基于碳中和的人-機(jī)-料-法-環(huán)五位一體紡紗新技術(shù)解析

夏治剛， 徐 傲， 萬(wàn)由順， 衛(wèi) 江， 張慧霞， 唐建東，鄭敏博， 郭沁生， 丁彩玲， 楊圣明， 徐衛(wèi)林

(1. 武漢紡織大學(xué) 省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430200； 3. 青島大學(xué) 省部共建生物多糖纖維成形與生態(tài)紡織國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071； 4. 武漢裕大華紡織服裝集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430080； 5. 際華三五四二紡織有限公司， 湖北 襄陽(yáng) 441002； 6. 經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司， 山西 晉中 030601；7. 山東如意科技集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)寧 272073； 8. 安徽華茂紡織集團(tuán)有限公司， 安徽 安慶 272073)

自工業(yè)革命以來(lái)，人類在創(chuàng)造巨大物質(zhì)財(cái)富的同時(shí)，加速攫取自然資源、打破地球生態(tài)系統(tǒng)平衡，人與自然深層次矛盾彰顯[1]。全球人類消耗的能源86%來(lái)自化石燃料資源?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)：如果人類一成不變地?fù)p耗現(xiàn)有化石燃料，那么最后一批化石燃料將在22世紀(jì)耗盡[2-3]。消耗化石燃料，必然排放二氧化碳、甲烷以及粉塵等廢物[4-6]，不僅污染環(huán)境[7-9]，且會(huì)造成碳循環(huán)失衡，導(dǎo)致溫室效應(yīng)[10-12]。溫室效應(yīng)表現(xiàn)為地球升溫：1981—1990年全球平均氣溫比100年前上升了0.48 ℃，到21世紀(jì)末將可能增至1.1～6.4 ℃[13-15]。全球變暖以后，以前每50年發(fā)生1次的極端熱浪，現(xiàn)在每10年發(fā)生1次(造成森林火災(zāi)、大規(guī)模破壞生態(tài))，傾盆大雨、干旱等極端天氣更加頻繁[16]，已經(jīng)造成了各種全球性自然環(huán)境災(zāi)害(冰川融化、物種加速滅絕等)，嚴(yán)重威脅到全人類生存發(fā)展。針對(duì)全球環(huán)境問題，中國(guó)在2020年9月22日第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：中國(guó)力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到碳排放峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[17]。自此“碳達(dá)峰、碳中和”的雙碳目標(biāo)成為全球大勢(shì)所趨，更是我國(guó)的重大戰(zhàn)略需求。2021年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告中指出：扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)；提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，以實(shí)際行動(dòng)為全球應(yīng)對(duì)氣候變化作出應(yīng)有貢獻(xiàn)[18]。我國(guó)雙碳目標(biāo)及工作的提出，是國(guó)內(nèi)健康可持續(xù)發(fā)展的必要措施，是我國(guó)改善全球環(huán)境的鄭重承諾和決心。

紡織服裝產(chǎn)業(yè)份額大、鏈段長(zhǎng)、能耗與廢物排放多，達(dá)成雙碳目標(biāo)的挑戰(zhàn)度高。紡織服裝產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)之一在于紡紗。傳統(tǒng)紡紗工序長(zhǎng)而散、用工多，造成單產(chǎn)能耗高、產(chǎn)品一致性差、運(yùn)營(yíng)成本高等行業(yè)痛點(diǎn)問題。為滿足多功能高性能紡織品的需求，多種材料復(fù)構(gòu)纖維、多種纖維紡紗份額提高，造成紡紗過(guò)程原料及成品回收難度加大。在保證正常生產(chǎn)的前提下，發(fā)展新技術(shù)與新工藝對(duì)紡紗工序?qū)嵤┕?jié)能減碳，高效使用-循環(huán)利用-清潔運(yùn)用不同原料開發(fā)綠色環(huán)保紗線產(chǎn)品是低碳環(huán)保紡紗所面臨的挑戰(zhàn)性難題。針對(duì)紡紗行業(yè)痛點(diǎn)和低碳排放挑戰(zhàn)，本文首先分析紡紗車間碳排放來(lái)源，然后提出紡紗碳減排方案，最后基于碳減排方案，從人-機(jī)-料-法-環(huán)五位一體層面，深入分析集約型、簡(jiǎn)約型和延伸型低碳紡紗技術(shù)，為紡織服裝行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”生產(chǎn)目標(biāo)，提供一定的方向指導(dǎo)和技術(shù)參考。

