喷气涡流纺纱技术进程与展望
纺织技术的发展日新月异，根据国家“十四五”规划中“加快产业转型，提高发展质量”的策略，纺纱技术的发展显得尤为关键。因此，许多具有良好发展前景的新型纺纱技术备受瞩目，而喷气涡流纺就是其中最具潜力的技术之一。 喷气涡流纺是利用喷嘴喷射压缩空气形成高速旋转气流，使针座入口部位形成负压，从而将经过牵伸系统的纤维流吸入空心锭并与纱尾相搭接，利用空心锭内高速旋转的强负压气流将聚于纺锭头端的自由尾端纤维加捻成纱。喷气涡流纺独特的成纱过程和纱线特点，使其占据了稳定的市场份额，并随着技术的发展愈发具备市场竞争力。本研究通过分析喷气涡流纺的技术特点、设备发展历程，总结其原料品种、专件改进和拓展技术的发展现状，旨在探索喷气涡流纺技术的发展趋势及潜力，以推动其与实践开发应用的融合。 喷气涡流纺纱技术与其他纺纱方式相比主要具有以下显著优势。一是速度快，流程短，占地面积小，卷装容量大 。喷气涡流纺引纱速度可达600 m/min，与环锭纺相比没有粗纱和络筒流程。二是设备自动化、智能化程度高。喷气涡流纺的自动接头、自动换纱和单锭检测等技术，可以显著减少生产过程中的纱疵，提高生产效率，减少用工成本。三是纱线毛羽少，耐磨性好，条干均匀性好 。喷气涡流纺纱线属于双层包缠结构，芯层纤维接近平行无捻状态，外层纤维紧密地包缠在芯纤维表面。 喷气涡流纺技术存在以下弊端是限制其市场规模的关键原因。一是原料要求高。喷气涡流纺要求原料细，长度长且整齐度好，从而保证成纱强度，因此更偏向于适纺化纤。生产棉纤维时必须使用35 mm~38 mm的长绒棉才能保持稳定生产 。二是成纱结构的限制。喷气涡流纺纱线的包缠型结构致使芯层纤维不提供纱线断裂强力支持，同号数纱线比环锭纺纱线强力要低10%~20% 。在纱线号数和纱线用途上竞争力弱于环锭纺。三是生产成本高。喷气涡流纺设备主要依靠进口，成本昂贵，难以形成大规模生产，盈利周期受到限制。另外高速纺纱带来的磨损问题依旧存在，甚至因为纺纱速度的优势而更加严重，以至于胶辊、胶圈、纺锭需要频繁更换。 第一代喷气涡流纺纱机是1997年在大阪国际纺织机械展览会上展出的MVS851型喷气涡流纺纱机。随后于2001年推出MVS810型机，2003年推出MVS861型机。这三代机型主要体现在纺纱速度的提升，即从350 m/min提高到400 m/min，后又提高到450 m/min。这三代机型都可以纺纯棉纱，但是需要质量非常好的长绒棉。因此当时企业普遍只用于纺制纯粘胶和涤粘混纺品种，产品非常单一，同时由于当时国产生产化纤的能力较弱，与其他纺纱方式相比劣势很大 。2011年推出的MVS870型喷气涡流纺纱机在MVS861型喷气涡流纺纱机的基础上做了多项改进，如纺纱速度可达到500 m/min，锭数由72锭增加为96锭，并且配备4台自动接头小车 。2019年推出的MVS870EX型喷气涡流纺纱机为第五代产品，其纺纱速度高达550 m/min，且在数字化、优质化、自动化、智能化、高效化方向的发展尤为明显，主要特点如下。 （1）通过VOS系统，可以显示重要的生产和质量数据，以及设备运行情况。 （2）拥有质量检测和分析系统以及HD和 CV 值管理系统。具体表现在：可准确判断设置好的疵点值并及时切除有害纱疵；HD系统通过检测偏差可以测定发生故障的纺纱单锭以及发生故障的位置，并在面板处显示；通过 CV 值检测可以发现纱线质量有规律的周期性波动，从而分析设备器件或耗材的缺陷。 （3）拥有自动接头和自动落纱装置。接头小车会根据设置好的捻接工艺实行自动检测、自动接头，捻接完成后实现自动纺纱。自动落纱机（以下简称AD）能够自动根据预先设置的质量或长度进行落纱、更换纸管和接头纺纱。通过传送带，还可以和自动包装系统连接，实现自动打包、自动存放。 （4）其他功能还包括POLYMATER管理系统，可以完成对纺纱喷嘴、纺纱单元部位以及压缩空气管道部位的清洁工作。在占地方面，机台长度与MVS870型机相比缩短14%，吸风系统也更加节能。 立达公司于2003年推出了第一代J10型喷气涡流纺纱机，然后又于2011推出了J20型喷气涡流纺纱机，2015年推出了J26型喷气涡流纺纱机。