现代纺织工程技术前沿.docx

现代纺织工程技术前沿王泽辉（天津工业大学机械工程学院 天津 300387）摘要：纺织工程是为国民经济建设和发展创造物质和精神财富、为人类生活提供必备物质、反映社会文明水准的重要工程领域，应用非常广泛。它是古老而又传统的工程领域，自人类出现以来，就与人类的活动密切相关。本文从纺纱、织造、化纤、印染、纺织控制和静电纺六个方面阐述了现代纺织工程的技术前沿以及与我国与国外的差距，使我们深刻的了解了这一工程技术的发展趋势以及前沿科技，极大的提高了我们学习和研究的兴趣。关键词：纺纱、织造、纺织控制、印染、化纤、静电纺、现代纺织工程、技术前沿Moderntextile engineeringtechnologyWANG Zehui(School of mechanical engineering of Tianjin Polytechnic University,Tianjin300387)Abstract：Textile engineeringis to create material and spiritual wealth,for the construction anddevelopment of the national economy,provide thenecessary materialfor human lifereflect thesocial civilization level important engineering field,is widely used.It isold and traditionalengineering fields,since the dawn of man,isclosely related to human activities.This paperdescribes thetechnologyfrontier of moderntextile engineeringand the gap withforeign countries and Chinafrom the spinning,weaving,printing and dyeing,chemical fiber,textileand staticspinning sixaspects,so that we deeplyunderstandthe development trend of thistechnologyandcutting-edge technology,greatly improved thelearningand research interests.Key words: Spinning Weaving Printing and dyeing Chemical fiber Textile, Electrostaticspinning Textile engineering Moderntechnology0前沿纺织工程在迅速发展的工程领域，随着现代科学技术的发展，新的纤维资源不断被开发利用，各种高性能和功能性的化学纤维不断问世，新的纤维制品加工方法不断出现，纤维制品的加工设备日益高效化、精密化、自动化和智能化，从而使纺织制品也日趋多样化和功能化，其应用领域尤其是在重要产业部门的应用不断拓宽，纺织制品与人体工程、环境保护及社会文化的关系日益密切，从而使纺织工程内涵大为扩展，与其它工程领域的交叉渗透也大为加强，新的学科增长点正在不断形成。在纺纱、织造、纺织控制、印染、化纤等方面不断涌现新的技术以及生产方式生产设备，本文从六个方面深刻的阐述了现代纺织工程技术的前沿。1.