1 紡紗車間碳排放問題分析

全球2億多錠環(huán)錠紡，50%以上在中國(guó)。以棉紡為例，在普通環(huán)錠細(xì)紗車間，短纖維紡制成紗的工序步驟為：開松(抓棉機(jī)、開清棉機(jī)、混棉機(jī))→梳理(梳棉機(jī))→精梳(條卷機(jī)、并卷機(jī)、精梳機(jī))→并條(頭道并條機(jī)、末道并條機(jī))→粗紗(翼錠粗紗機(jī))→細(xì)紗機(jī)(環(huán)錠紡紗機(jī))→絡(luò)筒(自動(dòng)絡(luò)筒機(jī))[19]。普通紡紗工序長(zhǎng)、設(shè)備機(jī)型多而散，直接導(dǎo)致了車間人工多、物料運(yùn)輸和耗散量大。特別是，普通環(huán)錠紡紗的加捻效率低、卷裝小、紡紗速度慢，其紗線品質(zhì)受車間溫濕度環(huán)境影響大，因此，囊括人-機(jī)-料-法-環(huán)的高耗散、慢速度、低品質(zhì)紡紗車間，直接或間接進(jìn)行著較高的“碳排放”。具體而言，紡紗車間人工多，造成更多資源消耗、生活垃圾排放；機(jī)器運(yùn)行耗電、耗油、耗氣，導(dǎo)致化石燃料消耗、引起碳排放；紡紗原料絕大多數(shù)為碳基高分子纖維材料，尤其是石油化工合成化學(xué)纖維原料，紡紗織造經(jīng)服用后廢棄，碳排放相當(dāng)可觀；普通紡紗方法存在上述行業(yè)痛點(diǎn)問題、過(guò)程原料及成品難回收的難點(diǎn)問題；紡紗車間所需溫濕度環(huán)境的營(yíng)造，消耗化石燃料、引起碳排放。綜上：紡紗生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的直接碳排放為紡紗生產(chǎn)機(jī)器運(yùn)行和物理變化引起的碳排放、廢料處理引起的碳排放、環(huán)境調(diào)節(jié)消耗能源的碳排放等；間接碳排放為紡紗生產(chǎn)過(guò)程中外購(gòu)電力等能源、原材料制備和運(yùn)輸引起的碳排放等[20]。

由此可見，普通環(huán)錠紡紗車間碳排放呈現(xiàn)了份額大、因素多、源頭廣的特征。為實(shí)現(xiàn)紡紗生產(chǎn)的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，紡紗車間的發(fā)展愿景是：走綠色低碳發(fā)展道路，重構(gòu)提質(zhì)增效的高質(zhì)量紡紗新模式，探索精簡(jiǎn)節(jié)約、變廢為寶、化腐朽為神奇的紡紗新技術(shù)，發(fā)展清潔能源、固碳材料、低能耗/零能耗制品的底層與高層創(chuàng)新型紡紗技術(shù)。

2 紡紗車間碳排放方案的建立

針對(duì)紡紗各環(huán)節(jié)碳排放問題，本文以紡紗工業(yè)發(fā)展愿景、全面質(zhì)量管理理論為指引，探索和解析基于碳中和人-機(jī)-料-法-環(huán)五位一體紡紗新技術(shù)。人-機(jī)-料-法-環(huán)五要素分別為：制造產(chǎn)品的人員、所用的設(shè)備、所用的原料、所用的方法、過(guò)程所處的環(huán)境。把控好上述五要素是低碳高品質(zhì)紡紗生產(chǎn)的保障。圖1示出低碳紡紗方案策略框架。