2023年推出J70型喷气涡流纺纱机。J20型喷气涡流纺纱机设计为双面结构，大大节省了占地面积，配有120个锭子，左右两侧可同时纺制不同品种纱线，引纱速度可达450 m/min，引纱路线也是由下而上，可减少棉条意外牵伸。此外，还采用了单锭传动技术，配置了独特的专利横动装置，大大延长了胶辊和胶圈等配件的使用寿命 。J26型喷气涡流纺纱机引纱速度可达500 m/min，纺纱单元增至200个，两侧的机械手由4个变为6个，为了适应纯涤纶纱的生产，还新增加了特殊的清纱通道P26，提高了机器的清洁效率 。J70型喷气涡流纺纱机引纱速度可达600 m/min。相比上一代机型，设备能耗降低，纤维制成率提高，改进的加捻元件和清纱系统进一步提高了纱线质量，200个独立的自动化纺纱锭位可在机同时生产4个品种。 国内喷气涡流纺设备的开发也有一些进展。2011年江阴华方科技有限公司生产的HFW80型喷气涡流纺纱机，采用单面式结构，有80个锭子，纺纱速度可达450 m/min，自主研发的喷嘴结构使纺纱过程更加流畅 。2014年陕西华燕仪表航空有限公司研发出HYF369型喷气涡流纺纱机，专门改进了电子清纱器，开发了自动接头和自动满筒落筒机械手，建立的智能化控制系统可实时采集分析数据，进行远程监控等 。浙江泰坦股份有限公司和浙江日发纺织机械有限公司也在喷气涡流纺设备研发上进行了大量投入，不过这些国产设备还没有完成市场推广 。 为了能够发挥喷气涡流纺独特的纺纱特点，国内外一直在对纺纱工艺进行相关研究。 ORTLEK H G等人 得出纺纱速度、喷嘴压力和纱线号数等对喷气涡流纺纯棉纱的成纱性能影响显著。耿静等人 通过改变喷嘴压力，使用涤纶、棉、粘胶、竹浆纤维等原料进行纺纱，得出加工这些原料时适合的压力范围。胡碧玉等人 探究出涤纶和粘胶采用不同混纺比例时适合的喷嘴压力。陈美玉等人 则通过改变喷嘴压力，深入研究了压力参数对于纱线包缠加捻程度的影响，进而分析喷气涡流纺纱包缠加捻对其力学性能的影响。LEKHANI T等人 采用Box?Behnken三变量三因素设计研究了高速纺纱条件下，纺纱速度、喷嘴压力和锭子直径对涤棉混纺纱成纱质量的影响。 也有学者着重改进前纺工艺，从而提高成纱工艺的生产效率和成纱质量。ERDUMLU N等人 在前纺工艺中加入一道精梳工序，研究短纤维含量对喷气涡流纺纯棉纱号数和成纱性能的影响。刘建林 通过优化前纺工艺配置，为实现成纱环节高速高效生产优质涤粘混纺纱提供实践经验。 另有学者致力于研究纺纱喷嘴的参数和相关内容。邹专勇等人 和裴泽光等人 通过CFD建立喷嘴结构模型，应用Fluent软件对模型内的气流场进行数值模拟，解析喷嘴内气流场的压力场与速度场的分布情况，讨论分析气流对加捻腔内纤维运动的控制过程和对成纱质量的影响。LI M L等人 通过建立流体力学模型，对喷嘴内气流场进行数值模拟，设计了多种喷嘴结构，研究涡流管内壁结构对喷嘴内气流场分布和纱线性能的影响，最终得出圆柱形腔室与锥形腔之间有过渡区的喷嘴结构比无过渡区的喷嘴结构更有利于气流旋转。陈洪立等人 通过数值模拟方法，研究了空心锭上斜孔排数对气流流动的影响和斜孔角度对气流速度的影响。这些模拟试验都为其他学者探究纱线在喷嘴内的加捻机制提供了一定理论帮助。ASGHAR B M R等人 则是通过具体试验研究了进料比和锭子主轴尺寸大小对纱线性能的影响，得出较高的进料比和较窄的锭子尺寸更适合纤维的包缠。任玉斌 通过改变喷孔数量和喷孔角度进行纺纱试验，以优化工艺参数。除此之外，还有一种自捻型喷嘴，即对空心锭外表面进行刻槽处理，韩晨晨等人 对比分析了传统喷气涡流纺喷嘴与其内部流场分布特征和纱线结构性能，证明这种技术具有一定可行性。 如今环锭纺仍在纺纱市场占据主导地位，喷气涡流纺等新型纺纱方式还需要不断改进，扩大其产品优势。目前在喷气涡流纺原料品种、专件改进和一些拓展技术方面的研究很多，这些技术也将一直是喷气涡流纺未来的研究热点。 改善纤维适纺性以及开发多品种喷气涡流纺纱线的问题，可以从把控纤维质量或者对改进纤维性能、扩大原料的应用范围、优选多种原料混纺比例等方面入手 。 