CNTs /滌綸復(fù)合紗線一體化成型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李嵐馨，張李睿

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安　710048）

近年來，智能纖維正日益受到行業(yè)的密切關(guān)注[1]，而智能纖維是指能夠感知環(huán)境的變化和刺激如機(jī)械、熱、化學(xué)、光、濕度、電磁等，并能作出反應(yīng)的纖維[2]。有專家將智能纖維紡織服裝制品看作是高水平紡織服裝工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的未來[3]。作為智能纖維紡織服裝制品研究之一的發(fā)熱紡織品，在提高織物御寒保暖性方面發(fā)揮著越來越重要的作用[4]。傳統(tǒng)保暖服飾多通過阻止熱量散發(fā)來達(dá)到保暖效果，其缺點(diǎn)是厚重、臃腫、不美觀。隨著人們審美和服裝附加功能要求的提高[5]，能自主發(fā)熱并持久保溫的輕薄型面料日益受到青睞，從而促進(jìn)了導(dǎo)熱性好、耐腐蝕性佳、質(zhì)量輕、柔性好的發(fā)熱材料的研發(fā)[6]。紡織纖維、原紗等材料的深加工、精加工并提附加值的加工方法，成為消費(fèi)品進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵紐帶，起著推動(dòng)產(chǎn)品共同發(fā)展的重要作用[7]。

為快速、連續(xù)地制備一款輕便、柔性佳、安全、產(chǎn)熱量高的發(fā)熱絲，使滌綸原紗擁有導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、質(zhì)量輕、柔性好、能耗低等優(yōu)良附加性能，需開發(fā)一種一體化成型控制系統(tǒng)。告別傳統(tǒng)染紗機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行成本高、可控性差等缺點(diǎn)，減少了染料的用量，達(dá)到節(jié)約能源，降低工藝時(shí)間，提高染色效率，提升成型效果[8]。

本文結(jié)合CNTs /滌綸復(fù)合紗線成型工藝，開發(fā)一體成型控制系統(tǒng)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝置搭建，同時(shí)完成染紗、烘干、后處理、成型等過程，采用單片機(jī)控制振動(dòng)頻率、繞線速度，提高浸染的可控性。此種設(shè)備減少染液的用量及成本，節(jié)約成型時(shí)間，使操作條件可變、多樣，具有“節(jié)能、環(huán)保、高效、減排”等優(yōu)點(diǎn)[9]。因此，對(duì)CNTs /滌綸復(fù)合紗線的成型效果及條件研究，具有重大的意義。

1　CNTs /滌綸復(fù)合紗線成型系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

CNTs /滌綸導(dǎo)熱復(fù)合紗線成型過程涉及滌綸輸線、繞線的過程控制、碳納米管涂覆時(shí)間控制、固化成型溫度控制等多個(gè)復(fù)雜過程，依據(jù)成形原理和工藝特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)CNTs /滌綸導(dǎo)熱復(fù)合紗線一體化成型，保證其成型過程具備以下功能：（1）輸線速度均勻、可控；（2）成型溫度可控；（3）涂覆時(shí)間、頻率、溫度等參數(shù)可控控制；（4）良好、便捷的操作感。

按上述成型系統(tǒng)總體功能要求，在傳統(tǒng)印染系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化并改善出新的成型系統(tǒng)，使其可流線化完成染色、固化、后處理、烘干成型的操作，其流程示意圖如圖1所示。

圖1　復(fù)合紗線成型工藝流程示意圖

根據(jù)工藝流程，對(duì)紗線按需染色流程進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2　復(fù)合紗線成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括：聲波振動(dòng)均勻涂覆模塊、固化成型模塊、柔性化處理模塊及紗線輸送調(diào)速模塊。其中，（1）聲波振動(dòng)均勻涂覆模塊：以揚(yáng)聲器（20V/8Ω）作為執(zhí)行元件，通過并聯(lián)分壓電阻調(diào)節(jié)控制頻率可在20～100Hz之間可調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳納米管的涂覆。（2）固化成型模塊：采用FCD-3000Serials溫控電熱干燥箱，保證溫度在0～400℃可調(diào)。（3）柔性化處理模塊：通過蘸浸復(fù)合法，讓紗線在盛有一定量處理溶液的容器移動(dòng)，再利用微噴嘴成型結(jié)構(gòu)過濾掉多于溶液，完成紗線柔性化處理過程。（4）紗線輸送調(diào)速模塊：利用單片機(jī)作為驅(qū)動(dòng)發(fā)出運(yùn)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，致使混合式步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)紗線不同運(yùn)動(dòng)速度的控制。