圖1 低碳紡紗方案策略框架Fig.1 Scheme strategy framework of low-carbon spinning

由圖可知，為實(shí)現(xiàn)“碳中和”這一目標(biāo)，建立五位一體紡紗碳減排的實(shí)施方向：1)精確管控、提質(zhì)增效；2)節(jié)能減排、回收利用；3)綠色原料、能源與產(chǎn)品。人：精簡(jiǎn)人員，加強(qiáng)培訓(xùn)；機(jī)：加強(qiáng)創(chuàng)新，提高效能；料：立足國(guó)內(nèi)，減少制備、運(yùn)輸和終端產(chǎn)品使用中碳排放；法：縮短流程，提升質(zhì)量和產(chǎn)量；環(huán)：控制排放，加強(qiáng)循環(huán)和利用?；诩徏喬紲p排的實(shí)施方向，提出了三大低碳紡紗策略：1)集約化智能管控人-機(jī)-料-法-環(huán)，提質(zhì)增效；2)節(jié)約化創(chuàng)新紡紗流程，縮短流程、節(jié)約能源、用工和原料；3)延伸型創(chuàng)新紡紗新材料、新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的綠色紡紗加工。

3 集約型低碳紡紗技術(shù)解析

3.1 集約型低碳紡紗所面臨的技術(shù)瓶頸

針對(duì)耗散型普通環(huán)錠紡紗所面臨的工序長(zhǎng)、設(shè)備散，用工多、效率低，損耗大、品質(zhì)差的行業(yè)痛點(diǎn)問題，發(fā)展精確管控、提質(zhì)增效的集約型低碳紡紗技術(shù)有以下瓶頸難題：1)關(guān)鍵智能紡紗裝備存在短板。梳理是紡紗的心臟，然而高效率、智能化、高品質(zhì)的高端梳理裝備卻受制于國(guó)外，智能普梳機(jī)以德國(guó)特呂茨勒、瑞士立達(dá)裝備為代表，智能精梳機(jī)以瑞士立達(dá)的全自動(dòng)裝備為代表；2)智能紡紗物流運(yùn)輸存在間斷。現(xiàn)代化紡紗物流系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)清梳聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、細(xì)絡(luò)聯(lián)，但在梳棉→并條、并條→條并卷、精梳→末并、末并→粗紗、打包→倉(cāng)儲(chǔ)之間，未實(shí)現(xiàn)智能連接；3)物料收付和回用的智能化被忽略，全流程智能回花收付難以實(shí)現(xiàn)；4)國(guó)內(nèi)外控制系統(tǒng)兼容性差，信息孤島頻現(xiàn)；5)細(xì)紗是紡紗的大腦。高品質(zhì)高效率紡紗的同時(shí)，如何實(shí)施節(jié)能、節(jié)料，是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)智能化紡紗的關(guān)鍵難題。

3.2 智能集約普通紡紗的人-機(jī)-料-法-環(huán)

為減員增效、智能管控、高質(zhì)紡紗，由武漢裕大華紡織服裝集團(tuán)有限公司牽頭，聯(lián)合經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司、國(guó)機(jī)智能技術(shù)研究院有限公司、武漢紡織大學(xué)，集約普通環(huán)錠紡紗的人-機(jī)-料-法-環(huán)，在全國(guó)最先完成100%國(guó)產(chǎn)化全流程智能紡紗車間的示范化建設(shè)和應(yīng)用[21]:1)創(chuàng)新研制國(guó)產(chǎn)智能化核心裝備(JWF1213型清梳聯(lián)、JWF1316型勻整并條機(jī)、JWF1286型全自動(dòng)精梳機(jī)、JWF1458型自落粗紗機(jī)、JWF1572JM型全自動(dòng)細(xì)紗機(jī)、VCRO-1型自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)、JWF0 016 D型異纖機(jī)等)，自主研發(fā)軌道輸送、斷頭停喂、自動(dòng)監(jiān)測(cè)和追溯等配套裝備，奠定集約型低碳智能紡紗的國(guó)產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)，解決了關(guān)鍵智能紡紗裝備依賴進(jìn)口的難題。