纺纱机械技术前沿1.1我国与国外的差距(1)技术创新能力薄弱(2)开发产品技术含量低，缺乏高端市场竞争能力(3）缺乏整合引进技术和自主创新能力(4）院校和科研单位重理论轻实践，缺 乏工程应用导向1.2纺纱机械的发展方向(1)单机的机电一体化(2)自动化水平(3)在线监控及信息技术的应用(4)生产工序连续化(5)管理网络化1.3、现在已经实现的发展趋势（1） 纺纱机械向成套化、连续化方向发展（2） 清梳联技术广泛应用并向短流程多组合高速高效方向发展（2.1） 采用高效短流程工艺（2.2） 采用多种组合，适用不同原料与品种加工需要（2.3） 在清梳联机组中都配置了异纤监控与拣出装置（2.4） 梳棉机的高产优质是清梳联机组的核心（3 ）精梳机采用新工艺、新技术，更加完臻，高效能精梳机是主体（4 ）采用高速单眼并条机与多电机驱动带自动落纱的悬锭粗纱机是并粗装备的发展方向（5） 纺纱主机细纱机向多锭化超长机自动落纱发展（6 ）自动络筒机的发展和技术的进步（7） 紧密纺技术的日趋成熟与转杯纺纱技术的发展（8 ）在线质量检测与控制新技术被广泛采用1.4新型纺纱（1）环锭纱 环锭纱是指在环锭细纱机上，用传统的纺纱方法加捻制成的纱线。纱中纤维内外缠绕联结，纱线结构紧密，强力高，但由于同时靠一套机构来完成加捻和卷绕工作，因而生产效率受到限制。此类纱线用途广泛，可用于各类织物、编结物、绳带中（2）自由端纱 自由端纱是指在高速回转的纺杯流场内或在静电场内使纤维凝聚并加捻成纱，其纱线的加捻与卷绕作用分别由不同的部件完成，因而效率高，成本较低。（3）气流纱 气流纱也称转杯纺纱，是利用气流将纤维在高速回转的纺纱杯内凝聚加捻输出成纱。纱线结构比环锭纱蓬松、耐磨、条干均匀、染色较鲜艳，但强力较低。此类纱线主要用于机织物中膨松厚实的平布、手感良好的绒布及针织品类。（4）静电纱 静电纱是利用静电场对纤维进行凝聚并加捻制得的纱。纱线结构同气流纱，用途也与气流纱相似。（5）涡流纱 涡流纱是用固定不动的涡流纺纱管，代替高速回转的纺纱杯所纺制的纱。纱上弯曲纤维较多、强力低、条干均匀度较差，但染色、耐磨性能较好。此类纱多用于起绒织物，如绒衣、运动衣等。（6）尘笼纱 尘笼纱也称摩擦纺纱，是利用一对尘笼对纤维进行凝聚和加捻纺制的纱。纱线呈分层结构，纱芯捻度大、手感硬，外层捻度小、手感较柔软。此类纱主要用于工业纺织品、装饰织物，也可用在外衣（如工作服、防护服）上2.织造机械技术前沿2.1现代织造技术新工艺和新设备络筒自动络筒机:高速、高效、高质、智能化。（1）络纱工艺方面：采用电子防叠系统、张力控制系统，筒子成形质量大大提高。采用直流无刷电机和伺服电机驱动槽筒，使卷绕速度更高，启动平稳。采用毛羽减少装置，提高纱线质量。采用气圈控制器，降低了退绕张力，减少了毛羽和断头。以上措施大大提高了纱线质量。（2）接头及换管循环： 采用电子逻辑加时序控制代替原有的机械时序控制，使效率大大提高，降低了功耗，减少了废丝和对纱线的损伤。（3）传感器的使用： 广泛使用传感器使动作智能化，在线检测使故障诊断率提高，张力传感器的使用，大大提高了卷装质量。（4）机电一体化： 自动络筒机目前已从机械为主，过度到以电气化、电脑化为主。如：电气件迅速增加而机械零件大大减少，防叠装置由机械改为电子，张力加压由气动改为电磁，有些机械传动改为电机传动如打结循环系统等2.2碳纤维多层角联机织装备及技术碳纤维多层立体织物是目前迅速发展的一类新型复合材料的增强结构骨架材料，是航空、航天、国家防御和高技术领域的重要基础材料。在复合材料制造流程中，碳纤维的纺织加工是材料制备的关键过程。采用各种纺织加工工艺使高性能碳纤维相互交织、交叉而形成的具有特定纤维取向和孔隙分布的纤维织物，是高性能复合材料构件的增强骨架。目前我国碳纤维多层角联织物织造多以手工织造为主，产品制造周期长、成本高、性能低、质量不稳定，严重影响新材料的产业化应用，一些关键的技术设备被发达国家所垄断。