2　CNTs /滌綸復(fù)合紗線成型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

CNTs /滌綸導(dǎo)熱復(fù)合紗線一體化成型系統(tǒng)中通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)不同成型參數(shù)可控，主要模塊為聲波振動(dòng)均勻涂覆模塊及紗線輸送調(diào)速模塊。

2.1.1聲波振動(dòng)均勻涂覆模塊

聲波振動(dòng)均勻涂覆模塊是紗線浸染碳納米管優(yōu)劣性控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過STC90C51做脈沖信號(hào)發(fā)生器，TIP42作為功率放大器，控制執(zhí)行單元揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)不同頻率的振動(dòng)，從而完成均勻涂覆的工作。具體控制電路圖如圖3所示。工作時(shí)，由程序設(shè)置STC90C51微處理器產(chǎn)生TTL脈沖信號(hào)，通過P0.0接口傳遞給TIP42功率放大器。改變STC90C51微處理器內(nèi)部參數(shù)可調(diào)節(jié)產(chǎn)生的TTL信號(hào)的頻率及占空比，通過TIP42功率三極管調(diào)控?fù)P聲器工作頻率；在工作電路中，串聯(lián)可調(diào)電阻（0～20 Ω）調(diào)控?fù)P聲器工作時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度。

圖3　揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路圖

2.1.2紗線輸送調(diào)速模塊

選用STC90C51微處理器，利用單片機(jī)板卡上的TC1508s芯片作為驅(qū)動(dòng)發(fā)出運(yùn)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，致使混合式步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，具體驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4所示。通過每次發(fā)出脈沖信號(hào)，變更系統(tǒng)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)速度可調(diào)。利用公式（1）可計(jì)算紗線輸送速度，其中最低速度為2.33 mm/m in。

其中，y為輸出速度（mm/m in）， d0卷筒直徑（mm），x為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)。

圖4　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.2　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)中單片機(jī)的工作要求簡單，選用了AT90C51微處理器，利用Keil軟件工具完成聲波振動(dòng)均勻涂覆模塊及紗線輸送調(diào)速模塊的程序匯編工作。

2.2.1聲波振動(dòng)均勻涂覆模塊

本模塊選用TIP42芯片作為功率放大器，該放大器可直接與揚(yáng)聲器一同接入12V1.3A直流電源上，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡單，控制方便，易于實(shí)現(xiàn)。AT90C51微處理器通過控制接口高低平信號(hào)的變化，從而控制TIP42芯片驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器電路，其程序流程圖如圖5所示。

圖5　聲波振動(dòng)涂覆模塊軟件流程圖

2.2.2紗線輸送調(diào)速模塊

步進(jìn)電機(jī)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行原件。AT90C51微處理器輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)紗線運(yùn)動(dòng)，單次信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)最小角度，通過延時(shí)執(zhí)行信號(hào)輸出，使其滿足輸送需求，其程序流程圖如圖6所示。

圖6　紗線輸送調(diào)速模塊軟件流程圖

3　CNTs /滌綸復(fù)合紗線成型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取堿減預(yù)處理滌綸紗線，通入裝有碳納米管導(dǎo)熱懸浮液的染槽中，利用聲波振動(dòng)涂覆模塊進(jìn)行浸染，浸染溫度30 ℃、頻率20Hz，使預(yù)處理的滌綸紗線基材浸入染料，讓纖維表面及纖維內(nèi)部附著上碳納米管單體，形成均勻的導(dǎo)熱通路。將均勻涂覆碳納米管的滌綸紗線置入溫度為110℃的干燥爐中固化成型，再浸入后處理溶液中在進(jìn)行柔性化處理，于50℃固化爐烘干，得到表面覆膜的CNTs/滌綸復(fù)合紗線，如圖7所示。上述驗(yàn)證試驗(yàn)可表明，一體化成型系統(tǒng)可同時(shí)完成染色、固化、后處理、烘干成型的操作。

圖7　發(fā)熱絲表面形貌圖

4　結(jié)論

1）分析復(fù)合紗線制備工藝流程及控制系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了集染色、固化、后處理、烘干成型于一體的成型系統(tǒng)，可進(jìn)行不同工藝參數(shù)控制的協(xié)調(diào)性工作。

2）一體化成型控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的控制單元可滿足不同頻率、速度、溫度的按需調(diào)控，為后續(xù)研究CNTs /滌綸復(fù)合紗線最佳工藝奠定基礎(chǔ)。

3）經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，一體化成型控制系統(tǒng)完成CNTs /滌綸復(fù)合紗線均勻、柔性化、一體化的制備。

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