2)創(chuàng)新應(yīng)用“清梳聯(lián)→頭并→條并卷→精梳→末并→粗紗→細(xì)紗→絡(luò)筒→自動(dòng)打包→智能倉(cāng)儲(chǔ)”的全國(guó)產(chǎn)、全流程智能物流系統(tǒng)，融合和集成智能紡紗裝備，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用人、智能化快速高效物流送料。

3)創(chuàng)新實(shí)施國(guó)產(chǎn)化全流程智能回花收付系統(tǒng)，把生產(chǎn)過(guò)程各工序的落塵、回花、回條、回絲與全流程自動(dòng)化收集、分揀和打包融為一體，實(shí)現(xiàn)紡紗各工序物料的智能分揀和收付[22]，節(jié)約了原料。

4)應(yīng)用和實(shí)施全流程無(wú)死角的智能紡紗生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，融合紡紗工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，集成優(yōu)化配置人工、設(shè)備、物料和能源。

5)基于智能紡，集成適用于柔性纖維的節(jié)能脈聚紡[23]、適用于熱敏剛性纖維的柔化穩(wěn)態(tài)捕捉紡[24-25]、適用于免定型針織紗的扭妥紡[26-27]、適用于超高支紗的嵌入式復(fù)合紡[28-39]等新方法(見圖2)，大幅提升細(xì)紗效率和品質(zhì)。

圖2 國(guó)產(chǎn)化紡紗新方法Fig.2 New method of domestic spinning

3.3 集約型低碳紡紗技術(shù)實(shí)施效果

基于上述5方面的智能化集約，實(shí)現(xiàn)智能裝備、物流、質(zhì)量追溯、回花收付和高品質(zhì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控系統(tǒng)的互通互融，100%國(guó)產(chǎn)智能化紡紗關(guān)鍵設(shè)備處于國(guó)際先進(jìn)領(lǐng)先水平(見表1)，成功將勞動(dòng)密集型紡紗工廠轉(zhuǎn)變成科技集約型智能車間，實(shí)現(xiàn)綠色低碳的高效高質(zhì)紡紗生產(chǎn)[30]。目前集約型低碳智能紡紗車間所能達(dá)到的效果見表2?？煽吹?，集約型智能紡紗車間可有效解決了紡紗行業(yè)痛點(diǎn)問題和智能化高質(zhì)紡紗難題。

表1 國(guó)產(chǎn)智能化紡紗關(guān)鍵裝備與國(guó)外類比Tab.1 Comparison of domestic intelligent spinning key equipment with foreign

表2 全國(guó)產(chǎn)智能紡紗效果與國(guó)內(nèi)外普通紡、智能紡效果的比較Tab.2 Comparison of fully domestic intelligent spinning with ordinary and foreign intelligent spinnings

4 簡(jiǎn)約型低碳紡紗技術(shù)解析

4.1 短流程高速紡紗技術(shù)

除了互通互聯(lián)的集約型智能紡紗技術(shù)，降低紡紗碳排放、提升紡紗效率的最直接方式是縮短紡紗流程、提升加捻和卷繞速度。自1828年美國(guó)科學(xué)家Thorpe發(fā)明了環(huán)錠細(xì)紗機(jī)以后，雖然集聚紡、賽絡(luò)紡、柔潔紡、扭妥紡、智能紡等環(huán)錠紡紗新技術(shù)得到充分發(fā)展[31]，但受環(huán)錠加捻機(jī)構(gòu)和成紗原理的限制，環(huán)錠細(xì)紗機(jī)無(wú)法消除粗紗和絡(luò)筒工序，成紗速度難以超過(guò)25 m/min，形成了工序流程長(zhǎng)、紡紗速度低的冗慢型生產(chǎn)模式，難以進(jìn)一步低碳減排，如圖3所示。因此，具有短流程、高速度特征的新型加捻卷繞方式應(yīng)運(yùn)而生，替代了環(huán)錠加捻方式，取消了粗紗→細(xì)紗→絡(luò)筒工序配置[32]，形成了諸如轉(zhuǎn)杯紡[33]、摩擦紡[34]、渦流紡[35]等簡(jiǎn)約型低碳紡紗模式，采用纖維條直接一步法紡制成筒紗。