由我们学校自主研发的碳纤维多层织造装备和技术，将可以打破西方发达国家对我国碳纤维增强复合材料和技术的封锁，为提升国家总体竞争力服务。同时，它将有利于实现多学科、产学研的有机结合，在纺织机械行业为发展新兴产业方面进行有益的探索。 该课题的实施可以带动上、下游关联产业的发展。既可以带动上游钢铁、电子行业的发展，又可以带动下游纤维行业、树脂行业的发展;还可以降低下游关联产业如航空航天、风电叶片、飞机制造、造船、军工、建筑等高科技领域的产品成本，促进和提高上、下游关联产业的产品质量和市场竞争能力。一种碳纤维多层角联织机单纱张紧架，包括架体，架体上部设有导纱架，导纱架下方设有固定在架体上的张紧架，导纱架上设有多根相互平行的导纱辊，导纱辊通过轴承支撑在架体上，所有导纱辊同处于一个平面内；张紧架上设有与导纱辊对应的张紧支撑固定杆，张紧支撑固定杆上设有与单纱数量相当的固定块，每个固定块均套装在张紧支撑固定杆上，并用顶紧螺丝锁紧，每个固定块上均固定有一张紧弹簧片，张紧弹簧片上安装有瓷环。本实用新型实现了单根碳纤维纱线在织造的过程中张力的自动调节，很好地解决了在织物开口和综平交替过程中冗余纱线张紧的问题；并且对于长距离送经的单根纱线有一定导向支撑作用，避免了多根纱线相互干涉的问题。3.化纤技术前沿3.1化学纤维的分类（1）化学纤维可分为初生丝、拉伸丝、变形丝初生丝包括未拉伸丝（常规纺丝）、半预取向丝（中速纺丝）、预取向丝（高速纺丝）、高取向丝（超高速纺丝）拉伸丝包括拉伸丝（低速拉伸丝）、全拉伸丝（纺丝拉伸一步法）、全取向丝（纺丝一步法）变形丝包括拉伸变形丝和空气变形丝（2）化学纤维又可分为再生纤维、合成纤维化学纤维包括再生纤维和合成纤维再生纤维包括纤维素纤维和蛋白纤维，纤维素纤维包括粘胶纤维、铜氨纤维、醋酯纤维、硝酸纤维，蛋白纤维包括牛奶蛋白、花生蛋白、石油蛋白合成纤维包括杂链纤维（聚酯氨纤维、聚酯纤维、聚酯亚胺纤维、聚酯氨弹性纤维）碳链纤维（聚丙烯晴纤维 （腈纶） 聚乙烯醇缩醛（维纶） 聚丙烯纤维（丙纶）聚氯乙烯纤维（氨纶）聚四氯乙烯纤维）3.2该领域的发展前沿技术（1）新型纤维的研制：复合纤维，异形截面纤维（中空纤维）、仿蚕丝、天然卷曲纤维（2）现有纤维的深加工：网络丝、交络丝、空气变形丝（3）改性纤维的研制：高强、高摸聚乙烯纤维的研制（4）无纺布的发展：针刺、水刺、热粘合（5）复合材料：玻璃纤维、碳纤维复合材料4印染技术前沿4.1染整技术前沿4.1.1目前在染整技术方面研究的课题 (1)生态纺织品染整技术的研究。包括采用高效短流程前处理工艺，生物酶前处理技术（生物酶退浆、生物酶精炼、生物酶在漂白中的应用），无水或非水前处理工艺（如低温等离子体技术、其他离子溅射技术、激光技术、超声波技术和紫外线辐射技术等处理技术）,开发将耗水量降到最低程度的加工工艺。减少纺织品或排放物中的金属含量。新的染料和新型设备的研究。进行禁用染料代用品和无害染料粘合剂、无害抗皱整理的研究，探索循环技术以节约能量和化学品并减少污染。 (2)从废弃物中回收有价值的物质及废物再资源化的研究。资源的回收包括丝光碱液、干洗溶剂、用于坯布的染料、剩余的印花色浆和浸轧液、各种水资源的回收以及废热和应用包装回收。（3）环境治理和监督的研究，各种废弃物的处理排放技术和监督机制。4.2生态纺织品染整技术（1）生态前处理技术 a.碱前处理 b.生物酶前处理 c.低温前处理 d.高效短流程前处理 e.“绿色”精练剂和助剂的前处理 f.物理和物理化学法前处理 g.无水或非水前处理（2）染色 “绿色”染色工艺的主要特点在于应用无害染化料，用水量少，排放的染色污水量少且易处理净化，耗能低，染色产品是无害的“绿色”产品。为此，近年来国内外进行了大量的研究，提出和推广应用一些被认为污染少或符合生态要求的染色工艺。 a.