在纤维的应用上，一方面是前纺纤维质量的控制或者高质量纤维原料的使用，或者直接对纤维进行柔化处理和防静电处理等。另一方面是新型纤维的使用，比如莱赛尔纤维强力高，具有棉的柔软性和良好的吸湿性 ，这种绿色环保纤维与涤纶、粘胶纤维相比具有更好的生产效益。还可以从提高棉纤维的应用入手，比如使用莱赛尔纤维与棉纤维混纺 、涤棉混纺等方式，降低纯棉纺纱的难度。喷气涡流纺纯棉纱目前的问题：一是号数上还有待突破，二是如何在保证纺纱质量的同时，发挥喷气涡流纺纺纱速度的优势 。 在多品种开发上，喷气涡流纺主要开发了色纺纱、花式纱和功能性纱等。比如百隆东方有限公司的各类棉色纺纱，湖州威达纺织有限公司的各类粘胶色纺纱。功能性纱线的开发用到了麻、腈纶、羊毛和一些改性纤维。这些品种的开发很大程度上弥补了其原料单一、品种少的缺陷，拓宽了喷气涡流纺纱的应用领域，这也是喷气涡流纺品种拓宽的一个良好发展方向。 高速纺纱一直是喷气涡流纺的重要优势，但胶辊、胶圈等专件的磨损也比较大。喷气涡流纺用胶辊、胶圈对其表面的粗糙程度、防静电性、抗污性、耐热性、硬度和抗压缩变形性等都有较高要求 ，除橡胶材料的选择外，通常是进行表面处理以延长使用寿命。目前胶辊表面处理有紫外线光照处理，A、B双组分涂料处理和四氟涂料处理等，具体根据不同的纺纱情况选择适用的处理方法 。国产的胶辊、胶圈价格具有优势，但使用寿命和对纤维的控制能力相对进口产品仍有不小差距，如成纱粗细节、条干较差 。纺纱过程中的杂质会影响高速气流对纤维的破坏，因此保证纺锭内部光滑洁净也是提升纺纱效率的关键 。同时，MVS870EX型喷气涡流纺纱机增添了油剂装置，有利于提高成纱质量。 喷气涡流纺包芯纱是通过特殊的喂入装置，将芯丝在前罗拉钳口处与经过牵伸的短纤维须条一并吸入喷嘴，须条中的短纤维受到气流加捻作用，围绕芯丝进行包覆形成包芯纱。喷气涡流纺包芯纱可以克服环锭纺包芯纱芯丝外露的缺点，包覆效果好于环锭纺 。雒书华 使用涤纶长丝和涤纶短纤纺制19.7 tex包芯纱，但纺纱质量不佳，纺纱过程中还容易产生片段弱捻纱。刘艳斌等人 探究了喂入比、长丝喂入张力和喷嘴到前罗拉的距离等对包芯纱成纱质量的影响，改善了弱捻纱的问题。邹专勇等人 研究了纺纱速度和芯丝线密度对包芯纱成纱性能的影响。但该项研究是在一个较低的速度范围内，生产的纱线号数也较低，对高速生产状态、细号纱线的研究还有不足。裴泽光团队制备了一种制作导电织物的金属丝包芯纱，并对金属丝与短纤维在喷嘴内腔中的运动图像进行捕捉；利用这种在线检测方法提取纤维包缠过程中的露芯特征，与制成包芯纱的露芯量进行对比分析，研究喷嘴气压与纺纱速度对纱线露芯量的影响 。在此基础上，设计面向喷气涡流纺包芯纱的成纱工艺参数自动调节系统 。还建立了纺制金属丝包芯纱的喷气涡流纺纱喷嘴三维CFD模型，将金属丝通过开槽的前罗拉引入喷嘴，并考虑前罗拉对流场的影响，进行数值模拟，揭示了纺纱喷嘴内气流的流动特性 。以此为基础分析了成纱过程，解释之前研究中纤维动态行为的试验结果 。这些研究也有一些不足，如长丝与短纤维的汇聚机制需要进一步探明，还需要进一步降低喷嘴中的落纤率、控制芯丝张力和提升包芯纱生产的自动化程度等。 （1）喷气涡流纺的未来发展重点仍是提高原料适纺性范围和面向多品种纱线的开发，以此提高其在纺纱领域的市场竞争力。同时，纺纱速度、设备自动化及智能化程度也需要进一步发展。 （2）胶辊、胶圈、纺锭等零部件质量是限制喷气涡流纺发挥速度优势、提高成纱质量的关键因素，未来需要在这方面实现进一步的技术突破，尤其是国产零部件的质量还处于劣势。 （3）喷气涡流纺的生产速度高、产量大，但是受到进口设备成本高和国外技术限制的压力，企业盈利周期和规模受限，喷气涡流纺市场竞争力不足，有待未来国产化设备的技术进步能解决这一难点。 （4）喷气涡流纺技术的发展还需要进一步加强理论基础研究，试验应用研究也要同步跟进。许多学者的研究表明，流场模拟是分析喷嘴工艺和喷嘴参数对喷气涡流纺纱成纱质量影响的有效手段，但是这些技术的分析构想与实现生产应用还有很大距离。
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