圖3 簡(jiǎn)約型短流程高速的開放端紡紗技術(shù)特征及代表Fig.3 Technical characteristics and representatives of simple-type short-process high-speed open-end spinning

目前在紡織工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用量大面廣的是轉(zhuǎn)杯紡紗和渦流紡紗技術(shù)。轉(zhuǎn)杯紡紗原理是將由纖維條經(jīng)分梳輥分梳而成的纖維流，通過(guò)輸纖通道喂入到轉(zhuǎn)速高達(dá)2.0×105r/min(德國(guó)賜來(lái)福公司AUTOCRO8-AUTOCRO10系列轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī))的轉(zhuǎn)杯內(nèi)壁凝聚槽中；受轉(zhuǎn)杯高速回轉(zhuǎn)作用，須條纖維流在轉(zhuǎn)杯中進(jìn)行開放端式邊凝聚、邊加捻成紗條；形成的紗條經(jīng)阻捻盤、導(dǎo)紗管、輸出羅拉、槽筒，以高達(dá)300 m/min的速度纏繞成大卷裝筒紗。渦流紡紗原理是將纖維條經(jīng)過(guò)羅拉牽伸機(jī)構(gòu)進(jìn)行100倍級(jí)牽伸成的須條纖維，經(jīng)前鉗口輸出后，進(jìn)入渦流紡紗器中；經(jīng)渦流紡紗器的輸纖管、導(dǎo)針引導(dǎo)，進(jìn)入渦流室內(nèi)，受到渦流場(chǎng)旋轉(zhuǎn)氣流作用，須條前纖維的頭端插入靜止錠入口中而凝聚、尾端貼附在靜止錠錐面上而開纖，須條前纖維尾端連續(xù)包纏須條后纖維頭端而形成紗條；形成的紗條經(jīng)導(dǎo)紗管、輸出羅拉鉗口、USTER紗線品質(zhì)監(jiān)測(cè)器、張力調(diào)節(jié)裝置、上蠟裝置、槽筒，以高達(dá)550 m/min(日本村田MVS870E系列渦流紡紗機(jī))的速度纏繞成大卷裝筒紗?？梢?，開放端須條加捻、獨(dú)立卷繞，是實(shí)現(xiàn)高速度、大卷裝的必要條件。

除了短流程、高速度特征，轉(zhuǎn)杯紡紗、渦流紡紗機(jī)，已經(jīng)發(fā)展為配件低損/無(wú)損化、高精度在線品質(zhì)檢測(cè)、自動(dòng)接頭/落紗/換管、自優(yōu)化管理等智能設(shè)備，進(jìn)一步降低人工、節(jié)約用料和低耗能，實(shí)現(xiàn)低碳減排。然而開放端加捻方式，使得轉(zhuǎn)杯紡紗線結(jié)構(gòu)為內(nèi)緊外松的分層捻合構(gòu)象[36]、渦流紡紗線結(jié)構(gòu)為芯部纖維平直、外層錐形螺旋式包纏構(gòu)象[37]，無(wú)法形成握持端加捻形成的環(huán)錠紡紗體內(nèi)外轉(zhuǎn)移式纖維抱合構(gòu)象，致使轉(zhuǎn)杯紡、渦流紡紗線強(qiáng)力低[38-39]。在保留握持端成紗的高品質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的同時(shí)，縮短紡紗流程、提高速度，倍捻直絡(luò)的握持端紡紗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生(見圖4)[40]。

圖4 簡(jiǎn)約型短流程中速握持端倍捻直絡(luò)紡紗技術(shù)Fig.4 Simple-type short-process medium-speed double-twisted and direct-cone-winded nip-end spinning