天然染料染色 b.禁用染料的代用染料染色 c高固色率或高上染率染料染色 d高染色牢度染料染色 e一浴法、一步法和短流程染色 f低浴比、低给液染色 f应用计算机的受控染色 g.非水和无水染色 h无盐或低盐染色 i应用“绿色”染色助剂 j低温染色 k物理和物理化学法增强染色 （3）印花 “绿色”的印花工艺和“绿色”染色相类似，首先应该选用无害的柒化料，其次用水量和排放的污水量也应少，污水易于净化而且耗能低。有关染料方面在前面染色部分已经介绍，与染色不同的是需要开发无害或污水易净化的印花糊料。另外，一些应用高科技的新型印花工艺发展也很快。 a应用新型印花糊料 b、数字喷射印花 c、转移印花 转移印花是先将染科色浆印在转移印花纸上，然后在转移印花时通过热处理使图案中染料转移到纺织品上，并固着形成图案。因此，转移印花时虽然工艺简单，不需制网和印后处理，但在印制转移纸时，仍然要制网和印花处理，工序较长。转移有多种工艺，已广泛应用的是分散染料升华转移印花。热扩散转移印花（简称D2T2）还处在研究开发阶段，是一种新型的转移印花技术。(a)分散染料升华转移印花(b)热扩散转移印花 (c)电子照相印花 (d)涂料印花(e)其他“绿色”印花（4）整理 近年来，随着化学整理加工的日益增多，化学整理剂的毒性和危害逐渐暴露出来。这包括树脂整理剂、涂层剂、防水剂和柔软剂等所含的甲醛，阻燃剂、防水剂等中所含的重金属离子，以及抗菌防霉剂、防蛀杀虫剂等。因此，许多“绿色”整理工艺也不断出现。 a.新型物理机械整理 b.生物酶整理 c.无甲醛树脂整理剂、防水剂和柔软剂 d.物理和物理化学方法改性整理（5）目前生态纺织品染整技术存在的问题 上述列举了前处理、染色、印花和整理的生态加工工艺，但是这些工艺在某些方面仍不符合环境要求，甚至适得其反。例如低浴比练漂、染色和化学处理时，水用量虽然减少了，污水排放也可能少一些，但是往往需要高温或高压条件，这样耗能反而多。又如，利用物理化学方法（超声波、低温等离子体处理）染整加工，化学药品用量少了，污水中的污染物也少了，但是超声波、等离子体的发生需要耗用大量的电能，在加工时也可能产生危害，从这点来说，也不利于生态环境。此外，应用天然染料来染色和印花，天然染料本身比合成染料的危害性小，但是提取天然染料要耗费大量的植物资源，过多的提取甚至会破坏生态环境，提取染料后的残渣本身又会污染环境，而且也不经济。5.纺织控制系统5.1纺织机械机电系统的关键技术（1） 环节和系统的建模技术（2） 异性纤维检测和剔除技术（3）棉网厚薄均匀度检测和控制技术（4）棉条条干均匀度在线检测与控制技术（5）粗纱条干均匀度在线检测与控制技术（6） 细纱条干均匀度在线检测与控制技术（7） 纱线上浆率在线检测与控制技术（8） 纱线张力在线非接触检测与控制技术（9） 织物张力在线非接触检测与控制技术（10）烘房内温度与湿度的解耦控制技术（11） pH值在线检测与控制技术（12）色差在线检测与控制技术（13） 多轴传动的协调控制技术（14） 多点（即夹持点）传动的协调控制技术（15）基于多源信息融合技术的纤维动态在线检测技术(16） 特种纤维多层角联织造技术(17)绿色印染技术（废液中的物质回收、废液处理、热能综合利用、自动配液）5.2 运动控制的现状和发展趋势运动控制是对机械运动部件进行位置、速度、加速度、力和力矩控制，使运动部件能够按照期望的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。根据系统所用元件的类型，运动控制系统又可分为电气、液压、气压（气动）等运动控制系统。运动控制系统通常由运动控制器、传感器、执行器、动力装置和机械装置组成。