要添加短流程牛仔色纱的智能染液补给系统。

最后，建立全面的短流程牛仔色纱打样理论。短流程染色机的进一步研发需要涉足交叉领域知识，如机械、化工、计算机等，以实现占地面积小、上染效率高、染液浓度稳定的新型短流程染浆一体机。