自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化倍捻直絡(luò)的握持端紡紗技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)纖維條直接紡成筒紗、倍捻錠子進(jìn)行2倍捻紡紗、羅拉鉗口握持須條加捻成紗，從而為工序短、效率高、品質(zhì)優(yōu)的綠色高質(zhì)化紡紗提供增選方案。

4.2 超短流程紡紗技術(shù)

短流程高速紡紗技術(shù)只是將傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗工序的“粗紗→細(xì)紗→絡(luò)筒”3道工序，縮短至1道工序，而對(duì)“配棉→開清→普梳→精梳→并條”等前紡工序沒有改變，導(dǎo)致紡紗流程縮短不徹底、低碳生產(chǎn)不充分，因此，超短流程紡紗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，直接跳過(guò)前方工序、粗紗、細(xì)紗和絡(luò)筒工序，采用纖維或制備纖維的型膜原料進(jìn)行高效率加捻、大卷裝卷繞紡紗，如圖5所示。長(zhǎng)絲直接牽伸加捻紡紗技術(shù)是采用在多捻紡紗裝置中，多層氣流控制層逐層縮小，渦流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)絲的牽伸與加捻紡紗，直接將長(zhǎng)絲纖維制備成大卷裝筒子紗[41]。該紡紗方法省去了開松、梳理、精梳、并條、粗紗等工序，大大縮短了紡紗流程，實(shí)現(xiàn)了纖維直接到筒紗。

圖5 長(zhǎng)絲直接紡成大卷裝紗線的超短流程紡紗技術(shù)Fig.5 Ultra-short process spinning technology of filament direct spun into large cone yarn package

圖6示出采用型膜為原料直接絲化紡紗的超短流程紡紗技術(shù)。它是將型膜先絲化牽伸、再倍捻式高效加捻、大卷裝筒紗卷繞[40,42-43]。該紡紗技術(shù)能夠采用型膜直接紡成筒紗，2倍捻高效加捻紡紗，將膜工業(yè)與紡織業(yè)相融合，從而達(dá)到超短工序、高效加捻卷繞、紗線結(jié)構(gòu)新穎等技術(shù)效果，極大節(jié)約設(shè)備、能耗，減少碳排放。

圖6 型膜絲化直接紡成大卷裝紗線的超短流程紡紗技術(shù)Fig.6 Ultra-short process spinning technology of film-filamentation spun into large cone yarn package

4.3 超紡技術(shù)

如果省略紡紗的細(xì)紗卷繞、絡(luò)筒、熱定形等工序，直接實(shí)施有紡或無(wú)紡編織，則整個(gè)工序看不到完整的紡紗加捻和卷繞，超越了紡紗工序，形成超紡技術(shù)。有紡編織的超紡技術(shù)以邁耶西的紡紗-編織一體化技術(shù)[44-45](Spinitsystems)為代表，直接在緯編大圓機(jī)紗架上放置粗紗原料，省略環(huán)錠加捻卷繞、清潔、復(fù)繞等工序，直接將所紡紗線進(jìn)行緯編編織。該技術(shù)還配備了SE NSOBlueRS針油循環(huán)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)針油系統(tǒng)(每日工作20 h時(shí)消耗2.5～3 L油)相比，可減少30%的新針油用量，進(jìn)一步低碳減排。

無(wú)紡編織的超紡技術(shù)以針織自成形織物制備技術(shù)為代表，直接在無(wú)紡纖維網(wǎng)上進(jìn)行穿刺、鉤取、套圈、彎圈、牽拉和退圈，形成紗線編織外形的織物[46]，如圖7所示。超級(jí)精簡(jiǎn)省略了普梳、精梳、并條、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒和熱定形等工序。無(wú)紡-編織的超紡技術(shù)所節(jié)省的人工量大、設(shè)備臺(tái)數(shù)多、生產(chǎn)環(huán)境更加整潔、原料和能源使用更高效，特別是終端織物中纖維原料損傷小、縱向強(qiáng)力大、織物蓬松柔軟和舒適，實(shí)現(xiàn)了低碳高品質(zhì)紡織加工。