根据运动控制的定义、运动控制系统的类型和运动控制系统的组成可知，运动控制涉及到工业、农业、商业、教育、军事、交通、航空航天、建筑、文艺、体育、医疗、公众事业和日常生活等各个领域，简言之，运动控制是无所不在的。运动控制系统的理论基础是经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。运动控制系统的技术基础是微电子、电力电子、计算机、信息处理、通信、网络、检测、电气传动、液压传动、气压传动和精密机械等多种技术。运动控制的发展是与上述理论和技术的发展相伴生的，强调的是多种技术的融会贯通和综合运用，即技术集成和系统整体最佳。以下简要介绍运动控制系统各个组成部分的现状、发展趋势和一体化进展情况。5.2.1运动控制器运动控制器是运动控制系统的核心部件。通常分为点位运动控制器、连续轨迹运动控制器和同步运动控制器。运动控制器的种类较多，根据通常的分类方法简要介绍如下。（1) 基于微控制器、微处理器的运动控制器（2） 基于ARM和专用芯片（ASIC）的运动控制器（3） 基于ARM和FPGA的运动控制器（4） 基于ARM和DSP的运动控制器在这类运动控制器中，数字信号处理器(Digital Signal Processor：DSP)是微电子学、数字信号处理和计算机等多种技术融会贯通、综合研究的成果。DSP芯片的特点：1）采用哈佛结构体系（或改进的哈佛结构体系）2）采用流水线技术3）硬件乘法器4）多种功能模块5）多功能指令（5）基于工业PC的以DSP、FPGA为核心处理器的运动控制器（6） Soft型开放式运动控制器（7） 嵌入式运动控制器（8）具有运动控制功能的PLC1）运动控制型PLC2）具有多CPU模块的PLC3）具有运动控制模块的PLC（9）采用可编程计算机控制器（PCC）的运动控制器（10） 采用可编程自动化控制器（PAC）的运动控制器PAC的主要特点如下：1）采用单一的多功能开发平台2）PAC的软件3）PAC硬件4）PAC的多功能性5）高级功能6）伸缩性和灵活性 7）网络6.静电纺丝静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离，最终固化成纤维、6.1静电纺丝影响因素1、聚合物的分子量，分子量分布和分子结构（分支，线性等）2、溶液性质（浓度，粘度，电导率，表面张力，液体流量等）3、电动势大小4、毛细管和收集屏幕之间的距离5、环境参数（温度，湿度和室内空气流速）6、收集装置的运动规律7、喷丝口针头形状6.2静电纺丝技术现状通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝并以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。然而，利用静电纺丝技术制备纳米纤维还面临一些需要解决的问题。首先，在制备有机纳米纤维方面，用于静电纺丝的天然高分子品种还十分有限，对所得产品结构和性能的研究不够完善，最终产品的应用大都只处于实验阶段，尤其是这些产品的产业化生产还存在较大的问题。其次，静电纺有机/无机复合纳米纤维的性能不仅与纳米粒子的结构有关，还与纳米粒子的聚集方式和协同性能、聚合物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺等有关。如何制备出适合需要的、高性能、多功能的复合纳米纤维是研究的关键。此外，静电纺无机纳米纤维的研究基本处于起始阶段，无机纳米纤维在高温过滤、高效催化、生物组织工程、光电器件、航天器材等多个领域具有潜在的用途，但是，静电纺无机纳米纤维较大的脆性限制了其应用性能和范围，因此，开发具有柔韧性、连续性的无机纤维是一个重要的课题。6.3静电纺丝技术的应用随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。