圖7 無(wú)紡-編織的超紡技術(shù)Fig.7 Superspinning technology by integrating non-weaving and weft-knitting

5 延伸型低碳紡紗技術(shù)解析

5.1 綠色環(huán)保型紡紗原料研發(fā)

實(shí)施紡紗生產(chǎn)的碳達(dá)峰、碳中和策略，紡紗是手段、材料是關(guān)鍵。在建設(shè)新材料強(qiáng)國(guó)、高功能高性能紡織品的迫切要求下，紡織新材料應(yīng)朝著綠色化、低碳化、精細(xì)化和節(jié)約化方向發(fā)展。紡紗用的絕大多數(shù)原料是纖維，開發(fā)綠色環(huán)保紗線及面料，要求新型綠色纖維的生產(chǎn)原料無(wú)污染、合成過(guò)程節(jié)能降耗減污、對(duì)人體友好舒適、無(wú)毒可降解的清潔加工、可循環(huán)利用或回歸自然?；谏鲜鲆?，目前已開發(fā)無(wú)印染的天然彩棉原料、原液著色的色紡纖維、綠色環(huán)保聚乳酸纖維、循環(huán)再生纖維以及綠色無(wú)機(jī)纖維(如玄武巖纖維)等。循環(huán)再生纖維主要有再生纖維素纖維、再生聚酯纖維。在循環(huán)再生纖維制備過(guò)程中，將廢舊天然纖維粉體共混加入，改性再生纖維，提升纖維染色、回潮等性能[47-49]，從而實(shí)現(xiàn)了變廢為寶、節(jié)能減排的技術(shù)效果。

5.2 發(fā)展特殊原料的特種固碳紡紗技術(shù)

舊紡織品理論上95%可回收，但實(shí)際我國(guó)廢舊紡織品回收利用率很低(目前只有10%)，核心原因?yàn)椋夯厥辗绞匠杀靖?；再生產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)附加值低[50]。一般廢舊紡織產(chǎn)品回收可分成：零級(jí)回收、初中級(jí)回收、動(dòng)能回收、物理學(xué)回收、有機(jī)化學(xué)回收5類。零級(jí)回收指廢舊物品的立即再運(yùn)用，如二手服裝批發(fā)市場(chǎng)。初中級(jí)回收指紡織品加工過(guò)程中造成的廢棄物、邊角余料的回收運(yùn)用。動(dòng)能回收是對(duì)廢舊紡織產(chǎn)品中的合成纖維，運(yùn)用其焚燒處理發(fā)電回收再運(yùn)用方法。物理學(xué)回收是指在化學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不改變的標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)廢舊紡織產(chǎn)品開松、紡織、成網(wǎng)等物理學(xué)生產(chǎn)加工，做成再造紡織產(chǎn)品的回收運(yùn)用。有機(jī)化學(xué)回收是指用有關(guān)溶解劑有機(jī)化學(xué)回收方式。為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的短流程、低成本、環(huán)保的特色固碳紡紗方法，優(yōu)選物理開松法回收纖維，并聯(lián)合智能紡紗、納微功能復(fù)合紡紗技術(shù)[51-53]，進(jìn)行廢舊紡織品回收再用的高質(zhì)化功能紡紗[54-55]，實(shí)現(xiàn)低碳高質(zhì)化紡紗生產(chǎn)在中部的高端突破。相關(guān)紡紗技術(shù)見圖8。

圖8 循環(huán)回用纖維的高質(zhì)化功能紡紗技術(shù)Fig.8 High-quality functional spinning technology of circulating reused fibers

廢舊紡織品回收利用的纖維強(qiáng)力低、長(zhǎng)度短，適用于非織造和炭化加工處理，難以直接紡紗生產(chǎn)。為充分和高質(zhì)化利用超短超弱纖維及不可紡粉粒材料，應(yīng)大力推行和發(fā)展短流程優(yōu)質(zhì)固碳紡紗技術(shù)(如圖9所示)。將超弱超短的難紡纖維進(jìn)行無(wú)紡成網(wǎng)，然后再裁切成條[56-57]，利用條帶包覆紡紗技術(shù)[58-59]，將碳粉、碳微球顆粒等材料裹覆成紗，制備出具有吸附過(guò)濾、導(dǎo)電傳感等功能紗線及制品。

圖9 短流程優(yōu)質(zhì)固碳紡紗技術(shù)Fig.9 Short-process high-quality carbon-trapping spinning

5.3 發(fā)展低碳功能高附加值紡紗技術(shù)

紡紗的終端綠色產(chǎn)品目標(biāo)是為人們生活提供綠色低碳出行的服裝面料用紗,如具有無(wú)源輻射制冷、隔熱保暖功能的紗線等。將超結(jié)構(gòu)光學(xué)微粒材料引入纖維內(nèi)部，經(jīng)低損傷紡紗技術(shù)成紗，織造成為形態(tài)分級(jí)結(jié)構(gòu)的光學(xué)隨機(jī)超結(jié)構(gòu)材料織物，對(duì)整個(gè)0.3～25 μm波段范圍的高效光譜調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的日間輻射制冷功能。在正午時(shí)段的模擬人體皮膚測(cè)試中(廣州，2020年11月28日)，相較于同色的商用織物(棉、氨綸、麻等)，這種制冷織物下的模擬皮膚溫度可降低5～7 ℃[60]。

受中空竹子和蠶繭的啟發(fā)，通過(guò)摩擦紡紗技術(shù)將柔軟舒適的棉纖維連續(xù)裹覆包纏在中空硅管上，制成獨(dú)特的中空硅膠管為核、棉纖維包覆層為殼的核-殼復(fù)構(gòu)紗，該復(fù)構(gòu)紗賦予終端織物良好的抗皺性能、極高的回彈能力(85.07%)和持久的保溫效果[61]，解決了纖維素中空紗的塌陷起皺和保溫不耐久問題，為冬季保暖服裝提供低碳高品質(zhì)織物紗線提供解決途徑。

6 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)，本文在分析碳中和紡紗背景的基礎(chǔ)上，采用全面質(zhì)量管理理論，確立了人-機(jī)-料-法-環(huán)的五位一體化碳中和紡紗低碳生產(chǎn)策略，深入剖析了集約型、簡(jiǎn)約型和延伸型低碳紡紗技術(shù)，得出以下結(jié)論。

1)集約型智能紡技術(shù)降低用工72.08%、生產(chǎn)效率提升24.4%、運(yùn)行成本降低32.67%，單位產(chǎn)品能耗降低17.5%、產(chǎn)品不良率降低61.54%，解決了傳統(tǒng)紡紗工序長(zhǎng)而散、用工多、單產(chǎn)能耗高、產(chǎn)品一致性差、運(yùn)營(yíng)成本高等行業(yè)痛點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)低碳高質(zhì)紡紗。

2)簡(jiǎn)約型高速紡紗技術(shù)縮短紡紗流程、提升加捻和卷繞速度，紡紗速度最高達(dá)到550 m/min(渦流紡紗)，紡紗過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)短流程、超短流程、無(wú)紡紗流程的選擇式調(diào)節(jié)，滿足了降低碳排、提升效率的各檔綠色低碳紡紗要求。

3)延伸型低碳紡紗分為前端延伸型、中間高端延伸型、終端延伸型，其中發(fā)展前端原料功能化循環(huán)利用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)變廢為寶、節(jié)能減排的目標(biāo)。實(shí)施中端紡紗固碳技術(shù)，生產(chǎn)綠色功能紗線，直接滿足低碳紡紗要求。發(fā)展終端綠色環(huán)保紡織品的制冷、隔熱等功能紗制備技術(shù)，能夠?yàn)槿藗兩钐峁┚G色低碳出行的服裝面料用紗。