在生物医学领域，纳米纤维的直径小于细胞，可以模拟天然的细胞外基质的结构和生物功能；人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似，这为纳米纤维用于组织和器官的修复提供了可能；一些电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作为载体进入人体，并容易被吸收；加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性，因此，其在生物医学领域引起了研究者的持续关注，并已在药物控释、创伤修复、生物组织工程等方面得到了很好的应用。纤维过滤材料的过滤效率会随着纤维直径的降低而提高，因而，降低纤维直径成为提高纤维滤材过滤性能的一种有效方法。静电纺纤维除直径小之外，还具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点，使其在气体过滤、液体过滤及个体防护等领域表现出巨大的应用潜力。静电纺纤维能够有效调控纤维的精细结构，结合低表面能的物质，可获得具有超疏水性能的材料，并有望应用于船舶的外壳、输油管道的内壁、高层玻璃、汽车玻璃等。但是静电纺纤维材料若要实现在上述自清洁领域的应用，必须提高其强力、耐磨性以及纤维膜材料与基体材料的结合牢度等。具有纳米结构的催化剂颗粒容易团聚，从而影响其分散性和利用率，因此静电纺纤维材料可作为模板而起到均匀分散作用，同时也可发挥聚合物载体的柔韧性和易操作性，还可以利用催化材料和聚合物微纳米尺寸的表面复合产生较强的协同效应，提高催化效能。静电纺纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率，可增大传感材料与被检测物的作用区域，有望大幅度提高传感器性能。此外，静电纺纳米纤维还可用于能源、光电、食品工程等领域。6.4静电纺丝技术的发展方向静电纺丝技术在构筑一维纳米结构材料领域已发挥了非常重要的作用，应用静电纺丝技术已经成功的制备出了结构多样的纳米纤维材料。通过不同的制备方法，如改变喷头结构、控制实验条件等，可以获得实心、空心、核-壳结构的超细纤维或是蜘蛛网状结构的二维纤维膜；通过设计不同的收集装置，可以获得单根纤维、纤维束、高度取向纤维或无规取向纤维膜等。但是静电纺丝技术在纤维结构调控方面还面临一些挑战：首先，要想实现静电纺纤维的产业化应用，就必须获得类似于短纤或者连续的纳米纤维束，取向纤维的制备为解决该问题提供了一条有效的途径，但是距离目标还有不少差距，今后的工作就要设法通过改良喷头、接收装置以及添加辅助电极等使纤维尽可能伸直并取向排列，获得综合性能优异的取向纤维阵列。其次，作为静电纺纳米纤维全新的研究领域纳米蛛网的研究还在初期阶段，纳米蛛网的形成过程的理论分析和模型建立尚需深入研究。此外，要想提高静电纺纤维膜在超精细过滤领域的应用性能，就必须降低纤维的直径，如何将纤维平均直径降低到20nm以下是静电纺丝技术面临的一个挑战；要想提高纤维在传感器、催化等领域的应用性能，通过制备具有多孔或中空结构的纳米纤维来提高纤维的比表面积是一种有效方法，但仍需进一步的研究。7.总结7.1纺织科技的发展趋势（1）电子信息技术（软件、微电子技术、计算机及网络技术、通信技术、广播电视技术、新型电子元器件、信息安全、智能交通技术）（2）生物与新医药技术（医药生物、中药天然药物、化学创新药物、医疗仪器技术、设备与医学专用软件、现代农业技术）（3）航空航天技术（民用飞机技术、空中管制系统 、卫星通信应用系统、卫星导航应用系统）（4）新材料技术（金属材料、高性能及特殊合金材料、超细及纳米粉体冶金新材料、低成本、高性能金属复合材料、电子元器件用金属功能材料